專利名稱：基于fpa非制冷熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡光學(xué)讀出方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是基于FPA(焦平面陣列)的非制冷紅外成像系統(tǒng)技術(shù)中的ー種光學(xué)讀出方法，該讀出方法可以代替刀ロ或小孔進(jìn)行濾波成像，針對目前此種成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于龐大和復(fù)雜的問題，發(fā)明出的一種成像方法。此種方法能夠?qū)Νh(huán)境中的雜散光進(jìn)行有效的抑制，并對焦平面陣列各個單元反射的光進(jìn)行調(diào)制，使光電探測器探測到的光能能夠隨著受熱懸臂梁的偏轉(zhuǎn)變化而變化，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
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背景技術(shù)：
近年來，隨著FPA技術(shù)的不斷發(fā)展，非制冷紅外成像系統(tǒng)得到了突破性的提高并且受到了廣泛的關(guān)注。新型非制冷紅外成像系統(tǒng)和傳統(tǒng)的非制冷型紅外成像系統(tǒng)相比，輻射探測器采用光學(xué)讀出方法，而不是電學(xué)讀出方法，不需要制冷，成本低，且可以民用。傳統(tǒng) 的電學(xué)讀出方法能夠在室溫下進(jìn)行工作，焦平面陣列與硅エ藝兼容，并且不需要機械掃描裝置，集成電路制作技術(shù)較為成熟，但仍存在著以下幾個問題I)通過的電流會產(chǎn)生附加的熱量，使得很難高精度地檢測入射的紅外輻射。2)為了使探測器能夠產(chǎn)生有效的局部升溫，探測單元與基底之間必須實現(xiàn)良好的熱隔離，但是為了讀出熱電效應(yīng)的變化，必須將探測器單元與基底之間通過導(dǎo)線進(jìn)行連接，而導(dǎo)線是熱的良導(dǎo)體，這就造成傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測器很難實現(xiàn)理想的熱隔離，使其探測靈敏度降低，并且像素的數(shù)目很難増大。3)對于陣列像素來說，要對紅外焦平面陣列上的每ー個単元制作高増益高精度的讀出電路，制作難度和成本都很高。4)由于探測材料的熱常數(shù)會使探測單元產(chǎn)生一定的局部升溫需要比較長的時間，因此其幀速率相對于量子型紅外探測器相比較低。光學(xué)讀出方法是將紅外輻射轉(zhuǎn)化為熱能，溫度的變化使得焦平面探測單元的轉(zhuǎn)角或者是離面位移發(fā)生變化，通過光學(xué)讀出系統(tǒng)得到被測輻射物體的熱像或溫度分布。與電讀出方式相比，光學(xué)讀出方法不需要在焦平面陣列上構(gòu)造復(fù)雜的電信號放大電路，因此結(jié)構(gòu)簡化了很多，エ藝步驟也很大程度上簡化了。由于不需要構(gòu)造放大電路，則系統(tǒng)自然沒有了電路產(chǎn)生的熱量造成的影響，所以光學(xué)讀出方法具有更低的背景噪聲和更高的靈敏度。對光學(xué)讀出方式的研究已經(jīng)經(jīng)歷了十多年，1997年，Stanford大學(xué)S. R. Manalis在 Applied Physics Letters 發(fā)表 Two-dimensional microme-chanical bimorph arraysfor detection of thermal radiation,同年 Nikon 公司和 1999 年的美國 Berkeley 以及中國科技大學(xué)和北京理工大學(xué)都相繼地對光學(xué)讀出方式進(jìn)行了研究，使得這項技術(shù)越來越受到重視。從已公布的實驗結(jié)果來看，光讀出紅外焦平面陣列技術(shù)已經(jīng)趨近于發(fā)展成熟，但仍然有一些關(guān)鍵技術(shù)問題有待攻克。目前，光學(xué)讀出方法多采用刀ロ濾波和小孔濾波，但是這兩種方式很難將環(huán)境中的雜散光濾除掉，并且對工作環(huán)境的要求較高，還不能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的等效噪聲溫差，因此，尋求新的光學(xué)讀出方法來完善系統(tǒng)勢在必行。本發(fā)明采用的是ー種新型的分光鏡，即點格分光鏡。