光学读出红外成像中反光板变形对光学检测灵敏度的影响.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第28卷第4期2009年8月红 外 与 毫 米 波 学 报J.InfraredMillim.WavesVol.28,No.4August,2009文章编号:1001-9014(2009)04-0249-05收稿日期:2008209216,修回日期:2009202203 Received date:2008209216,revised date:2009202203基金项目:自然科学基金仪器专项基金(10627201)、重点基金(10732080)和国家重大基础研究计划(2006CB300404)资助项目作者简介:高 杰(19792),男,安徽滁州人,博士研究生,主要从事红外焦平面阵列和非制冷红外成像技术的研究.Corresponding author:E2mail:.光学读出红外成像中反光板变形对光学检测灵敏度的影响高 杰1,张青川13,陈大鹏2,焦斌斌2,史海涛1,钱 剑1,程 腾1,伍小平1(1.中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,安徽 合肥 230027;2.中国科学院微电子研究所,北京 100029)摘要:在刀口滤波光学读出方法的基础上,讨论了反光板弯曲的情况下,刀口滤波方法的光学检测灵敏度与反光板长度之间的关系.分析表明,在反光板曲率半径一定的情况下,光学检测灵敏度首先随着反光板长度的增加而增大,达到最大值后随着反光板长度的增加而减小.对于不同曲率半径和长度的反光板,分析给出反光板长度L和曲率半径R在满足L2/R=(为照明光波长)时,光学检测灵敏度达到最大值.实验测量了已制作的像素尺寸分别为200m,120m和60mFPA的光学检测灵敏度,其实验结果和理论分析一致.关 键 词:非制冷红外成像;双材料微悬臂梁;光学读出;焦平面阵列中图分类号:TB331;TN216 文献标识码:AEFFECT OF REFLECTOR DEFORMATION ON OPTICALDETECTION SENSITIVITY FOR OPTICAL READOUTINFRARED IMAGING SYSTEMGAO Jie1,ZHANGQing2Chuan13,CHEN Da2Peng2,J IAO Bin2Bin2,SH IHai2Tao1,Q I AN Jian1,CHENG Teng1,WU Xiao2Ping1(1.CAS KeyLaboratory ofMechanicalBehavior and Design ofMaterials,University of Science andTechnology of China,Hefei230027,China2.Institute ofMicroelectronics,Chinese Academy of Science,Beijing100029)Abstract:Based on the optical readout method with knife edge filter,the relationship between the optical detectionsensitivity and reflector length was discussed under the circumstance that the reflectorwas bent.Analysis indicates that theoptical sensitivity increaseswith the reflectors lengthening at first,then it reaches amaxi mum value,and then it decreasesas the reflector continues to lengthen.For the reflectorswith different curvature radii and lengths,analysis shows that thesensitivitywill reach a maxi mum value when the expressionL2/R=(Lis length of reflector,Ris curvature of the reflector,iswavelength of illumination