CN101241231B - 一种红外光学成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外成像技术领域，公开了一种红外光学成像装置，包括红外透镜、位于红外透镜后焦平面与红外透镜之间的微梁阵列、位于微梁阵列后用于汇聚微梁阵列衍射光的滤波透镜、位于微梁阵列与滤波透镜之间的半透半反镜和平行光发射光源，平行光发射光源发射的平行光被半透半反镜反射后照射到微梁阵列上，并被微梁阵列反射后平行入射到滤波透镜，还包括：直线边界滤波反射单元，位于直线边界滤波反射单元两侧对称分布的第成像透镜和第二成像透镜，用于接收透过第一成像透镜光束的第一光学接收器和用于接收透过第二成像透镜光束的第二光学接收器。本发明同时公开了一种红外光学成像方法。利用本发明，既有很高的测量灵敏度，又有很好的抗震性能。

Description

一种红外光学成像装置

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及通过测量微悬臂梁阵列变形的转角，将红外辐射源在微梁阵列上所成的热图像，转变为可见光学图像的一种红外光学成像装置。

背景技术

将红外光图像转换为可见光图像的方法及装置已有很多种，历来，转化红外光的方法及装置一直是研究的热点。红外辐射探测装置用于将不可见的红外辐射转化为可见的图像，它包括红外热像仪、红外测温仪等。按照探测原理的不同，可以把红外辐射探测装置的核心部件——探测器——大致分为两类：量子型的红外辐射探测器和热性的红外辐射探测器。

量子型的红外辐射探测装置其核心部件是量子型的红外辐射探测器，它根据光电效应将红外光子的能量转化为光电子的能量。对应于波长为8-14微米的红外光子，其能量在0.1到0.4eV之间；这和室温下(300K)电子热运动产生的能量相当。因此为了有效的抑制电子热噪声，目前所有量子型的红外辐射探测装置都需要一套额外的制冷装置，将探测器的温度降到77K左右，以减小电子热运动的能量。这不仅使量子型的红外辐射探测装置比较笨重，而且价格极为昂贵。

热型的红外辐射探测装置其核心部件是热型的红外辐射探测器。传统的热型红外辐射探测器将入射的红外光能量转化为探测器的热能，通过集成电路检测出探测器的温升引发的热致可测量物理量的变化，比如电阻率或电容的变化等。这些热致可测物理量的变化是通过对探测单元输入电流来读出的。而当电流通过探测器单元时，会在探测器单元上产生附加的热量，带来读出误差。同时为了让探测器单元能有效地产生局部温升，探测器单元与基底之间必须实现热隔离。为了读出热致物理量参量的变化，探测器单元与基底之间不得不通过导线相连。而导线往往也是热的良导体，为此传统的热型红外探测器的探测灵敏度比较低。另外这些热电效应都极为微弱(例如在阻抗型的红外探测器中，被测物体上1K的温度变化所引发的探测器电阻率的变化仅为0.02％。)为了探测到这样微弱的电信号，集成电路要有相当高的信噪比和很强的增益。这增加了探测器和读出电路的设计和制造难度。

基于微悬臂梁阵列结构的红外辐射探测器，其敏感单元为双材料微悬臂梁。入射的红外光能被微悬臂梁的反光板吸收后，转化为微梁的温升，进而引发微梁产生热变形。当把微梁的多个单元按照所需的形式排列为阵列(简称微阵列)，就可以反映多点入射的红外辐射所产生的热变形。通过光学读出系统检测出表征这种热变形的参量，例如微梁的离面位移，就可以得到被测物体的温度。这种基于微梁阵列的热型红外辐射探测器有许多优点：一方面，微梁可以在不需要制冷的条件下工作；另一方面，由于采用的是光学读出方式，读出系统不会在微梁上产生附加的热量。而且，无需对微梁引出任何导线以及集成任何微信号处理电路，这种设计易于在微梁与基底之间实现良好的热隔离，同时很容易增加微梁的数量，而不引入制作难度和成本。因此基于微梁结构的红外辐射探测器，有望开发出更高性能的热型红外辐射探测装置。

