專利名稱：基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光力學(xué)紅外成像儀，特別是一種基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成 像儀。
背景技術(shù)：
紅外熱成像儀(熱成像儀或紅外熱像儀)是根據(jù)凡是高于絕對溫度零度(-273°C)的物 體都有輻射紅外線的基本原理，通過非接觸探測目標(biāo)和背景自身輻射紅外線的差異來發(fā)現(xiàn)和 識別目標(biāo)。將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，將探測到的熱量精確 量化，并可以對溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測設(shè)備。由于紅外熱成像儀工作時(shí)無須任何光源照 明。所以它能揭露偽裝，并能發(fā)現(xiàn)存在的暫留圖像，對高遠(yuǎn)目標(biāo)同樣能清晰顯示。在國防、 公安、科研等領(lǐng)域中有廣泛的用途。
傳統(tǒng)的紅外輻射轉(zhuǎn)化裝置分為兩類量子型和熱型紅外輻射探測器。量子型紅外輻射探 測器是利用光電效應(yīng)將紅外光子能量轉(zhuǎn)化為電子能量，需要將探測器靶面冷卻到77K來抑制 電子熱運(yùn)動，空間分辨率和溫度分辨率較高(可達(dá)lmrad和0.030C)，但探測裝置比較笨重 和昂貴。傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測器是吸收入射的紅外光能量，再通過電路讀出探測單元溫 升引發(fā)的電學(xué)效應(yīng)從而得到紅外輻射的信息。但是由于熱電效應(yīng)一般在2M/K，所以對讀出電 路的信噪比要求高，使其價(jià)格昂貴?；诠?機(jī)械微懸臂結(jié)構(gòu)的熱型紅外焦平面探測器于上世 紀(jì)90年代后期被提出。紅外光能被探測單元吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，使懸臂梁產(chǎn)生熱致形變，檢 測出微梁陣列的形變，就可以得到被測物體的熱像或溫度分布。這種探測器件的開發(fā)和制作 成本都比較低，隨著技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)有希望發(fā)展成為低成本高性能的紅外成像器件。
光學(xué)讀出是光-機(jī)械微懸臂結(jié)構(gòu)的熱型紅外焦平面探測器系統(tǒng)中一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的光 力學(xué)紅外成像儀采用直接探測紅外成像前后，焦平面陣列反射光光強(qiáng)改變量的方式來獲得圖 像，而紅外輻射引起的FPA單元的轉(zhuǎn)角非常小(目前約l(TVW/iO ,由該轉(zhuǎn)角引起的光強(qiáng) 的改變量顯然會很小。所以在探測紅外輻射較弱的信號時(shí)，由于信噪比過小而只能得到像質(zhì) 很差的紅外圖像甚至無法得到紅外圖像。
由于有了上述問題的存在，如何提高光學(xué)讀出系統(tǒng)的靈敏度，改善光力學(xué)紅外熱成像儀 的性能，使其能夠應(yīng)用在弱紅外輻射物體成像中^從而在國防、公安、科研等領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用，就成了一個很重要的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服傳統(tǒng)的光力學(xué)紅外成像儀中，受限于光學(xué)讀出系統(tǒng)靈 敏度而無法探測弱紅外輻射目標(biāo)的紅外圖像的缺點(diǎn)；提供一種能夠高靈敏度和高頻率探測波 前的哈特曼波前傳感器探測帶有轉(zhuǎn)角信息的光波波前，再利用該波前復(fù)原出目標(biāo)的紅外圖像; 基于該器件的光力學(xué)紅外成像儀就能夠?qū)θ跫t外輻射目標(biāo)進(jìn)行高頻探測，為得到弱紅外輻射 目標(biāo)的紅外圖像提供了核心的解決方案。