點格分光鏡在廣域波譜里的反射投射比為常量，其分光性能較標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)分光鏡性能勝出許多。UV級熔融石英利用真空沉積將加強鍍膜在固定的通光口徑內(nèi)，鍍膜與不鍍膜表面圖案成點狀分布，入射遇到鍍膜區(qū)域會反射，而遇到玻璃材料則會透射，這種分光片對入射角度不敏感，光線可在0°到45°范圍內(nèi)入射。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是 利用點格分光鏡的分光性能，對經(jīng)過焦平面陣列單元反射的光線進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)過成像透鏡成像在光電探測器上，獲得焦平面陣列受熱偏轉(zhuǎn)后的信息。通過點格分光鏡透光與不透光部分的調(diào)制，可以有效地抑制背景噪聲，使成像效果變好。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實現(xiàn)①當(dāng)環(huán)境中不加入紅外輻射物體時，焦平面陣列每個微懸臂梁單元偏轉(zhuǎn)相同的角度。準(zhǔn)直光束以一定的角度投射到焦平面陣列上，并以一定的角度反射到出射光路，出射光路中加入點格分光鏡，光束通過點格分光鏡后照射到光學(xué)探測器上，并以此作為成像基準(zhǔn)。②當(dāng)環(huán)境中有紅外輻射物體時，焦平面陣列受熱微懸臂梁單元發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此以相同入射角度入射的光束會根據(jù)微懸臂梁單元的偏轉(zhuǎn)角度不同而以不同的角度反射。反射光線會以不同的角度通過點格分光鏡，則透過點格分光鏡的光束分布會發(fā)生相應(yīng)的變化，光電探測器上接收到的光能會増大或減小，與之前的基準(zhǔn)“相減”后獲得輻射物體的紅外熱圖像?！鲇幸嫘Ч捎帽景l(fā)明可以替代現(xiàn)有的刀ロ或小孔濾波元件進(jìn)行濾波調(diào)制，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且能夠減小環(huán)境中的雜散光對系統(tǒng)成效的影響，改善輸出圖像的質(zhì)量。
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圖I為基于本發(fā)明的以焦平面陣列為核心的熱成像系統(tǒng)原理示意2為點格分光鏡的點狀圖案分布圖其中1-準(zhǔn)直光源，2-紅外目標(biāo)輻射的紅外線，3-紅外透鏡，4-焦平面陣列，5-點格分光鏡，6-成像透鏡，7-光電探測器，8-顯示器
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具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)ー步描述圖I為光學(xué)系統(tǒng)原理圖。準(zhǔn)直光源I反射出平行光照射到焦平面陣列4上，經(jīng)焦平面陣列反射到讀出光路中。反射光線在讀出光路中首先通過點格分光鏡5進(jìn)行調(diào)制，使反射的光線一部分反射，一部分透射。透射的部分再經(jīng)過成像透鏡6由光電探測器進(jìn)行7接收。當(dāng)環(huán)境中沒有紅外輻射物體時，光電探測器7所采集的一幀圖像會保存下來作為背景。當(dāng)紅外輻射物體進(jìn)入到探測窗口中，入射的紅外線會經(jīng)過紅外透鏡2聚焦在焦平面陣列4上，由于焦平面陣列是雙材料微懸臂梁單元構(gòu)成，懸臂梁受熱發(fā)生偏轉(zhuǎn)，反射光線再經(jīng)點格分光鏡5分光。因為透過點格分光鏡的光束發(fā)生了變化，則入射到成像透鏡5的光束分布也隨之變化，最后經(jīng)過成像透鏡6照射到光電探測器7上。這時，光電探測器采集并保存的是包含輻射物體信息的ー副圖像，將這幅圖像與之前保存的背景圖像相減，則在顯示器上所輸出的就是肉眼可見的紅外熱圖像。
