CN111380829A - 一种非制冷光学读出式红外热成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非制冷光学读出式红外热成像***，其中，包括从前至后依次排列的前端结构、激发光源和后端结构，所述前端结构包括真空腔以及位于所述真空腔内从前至后依次设置的透镜、红外探测阵列、样品台及后视镜，所述透镜、所述红外探测阵列及所述样品台和所述后视镜的中心位置均在一条直线上，所述红外探测阵列包括若干个探测单元，所述探测单元包括下至上依次设置的支撑结构、温敏发光层、反射层、吸收层以及硅微透镜。本发明解决了现有的红外成像***的结构及制备工艺复杂，成本高的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种非制冷光学读出式红外热成像***。
背景技术
自然界中的任何物体在温度高于绝对零度的条件下都可以向外发射红外辐射，其中，红外辐射是指波长范围在0.75-1000μm之间的电磁波，又被称为热辐射或者红外线。红外热成像是一种非接触、非侵入、快速高效的技术，通过检测红外辐射并测定红外辐射的强弱可实现人类对红外波段的探测，红外热成像技术在军事上常被用于侦察、卫星及飞机遥感等领域，在生活中常用于生产质量检测、医疗诊断、车载夜视***以及安保监控等。
红外成像***可分为光电探测器和红外热探测器两种，其中，光电探测器的响应频率快，探测灵敏度高，但是在实际应用过程中需要搭载复杂笨重的制冷设备，从而导致探测器的体积大，难以小型化，价格昂贵；红外热探测器分为电学读出式和光学读出式两种，电学读出式探测器的电路制备工艺复杂，随着像素点增加自身发热导致热扰动也增加，影响测试精度，光学读出式探测器，如双材料微悬臂探测阵列及法布里-玻罗微腔探测器，对材料的要求较高，材料的制备和性能优化都非常困难。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非制冷光学读出式红外热成像***，旨在解决现有的红外成像***的结构及制备工艺复杂，成本高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种非制冷光学读出式红外热成像***，其中，包括从前至后依次排列的前端结构、激发光源和后端结构，所述前端结构包括真空腔以及位于所述真空腔内且从前至后依次设置的透镜、红外探测阵列、样品台及后视镜，所述透镜、所述红外探测阵列及所述样品台和所述后视镜的中心位置均在同一直线上，所述红外探测阵列包括若干个探测单元，所述探测单元包括从下至上依次设置的支撑结构、温敏发光层、反射层、吸收层以及硅微透镜。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述样品台为中间镂空平面，所述样品台底部设置有支脚，所述支脚固定设置在所述真空腔的内壁上。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述红外探测阵列设置在所述样品台的镂空部位上方。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述透镜为锗红外非球面透镜。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述温敏发光层的材料为温敏漆材料。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述吸收层材料为多孔铬。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述反射层材料为铝。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述后视镜为高透射率石英玻璃。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述后端结构包括滤波片、镜头、CCD相机。
所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其中，所述滤波片为带通滤波片。
有益效果：本发明基于温敏漆材料设计的非制冷光学读出式红外热成像***，其中在探测单元表面通过硅微透镜的二次聚焦，使得红外探测阵列对红外吸收增强，能够提高信号变化，实现更加精准的红外热成像，同时，制备的非制冷光学读出式红外热成像***的结构及制备工艺简单，不需要搭载复杂笨重的制冷设备，制作成本低，有效解决了现有技术中的红外成像***的结构及制备工艺复杂，成本高的问题。
附图说明
图1为本发明一种非制冷光学读出式红外热成像***的较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明一种非制冷光学读出式红外热成像***中红外探测阵列的较佳实施例的俯视图。
图3为本发明一种非制冷光学读出式红外热成像***中用于支撑红外探测阵列的支撑部的阵列分布以及结构单元的示意图。
图4为本发明一种非制冷光学读出式红外热成像***中红外探测阵列的较佳实施例的剖视图。
图5为本发明一种非制冷光学读出式红外热成像***中较佳实施例的传热示意图。
