一種基於mems工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置的製作方法

2023-10-10 14:32:29 2

專利名稱：一種基於mems工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，屬於動態紅外場景生成技術領域。
背景技術：
紅外場景產生技術是紅外成像制導半實物仿真系統的核心技術，對紅外成像制導技術半實物系統仿真有及其重要的作用。動態紅外場景產生技術在實驗室條件下模擬目標和背景的紅外輻射特性，為被測試的紅外圖像傳感器提供實時紅外目標和背景的紅外圖像源。動態紅外圖像生成技術可歸納為直接輻射型和輻射調製型兩種類型。對於直接輻射型圖像轉換器來說，其成像像元自身產生輻射，輻射強度由計算機圖像生成系統控制，主要轉換器件有電阻陣列、雷射二極體陣列、紅外陰極射線管、Bly元件和基於光纖的紅外圖像生成器等。對於輻射調製型圖像轉換器來說，其實際上是空間光調製器，計算機圖像生成系統控制對器件的讀出光進行空間強度調製，主要轉換器件有液晶光閥、數字微鏡器件 (DMD)、薄膜空間光調製器等。在上述這些轉換器件中，液晶光閥、Bly元件、電阻陣列、數字微鏡器件(DMD)和雷射二極體陣列在紅外圖像系統半實物仿真試驗中得到實際應用。電阻陣列通過電阻單元內的控制電路控制流過每個電阻的電流就可以控制每個電阻的溫度，從而達到顯示紅外圖像的目的。但是，矽橋電阻陣列的缺陷是像元尺寸大，佔空比低，難以發展較大尺寸的電阻陣列，空間解析度低。數字微鏡器件(DMD)的每個像素點就是一個微小鏡片，每個鏡片都可以通過電路控制偏轉來調整反射光線的強弱。基於數字微鏡器件(DMD)技術的紅外場景產生器件在最近幾年得到了迅猛發展，目前報導的最高解析度已經達到了 1920X1080[17]。該紅外圖像發生器優點是可以對較寬光譜的讀出光進行調製，生成圖像對比度高，技術成熟且已經有了廣泛的應用，但它加工工藝相當複雜，這阻礙了它的進一步發展。Bly元件是一種鍍金黑的薄膜，它吸收可見光圖像的輻射，引起薄膜發熱，金黑薄膜上產生與可見光圖像相對應的紅外圖像。薄膜越薄響應速度越快，但是薄膜太薄OO 200nm)時機械性能就很差，不能做成大面積，因此空間解析度低；通常不能承受500K以上的溫度。基於光纖的紅外圖像生成器是將光纖做成光纖束，然後將光纖束切成需要的面板形式並固定於玻璃基板上，最後在光纖端面製作可見光吸收膜層和紅外發射膜層。基於光纖的紅外圖像生成器的工作原理和Bly cell相同，只是用光纖做「空間採樣」從而提高了空間解析度，但是玻璃基板的製冷效果差影響了轉換圖像質量，且其製作工藝複雜，製作過程可控性差。

發明內容
本發明為解決現有技術中基於光纖的紅外圖像生成器玻璃基板的製冷效果差、製作工藝複雜的問題，提出一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置。本裝置利用MEMS工藝在襯底上製作光纖陣列並在光纖陣列的每個像素立柱頂端形成可見光吸收紅外輻射層，可見光吸收紅外輻射層吸收入射的可見光圖像能量溫度升高，同時向外輻射產生紅外圖像。本發明裝置是通過下述技術方案實現的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，包括襯底、光纖陣列和可見光吸收紅外輻射層，其中光纖陣列是利用MEMS工藝在襯底上加工製作而成，由周期性分布的像素立柱矩陣構成，光纖陣列與襯底緊密結合，每個像素立柱頂端製作有可見光吸收紅外輻射層。所述的襯底為整個裝置的支撐層，起到保證整個裝置機械強度和散熱的作用。襯底的面積和厚度的設計尺寸根據需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定 需要生成的紅外圖像的空間解析度越高，設計的襯底的面積越大；需要生成的紅外圖像的溫度解析度越高，設計的襯底的厚度越大。襯底的材料根據光路設計和需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定可以為透光材料也可以為不透光材料，如果設計的光路需要透過襯底則襯底材料必須為透光材料；如果需要生成的紅外動態場景的背景溫度要求低(低於室溫20°C )或者需要生成的紅外動態場景的幀頻大於50Hz則需要選用不透光材料矽為襯底。