light)is satisfied.The optical detection sensitivities of the fabricated FPAs with differentpixel sizes as 200m,120m and 60m were obtained experimentally.The result coincideswith the theoretical analysis.Key words:uncooled infrared imaging;bi2microcantilever;optical readout;FPA引言非制冷红外成像技术是基于探测器吸收入射红外辐射产生温升,从而导致探测器的物理性能发生变化,通过检测物理变化得到红外图像.由于不用附加制冷装置,所以系统更加轻便,制造更加容易.目前热型红外探测器的NETD值一般在50100mk.随着MEMS工艺的发展,双材料微悬臂梁阵列结构以及各种光学读出方法被引用到红外探测领域中来,并被加以广泛的研究.光学读出方法由于不需在每个感热像素上集成高灵敏度的读出电路(RO IC),大大降低了红外焦平面阵列(FPA,Focal Plane Ar2rays)的制作难度和费用.200022001年,University ofCalifornia,Berkeley的Majumdar研究小组发展了基 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/红 外 与 毫 米 波 学 报28卷于光学干涉读出方式的双材料微悬臂梁红外焦平面阵列,并获得了人体的热图像1.本课题组提出了刀口滤波的光学读出方法2,将微悬臂梁转角信号转化为CCD靶面上微梁像的光强信号变化.当反光板是理想平直镜面时,光学检测灵敏度随着反光板的尺寸增大而线性增加,而反光板尺寸越小,光学检测灵敏度也越低.在以往的研究中发现,随着反光板尺寸的减小,光学检测灵敏度并没有单调减小325.本文运用傅里叶光学理论对弯曲反光板的光学检测灵敏度进行了理论分析,给出不同曲率半径下光学检测灵敏度和反光板长度之间的关系,分析了最大光学检测灵敏度的条件和产生机理,并对分析结果进行了实验验证.1 光学读出原理刀口滤波光学读出红外成像系统的原理225 如图1所示,红外透镜将热物体的红外辐射能汇聚到放置于真空室中(0.1Pa)的FPA上,双材料微悬臂梁阵列产生温升,使得反光板产生与温升成比例的转角.LED光源发出的可见光,经过半透半反镜和傅里叶透镜准直后照在FPA镀金面上,其反射光线再次通过该傅里叶透镜和半透半反镜,在透镜的后焦平面上放置刀口滤波装置,成像透镜将FPA像成在CCD靶面上,发生偏转的反光板的衍射谱将在傅里叶透镜的后焦平面上发生平移,移动量为2f(其中f为傅里叶透镜的焦距,为反光板的转角),此时放置在谱平面上的刀口滤波器定义了通光与不通光区域,偏转角 越大,谱的移动量也越大,通过刀口滤波器的能量就越多.CCD接收到信号后做相减处理,即将FPA上的热图像转化为可见光图像.图3 数值模拟表1中三组FPA在谱平面上的归一化光强及其积分分布图(a)光强分布(b)光强的积分Fig.3Intensity distribution and intensity integrated on spec2trum plane by simulation(a)intensity distribution(b)the inten2sity integral of curves in(a)2 光学检测灵敏度分析刀口滤波光学读出系统的光学灵敏度被定义为225:反光板单位转角变化()导致的CCD灰度等级的变化(I),即 I/.如图3所示,平面光波照射在微梁反光板上,反射光经傅里叶透镜转化为谱平面上微梁的衍射谱,当反光板发生弯曲后(图3中点画线所示,设曲率半径为R),与理想平直反光052 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/4期高 杰等:光学读出红外成像中微梁反光板变形对光学检测灵敏度的影响板相比,光程差为两倍的 Z(Z为弯曲反光板与理想平直反光板在坐标x处沿Z方向的距离),Z可以表示为(xR)Z=R-R2-x2x2/2R,(1)所以坐标x处由于镜面弯曲造成的位相延迟为(x)=(2/)2Z=2x2/R,(2)其中(=015m)为照明光波长,则弯曲反光板的衍射谱光强分布为3 I(xf,R,L)=(A/f)2|+-rect(x/L)exp(j2x2/R)exp(-j2xxf/f)dx|2,(3)其中f(=100mm)为傅里叶透镜焦距.