[发明专利]一种可调谐MOEMS滤光片

说明书

技术领域

本发明属于红外探测成像领域，具体而言，涉及基于MOEMS(微光机电系统)技术的波长可调谐滤光片以及其调谐控制器和封装结构。

背景技术

随着红外探测器技术的发展，现代大规模红外探测器组件已经具备了极高的空间分辨率，在红外搜索跟踪中可以实现很高的探测概率和低误警率。但是宽带中波红外或者长波红外探测器在搜索与跟踪过程中会受到背景杂波、诱饵干扰而导致其探测能力降低，因此为了提高各种军事任务中对杂乱背景下的隐蔽物体的探测能力，需要通过多光谱或者超光谱成像探测技术来提高目标识别率。

然而传统的多光谱成像系统采用色散、分立光学元件，例如光栅、棱镜或者各种干涉仪等来进行分光、处理，其体积庞大、结构复杂、功耗大，无法满足未来无人机、微纳卫星等微小型化平台的应用需求。例如随着空间技术的飞速发展，未来的航天体系正朝着类似航天器群的分散航天体系的思路发展，主要思想就是将天基任务、功能或传感器分散到一个或多个轨道平台、平面或者多域的多个系统中。其中研究的核心组成就是分散分布的微纳卫星以及其空间组网技术。这种小型化的卫星平台对于平台载荷的体积、重量、功耗以及数据处理量提出了苛刻的要求，同时还要求载荷在复杂环境中能够获取到有用信息。因此，传统多光谱成像系统的产品和技术形态需要做出重大改变，来满足微小型化搭载的需求，即朝着更小体积、轻重量、低功耗，甚至是更智能化的方向发展。

波长可调谐的自适应多光谱探测微系统技术集成MEMS(微电子机械系统)技术、光学薄膜技术、微电子技术：通过将光学薄膜工艺与MEMS器件工艺结合，制备芯片级可调F-P腔(法布里-珀罗腔)MOEMS(微光机电系统)滤光片。通过电压调节F-P腔的尺寸进而调制滤光片的中心波长，实现光谱通带的独立调谐。并且结合自适应调节控制算法与反馈控制电路技术，根据探测器成像数据处理结果进行反馈驱动电压，以实现自适应于变化的环境和任务的多光谱成像。这种基于MOEMS的可调滤光片技术的自适应红外多光谱探测微系统大大减小体积、重量、功耗，智能化水平更高。在军用领域可满足星载、无人机机载等多种微小型化平台进行多光谱成像进而识别目标弹头、诱饵以及其他隐蔽军事目标的探测需求；在民用领域可应用于安防、农业、便携式食品药品的物质光谱检测与分析等。

多光谱成像有多种分光方式，其中基于滤光片转轮的方式在早期应用较为普遍，如图1所示。该方式需对每个通道进行单独成像，涉及不同中心波长的滤光片的切换，每次将一个滤光片转轮对准探测器，其滤片轮的循环工作模式为:滤片轮转动→滤片轮至某一位置停止(对准成像光学系统)→图像拍摄→滤片轮转动至下一个滤光片位置停止。

上述现有技术的主要缺陷有：(1)整个过程中滤片轮频繁的转动和停止操作导致成像过程缓慢，效率较低；(2)滤光片转轮体积、重量、功耗大；(3)在一个波段范围内，只能有固定数量和确定通带波长的滤光片，谱段调节的灵活性不足。(4)由于有机械运动部件，系统稳定性差，且结构的可靠性难以保证。

图2所示为现在常用的推扫色散型多光谱成像中的光栅反射式成像光谱仪。其工作原理如下：物体辐射或反射的光经过光学系统聚焦后入射穿过狭缝，经球面镜反射后入射到凸球面光栅进行反射分光，分光之后再经过球面镜反射，最后不同波长的光入射在光电探测器阵列的不同位置，经过图像处理可以对目标区域的一个维度在不同的波长处同时探测成像，目标在另外一个维度的像经过扫描：成像系统空间上的运动(如卫星)或者物体的平移运动(如传送带带动)，或者经过光学扫描装置对目标扫描之后，经过信号处理最终形成完整的二维多光谱图像。

图2所示的现有技术缺点如下：(1)由于该技术获得目标的一帧图像需要扫描，需要较长的时间，不适应高速成像的应用要求；(2)系统体积相对较大，不适合微小型化平台的使用；(3)该技术获得的多光谱图像对应的光谱中心波长数值是固定的，因此该技术不适用于根据外界环境的变化自由选择最佳中心波长对目标进行成像与识别；(4)该技术同时对所有谱段探测成像，获得目标的二维光谱图像导致数据量较大，对硬件资源要求较高。

因此需要一种MOEMS的可调谐红外探测系统及相关的器件来解决现有技术存在的上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于MOEMS(微光机电系统)技术的波长可调谐滤光片以及其调谐控制器和封装结构。