所述的光纖陣列由像素立柱構成，像素立柱的結構尺寸根據需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定像素立柱的數量根據紅外動態場景的空間解析度來選定，需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高，像素立柱的數量越多。像素立柱的截面積根據紅外動態場景的空間解析度和像素佔空比來選定需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高，像素立柱的截面積越小；需要生成的紅外動態場景的像素佔空比越大，像素立柱的截面積越大。像素立柱的間距根據紅外動態場景的空間解析度、像素佔空比和溫度解析度來選定需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高，像素立柱的間距越小；需要生成的紅外動態場景的像素佔空比越大，像素立柱的間距越小。需要生成的紅外動態場景的溫度解析度越高，像素立柱的間距越大。像素立柱的高度根據紅外動態場景的最高溫度和幀頻選定需要生成的紅外動態場景的最高溫度越高，像素立柱的高度越大；需要生成的紅外動態場景的幀頻越大，像素立柱的高度越小。所述陣列的材料根據需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定需要生成的紅外動態場景的最高溫度越高，則選擇的材料的導熱性需要越差，同時要求所選材料的MEMS 工藝加工時的寬深比越大；需要生成的紅外動態場景的幀頻越高，則選擇的材料的導熱性需要越好。光纖陣列與襯底結合部位的材料厚度大小根據像素立柱的高度和截面積來選定 像素立柱高度越高，光纖陣列與襯底結合部位的材料厚度越厚；像素立柱截面積越大，光纖陣列與襯底結合部位的材料厚度越小。所述的可見光吸收紅外輻射層被製作在光纖陣列的每個像素立柱頂端，是吸收可見光圖像能量和輻射紅外圖像的關鍵部分；其面積與相應的像素立柱截面積一致。可見光吸收紅外輻射層的材料根據光纖陣列的材料來選定可見光吸收紅外輻射層的材料必須具有很好的與光纖陣列材料的粘附性，且能通過MEMS工藝與像素立柱結合為一體。有益效果本發明提出的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，對比已有技術，具有以下有益效果1)利用MEMS工藝製作，工藝簡單，製作過程可控性高。2)襯底可以使用透明玻璃和不透明矽片兩種形式，使得光路設計更加靈活。3)襯底使用矽片時襯底溫度可精確控制，使得產生的紅外動態場景背景溫度穩定。4)襯底使用矽時，矽的超高導熱性使得裝置在產生紅外動態場景時像素間沒有串擾，同時具有高解析度和高幀頻的性能。5)利用MEMS工藝製作的光纖陣列尺寸控制精確，使得設計與產品有很高的契合性，大大提高了不同性能要求的裝置參數計算的可靠性。6)利用MEMS工藝將可見光吸收紅外輻射層僅製作在像素立柱的頂端，採用這種加工方式大大提高了產生的紅外動態場景的空間解析度、串擾、溫度解析度。


圖1為本發明一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置的結構示意圖；圖2為本發明一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置的剖面示意圖；圖3為具體實施方式
中採用透光玻璃襯底的裝置工作光路圖；圖4為具體實施方式
中採用矽襯底的裝置工作光路圖。標號說明1-襯底，2-像素立柱，3-可見光吸收紅外輻射層，4-可見光反射紅外透射膜。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的優選實施方式做詳細說明，圖1為一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置的示意圖，如圖所示，裝置包括襯底1、由像素立柱2構成的光纖陣列以及像素立柱2頂端的可見光吸收紅外輻射層3。其中，襯底1為整個裝置的支撐層，起到保證整個裝置機械強度和散熱的作用。襯底1的面積和厚度的設計尺寸根據需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定襯底1的面積根據需要生成的紅外動態場景的空間解析度來選定需要生成的紅外圖像的空間解析度越高，設計的襯底的面積越大。