将衍射谱的光强分布I(xf,R,L)进行归一化处理得I(xf,R,L)=I(xf,R,L)/+-I(xf,R,L)dxf,(4)当刀口在xf处时,CCD接收的归一化光强表示为N(xf,R,L)=+-I(xf,R,L)dxf,(5)N(xf,R,L)在xf=0处的斜率代表系统归一化的光学检测灵敏度:(R,L)=ddxfN(xf,R,L)|xf=0ddxfrad-1.(6)由光杠杆原理,微梁转角d 引起衍射谱位移dxf为dxf=2fd,(7)由式(5)式(7),得到反光板弯曲情况下归一化的光学检测灵敏度(R,L)=1802L|+-rect(x/L)exp(j2x2/R)dx|2deg-1.(8)针对本课题组已经成功制作的三组不同尺寸的FPA(见表1),根据式(4)分别绘制衍射谱光强归一化分布,如图3(a)所示.根据式(5)绘制了刀口位置与CCD接收的归一化光强关系,如图3(b)所示.由式(8),分别绘制了曲率半径R=8,11,23mm时,反光板尺寸和光学检测灵敏度的关系图,如图4所示.一方面,在曲率半径一定的情况下,光学检测灵敏度并不随反光板长度的增加而单调增大,而是在某一固定长度达到最大值;另一方面,对于不同曲率半径的反光板,最大灵敏度所对应的反光板长度,随着曲率半径的减小而减小.图4中标出了已制作的三组FPA的反光板尺寸和对应的归一化灵敏度(的下标对应表1中阵列序号):1=2deg-1,2=318deg-1,3=312deg-1.则有2/1=119,2/3=1119.通过式(8),分别绘制了像素尺寸为60m,120m和200m时,光学检测灵敏度随反光板曲率半径变化的关系图,如图5所示.随着反光板曲率半径的增大,灵敏度趋向于各自的最大值.反光板尺寸越大,其趋向的饱和值也越大,但要求反光板曲率半径也越大(反光板越平整).以像素尺寸200m为例,当曲率半径达到140mm,光学检测灵敏度基本达到饱和值,实际制作的200m FPA的曲率半径仅为23mm,其光学检测灵敏度只达到饱和值的1/6.对于120m和60m的FPA,当曲率半径分别达到37.5mm和12.5mm时,灵敏度已接近饱和.3 实验结果利用Vecco NT1000表面形貌测量系统,分别测量了表1中FPA反光板的曲率半径,图6(a)图6(c)分别为200m、120m和60m像素尺寸的Vecco照片,图6(d)图6(f)为对应的沿反光152 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/红 外 与 毫 米 波 学 报28卷图6 表1中三组FPA的曲率半径,其中(a)、(b)、(c)Vecco照片,(d)、(e)(f)为沿L方向的形貌及其拟合曲线Fig.6The curvature of the FPAs in Table 1,(a),(b),(c)are photos of the FPAs(d),(e),(f)are contour and the fitted curves图7 实验测定的表1中三组FPA的灰度转角关系Fig.7Relationship between the intensity on the CCD andthe inclination angle of the reflector in Table 1板长度L方向的轮廓曲线.采用图1实验光路,测量其转角灰度变化曲线.将FPA置于一个分辨率为0100125 的精密旋转台上,采用01025 的步长,像平面上使用12bit(70dB)的CCD接收光强,记录下每一步旋转对应的灰度值.由于旋转台的旋转导致FPA衍射谱的平移,等效于移动刀口进行滤波,因此转角灰度曲线在任何一个位置的斜率即代表刀口滤波器位于该位置时的光学灵敏度.实验结果如图7所示,三组FPA的光学检测灵敏度(对应刀口在谱平面上xf=0位置)分别为:K1=5150gray/deg,K2=9800gray/deg,K3=8200gray/deg,有K2/K1=119,K2/K3=112,与式(8)中模拟计算的比值(2/1=119,2/3=1119)一致,说明式(8)关于反光板弯曲情况下的光学检测灵敏度模型是正确的.