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外 成像儀，包括紅外成像系統(tǒng)、焦平面陣列、冷光源系統(tǒng)，光學(xué)讀出系統(tǒng)和IR圖像復(fù)原器，其 特征在于紅外物體通過紅外成像系統(tǒng)成像到焦平面陣列上，由于紅外熱輻射使得焦平面陣 列中的FPA單元發(fā)生微小變形，然后用冷光源系統(tǒng)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)平面波通過分光鏡的透射照射到 焦平面陣列中的FPA單元上發(fā)生反射，使帶有微小面形變化的波前信息通過分光鏡的反射進(jìn) 入光學(xué)讀出系統(tǒng)中，由光學(xué)讀出系統(tǒng)中的哈特曼波前傳感器進(jìn)行波前探測，最后由IR圖像復(fù) 原器根據(jù)相關(guān)算法從光學(xué)讀出系統(tǒng)探測到的波前中提取出每個FPA單元的熱致轉(zhuǎn)角信息后重
構(gòu)為被探測物體的紅外圖像。
所述焦平面陣列還包含有基底；FPA單元固定在基底上，基底可以透射紅外輻射。
所述焦平面陣列中的FPA單元的轉(zhuǎn)角與溫升成線性關(guān)系，通過光學(xué)讀出方式檢測每個 FPA單元熱致轉(zhuǎn)角，就可以得到溫度的分布圖像。
所述FPA單元由紅外吸收板/反光板、雙材料變形梁、熱隔離梁三部分組成；其中熱隔離 梁為單材料膜，隔離雙材料變形梁與基底之間的熱交換；紅外吸收板/反光板為雙材料膜，其 中一面用于反射讀出光，另一面用于吸收多余的入射紅外輻射。
所述FPA單元的雙材料變形梁為雙材料膜；當(dāng)吸收紅外輻射導(dǎo)致溫度發(fā)生變化時(shí)，由于 材料的膨脹系數(shù)不同，兩層材料之間的相互約束會使得雙層結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，該彎曲變形 會帶動紅外吸收板/反光板轉(zhuǎn)過一定的角度，并且此轉(zhuǎn)角的大小單調(diào)對應(yīng)于入射紅外輻射的能 量大小。
所述的冷光源系統(tǒng)包括LED冷光源、小孔和準(zhǔn)直透鏡組；LED冷光源發(fā)出的光通過小孔
時(shí)形成點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡組將該點(diǎn)光源變換為標(biāo)準(zhǔn)平面波。
所述光學(xué)讀出系統(tǒng)中除了包含有哈特曼波前傳感器，還包含有波前處理機(jī)；由于反射光
的波前含有焦平面陣列上的FPA單元的熱致轉(zhuǎn)角信息，所以可以通過IR圖像復(fù)原器將波前
處理機(jī)得到的波前斜率轉(zhuǎn)換為被探測物體的IR圖像。所述實(shí)現(xiàn)對焦平面陣列反射光的波前探測的哈特曼波前傳感器；包括光路縮束系統(tǒng)、微 透鏡陣列和CCD;微透鏡陣列將入射波面分割后會聚到焦平面上，當(dāng)入射波前是理想平面波 前，微透鏡陣列中的每個微透鏡形成的光斑將在其焦點(diǎn)上；當(dāng)入射波前受到干擾，則微透鏡 所形成的光斑將偏離其焦點(diǎn)；利用CCD檢測各光斑質(zhì)心的偏離量，波前處理機(jī)對偏離量的處 理就可以計(jì)算出各子孔徑上兩個正交方向上的平均波前斜率，從而重構(gòu)出入射波面的波前。,
所述的哈特曼波前傳感器中光路縮束系統(tǒng)的縮束比由FPA單元的長度i^和微透鏡口徑
^決定M = ^。
丄/紹
所述的IR圖像復(fù)原器的采用的算法是基于焦平面陣列反射光的波前，取出FPA單元的 熱致轉(zhuǎn)角信息，利用熱致轉(zhuǎn)角與物體紅外輻射的關(guān)系將單個子孔徑探測得到的波前斜率與物 體紅外輻射對應(yīng)得到探測物體的紅外圖像；單個子孔徑探測得到的波前斜率與物體紅外輻射
的關(guān)系為A = ^^T;
其中，A:是單個子孔徑探測得到的波前斜率；i/是FPA單元的熱轉(zhuǎn)換效率，它由紅外 目標(biāo)的溫升A ;引起探測陣元的溫升A7^的反比決定= ^表示熱機(jī)械響應(yīng)，即反射
面轉(zhuǎn)過的角度A^與陣元的溫度改變量Ar之比&=^。