图6为实施例1中所制得的非制冷光学读出式红外热成像***中钌基温敏漆材料归一化发光强度与温度之间的关系图。
具体实施方式
本发明提供一种非制冷光学读出式红外热成像***，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为一种非制冷光学读出式红外热成像***的较佳实施例的结构示意图，如图所示，所述非制冷光学读出式红外热成像***包括从前至后依次排列的前端结构1、激发光源2和后端结构3，其中，所述前端结构1包括真空腔10以及位于所述真空腔10内且从前至后依次设置的透镜11、红外探测阵列12、样品台13及后视镜14，所述透镜11、所述红外探测阵列12及所述样品台13和所述后视镜14的中心位置均在同一直线上，所述红外探测阵列12包括若干个探测单元120，所述探测单元包括由下至上依次设置的支撑结构121、温敏发光层122、反射层123、吸收层124以及硅微透镜125。
本实施例中，所述透镜11采用的是锗红外非球面透镜，当在透镜11前放置有热源时，所述透镜11可将被测热源向外辐射的红外线聚焦在红外探测阵列12表面，同时，隔绝环境的可见光辐射，真空腔10为所述红外探测阵列11提供真空环境，在所述红外探测阵列12中所述探测单元120呈阵列排布，所述硅微透镜125设置在所述吸收层124表面用于对红外线进行二次聚焦，其后，所述吸收层124将透过的红外线吸收并升温，同时，还可减少红外线的反射，图2为非制冷光学读出式红外热成像***中红外探测阵列的较佳实施例的俯视图，如图2所示，本实施例中，所述硅微透镜125的直径大于所述吸收层124的直径，所述硅微透镜125之间相互连接，形成与所述红外探测阵列12相同排布的阵列结构，在所述红外探测阵列12的边缘还设置有连接柱，所述连接柱用于支撑所述硅微透镜125形成的阵列结构，使其设置在所述吸收层124表面且不与所述吸收层124直接相连，优选地，所述吸收层的为多孔铬，所述反射层123可隔绝红外线透射，并将激发光源2透过所述热敏发光层122部分的激发光进行反射，增强所述吸收层124的红外吸收以及所述温敏发光层122的受激发光，优选地，所述反射层的材料为铝，进一步地，本实施例中，所述温敏发光层122在常温条件下受到激发光源2的激发会向外发射荧光，本实施例中，采用温敏漆材料作为所述温敏发光层122的材料，当所述温敏发光层122的温度升高后，由于所述温敏发光层122中的温敏漆材料发生热淬灭效应，温度升高的位置的像素点的发光强度降低，从而使得所述温敏发光层122中不同位置的探测单元发光强度有所区别，后端结构3对所述红外探测阵列12发射的荧光进行处理，即可实现所述红外探测阵列12的亮度变化拍摄。
本实施例中，相较于现有的红外探测***，本实施例中的非制冷光学读出式红外热成像***的结构及制备工艺简单，不需要搭载复杂笨重的制冷设备，制作成本低，且在探测过程中，通过硅微透镜的二次聚焦，使得红外探测阵列对红外吸收增强，实现更加精准的红外热成像。
在本实施方式中，所述样品台13为中间镂空平面，所述样品台13底部设置有支脚，所述支脚固定设置在所述真空腔10的内壁上，所述样品台13的镂空部位设置有用于承载所述红外探测阵列12的基底材料，所述红外探测阵列12分布于所述基底材料上，从而实现所述红外探测阵列12悬空设置在所述样品台13的镂空部位上方，优选地，所述基底材料为硅片，所述红外探测阵列12在所述硅片上分布的区域下方的硅片被刻蚀去除，从而形成只由光刻胶构成的支撑结构阵列1210，所述红外探测阵列12分布于所述支撑结构阵列1210上，请参阅图3，如图所示，所述支撑结构阵列1210的单元结构1211由中间探测区域1212与边框1213构成，所述探测区域1212与所述边框1213之间采用横梁(1214/1215/1216/1217)进行连接，在所述探测区域1212与所述边框1213之间构成有中空结构，所述中空结构能够减少探测区域通过横梁热传导造成的热耗散。本实施例中，所述红外探测阵列12的探测单元120通过所述支撑结构阵列边缘连接至未被刻蚀的硅片表面，从而实现所述红外探测阵列12悬空设置在所述硅片表面，优选地，所述支撑结构阵列通过光刻设计制备获得。
在一些实施方式中，所述后端结构3包括滤波片30、镜头31、CCD相机32，其中，所述滤波片30为带通滤波片。本实施例中，所述激发光源2透射过后视镜14后，照射在红外探测阵列12的温敏发光层122表面，受激发后的所述温敏发光层122即向外发出荧光并透过所述后视镜14，被CCD相机32捕捉，滤波片30将发射光波长范围外的光进行过滤，镜头31通过与所述CCD相机32进行连用，通过调用所述镜头31聚焦在所述红外探测阵列12的下表面，由于所述温敏发光层122中的温敏漆材料发生热淬灭效应，温度升高的位置的像素点的发光强度降低，从而使得所述温敏发光层122中不同位置的发光强度有所区别，实现对所述红外探测阵列12的热敏发光层122的亮度变化拍摄，同时，所述CCD相机32可与计算机电连，直接在计算机上对所述CCD相机进行控制。