表1 制作的微梁阵列尺寸参数及对应的光学检测灵敏度Table 1The di mension of the FPAs and the optical detec2tion sensitivity of the FPAs阵列序号像素尺寸(m)反光板长度L(m)Vecco测定的曲率半径R(mm)理论模拟的光学检测灵敏度(deg-1)实验测定的光学检测灵敏度K(grey/deg)12001802325150212090113.898003605083.282004 光学检测灵敏度优化分析和讨论由傅里叶光学理论,当一束平行光(平面波)照射到发生弯曲的反光板上时,其反射回的波阵面(波前)将发生弯曲,经傅里叶透镜变换后,在其谱平面上复振幅将重新分布,如图2所示,当反光板的尺寸L较小时,Zmax(Zmax为弯曲反光板与理想平直反光板在边缘处沿Z方向的距离)造成的位相延迟小于/2,反光板上各点(从中心到边缘)经过傅里叶透镜后在衍射谱中心位置的光强依次减小,但每一点在谱平面上中心位置的光强都是正叠加,所以中心位置的光强在增大.随着反光板长度L的增加,当 Zmax所造成的位相延迟达到/2时,反光板上边缘的点在谱平面中心位置的光强贡献为零,此时中心的叠加光强达到最大值.如果反光板长度L继续增大,使得 Zmax所造成的位相延迟超过/2,超出部分的点在谱平面上中心位置的光强产生负叠加效果,此时中心位置的光强将减小,即式(2)应满足(x)|x=L/2=2(L/2)2/R=/2,化简得L2R应满足关系式252 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/4期高 杰等:光学读出红外成像中微梁反光板变形对光学检测灵敏度的影响图8 最大光学检测灵敏度所要满足的L-R关系Fig.8The relationship bet weenLandRderived from Eqs.(8)and(9)L2/R=,(9)即要取得最大的光学检测灵敏度,反光板长度和曲率半径就必须满足式(9);在取得最大光学检测灵敏度条件下,任意给定一曲率半径就有确定的反光板长度与之对应.取R=130mm之间的整数时,通过式(9),分别计算对应的L值,绘出L2R的关系曲线(图8中三角点).为了进行验证,在同样条件下,通过式(8),计算得到灵敏度 取得最大值时所对应的反光板长度L(图8中圆点),从图中可知对于相同的R,相应的L值差别很小,而且它们的变化趋势一致,所以上述关于最大灵敏度满足条件的理论是合理的.由残余应力的理论6 可知,反光板的曲率半径主要取决于MEMS的制作工艺以及SiNx/Au的厚度比,与反光板长度L无关.在上述条件都相同的情况下,制作的FPA有相同的曲率半径.在已知曲率半径的情况下,可以根据式(9)设计合理尺寸的反光板;另一种可能的途径是通过热处理的方法来调整SiNx/Au的应力分布7,控制反光板的曲率达到预测值,使得FPA的灵敏度达到最大值.由于在FPA制作过程中,SiNx薄膜通过LPCVD(低压化学汽相沉积)制作,其沉积温度在600左右,若通过热处理的方法来控制反光板的曲率半径,要求循环的温度达到LPCVD反应的沉积温度7,所以可行的方法是在已知工艺条件以及SiNx/Au的各项参数情况下(曲率半径一定),通过式(9)设计合理的反光板长度与该曲率半径相匹配从而获得最优的灵敏度.5 结语本文对不同反光板曲率半径下的灵敏度进行了讨论.理论分析表明,在反光板曲率半径一定的情况下,随着反光板尺寸的变化,光学检测灵敏度存在最大值;对于不同曲率的反光板,最大灵敏度所对应的反光板长度,随着曲率半径的减小而减小.其次,讨论了最大光学检测灵敏度的产生机理,给出了取得最大光学检测灵敏度的必要条件,并通过对弯曲反光板的光学检测灵敏度进行数值模拟,验证了理论分析的结果.最后,讨论了提高光学检测灵敏度的途径,为进一步优化设计FPA提供理论依据.REFERENCES1Zhao Y,Mao M,Horowitz R,et al.Optomechanical un2cooled infrared imaging system:design,microfabricationand performanceJ.J.M EMS,2002,11(2):136146.2DUAN Zhi2Hui,ZHANG Qing2Chuan,WU Xiao2Ping,etal.Uncooled optically readable bimaterial micro2cantileverinfrared i maging device J.Chin.Phys.Lett.,2003,20(12):21302132.3M I AO 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