專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，尤其是一種雙光路、光學(xué) 讀出形式的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的紅外熱成像系統(tǒng)屬于掃描型熱成像系統(tǒng)，由于其工藝復(fù)雜，價(jià)格高昂，體積 大、功耗大，很難大規(guī)模的使用。近年來(lái)非制冷FPA紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展使得紅外熱成像 系統(tǒng)的制造成本、體積、重量、功耗都大幅降低，也因此逐漸在越來(lái)越多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)品 化。一種新的非制冷紅外成像技術(shù)是紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是采用焦平 面陣列器件FPA作為紅外圖像傳感器。FPA是基于MEMS技術(shù)的器件，它由微米量級(jí)的微像 元單元陣列組成，而每一個(gè)微像元單元又由微懸臂梁和小反射鏡組成。微懸臂梁由兩種熱 膨脹系數(shù)相差較大的材料構(gòu)成，當(dāng)微懸臂梁吸收紅外輻射后，梁的溫度上升，雙材料層之間 會(huì)很快達(dá)到熱平衡，熱平衡后，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別較大，它們之間的應(yīng)力將使 梁產(chǎn)生彎曲，彎曲量與微懸臂梁吸收的熱量成正比。小反射鏡與只與微懸臂梁連接，所以微 懸臂梁的彎曲會(huì)帶動(dòng)反射鏡旋轉(zhuǎn)，如果能夠測(cè)出反射鏡偏轉(zhuǎn)的角度值，就可以知道每個(gè)像 元單元的微懸臂梁所吸收的熱量，多像元構(gòu)成陣列，也就可以形成紅外輻射源的溫度場(chǎng)，換 言之，也就是可以得到目標(biāo)物體的紅外輻射圖像。目前微懸臂梁變形的檢測(cè)方式有兩種，一種叫做電讀出，另一種叫做光讀出。電讀 出方式是通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁彎曲處的電容或電阻等電學(xué)參數(shù)的變化情況，來(lái)獲得懸臂梁的 形變量，進(jìn)而推算出微懸臂梁吸收的紅外熱輻射，恢復(fù)出目標(biāo)物體的紅外輻射圖像。其特點(diǎn) 是需要配置的外圍設(shè)備比較簡(jiǎn)單，技術(shù)也相對(duì)成熟，但是要在FPA上構(gòu)造復(fù)雜的電信號(hào)放 大讀出電路，使得FPA的制造難度加大，并且由于該部分電路本身會(huì)產(chǎn)生熱量，所以會(huì)在一 定程度上影響紅外圖像的質(zhì)量。另一種叫做光讀出，是用可見(jiàn)光照射FPA，通過(guò)檢測(cè)反射光 的變化量間接獲得懸臂梁的變形量，其特點(diǎn)是要將紅外信號(hào)通過(guò)后續(xù)光學(xué)讀出系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為 可見(jiàn)光信號(hào)，通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光信號(hào)的探測(cè)與處理獲得紅外圖像信號(hào)。與電讀出相比，光讀出增 加了一個(gè)紅外光到可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，即FPA外圍需要配置一套可見(jiàn)光成像系統(tǒng)，但是不 需要在FPA上構(gòu)造讀出電路，使得PFA制造工藝簡(jiǎn)化，同時(shí)也避免了讀出電路產(chǎn)生的熱量對(duì) 成像質(zhì)量的影響。光讀出非制冷紅外成像系統(tǒng)，是用一束非干涉平行可見(jiàn)光照射已經(jīng)被紅外輻射照 射的FPA，紅外焦平面陣列的各像元由于吸收熱量的不同產(chǎn)生了不同的變形，被這些像元反 射以后的平行光也就攜帶了紅外焦平面陣列像元變形情況的信息，接收這些反射光并計(jì)算 處理，就可以得到目標(biāo)物體的纖外輻射圖像。許多專(zhuān)家和學(xué)者推算，光讀出系統(tǒng)理論上比電讀出微懸臂梁FPA系統(tǒng)具有更低的 背景噪聲，更高的靈敏度。但是就目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)資料來(lái)看，光讀出系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期 的成像效果，甚至還低于電讀出方式，其原因有兩個(gè)方面，一方面是紅外焦平面陣列器件制造工藝水平的制約，另一方面是光學(xué)讀出系統(tǒng)成像性能，這兩個(gè)方面也是進(jìn)一步提高光讀 出非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)性能的重要研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)提高光讀出非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)靈敏度的問(wèn)題， 提供一種具有雙光路的、可以有效扣除消除光源電源紋波、光源老化、環(huán)境溫度與照度變化 對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性技術(shù)。