已有的微梁阵列结构的红外辐射技术，利用了光学干涉的精密检测方法，用于提取微梁阵列的热变形离面位移信息，光学干涉的测量方法虽然有较高的测量精度，用它已经获得了室温物体的热像，但是其抗震性能差，工程上应用有许多困难。

另外，现有的将红外辐射源在微梁阵列上所成的热图像转变为可见光学图像的红外光学成像装置及方法，又具有测量灵敏度低的缺点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种红外光学成像装置，以提高其测量灵敏度和抗震性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种红外光学成像装置，该装置包括红外透镜13、位于红外透镜13后焦平面与红外透镜13之间的微梁阵列11、位于微梁阵列11后用于汇聚微梁阵列11衍射光的滤波透镜6、位于微梁阵列11与滤波透镜6之间的半透半反镜5，以及平行光发射光源，平行光发射光源发射的平行光被半透半反镜5反射后照射到微梁阵列11上，并被微梁阵列11反射后平行入射到滤波透镜6，该装置还包括：

直线边界滤波反射单元7，位于直线边界滤波反射单元7两侧对称分布的第一成像透镜8和第二成像透镜8’，用于接收透过第一成像透镜8光束的第一光学接收器9和用于接收透过第二成像透镜8’光束的第二光学接收器9’；其中，直线边界滤波反射单元7是一个截面为等边三角形的反光柱体，该反光柱体的两个面用于将滤波透镜6汇聚的衍射谱18分别反射到第一成像透镜8和第二成像透镜8′，该反光柱体的另一个面位于滤波透镜6的后焦平面上；该反光柱体的两个用于反射衍射谱18的面为镜面；第一光学接收器9接收第一成像透镜8入射的光束形成第一光学灰度图像，第二光学接收器9’接收第二成像透镜8’入射的光束形成第二光学灰度图像，将第一光学灰度图像与第二光学灰度图像相减获得肉眼可见的红外灰度图像。

所述平行光发射光源由非点光源1，光源滤波孔3和光源透镜4组成，光源滤波孔3位于光源透镜4的前焦平面上，非点光源1发出的光经过光源滤波孔3入射到光源透镜4，被光源透镜4平行入射到半透半反镜5。

所述半透半反镜5接收光源透镜4入射的平行光束，并将平行光束平行反射至微梁阵列11，经微梁阵列11的反射穿过半透半反镜5至滤波透镜6。

所述微梁阵列11进一步包括一硅衬底12，微梁阵列11和硅衬底12被封装在真空盒10内，以便对微梁阵列11进行温度控制，并保护微梁阵列11。

在所述红外透镜13相对于微梁阵列11的一侧放置被测物体14，当被测物体14靠近红外透镜13时，被测物体14的红外辐射光15被红外透镜13收集，透过微梁阵列的硅衬底12后，在微梁阵列11上形成红外光图像，微梁阵列11吸收红外光能后，产生一个角度偏转，导致反射到滤波透镜6的平行光发生改变，被滤波透镜6汇聚至直线边界滤波反射单元7的衍射谱18产生平移。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于采用了非相干光空间滤波技术，所以既有很高的测量灵敏度，又有很好的抗震性能。

2、本发明提供的技术方案，在基于衍射谱滤波技术的实时光学测量装置中，提出了使用滤波反射单元的滤波技术，使此光学测量装置具有很高的空间分辨率和数据的可靠性。

3、本发明提供的技术方案，光学测量装置采用非干涉测量方式，光学抗震性能高，适合工程应用。

4、作为一种普适光学检测方法，本发明提出的衍射谱滤波技术不仅适用于微梁结构红外成像探测器的光学测量装置，而且涉及测量微梁阵列转角信号，可以用本发明的方法和装置将转角信号转化为光强信号，以光学图像方式直观地将转角信息显示出来。

