PDF《微型红外线传感技术的最新发展 3》

1 所示. 传统的 红外测温仪的主要缺点是光学镜头过于复杂 (如图

1 所示的反射型聚焦镜) ,信号从调制器 到探测器的动作过慢 ,时间常数较大 ,仪器整体 尺寸和重量嫌大等. 而实际应用对检测的要求 越来越高 ,要求仪器小型化和超小型化. 不仅精 度要求高 ,而且要求测量快速或暂态的温度场 的变化. 因此 ,国际上正致力于开发小型、 高效、 快速、 精确、 节能、 成本低的红外测温仪. 图1红外测温仪的构造 红外检测常用于人体检测. 检测的项目包 括人体位置、 移动方向 ,或者用于清点人数、 防 盗等 ,将此信息反馈给空调、 照明设备或报警设 备. 这些都对红外检测器提出了越来越高的要 求. 特别是在保证精度的前提下实现仪器的小 型化甚至微型化 ,成为当前红外测温仪发展的 一个十分重要的趋势. 而要实现这一目标 ,仪器 的3个主要部件 ― ― ― 聚焦镜头、 调制器和探测 部件都必须更新. 实现小型化和微型化 ,这一更 新换代的过程 ,与物理学和光电子学的最新发 展有重要的联系.

2 衍射光学型聚焦镜 热辐射场与普通的可见光场相比 ,有两个 显著的特征. 首先 ,在大部分应用中 ,仪器用于 探测常温甚至低温的物体. 热辐射光强极大值 对应的波长λ m 与绝对温度 T 的关系为 λ m = 2898/ T ( μm) . (2) 例如

300 ℃ 的物体在

5 μm 处有最强的辐射 ,而 接近室温物体的λ m 在10 μm 附近. 由于常用的 光学玻璃的截止频率约为

3 μm ,所以红外测温 仪的聚焦镜通常有两类 :一类是反射型 ,如图

1 所示 ;

另一类是透射型 ,镜头用晶体材料制成 , 例如硅、 砷化镓等 ,这些材料在中红外甚至远红 外都是透明的[2 ] . 其次 ,热辐射场一般比较弱 , 加上红外探测器的灵敏度很低 ,为了提高灵敏 度 ,聚焦光学系统的孔径都必须做得较大. 反射 型镜头结构复杂 ,调节不方便 ,而短焦距大孔径 的晶体透镜厚度很大 ,不仅重量大 ,而且价格昂 贵 ,均不能满足新型的测温仪的要求. 近年来 ,衍射型光学元件 DOE (即二元光 学元件 BOE) 发展很快[3 ,4 ] ,其特点如下 : (1) 容 易做到超薄化 ,集成化 ;

(2) 集光特性好 ,衍射效 率高 ,实现了广角、 高数值孔径化 ;

(3) 由于采用 大规模集成电路制造技术 ,因而能成批处理 ,可 大量生产 ,成本低 ,有均一性. 这些特点完全适 用于红外检测技术 ,因而 DOE 已成为红外测温 仪新一代的聚焦镜 ,衍射型微型镜头激光原理 如图

2 所示. 镜头通常用硅作为基本材料 ,从工作原理 ・

1 6

3 ・

28 卷(1999 年)

6 期图2衍射型微型镜头激光原理 上来看 ,聚焦型 DOE 透镜与传统的菲涅耳透镜 相似 ,它由许多同心的圆环构成 ,每个圆环在 y z 截面中的图形都是一个小棱镜 ,把光线折 转射向共同的焦点. 为了适应于半导体集成电 路的制作工艺 ,棱镜的斜面(实际上是曲面而不 是平面) 制成

2 N 个台阶 ( N ≥ 3) ,形成锯齿状 , 锯齿形进一步简化为内接齿形的台阶形. 随着 N 的扩大 ,焦点处光斑变小 ,衍射效率提高. 一般N=4时,可达到衍射效率的

81 % ,用在红 外检测仪中已足够. 一个典型的红外检测仪用超小型 DOE 的 规格如表

2 所示. 表2红外检测仪用 DOE 透镜规格 入射波长 焦距 直径 NA 刻蚀等级 厚度

10 μm 3mm 212mm

0134 N =