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)①本發(fā)明的新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，包括紅外成像光路、照明光路、 分光裝置、光學(xué)讀出光路、參比光路和圖像采集與處理裝置。紅外成像光路包含紅外成像鏡 頭和紅外焦平面陣列傳感器，紅外鏡頭將目標(biāo)物體的熱圖像成像在紅外焦平面?zhèn)鞲衅魃希?使紅外焦平面?zhèn)鞲衅飨裨嚵挟a(chǎn)生變化；照明光路包含光源、準(zhǔn)直鏡頭與反射鏡，為整個(gè)系 統(tǒng)提供可見(jiàn)光束；分光裝置包含分光元件，將光源發(fā)出的光按照一定的比例分成兩束；光 學(xué)讀出光路包含若干成像鏡頭和濾波器，用于對(duì)攜帶有紅外圖像信號(hào)的可見(jiàn)光成像在CCD 靶面上；參比光路包含反射鏡、若干成像鏡頭和濾波器，用于監(jiān)控光源電源紋波、光源老化、 環(huán)境溫度與照度變化。②該系統(tǒng)地成像特點(diǎn)是從光源發(fā)出的光，被擴(kuò)束、準(zhǔn)直以后，按一定的比例分成 兩束，其中一束經(jīng)過(guò)紅外成像光路和光學(xué)讀出光路，對(duì)外界目標(biāo)成紅外像，另一束通過(guò)參比 光路，提供參比信號(hào)，且這兩束光經(jīng)過(guò)的光程基本相等，時(shí)間上也同步。③該系統(tǒng)在圖像處理過(guò)程中，用參比信號(hào)對(duì)紅外像進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，扣除光源電源 紋波、光源老化、環(huán)境溫度與照度變化對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量和靈敏度的影響，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn) 定性與可靠性。有益效果采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外圖像的實(shí)時(shí)修正，扣除由于光源電源紋波等因素對(duì)系 統(tǒng)成像性能的影響。較之早前的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，在同等照明功耗的前提下，其 成像性能得到提高，并且對(duì)光源電源的性能要求也降低。


圖1是現(xiàn)有的單光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明的新型雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)示意圖；其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下圖中1.紅外成像鏡頭組；2.光源準(zhǔn)直鏡頭組；3.分光 組件；4.讀出光路；5.參比光路；6.圖像采集和處理裝置；7.焦平面陣列；8.單色光源
具體實(shí)施例方式下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。1.系統(tǒng)組成本發(fā)明的新型光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，由紅外成像光路、照明光路、分 光裝置、光學(xué)讀出光路、參比光路和圖像采集與處理裝置組成，具體如圖2所示紅外成像光路由紅外成像鏡頭組1和焦平面陣列7組成，紅外鏡頭將外界目標(biāo)的熱圖像成像于焦平面陣列7上，使7的像元陣列產(chǎn)生規(guī)律的變化；照明光路包含光源8和光源準(zhǔn)直鏡頭組2，照明光路為整個(gè)系統(tǒng)提供可見(jiàn)、非干 涉、平行的照明光束；分光裝置主要包含分光組件2，其主要功能是將光源發(fā)出的光按照一定的比例分 成兩束，一束直接射入到參比光路，另一束照向焦平面陣列7，并被攜帶有紅外圖像信號(hào)的 7調(diào)制；光學(xué)讀出光路4包含若干成像鏡頭和濾波器，用于對(duì)攜帶有紅外圖像信號(hào)的光束 分支成像，并將圖像送到圖像采集和處理裝置中；參比光路5包含反射鏡、若干成像鏡頭和濾波器，利用分光組件分出的一束光，對(duì) 光源電源紋波、光源老化、環(huán)境溫度與照度變化進(jìn)行監(jiān)控；圖像采集和處理裝置6，對(duì)光學(xué)讀出光路和參比光路提供的信號(hào)按照一定的規(guī)律 處理，并輸出紅外熱圖像。