襯底1的厚度根據需要生成的紅外動態場景的溫度解析度來選定需要生成的紅外圖像的溫度解析度越高，設計的襯底的厚度越大。襯底1的材料根據光路設計和需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定如果設計的光路需要透過襯底則襯底1材料必須為透光材料；如果需要生成的紅外動態場景的背景溫度要求低(低於室溫20°C )或者需要生成的紅外動態場景的幀頻大於50Hz則需要選用不透光材料矽為襯底1。在實際製作時使用的襯底1為單面拋光的矽材料，其中矽襯底的面積為Φ 50mm， 厚度為300 μ m。採用單面拋光的矽為襯底1材料，在拋光面上進行MEMS工藝操作，使得裝置的有很好的均勻性，並且面積為Φ 50mm,厚度為300 μ m的矽片有很好的機械性。光纖陣列是利用MEMS工藝加工在襯底1上製作而成，是由周期性分布的像素立柱 2矩陣構成，光纖陣列與襯底1緊密結合。像素立柱2的結構尺寸根據需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定像素立柱2的數量由紅外動態場景的空間解析度來選定需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高，像素立柱2的數量越多。像素立柱2的截面積由紅外動態場景的空間解析度和像素佔空比來選定需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高，像素立柱2的截面積越小；需要生成的紅外動態場景的像素佔空比越大，像素立柱2的截面積越大。像素立柱2的間距由紅外動態場景的空間解析度、像素佔空比和溫度解析度來選定需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高，像素立柱2的間距越小；需要生成的紅外動態場景的像素佔空比越大，像素立柱2的間距越小。需要生成的紅外動態場景的溫度解析度越高，像素立柱2的間距越大。像素立柱2的高度由紅外動態場景的最高溫度和幀頻來選定需要生成的紅外動態場景的最高溫度越高，像素立柱2的高度越大；需要生成的紅外動態場景的幀頻越大，像素立柱2的高度越小。光纖陣列與襯底1結合部位的材料厚度與像素立柱2的高度和截面積來選定像素立柱2高度越高，光纖陣列與襯底1結合部位的材料厚度越厚；像素立柱2截面積越大， 光纖陣列與襯底1結合部位的材料厚度越小。光纖陣列的材料根據需要生成的紅外動態場景的性能指標來選定需要生成的紅外動態場景的最高溫度越高，則選擇的材料的導熱性需要越差，同時要求所選材料的MEMS工藝加工時的寬深比越大。需要生成的紅外動態場景的幀頻越高，則選擇的材料的導熱性需要越好。在實際製作時，綜合以上各影響因素，選用了聚醯亞胺作為光纖陣列的材料。聚醯亞胺材料為粘稠液態，在加熱後可以亞胺化，即固化，所以可很好的控制其製作厚度，同時聚醯亞胺適合MEMS工藝的加工工藝，方便了下一步光纖陣列的成型。光纖陣列由像素立柱2周期性排列而成，像素立柱2的截面積為20 μ mX 20 μ m， 間距為5 μ m,像素立柱2的高度為35 μ m,光纖陣列與襯底1結合部位的聚醯亞胺層厚度為 5 μ m。此結構能夠保證光纖陣列的均勻性，使得像素立柱2保持直立狀態。可見光吸收紅外輻射層3被製作在光纖陣列的每個像素立柱2頂端，是吸收可見
6光圖像能量和輻射紅外圖像的關鍵部分。可見光吸收紅外輻射層3的面積與光纖陣列的像素立柱2截面積相同，為 20 μ mX 20 μ m，布滿整個像素立柱2的截面，材料使用碳化後的光刻膠，這有利於可見光吸收紅外輻射層3的製作。本裝置的具體工作過程如圖3所示，具體工作過程為整個裝置置於真空室中，可見光圖像經置於裝置前面的反射鏡面反射後入射到裝置上，圖像的聚焦面為可見光吸收紅外輻射層3的製作面。可見光吸收紅外輻射層3吸收入射來的可見光圖像能量，溫度升高，然後通過輻射膜向外輻射與可見光圖像相對應的紅外圖像，當可見光圖像連續動態變化時，則可產生對應的動態紅外場景。採用光纖陣列的形式，使得裝置的每一個像素實現了物理隔離，即一個像素在發熱時不會影響其周圍的像素的溫度，這就杜絕了像素間的串擾，提高了裝置的解析度。像素立柱2的頂端吸收入射來的可見光圖像能量時，溫度同時向襯底1傳遞，當可見光圖像能量停止入射時，像素立柱2頂端積累的熱量迅速向襯底傳遞，使得每個像素立柱2所代表的像素能夠快速回復背景溫度，這就保證了背景溫度的始終穩定和紅外圖像的幀頻性能。襯底1與光纖陣列緊密結合，襯底1採用矽材料，矽的超高熱導率保證了襯底1溫度的穩定。採用如上所述的材料和參數製作完成的動態紅外圖像生成裝置，其空間解析度達到了 1280X10M，最高溫度達到了 60°C，幀頻達到了 100Hz，空間均勻性為95%。