5、对于单个为探测器的转角信号，比如单个微悬臂梁的转角信号，本发明的方法和装置同样适用。

附图说明

图1为本发明提供的红外光学成像装置的结构示意图；该图结合微梁阵列的红外辐射探测器，说明衍射谱滤波技术的基本实现方案；

图2为使用微梁阵列获取红外辐射信号的原理图，当由两种材料构成的微梁受到红外辐射时，其会产生微小的形变；

图3为本发明提供的当位于滤波透镜后焦面上的能量谱从直线边界滤波反射单元的一侧移动到另一侧时，两个光学接收器上所获得的图像灰度的变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的红外光学成像装置的结构示意图，该装置包括红外透镜13、位于红外透镜13后焦平面与红外透镜13之间的微梁阵列11、位于微梁阵列11后用于汇聚微梁阵列11衍射光的滤波透镜6、位于微梁阵列11与滤波透镜6之间的半透半反镜5，以及平行光发射光源，平行光发射光源发射的平行光被半透半反镜5反射后照射到微梁阵列11上，并被微梁阵列11反射后平行入射到滤波透镜6，该装置还包括：

直线边界滤波反射单元7，位于直线边界滤波反射单元7两侧对称分布的第一成像透镜8和第二成像透镜8’，用于接收透过第一成像透镜8光束的第一光学接收器9和用于接收透过第二成像透镜8’光束的第二光学接收器9’。

所述直线边界滤波反射单元7是一个截面为等边三角形的反光柱体，所述反光柱体的两个面用于将滤波透镜6汇聚的衍射谱18分别反射到第一成像透镜8和第二成像透镜8’，所述反光柱体的另一个面位于滤波透镜6的后焦平面上；所述反光柱体的两个用于反射衍射谱18的面为镜面。

所述平行光发射光源由非点光源1，光源滤波孔3和光源透镜4组成，光源滤波孔3位于光源透镜4的前焦平面上，非点光源1发出的光经过光源滤波孔3入射到光源透镜4，被光源透镜4平行入射到半透半反镜5。

所述半透半反镜5接收光源透镜4入射的平行光束，并将平行光束平行反射至微梁阵列11，经微梁阵列11的反射穿过半透半反镜5至滤波透镜6。

所述微梁阵列11进一步包括一硅衬底12，微梁阵列11和硅衬底12被封装在真空盒10内，以便对微梁阵列11进行温度控制，并保护微梁阵列11。

在所述红外透镜13相对于微梁阵列11的一侧放置被测物体14，当被测物体14靠近红外透镜13时，被测物体14的红外辐射光15被红外透镜13收集，透过微梁阵列的硅衬底12后，在微梁阵列11上形成红外光图像，微梁阵列11吸收红外光能后，产生一个角度偏转，导致反射到滤波透镜6的平行光发生改变，被滤波透镜6汇聚至直线边界滤波反射单元7的衍射谱18产生平移。如图2所示，图2为使用微梁阵列获取红外辐射信号的原理图。

所述第一光学接收器9接收第一成像透镜8入射的光束形成第一光学灰度图像，第二光学接收器9’接收第二成像透镜8’入射的光束形成第二光学灰度图像，将第一光学灰度图像与第二光学灰度图像相减获得肉眼可见的红外灰度图像。如图3所示，图3为本发明提供的当位于滤波透镜后焦面上的能量谱从直线边界滤波反射单元的一侧移动到另一侧时，两个光学接收器上所获得的图像灰度的变化曲线图。

再参照图1，本发明提出的用于将红外图像转化为可见图像的红外光学成像装置，由光源(1，3，4)、半透半反镜5、滤波透镜6、直线边界滤波反射单元7、两组成像透镜(8，8’)、两组光学接收器(9，9’)、真空腔10、具有获取红外像能力的微梁阵列11和零部件组装用的支架组成。光源由点光源1、光源滤波孔3和光源透镜4构成，光源滤波孔3位于点光源1与光源透镜4之间的焦平面上，并产生用于探测微梁阵列转角的平行光，平行光通过位于微梁阵列11一侧的半透半反镜5垂直照射在位于真空腔10中的微梁阵列11上，由微梁阵列11反射而形成的衍射光再次通过半透半反镜5到达滤波透镜6，衍射光在滤波透镜6的后焦面上产生能量谱，能量谱被位于滤波透镜6后焦面上的直线边界滤波反射单元7分为两束光，两束光分别经过各自的成像透镜(8，8’)被位于透镜焦平面上的光学接收器(9，9’)接收，将两个光学接收器(9，9’)所接收的图像作相减处理则可获得所需要的可见红外图像。