2.成像過(guò)程本發(fā)明的新型雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其成像過(guò)程如圖2所 示外界目標(biāo)的紅外熱圖像通過(guò)紅外鏡頭1進(jìn)入本發(fā)明的非制冷紅外焦平面成像系 統(tǒng)，并成像于焦平面陣列7上，如箭頭VI所示。焦平面陣列7由于吸收了熱，像元陣列的反 射鏡在懸臂梁的帶動(dòng)下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。光源8發(fā)出的發(fā)散光，被準(zhǔn)直鏡頭組2擴(kuò)束、準(zhǔn)直、折轉(zhuǎn)以后，射入分光裝置3，如箭 頭I所示。分光裝置3將入射的平行光束按照一定比例分成兩束，一束射入?yún)⒈裙饴?，如?頭Π所示，另一路射向焦平面陣列7，被焦平面陣列7調(diào)制，如箭頭III所示。被焦平面這 列7調(diào)制以后的光束，攜帶了外界目標(biāo)的紅外熱圖像，該光束被7反射，穿過(guò)分光組件后，進(jìn) 入到光學(xué)讀出光路4，如箭頭IV所示，光學(xué)讀出光路將其成像于信息采集與處理裝置。進(jìn) 入?yún)⒈裙饴?的光束被反射、成像于信息采集與處理裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控光源電源紋波、光源老 化、環(huán)境溫度與照度變化，如箭頭V所示。3.用參比信號(hào)實(shí)時(shí)修正紅外圖像本發(fā)明的新型雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，用參比信號(hào)實(shí)時(shí)修正紅 外圖像如下(1)紅外圖像的獲取附圖1所示的單光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)的紅外圖像采集過(guò)程為 首先由系統(tǒng)對(duì)參考黑體成像，此時(shí)默認(rèn)為外界環(huán)境對(duì)焦平面陣列7無(wú)調(diào)制作用，則圖像采 集和處理裝置6各像元獲得一個(gè)能量；然后系統(tǒng)對(duì)外界紅外物體成像，外界圖像經(jīng)由紅 外鏡頭組1成像于焦平面陣列7上，使焦平面陣列5的像元產(chǎn)生相應(yīng)的角度偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致圖像 采集和處理裝置6的各像元獲得的能量Ei與產(chǎn)程差異，二者的差即紅外熱圖像，即紅外熱圖像Ei0 = E0-Ei其中=E0= E · Il1 · η2 · η0 · η3........................... (1)Ei = E · Il1 ‘ η2· η· η3........................... (2)E為光源8發(fā)光強(qiáng)度，Il1為光源準(zhǔn)直鏡頭組2的光傳遞效率，η2為分光組件3的 光傳遞效率，nO為焦平面陣列7的光傳遞效率，n3為讀出光路4的光輸效率，n為系統(tǒng)對(duì)紅外物體成像以后焦平面陣列7的光傳遞效率；所以Ei0= ^1-Ei= E · Il1 ‘ η 2 · η 3 · ( η 0_ η ).................. (3)實(shí)質(zhì)上E = Ee+AEt，而0時(shí)刻和t時(shí)刻ΔΕ是不同的(H1 · η2 · η3也會(huì)隨時(shí)間 t有所變化，但主要是Δ^)，即式(1)和O)中的Ε· Il1 . η2. η3并不完全相同(其中 主要是Ε)。直接采用式C3)進(jìn)行圖像計(jì)算，會(huì)引入誤差。(2)用參比信號(hào)實(shí)時(shí)修正紅外圖像圖2所示的新型雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，在圖1的基礎(chǔ)上增加 了一個(gè)參比光通道5，且確保參比光通道5與原來(lái)的讀出光路4等光程，即參比光路5的 E' · n/ · n2' · n3'與讀出光路4的E · Ji1 · n2 · n3—致。同單光束光讀出非制冷
紅外焦平面成像系統(tǒng)一樣，讀出光路4有E0S = (Ee+ AE0) · H1 ‘ η 2 · η 0 · η 3..................... (4)Eis = (Ee+Δ Et) · η" η2 · η · η3 ..................... (5)參比光路5有EOp= (Ee+ Δ E0) ‘ .η/ · η2' · η3'= (Ee+ Δ E0) · η 丄· η 2 · η 3..................... (6)Eip= (Ee+Δ Et)' ·η/ ·η2' ·η3'= (Ee+Δ Et) · η" η2· η3..................... (7)令=Ei0= E0-Ei = (E0s/E0p)-(Eis/Eip) = n0-n ............ (8) 根據(jù)式(8)可以看出，新型雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)較好的去除 了光源電源紋波、光源老化、環(huán)境溫度與照度變化對(duì)系統(tǒng)成像的影響。通過(guò)后續(xù)的圖像處 理，可以更好的獲得紅外圖像，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。
