專利名稱：點(diǎn)格分光鏡調(diào)制的基于fpa的非制冷熱成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
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(duì)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(duì)焦平面陣列各個(gè)單元反射的光進(jìn)行調(diào)制，使光電探測(cè)器探測(cè)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(cè)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(jī)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(gè)問題I)通過的電流會(huì)產(chǎn)生附加的熱量，使得很難高精度地檢測(cè)入射的紅外輻射。2)為了使探測(cè)器能夠產(chǎn)生有效的局部升溫，探測(cè)單元與基底之間必須實(shí)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(cè)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(cè)器很難實(shí)現(xiàn)理想的熱隔離，使其探測(cè)靈敏度降低，并且像素的數(shù)目很難増大。3)對(duì)于陣列像素來說，要對(duì)紅外焦平面陣列上的每ー個(gè)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(cè)材料的熱常數(shù)會(huì)使探測(cè)單元產(chǎn)生一定的局部升溫需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，因此其幀速率相對(duì)于量子型紅外探測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)放大電路，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了很多，エ藝步驟也很大程度上簡(jiǎn)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(duì)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-chanicalbimorph 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(duì)光學(xué)讀出方式進(jìn)行了研究，使得這項(xiàng)技術(shù)越來越受到重視。從已公布的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shì)在必行。本發(fā)明采用的是ー種新型的分光鏡，即點(diǎn)格分光鏡。點(diǎn)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(jí)熔融石英利用真空沉積將加強(qiáng)鍍膜在固定的通光口徑內(nèi)，鍍膜與不鍍膜表面圖案成點(diǎn)狀分布，入射遇到鍍膜區(qū)域會(huì)反射，而遇到玻璃材料則會(huì)透射，這種分光片對(duì)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(diǎn)格分光鏡的分光性能，對(duì)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(cè)器上，獲得焦平面陣列受熱偏轉(zhuǎn)后的信息。通過點(diǎn)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(shí)現(xiàn)①當(dāng)環(huán)境中不加入紅外輻射物體時(shí)，焦平面陣列每個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧D(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(diǎn)格分光鏡，光束通過點(diǎn)格分光鏡后照射到光學(xué)探測(cè)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(shí)，焦平面陣列受熱微懸臂梁?jiǎn)卧l(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此以相同入射角度入射的光束會(huì)根據(jù)微懸臂梁?jiǎn)卧钠D(zhuǎn)角 度不同而以不同的角度反射。反射光線會(huì)以不同的角度通過點(diǎn)格分光鏡，則透過點(diǎn)格分光鏡的光束分布會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，光電探測(cè)器上接收到的光能會(huì)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。■有益效果采用本發(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(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且能夠減小環(huán)境中的雜散光對(duì)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(diǎn)格分光鏡的點(diǎn)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(diǎn)格分光鏡，6-成像透鏡，7-光電探測(cè)器，8-顯示器
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具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)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(diǎn)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(cè)器進(jìn)行7接收。當(dāng)環(huán)境中沒有紅外輻射物體時(shí)，光電探測(cè)器7所采集的一幀圖像會(huì)保存下來作為背景。當(dāng)紅外輻射物體進(jìn)入到探測(cè)窗口中，入射的紅外線會(huì)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?jiǎn)卧獦?gòu)成，懸臂梁受熱發(fā)生偏轉(zhuǎn)，反射光線再經(jīng)點(diǎn)格分光鏡5分光。因?yàn)橥高^點(diǎn)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(cè)器7上。這時(shí)，光電探測(cè)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(diǎn)格分光鏡是呈點(diǎn)狀圖案進(jìn)行鍍膜的，對(duì)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(diǎn)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(gè)小單元反射出的光束透過和不透過點(diǎn)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(cè)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(shí)，點(diǎn)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(gè)焦平面陣列單元與點(diǎn)格分光鏡的四個(gè)小單元(即一反三透)相對(duì)應(yīng)，成像效果會(huì)越好。并且要調(diào)整點(diǎn)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(diǎn)格分光鏡的點(diǎn)格邊平行或垂直于基座。滿足以上幾點(diǎn)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的非制冷紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述成像系統(tǒng)是由點(diǎn)格分光鏡進(jìn)行調(diào)制，該系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源、焦平面陣列、紅外透鏡、點(diǎn)格分光鏡、成像透鏡、光電探測(cè)器、顯示器，該系統(tǒng)分為入射光路和讀出光路兩部分，入射光路包括準(zhǔn)直光源，讀出光路包括點(diǎn)格分光鏡、成像透鏡、光電探測(cè)器、顯示器，準(zhǔn)直光源出射的平行光入射到焦平面陣列上，光線經(jīng)焦平面陣列反射后經(jīng)點(diǎn)格分光鏡進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的出射光經(jīng)過成像透鏡成像到光電探測(cè)器上。
2.如權(quán)利要求I所述的基于FPA的非制冷紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于入射光路和讀出光路相對(duì)于焦平面陣列呈ー個(gè)夾角，夾角的角度隨焦平面陣列微懸臂梁小単元的初始偏轉(zhuǎn)角確定。
3.如權(quán)利要求I所述的基于FPA的非制冷紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于點(diǎn)格分光鏡放置在焦平面陣列懸臂梁?jiǎn)卧南窈屯饪蛳駝偤梅珠_的位置。
4.如權(quán)利要求I所述的利用點(diǎn)格分光鏡進(jìn)行調(diào)制的基于FPA的非制冷紅外熱成像光學(xué) 系統(tǒng)，其特征在于紅外透鏡置于焦平面陣列的感光面方向，當(dāng)外界無熱物體時(shí)，焦平面陣列上的懸臂梁各個(gè)單元偏轉(zhuǎn)角都相同，光電探測(cè)器接收的圖像設(shè)為“基底”，放入熱物體，懸臂梁?jiǎn)卧鱾€(gè)單元的偏轉(zhuǎn)角由于受熱程度不同而偏轉(zhuǎn)不同的角度，點(diǎn)格分光鏡對(duì)入射光線的振幅進(jìn)行調(diào)制，光電探測(cè)器接收調(diào)制后的光線形成ー幀圖像，與“基底”相比，兩幅圖像在相同像素點(diǎn)處的灰度值發(fā)生變化，將該兩幅圖像“取差”，得到熱物體的紅外圖像。
全文摘要
本發(fā)明為點(diǎn)格分光鏡調(diào)制的基于FPA的非制冷紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)，此種方法代替?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(diǎn)格分光鏡對(duì)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?jiǎn)卧軣岚l(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，反射到點(diǎn)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(cè)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(diǎn)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)信噪比和探測(cè)靈敏度，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并且結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。
文檔編號(hào)G01J5/06GK102650549SQ201110180220
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京理工大學(xué)