进一步地，对本发明一种非制冷光学读出式红外热成像***的原理进行解释说明，如图1所示，本发明的基于温敏漆材料的红外热成像***在工作时，透镜11、红外探测阵列12、后视镜14、滤波片30以及镜头31和CCD相机32的中心均在同一直线上，激发光源2均匀的照射在所述红外探测阵列12的温敏发光层123表面，当热源辐射出的红外线经过透镜11及硅微透镜125二次聚焦后，被所述红外探测阵列12上的各个探测单元120中的吸收层124所吸收，使得所述吸收层124的温度升高，如图5所示，热源经过所述透镜2后，辐射到所述红外探测阵列12的能量Q1可表示为：
其中，σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数，A表示红外探测阵列的表面积，T热源表示热源温度，ε热源表示热源的发射率(即指相同温度下，热源的辐射能力与黑体辐射能力的比值)，f表示热源与所成像的面积比，F为红外探测阵列与透镜的视角系数。
而红外探测阵列12向外散失的热量可分为向后视镜14辐射耗散的能量Q2，温敏发光层122通过支撑结构121热传导耗散的能量Q3，以及向四周辐射耗散的能量Q4，由能量守恒可知：
Q1＝Q2+Q3+Q4 (2)
吸收层124的温度升高后，通过反射层123将温度传递给温敏发光层122，因此，温敏发光层122的温度也随之升高，即
T吸收层＝T热敏发光层
激发光源2照射在温敏发光层122表面，温敏发光层122在常温条件下受到激发光源2的激发向外发射荧光，由于温敏发光层122中温敏漆材料的热淬灭效应，温度升高的位置的像素点发光强度降低，此时，CCD相机32通过调节镜头31的参数，聚焦在红外探测器阵列12的温敏发光层122表面，拍摄亮度变化的照片，通过对比温敏发光层122不同位置的亮度变化，即可获得不同位置的温度分布，从而实现红外热成像，其中，亮度变化与温敏发光层122的温度变化关系可通过实验对温敏漆材料进行标定，例如，在本实施例中，热敏发光层是由Ru(Phen)3Cl2、PVA、H2O混合后制备而成，在冷台变温测试条件下，通过蓝色LED灯激发热敏发光层测试发光变化，测得数据进行整理，绘制图像，拟合可得Ru(Phen)3Cl2金属配合物热敏发光层归一化发光强度与温度之间的关系，如图6所示，图6为不同配比的钌基温敏漆材料作为温敏发光层的发光强度与温度的关系。
因此，采集CCD相机拍摄得到的亮度变化图像，通过图像处理得到亮度变化，比对热敏发光层归一化发光强度与温度之间的关系便可得红外探测阵列上不同像素点温度，即T热敏层，又因T吸收层＝T热敏层，结合方程(1)及(2)可确定T热源，从而得到被探测热源的温度分布及获取红外热成像图。
综上所述，本发明提供了一种非制冷光学读出式红外热成像***，通过硅微透镜的二次聚焦，使得红外探测阵列对红外吸收增强，实现更加精准的红外热成像，同时，红外热成像***的结构及制备工艺简单，不需要搭载复杂笨重的制冷设备，制作成本低，有效解决了现有技术中的红外成像***的结构及制备工艺复杂，成本高的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，包括从前至后依次排列的前端结构、激发光源和后端结构，所述前端结构包括真空腔以及位于所述真空腔内且从前至后依次设置的透镜、红外探测阵列、样品台及后视镜，所述透镜、所述红外探测阵列及所述样品台和所述后视镜的中心位置均在同一直线上，所述红外探测阵列包括若干个探测单元，所述探测单元包括下至上依次设置的支撑结构、温敏发光层、反射层、吸收层以及硅微透镜。
2.根据权利要求1所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述样品台为中间镂空平面，所述样品台底部设置有支脚，所述支脚固定设置在所述真空腔的内壁上。
3.根据权利要求2所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述红外探测阵列设置在所述样品台的镂空部位上方。
4.根据权利要求1所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述透镜为锗红外非球面透镜。
5.根据权利要求1所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述温敏发光层的材料为温敏漆材料。
6.根据权利要求1所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述吸收层材料为多孔铬。
7.根据权利要求1所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述反射层材料为铝。
8.根据权利要求1所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述后视镜为高透射率石英玻璃。
9.根据权利要求1所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述后端结构包括滤波片、镜头、CCD相机。
10.根据权利要求9所述的非制冷光学读出式红外热成像***，其特征在于，所述滤波片为带通滤波片。
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