權(quán)利要求
1.一種新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，包括紅外成像光路、照明光路、分光裝 置、光學(xué)讀出光路、參比光路、圖像采集及處理裝置，其特征在于有兩個(gè)光學(xué)通道，其中一個(gè) 光學(xué)通道對(duì)外界物體成紅外熱圖像，另一個(gè)光學(xué)通道提供參考信息，在圖像處理時(shí)，利用參 考信息對(duì)紅外熱圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而消除光源電源紋波、光源老化、環(huán)境溫度與照度變 化對(duì)系統(tǒng)成像精度和靈敏度的影響，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，其特征在于紅外成像 光路包含紅外成像鏡頭和紅外焦平面陣列，照明光路包含光源、準(zhǔn)直鏡頭與反射鏡，分光裝 置包含分光元件，光學(xué)讀出光路包含若干成像鏡頭和濾波器，參比光路包含反射鏡、若干成 像鏡頭和濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，其特征在于從光源發(fā) 出的發(fā)散光經(jīng)若干透鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后、反射后，進(jìn)入分光裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，其特征在于所述分光 元件將入射的一束平行光分成兩束，一束用以探測(cè)紅外焦平面陣列像元的變形量，形成紅 外熱圖像，另一束用以提供參考光信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)讀出光路 與參比光路光程一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5所述的新型非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于圖像采集 和處理裝置同時(shí)采集光學(xué)讀出光路和參比光路的信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5和6所述的新型非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于圖像采 集和處理裝置利用參比光路的信號(hào)，對(duì)光學(xué)讀出光路輸出的紅外圖像信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正， 消除光源電源紋波、光源老化、環(huán)境溫度與照度變化對(duì)系統(tǒng)成像精度和靈敏度的影響。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，包括紅外成像光路1和7、照明光路2和8、分光裝置3、光學(xué)讀出光路4、參比光路5和圖像采集及處理系統(tǒng)6。1將外界景物的熱圖像成像在紅外焦平面陣列7上，使7的陣列像元產(chǎn)生變化；從2出射的平行光被3分成兩束，其中一束進(jìn)入1，被攜帶外界紅外熱圖像信號(hào)的7調(diào)制，然后進(jìn)入4，另一束直接進(jìn)入5；從4和5出射的光同時(shí)進(jìn)入6，經(jīng)過(guò)處理，輸出紅外熱圖像。本發(fā)明的核心在于增加了5，在圖像處理時(shí)，可利用5的輸出信號(hào)對(duì)4輸出的紅外熱圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而消除光源電源紋波、光源老化、環(huán)境溫度與照度變化對(duì)系統(tǒng)成像精度和靈敏度的影響，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。
文檔編號(hào)G01J5/02GK102103017SQ20101053338
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者于曉梅, 劉小華, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進(jìn), 龔誠(chéng) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)