本發(fā)祖的原理是作為光力學(xué)紅外成像儀的核心之一，光學(xué)讀出系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到 該成像儀的性能；傳統(tǒng)光學(xué)采用讀出系統(tǒng)直接探測光強(qiáng)的變化量來得到紅外圖像的方法，信 噪比低，當(dāng)目標(biāo)紅外輻射較弱時(shí)，只能得到像質(zhì)很差的紅外圖像甚至無法得到紅外圖像。本 發(fā)明將焦平面陣列的反射光看作是一種受焦平面陣列的懸臂梁擾動后的波，通過檢測反射光 的波前來間接得到物體的紅外圖像。由于哈特曼波前傳感器能夠高精度和高幀頻探測目標(biāo)波 前的特點(diǎn)，所以該光力學(xué)紅外成像儀能夠應(yīng)用在弱紅外輻射物體成像中。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)的光力學(xué)紅外成像儀直接探測 光強(qiáng)的變化量來得到紅外圖像的方法，將焦平面陣列的反射光看作是一種受焦平面陣列的懸 臂梁擾動后的波，利用哈特曼波前傳感器探測得到其波前后重構(gòu)出物體的紅外圖像。由于哈 特曼波前傳感器具有高靈敏度和高幀頻的特點(diǎn)，所以該光力學(xué)紅外成像儀能夠應(yīng)用在弱紅外 輻射物體成像中，從而在國防、公安、科研等領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用；另外，本發(fā)明在紅 外成像原理上與傳統(tǒng)技術(shù)完全一致，因此對傳統(tǒng)光力學(xué)紅外成像儀的改造不需要額外的技術(shù) 成本，方便實(shí)用。


圖1為基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀的工作原理圖2為焦平面陣列電鏡照片和變形原理圖3為哈特曼波前傳感器示意圖4為單個焦平面陣列單元光學(xué)讀出光路圖5為本發(fā)明中基于哈特曼波前探測器光力學(xué)紅外成像儀示意圖中1:紅外成像系統(tǒng)，2:焦平面陣列，3:冷光源系統(tǒng)，4:光學(xué)讀出系統(tǒng)，5: IR 圖像復(fù)原器，6: FPA單元，7:分光鏡，8:準(zhǔn)直透鏡組，9:小孔，10: LED冷光源，11: 哈特曼波前傳感器，12:光路縮束系統(tǒng)，13:微透鏡陣列，14: CCD, 15:波前處理機(jī)，16: 基底，17:微透鏡，18紅外吸收板/反光板，19:雙材料變形梁，20:熱隔離梁。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本實(shí)施例的一種基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，包括紅外成像系統(tǒng)1、焦 平面陣列2、冷光源系統(tǒng)3，光學(xué)讀出系統(tǒng)4和IR圖像復(fù)原器5五大部分，如圖1所示。紅 外物體通過紅外成像系統(tǒng)1成像到焦平面陣列2上，由于紅外熱輻射使得焦平面陣列2的FPA 單元6產(chǎn)生熱致轉(zhuǎn)角，然后用冷光源系統(tǒng)3發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)平面波經(jīng)過分光鏡7的透射照射到焦平 面陣列2中的FPA單元6上發(fā)生反射，帶有熱致轉(zhuǎn)角信息的反射光波前通過分光鏡7的反射 進(jìn)入光學(xué)讀出系統(tǒng)4中由哈特曼波前傳感器11進(jìn)行波前探測，最后由IR圖像復(fù)原器5根據(jù) 相關(guān)的算法從探測到的波前中提取出每個FPA單元6的熱致轉(zhuǎn)角信息，并重構(gòu)出被探測物體 的紅外輻射圖像。
所述焦平面陣列2包含F(xiàn)PA單元6和基底16; FPA單元6固定在基底16上，基底16 可以透射紅外輻射，這里選取焦平面陣列2中包含有120x120個FPA單元6。
FPA單元6由紅外吸收板/反光板18、雙材料變形梁19和熱隔離梁20三部分組成，如圖 2所示。雙材料變形梁19為雙材料膜，當(dāng)吸收紅外輻射導(dǎo)致溫度發(fā)生變化時(shí)，由于材料的膨 脹系數(shù)不同，兩層材料之間的相互約束會使得雙材料變形梁19的發(fā)生彎曲變形，雙材料變形 梁19的彎曲變形會帶動紅外吸收板/反光板18轉(zhuǎn)過一定的角度，并且該轉(zhuǎn)角的大小單調(diào)對應(yīng) 于入射紅外輻射的能量大小；紅外吸收板/反光板18為雙材料膜，其中一面用于反射讀出光， 另一面用于吸收多余的入射紅外輻射；熱隔離梁20為單材料膜，隔離雙材料變形梁19與基 底16之間的熱交換。
冷光源系統(tǒng)3包括LED冷光源10、小孔9和準(zhǔn)直透鏡組8; LED冷光源10發(fā)出的光通過小孔9時(shí)形成點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡組8將該點(diǎn)光源變換為標(biāo)準(zhǔn)平面波，然后通過分光鏡7的 透射照射到焦平面陣列2上。