權利要求
1.一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於包括襯底、光纖陣列和可見光吸收紅外輻射層，其中光纖陣列利用MEMS工藝在襯底上加工製作而成， 由周期性分布的像素立柱矩陣構成，光纖陣列與襯底緊密結合，每個像素立柱頂端製作有可見光吸收紅外輻射層；所述的保證整個裝置機械強度和散熱的襯底為整個裝置作支撐，其面積和厚度根據需要生成的紅外動態場景的性能指標確定；其材料為透光材料或者不透光材料；所述光纖陣列的像素立柱截面積根據紅外動態場景的空間解析度和像素佔空比確定； 其數量根據紅外動態場景的空間解析度確定；其間距根據紅外動態場景的空間解析度、像素佔空比和溫度解析度確定；其高度根據紅外動態場景的最高溫度和幀頻選定；光纖陣列與襯底結合部位的材料厚度大小根據像素立柱的高度和截面積確定；需要生成的紅外動態場景的最高溫度越高，則光纖陣列材料的導熱性需要越差，同時要求所選光纖陣列材料的MEMS工藝加工時的寬深比越大；需要生成的紅外動態場景的幀頻越高，則光纖陣列材料的導熱性需要越好；所述的可見光吸收紅外輻射層吸收可見光圖像能量和輻射紅外圖像；其面積與相應的像素立柱截面積一致；其材料具有很好的與光纖陣列材料的粘附性。
2.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於需要生成的紅外圖像的空間解析度越高，所述襯底的面積越大；需要生成的紅外圖像的溫度解析度越高，所述襯底的厚度越大。
3.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於需要生成的紅外動態場景的背景溫度要求低於室溫20°C或者幀頻大於50Hz，則襯底材料選用矽。
4.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高，所述像素立柱的數量越多。
5.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高或者像素佔空比越小，所述像素立柱的截面積越小。
6.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於需要生成的紅外動態場景的空間解析度越高或者像素佔空比越大或者溫度解析度越低，則所述像素立柱的間距越小。
7.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於需要生成的紅外動態場景的最高溫度越高或者幀頻越小，像素立柱的高度越大。
8.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於所述像素立柱高度越高或者像素立柱截面積越小，光纖陣列與襯底結合部位的材料厚度越大。
9.根據權利要求1所述的一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，其特徵在於在實際製作中選用聚醯亞胺作為光纖陣列的材料。
全文摘要
本發明涉及一種基於MEMS工藝的光纖陣列動態紅外場景生成裝置，屬於動態紅外場景生成技術領域；本方法能夠實現可見光圖像到紅外圖像的轉換，達到大幅度提高動態紅外圖像生成裝置的性能指標並降低成本的目的；該裝置包括襯底、由像素立柱構成的光纖陣列和像素立柱頂端的可見光吸收紅外輻射層。襯底的材料根據設計光路不同可以採用透明玻璃或者矽；光纖陣列是利用MEMS工藝在襯底上製作而成，構成光纖陣列的每個像素立柱相互獨立，作為一個成像像元；可見光吸收紅外輻射膜製作在每個像素立柱的頂端，可見光吸收紅外輻射膜吸收入射來的可見光圖像的能量，溫度升高後向外輻射紅外光，產生與可見光圖像對應的紅外圖像。
文檔編號B81B7/00GK102520334SQ20111042965
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者單偉, 周麗麗, 周振浩, 唐成, 李卓, 李平, 歐文, 錢麗勳 申請人:北京機電工程研究所, 北京理工大學