在微梁阵列(11)反射的衍射光的汇聚谱平面上设有直线边界滤波反射单元7，且成像透镜(8、8’)位于其两侧。光源为点光源1，光源滤波孔3和光源透镜4组成。光源滤波孔3位于光源透镜4的前焦面上。在微梁阵列11与支线边界滤波反射单元7之间设有滤波透镜6，且该透镜6的后焦平面位于直线边界滤波反射单元7的直线边界所在平面上。

再参照图1，对于光学测量装置，测量对象微梁阵列的安放架及处于途中红外辐射探测器的位置，微梁阵列则作为测量对象放置于安放架上。图1中的光源滤波孔3放置在光源1的后方(图中的上方)，尽量靠近光源以获取光源的最大能量。光源1上每一点发出的光线中均有能够到达光源滤波孔3的通光部分2并通过通光部分2的光线。当通光部分2正好位于光源透镜4的前焦点时，这些穿过通光部分2的光线被光源透镜4准直为平行光束16。平行光束16被半透半反镜5反射的光线照射在微梁阵列11上，并被微梁阵列11反射。从微梁阵列11返回的衍射光线17透过半透半反镜5，被滤波透镜6汇聚在其后焦面上，形成为梁阵列11的光学衍射谱18。光学滤波反射单元7放置在滤波透镜6的后焦面上，并将光谱18分为两束。一束衍射谱通过成像透镜8到达光学接收器9，并在光学接收器9上形成可见光图像19；另一束衍射谱通过成像透镜8’到达光学接收器9’，并在光学接收器9’上形成可见光图像19’。当被测物体14靠近红外透镜13时，被测物体14的红外辐射光15被红外透镜13收集，透过微梁阵列的硅衬底12后，在微梁阵列11上形成红外光图像。微梁阵列11吸收红外光能后，产生一个角度偏转。相应地，从微梁阵列11上的反射部分返回的衍射光17整体也产生一个偏转，表现在滤波透镜6后焦平面上就是一个衍射谱18的平移。衍射谱18的平移使它原来落在光学滤波反射单元一侧的能量减少，而另一侧的能量增加。放映在光学接收器9、9’上就是可见光图像19光强的增加(减弱)同时可见光图像19’光强的减弱(增加)。图1中的微梁阵列被封装在真空盒10内，以便对未梁阵列进行温度控制，并保护微梁阵列。

各部件的典型参数为：光源1用普通白光、激光等；光源滤波孔3的通光部分2的孔径为0.02～1mm；光源透镜4的焦距为50～100mm(透镜数值孔径F#＝1，或更小)。

基于图1所示的红外光学成像装置的结构示意图，本发明还提供了一种红外光学成像方法，应用于图1所示的至少包括微梁阵列、平行光发射光源、滤波透镜、直线边界滤波反射单元、第一成像透镜、第二成像透镜、第一光学接收器和第二光学接收器的红外光学成像装置，该方法包括：平行光发射光源发射的平行光照射兼有获取热像信号的微梁阵列，所述平行光经微梁阵列衍射后被滤波透镜汇聚至直线边界滤波反射单元，并被直线边界滤波反射单元分为两束，由于微梁阵列受到红外辐射后产生微小的偏转，导致被直线边界滤波反射单元分成的两束光的能量发生改变，一束光的能量增加，一束光的能量减少；其中一束光通过第一成像透镜被第一光学接收器接收形成第一光学灰度图像，另一束光通过第二成像透镜被第二光学接收器接收形成第二光学灰度图像，将第一光学灰度图像与第二光学灰度图像相减获得肉眼可见的红外灰度图像。