哈特曼波前傳感器ll由于其結(jié)構(gòu)簡單、原理直白而在現(xiàn)代光學(xué)中有著非常廣泛的用途， 它由光路縮束系統(tǒng)12、微透鏡陣列13和CCD14組成，是一種以波前斜率測量為基礎(chǔ)的波前 測量儀器，這里用于實(shí)現(xiàn)對焦平面陣列2反射光的波前探測，其微透鏡陣列13中含有與FPA 單元6相對應(yīng)的120x120個微透鏡17。
哈特曼波前傳感器11的原理如圖3;微透鏡陣列13將入射波面分割后會聚到焦平面上； 當(dāng)入射波前是理想平面波前，微透鏡陣列13中的每個微透鏡17形成的光斑將在其焦點(diǎn)上； 當(dāng)入射波前受到干擾，則微透鏡17所形成的光斑將偏離其焦點(diǎn)；利用CCD14可以檢測出各
光斑質(zhì)心的偏離量。光斑質(zhì)心位置坐標(biāo)由下式?jīng)Q定
其中，Xe和i;是質(zhì)心坐標(biāo)；Zi和"是每個像素位置；^表示每個像素的讀出信號。
每個分離焦點(diǎn)與中心點(diǎn)在x和y方向上的偏離程度反映了對應(yīng)采樣單元波面在兩個方向 上的平均斜率，可以用下式計(jì)算
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中/是微透鏡17焦距；，和，是子孔徑波前斜率。
波前處理機(jī)15對偏離量的處理就可以計(jì)算出各子孔徑上兩個正交方向上的平均波前斜 率，從而重構(gòu)出入射波面的波前。
FPA單元6光學(xué)讀出光路如圖4所示。圖中^、 ^是光路縮束系統(tǒng)12，其作用是將單個
FPA單元6反射的光與哈特曼波前傳感器11的一個子孔徑相對應(yīng)；Z3是哈特曼波前傳感器 11與該FPA單元6相對應(yīng)的微透鏡17。其中A的焦距是,、A的焦距是力、13的焦距是/3。 /、《由FPA單元6的長度i^和微透鏡17的口徑"決定
<formula>formula see original document page 8</formula>)
其中，M表示縮束比。所以當(dāng)FPA單元6發(fā)生^角的形變時(shí)，在￡3的后焦面上光斑移動的距離為
m (4)
根據(jù)前面的分析，光學(xué)讀出系統(tǒng)4如圖5所示，用冷光源系統(tǒng)3產(chǎn)生的平面波照射焦平 面陣列2的反光面，其反射光通過光路縮束系統(tǒng)12后進(jìn)入哈特曼波前傳感器11,由于FPA 單元6的熱致轉(zhuǎn)角與溫升成線性關(guān)系，而熱致轉(zhuǎn)角與CCD14上光斑移動的距離由(4)式?jīng)Q 定。所以利用哈特曼波前傳感器11檢測得到所有FPA單元6的熱致轉(zhuǎn)角信息后就能復(fù)原處 所探測物體的紅外輻射圖像。
所述IR圖像復(fù)原器5的釆用的算法是基于焦平面陣列2反射光的波前，取出FPA單元6 的熱致轉(zhuǎn)角信息，利用熱致轉(zhuǎn)角與物體紅外輻射的關(guān)系將單個子孔徑探測得到的波前斜率與 物體紅外輻射對應(yīng)得到探測物體的紅外圖像；單個子孔徑探測得到的波前斜率與物體紅外輻
射的關(guān)系為& = ^^t;
其中，A是單個子孔徑探測得到的波前斜率；//是FPA單元6的熱轉(zhuǎn)換效率，它由紅
外目標(biāo)的溫升A7;引起探測陣元的溫升Are的反比決定^表示熱機(jī)械響應(yīng)，即反
射面轉(zhuǎn)過的角度Ae與陣元的溫度改變量Ar之比
下面介紹基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀的噪聲等效溫度差分析； 由于光學(xué)讀出系統(tǒng)4的噪聲的影響，重構(gòu)得到的物體紅外輻射圖像并不準(zhǔn)確，由噪聲引起 的溫度起伏量AT^定義為噪聲等效溫度差(Noise Equivalent Temperature Difference NETD)， 它表示了系統(tǒng)的分辨率(Y. Zhao， M. Mao， R, Horowitz, et al. Optomechanical uncooled infrared imaging system: design, microfabrication， and performance, [J]. MEMS 11 (2) (2002) 136~146.)。
系統(tǒng)的靈敏度k-^由FPA單元6的靈敏度|^和哈特曼波前傳感器11的靈敏度^決
定，即:
<formula>formula see original document page 9</formula>(5)
sr 朋m