點格分光鏡是呈點狀圖案進(jìn)行鍍膜的，對入射的光線部分反射部分透射，且入射光線在0°至45°之間都可以工作。放入紅外輻射物體后，由于微懸臂梁的偏轉(zhuǎn)角度變化，反射的光線方向也隨之發(fā)生變化，則入射到點格分光鏡的角度及位置也相應(yīng)地發(fā)生了變化，即焦平面陣列每個小單元反射出的光束透過和不透過點格分光鏡的比例發(fā)生變化，從而使得經(jīng)過成像透鏡后在光電探測器上接收到的圖像發(fā)生改變。獲得紅外輻射物體的熱圖像時，點格分光鏡與焦平面陣列的距離以及放置傾角是至關(guān)重要的。放置的距離越近，且傾斜的角度使得ー個焦平面陣列單元與點格分光鏡的四個小單元(即一反三透)相對應(yīng)，成像效果會越好。并且要調(diào)整點格分光鏡與焦平面陣列法線的角度，使成像效果更好。此外，應(yīng)將點格分光鏡的點格邊平行或垂直于基座。滿足以上幾點的紅外成像系統(tǒng)，能夠改善其成像效果。權(quán)利要求
1.一種基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在干該系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源、焦平面陣列、紅外透鏡、點格分光鏡、成像透鏡、光電探測器、顯示器，利用點格分光鏡對經(jīng)過焦平面陣列反射出的光線進(jìn)行振幅調(diào)制，讀出焦平面陣列的懸臂梁單元受熱后偏轉(zhuǎn)后通過點格分光鏡的光場信息。
2.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在干焦平面陣列的懸臂梁單元受熱偏轉(zhuǎn)后，點格分光鏡中相同単元所接受到的反射光線在角度和強度上發(fā)生變化，點格分光鏡為ニ維振幅光柵，可對入射光的振幅進(jìn)行調(diào)制。
3.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在干點格分光鏡上鍍膜與不鍍膜表面圖案采用點狀分布，入射光遇到鍍膜區(qū)域會反射，而遇到玻璃材料則會透射，本分光片對入射角度不敏感，可對0° 45°內(nèi)各種角度入射光進(jìn)行振幅調(diào)制。
4.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在于點格分光鏡的透光和不透光呈點狀分布，將分布的點狀圖形的矩形邊與基底呈水平放置。
5.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在于入射到焦平面陣列上的光與焦平面陣列的角度為最佳，使焦平面陣列小單元反射光強均勻且最強。
6.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在于將點格分光鏡與反射光光軸在水平方向上的夾角呈90°放置。
7.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在于將點格分光鏡與反射光光軸在豎直方向上的夾角呈90°放置。
8.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，其特征在于點格分光鏡與焦平面陣列間的距離取最小，使焦平面陣列與邊框像剛好分開。
全文摘要
本發(fā)明為基于FPA非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的點格分光鏡調(diào)制光學(xué)讀出方法，此種方法應(yīng)用于基于FPA的非制冷紅外熱成像系統(tǒng)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小孔或刀口進(jìn)行光學(xué)濾波。此種方法利用點格分光鏡對焦平面陣列反射的光線進(jìn)行調(diào)制而改善系統(tǒng)的成像性能。當(dāng)焦平面陣列中微懸臂梁單元受熱發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，反射到點格分光鏡的光線在角度和位置上都發(fā)生了變化，因此透過和反射的光束比例也發(fā)生相應(yīng)的改變，通過成像透鏡后，光電探測器接受到的光能改變，經(jīng)過處理得到輻射物體的紅外熱圖像。通過調(diào)節(jié)點格分光鏡與焦平面陣列的位置關(guān)系，能夠得到最佳的成像效果。此種方法相比于刀口和小孔能夠更有效地濾除雜散光，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并且結(jié)構(gòu)大大簡化。
文檔編號G01J5/10GK102650551SQ20111018016
公開日2012年8月29日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者丁琳, 劉小華, 惠梅, 武紅, 董立泉, 趙躍進(jìn) 申請人:北京理工大學(xué)