[发明专利]一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，属于动态红外场景生成技术领域。

背景技术

红外场景产生技术是红外成像制导半实物仿真系统的核心技术，对红外成像制导技术半实物系统仿真有及其重要的作用。动态红外场景产生技术在实验室条件下模拟目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外图像传感器提供实时红外目标和背景的红外图像源。

动态红外图像生成技术可归纳为直接辐射型和辐射调制型两种类型。

对于直接辐射型图像转换器来说，其成像像元自身产生辐射，辐射强度由计算机图像生成系统控制，主要转换器件有电阻阵列、激光二极管阵列、红外阴极射线管、Bly元件和基于光纤的红外图像生成器等。

对于辐射调制型图像转换器来说，其实际上是空间光调制器，计算机图像生成系统控制对器件的读出光进行空间强度调制，主要转换器件有液晶光阀、数字微镜器件(DMD)、薄膜空间光调制器等。

在上述这些转换器件中，液晶光阀、Bly元件、电阻阵列、数字微镜器件(DMD)和激光二极管阵列在红外图像系统半实物仿真试验中得到实际应用。

电阻阵列通过电阻单元内的控制电路控制流过每个电阻的电流就可以控制每个电阻的温度，从而达到显示红外图像的目的。但是，硅桥电阻阵列的缺陷是像元尺寸大，占空比低，难以发展较大尺寸的电阻阵列，空间分辨率低。

数字微镜器件(DMD)的每个像素点就是一个微小镜片，每个镜片都可以通过电路控制偏转来调整反射光线的强弱。基于数字微镜器件(DMD)技术的红外场景产生器件在最近几年得到了迅猛发展，目前报道的最高分辨率已经达到了1920×1080[17]。该红外图像发生器优点是可以对较宽光谱的读出光进行调制，生成图像对比度高，技术成熟且已经有了广泛的应用，但它加工工艺相当复杂，这阻碍了它的进一步发展。

Bly元件是一种镀金黑的薄膜，它吸收可见光图像的辐射，引起薄膜发热，金黑薄膜上产生与可见光图像相对应的红外图像。薄膜越薄响应速度越快，但是薄膜太薄(20～200nm)时机械性能就很差，不能做成大面积，因此空间分辨率低；通常不能承受500K以上的温度。

基于光纤的红外图像生成器是将光纤做成光纤束，然后将光纤束切成需要的面板形式并固定于玻璃基板上，最后在光纤端面制作可见光吸收膜层和红外发射膜层。基于光纤的红外图像生成器的工作原理和Bly cell相同，只是用光纤做“空间采样”从而提高了空间分辨率，但是玻璃基板的制冷效果差影响了转换图像质量，且其制作工艺复杂，制作过程可控性差。

发明内容

本发明为解决现有技术中基于光纤的红外图像生成器玻璃基板的制冷效果差、制作工艺复杂的问题，提出一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置。本装置利用MEMS工艺在衬底上制作光纤阵列并在光纤阵列的每个像素立柱顶端形成可见光吸收红外辐射层，可见光吸收红外辐射层吸收入射的可见光图像能量温度升高，同时向外辐射产生红外图像。

本发明装置是通过下述技术方案实现的：

一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，包括衬底、光纤阵列和可见光吸收红外辐射层，其中：光纤阵列是利用MEMS工艺在衬底上加工制作而成，由周期性分布的像素立柱矩阵构成，光纤阵列与衬底紧密结合，每个像素立柱顶端制作有可见光吸收红外辐射层。

所述的衬底为整个装置的支撑层，起到保证整个装置机械强度和散热的作用。

衬底的面积和厚度的设计尺寸根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：需要生成的红外图像的空间分辨率越高，设计的衬底的面积越大；需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的衬底的厚度越大。

衬底的材料根据光路设计和需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：可以为透光材料也可以为不透光材料，如果设计的光路需要透过衬底则衬底材料必须为透光材料；如果需要生成的红外动态场景的背景温度要求低(低于室温20℃)或者需要生成的红外动态场景的帧频大于50Hz则需要选用不透光材料硅为衬底。

所述的光纤阵列由像素立柱构成，像素立柱的结构尺寸根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：

像素立柱的数量根据红外动态场景的空间分辨率来选定，需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱的数量越多。

像素立柱的截面积根据红外动态场景的空间分辨率和像素占空比来选定：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱的截面积越小；需要生成的红外动态场景的像素占空比越大，像素立柱的截面积越大。