根據(jù)(5)式可得，當(dāng)FPA單元6的靈敏度及一定時(shí)，在滿足系統(tǒng)需求的情況下，適當(dāng) 減小縮束比M和增加微透鏡17焦距/3可以提高整個系統(tǒng)的靈敏度。
式(l)中&表示每個像素讀出信號的兩部分真實(shí)光信號A和噪聲信號7v^.。200810113462.9
<formula>formula see original document page 10</formula>
(6)
影響哈特曼波前傳感器11分辨率的主要有離散采樣噪聲、讀出噪聲和光子起伏噪聲(Cao Genrui, Yu Xin. Accruacy analysis of a Hartmann-Shack wavefront sensor operated with a faint object. Optical Engineering 1994, 33: 2331~2335)。當(dāng)質(zhì)心探測的均方根誤差為 ，單個像素
邊長為a時(shí)，系統(tǒng)的NETD為
<formula>formula see original document page 10</formula> (7)
由(7)式可得，提高系統(tǒng)靈敏度的同時(shí)可以降低噪聲等效溫度差。合理設(shè)計(jì)參數(shù)，在目 前的條件下該紅外儀可以達(dá)到低于0.1K的分辨率。所以基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外 成像儀能夠?qū)θ跫t外輻射目標(biāo)進(jìn)行高頻探測，為得到弱紅外輻射目標(biāo)的紅外圖像提供了核心 的解決方案。
權(quán)利要求
1. 基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，包括紅外成像系統(tǒng)(1)、焦平面陣列(2)、冷光源系統(tǒng)(3)，光學(xué)讀出系統(tǒng)(4)和IR圖像復(fù)原器(5)，其特征在于紅外物體通過紅外成像系統(tǒng)(1)成像到焦平面陣列(2)上，由于紅外熱輻射使得焦平面陣列(2)中的FPA單元(6)發(fā)生微小變形，然后用冷光源系統(tǒng)(3)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)平面波通過分光鏡(7)的透射照射到焦平面陣列(2)中的FPA單元(6)上發(fā)生反射，使帶有微小面形變化的波前信息通過分光鏡(7)的反射進(jìn)入光學(xué)讀出系統(tǒng)(4)中，由光學(xué)讀出系統(tǒng)(4)中的哈特曼波前傳感器(11)進(jìn)行波前探測，最后由IR圖像復(fù)原器(5)根據(jù)相關(guān)算法從光學(xué)讀出系統(tǒng)(4)探測到的波前中提取出每個FPA單元(6)的熱致轉(zhuǎn)角信息后重構(gòu)為被探測物體的紅外圖像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于所 述焦平面陣列(2)還包含有基底(16) ; FPA單元(6)固定在基底(16)上，基底(16) 可以透射紅外輻射。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于所 述焦平面陣列(2)中的FPA單元(6)的轉(zhuǎn)角與溫升成線性關(guān)系，通過光學(xué)讀出方式檢測每 個FPA單元(6)熱致轉(zhuǎn)角，就可以得到溫度的分布圖像。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于所 述FPA單元(6)由紅外吸收板/反光板(18)、雙材料變形梁(19)、熱隔離梁(20)三部 分組成；其中熱隔離梁(20)為單材料膜，隔離雙材料變形梁(19)與基底(16)之間的熱 交換；紅外吸收板/反光板(18)為雙材料膜，其中一面用于反射讀出光，另一面用于吸收多 余的入射紅外輻射。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的FPA單元(6)的雙材料變形梁(19)，其特征在于所述FPA 單元(6)中的雙材料變形梁(19)為雙材料膜；當(dāng)吸收紅外輻射導(dǎo)致溫度發(fā)生變化時(shí)，由于 材料的膨脹系數(shù)不同，兩層材料之間的相互約束會使得雙層結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，該彎曲變形 會帶動紅外吸收板/反光板18轉(zhuǎn)過一定的角度，并且此轉(zhuǎn)角的大小單調(diào)對應(yīng)于入射紅外輻射 的能量大小。