所述平行光发射光源由非点光源，光源滤波孔和光源透镜组成，光源滤波孔位于光源透镜的前焦平面上，在微梁阵列与滤波透镜之间有一半透半反镜，所述平行光发射光源发射的平行光照射兼有获取热像信号的微梁阵列包括：所述非点光源发出的光经过光源滤波孔入射到光源透镜，被光源透镜平行入射到半透半反镜，半透半反镜接收光源透镜入射的平行光束，并将平行光束平行反射至微梁阵列；在所述红外透镜相对于微梁阵列的一侧放置被测物体，当被测物体靠近红外透镜时，被测物体的红外辐射光被红外透镜收集，透过微梁阵列的硅衬底后，在微梁阵列上形成红外光图像。

在上述红外光学成像方法中，所述平行光发射光源可以采取如下的具体实施方案：在非点光源前方放置光源透镜，使光通过射在光源透镜之前焦面上的光源滤波孔后形成点光源，在经光源透镜形成平行光并照射到微梁阵列，来自微梁阵列的衍射光通过滤波透镜汇聚于直线边界滤波单元。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种红外光学成像装置，该装置包括红外透镜(13)、位于红外透镜(13)后焦平面与红外透镜(13)之间的微梁阵列(11)、位于微梁阵列(11)后用于汇聚微梁阵列(11)衍射光的滤波透镜(6)、位于微梁阵列(11)与滤波透镜(6)之间的半透半反镜(5)，以及平行光发射光源，平行光发射光源发射的平行光被半透半反镜(5)反射后照射到微梁阵列(11)上，并被微梁阵列(11)反射后平行入射到滤波透镜(6)，其特征在于，该装置还包括：

直线边界滤波反射单元(7)，位于直线边界滤波反射单元(7)两侧对称分布的第一成像透镜(8)和第二成像透镜(8′)，用于接收透过第一成像透镜(8)光束的第一光学接收器(9)和用于接收透过第二成像透镜(8′)光束的第二光学接收器(9′)；

其中，直线边界滤波反射单元(7)是一个截面为等边三角形的反光柱体，该反光柱体的两个面用于将滤波透镜(6)汇聚的衍射谱(18)分别反射到第一成像透镜(8)和第二成像透镜(8′)，该反光柱体的另一个面位于滤波透镜(6)的后焦平面上；该反光柱体的两个用于反射衍射谱(18)的面为镜面；

第一光学接收器(9)接收第一成像透镜(8)入射的光束形成第一光学灰度图像，第二光学接收器(9′)接收第二成像透镜(8′)入射的光束形成第二光学灰度图像，将第一光学灰度图像与第二光学灰度图像相减获得肉眼可见的红外灰度图像。

2.根据权利要求1所述的红外光学成像装置，其特征在于，所述平行光发射光源由非点光源(1)，光源滤波孔(3)和光源透镜(4)组成，光源滤波孔(3)位于光源透镜(4)的前焦平面上，非点光源(1)发出的光经过光源滤波孔(3)入射到光源透镜(4)，被光源透镜(4)平行入射到半透半反镜(5)。

3.根据权利要求2所述的红外光学成像装置，其特征在于，所述半透半反镜(5)接收光源透镜(4)入射的平行光束，并将平行光束平行反射至微梁阵列(11)，经微梁阵列(11)的反射穿过半透半反镜(5)至滤波透镜(6)。

4.根据权利要求1所述的红外光学成像装置，其特征在于，所述微梁阵列(11)进一步包括一硅衬底(12)，微梁阵列(11)和硅衬底(12)被封装在真空盒(10)内，以便对微梁阵列(11)进行温度控制，并保护微梁阵列(11)。

5.根据权利要求4所述的红外光学成像装置，其特征在于，在所述红外透镜(13)相对于微梁阵列(11)的一侧放置被测物体(14)，当被测物体(14)靠近红外透镜(13)时，被测物体(14)的红外辐射光(15)被红外透镜(13)收集，透过微梁阵列的硅衬底(12)后，在微梁阵列(11)上形成红外光图像，微梁阵列(11)吸收红外光能后，产生一个角度偏转，导致反射到滤波透镜(6)的平行光发生改变，被滤波透镜(6)汇聚至直线边界滤波反射单元(7)的衍射谱(18)产生平移。

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