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于所 述的冷光源系統(tǒng)(3)包括LED冷光源(10)、小孔(9)和準(zhǔn)直透鏡組(8) ; LED冷光源(10)發(fā)出的光通過小孔(9)時(shí)形成點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡組(8)將該點(diǎn)光源變換為標(biāo)準(zhǔn)平面 波。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于 所述光學(xué)讀出系統(tǒng)(4)中除了包含有哈特曼波前傳感器(11)，還包含有波前處理機(jī)(15);由于反射光的波前含有焦平面陣列(2)上的FPA單元(6)的熱致轉(zhuǎn)角信息，所以可以通過 IR圖像復(fù)原器(5)將波前處理機(jī)(15)得到的波前斜率轉(zhuǎn)換為被探測物體的IR圖像。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于:所 述光學(xué)讀出系統(tǒng)(4)采用哈特曼波前傳感器(11)實(shí)現(xiàn)對焦平面陣列(2)反射光的波前探 領(lǐng)!l;包括光路縮束系統(tǒng)(12 )、微透鏡陣列(13)和CCD(14);微透鏡陣列(13 )將入射波面分割后 會聚到焦平面上，當(dāng)入射波前是理想平面波前，每個微透鏡(17)形成的光斑將在其焦點(diǎn)上； 當(dāng)入射波前受到干擾，則光斑將偏離其焦點(diǎn)；利用CCD(14)檢測各光斑質(zhì)心的偏離量，波前 處理機(jī)(15)對偏離量的處理就可以計(jì)算出各子孔徑上兩個正交方向上的平均波前斜率，從而 重構(gòu)出入射波面的波前。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于所 述的哈特曼波前傳感器(11)中光路縮束系統(tǒng)(12)的縮束比由FPA單元(6)的長度4g和每個微透鏡(17) 口徑d決定M-!。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，其特征在于-所述的IR圖像復(fù)原器(5)的采用的算法是基于焦平面陣列(2)反射光的波前，取出FPA單元(6) 的熱致轉(zhuǎn)角信息，利用熱致轉(zhuǎn)角與物體紅外輻射的關(guān)系將單個子孔徑探測得到的波前斜率與 物體紅外輻射對應(yīng)得到探測物體的紅外圖像；單個子孔徑探測得到的波前斜率與物體紅外輻射的關(guān)系為yt = ^^J;其中，A是單個子孔徑探測得到的波前斜率；//是FPA單元的熱轉(zhuǎn)換效率，它由紅外目標(biāo)的溫升A ;引起探測陣元的溫升Arc的反比決定^ = 5V表示熱機(jī)械響應(yīng)，即反射面轉(zhuǎn)過的角度A^與陣元的溫度改變量Ar之比^-^。
全文摘要
基于哈特曼波前傳感器的光力學(xué)紅外成像儀，包括紅外成像系統(tǒng)、焦平面陣列、冷光源系統(tǒng)，光學(xué)讀出系統(tǒng)、IR圖像復(fù)原器，紅外物體通過紅外成像系統(tǒng)成像到焦平面陣列上，紅外熱輻射使得焦平面陣列中的FPA單元發(fā)生微小變形，然后用冷光源系統(tǒng)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)平面波通過分光鏡照射到FPA單元上發(fā)生反射，使帶有微小面形變化的波前信息通過分光鏡進(jìn)入光學(xué)讀出系統(tǒng)，由光學(xué)讀出系統(tǒng)中的哈特曼波前傳感器進(jìn)行波前探測，再由IR圖像復(fù)原器根據(jù)相關(guān)算法從光學(xué)讀出系統(tǒng)探測到的波前中提取出每個FPA單元的熱致轉(zhuǎn)角信息后重構(gòu)為被探測物體的紅外圖像；本發(fā)明利用哈特曼波前傳感器能夠高精度、高幀頻探測波前信號的優(yōu)點(diǎn)，提高了光力學(xué)紅外成像儀系統(tǒng)靈敏度，從而得到質(zhì)量更好的紅外圖像。
文檔編號G01J9/00GK101285709SQ20081011346
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者樊志華, 饒長輝, 馬曉燠 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所