CN101285709B - 基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪 - Google Patents

Abstract

基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，包括红外成像系统、焦平面阵列、冷光源系统，光学读出系统、IR图像复原器，红外物体通过红外成像系统成像到焦平面阵列上，红外热辐射使得焦平面阵列中的FPA单元发生微小变形，然后用冷光源系统发出标准平面波通过分光镜照射到FPA单元上发生反射，使带有微小面形变化的波前信息通过分光镜进入光学读出系统，由光学读出系统中的哈特曼波前传感器进行波前探测，再由IR图像复原器根据相关算法从光学读出系统探测到的波前中提取出每个FPA单元的热致转角信息后重构为被探测物体的红外图像；本发明利用哈特曼波前传感器能够高精度、高帧频探测波前信号的优点，提高了光力学红外成像仪系统灵敏度，从而得到质量更好的红外图像。

Description

基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪

技术领域

本发明涉及一种光力学红外成像仪，特别是一种基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪。

背景技术

红外热成像仪(热成像仪或红外热像仪)是根据凡是高于绝对温度零度(-273℃)的物体都有辐射红外线的基本原理，通过非接触探测目标和背景自身辐射红外线的差异来发现和识别目标。将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，将探测到的热量精确量化，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。由于红外热成像仪工作时无须任何光源照明。所以它能揭露伪装，并能发现存在的暂留图像，对高远目标同样能清晰显示。在国防、公安、科研等领域中有广泛的用途。

传统的红外辐射转化装置分为两类：量子型和热型红外辐射探测器。量子型红外辐射探测器是利用光电效应将红外光子能量转化为电子能量，需要将探测器靶面冷却到77K来抑制电子热运动，空间分辨率和温度分辨率较高(可达1mrad和0.03℃)，但探测装置比较笨重和昂贵。传统的热型红外辐射探测器是吸收入射的红外光能量，再通过电路读出探测单元温升引发的电学效应从而得到红外辐射的信息。但是由于热电效应一般在2％/K，所以对读出电路的信噪比要求高，使其价格昂贵。基于光-机械微悬臂结构的热型红外焦平面探测器于上世纪90年代后期被提出。红外光能被探测单元吸收后转化为热能，使悬臂梁产生热致形变，检测出微梁阵列的形变，就可以得到被测物体的热像或温度分布。这种探测器件的开发和制作成本都比较低，随着技术的发展，该技术有希望发展成为低成本高性能的红外成像器件。

光学读出是光-机械微悬臂结构的热型红外焦平面探测器系统中一个重要环节。传统的光力学红外成像仪采用直接探测红外成像前后，焦平面阵列反射光光强改变量的方式来获得图像，而红外辐射引起的FPA单元的转角非常小(目前约10^-4rad/K)，由该转角引起的光强的改变量显然会很小。所以在探测红外辐射较弱的信号时，由于信噪比过小而只能得到像质很差的红外图像甚至无法得到红外图像。

由于有了上述问题的存在，如何提高光学读出系统的灵敏度，改善光力学红外热成像仪的性能，使其能够应用在弱红外辐射物体成像中，从而在国防、公安、科研等领域中得到更广泛的应用，就成了一个很重要的研究课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统的光力学红外成像仪中，受限于光学读出系统灵敏度而无法探测弱红外辐射目标的红外图像的缺点；提供一种能够高灵敏度和高频率探测波前的哈特曼波前传感器探测带有转角信息的光波波前，再利用该波前复原出目标的红外图像；基于该器件的光力学红外成像仪就能够对弱红外辐射目标进行高频探测，为得到弱红外辐射目标的红外图像提供了核心的解决方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，包括红外成像系统、焦平面阵列、冷光源系统，光学读出系统和IR图像复原器，其特征在于：红外物体通过红外成像系统成像到焦平面阵列上，由于红外热辐射使得焦平面阵列中的FPA单元发生微小变形，然后用冷光源系统发出标准平面波通过分光镜的透射照射到焦平面阵列中的FPA单元上发生反射，使带有微小面形变化的波前信息通过分光镜的反射进入光学读出系统中，由光学读出系统中的哈特曼波前传感器进行波前探测，最后由IR图像复原器根据相关算法从光学读出系统探测到的波前中提取出每个FPA单元的热致转角信息后重构为被探测物体的红外图像。

所述焦平面阵列还包含有基底；FPA单元固定在基底上，基底可以透射红外辐射。

所述焦平面阵列中的FPA单元的转角与温升成线性关系，通过光学读出方式检测每个FPA单元热致转角，就可以得到温度的分布图像。

所述FPA单元由红外吸收板/反光板、双材料变形梁、热隔离梁三部分组成；其中热隔离梁为单材料膜，隔离双材料变形梁与基底之间的热交换；红外吸收板/反光板为双材料膜，其中一面用于反射读出光，另一面用于吸收多余的入射红外辐射。

所述FPA单元的双材料变形梁为双材料膜；当吸收红外辐射导致温度发生变化时，由于材料的膨胀系数不同，两层材料之间的相互约束会使得双层结构发生弯曲变形，该弯曲变形会带动红外吸收板/反光板转过一定的角度，并且此转角的大小单调对应于入射红外辐射的能量大小。

所述的冷光源系统包括LED冷光源、小孔和准直透镜组；LED冷光源发出的光通过小孔时形成点光源，准直透镜组将该点光源变换为标准平面波。

所述光学读出系统中除了包含有哈特曼波前传感器，还包含有波前处理机；由于反射光的波前含有焦平面阵列上的FPA单元的热致转角信息，所以可以通过IR图像复原器将波前处理机得到的波前斜率转换为被探测物体的IR图像。

所述实现对焦平面阵列反射光的波前探测的哈特曼波前传感器；包括光路缩束系统、微透镜阵列和CCD；微透镜阵列将入射波面分割后会聚到焦平面上，当入射波前是理想平面波前，微透镜阵列中的每个微透镜形成的光斑将在其焦点上；当入射波前受到干扰，则微透镜所形成的光斑将偏离其焦点；利用CCD检测各光斑质心的偏离量，波前处理机对偏离量的处理就可以计算出各子孔径上两个正交方向上的平均波前斜率，从而重构出入射波面的波前。

所述的哈特曼波前传感器中光路缩束系统的缩束比由FPA单元的长度L_leg和微透镜口径d决定： $M=\frac{d}{L_{\mathrm{leg}}}.$

所述的IR图像复原器的采用的算法是基于焦平面阵列反射光的波前，取出FPA单元的热致转角信息，利用热致转角与物体红外辐射的关系将单个子孔径探测得到的波前斜率与物体红外辐射对应得到探测物体的红外图像；单个子孔径探测得到的波前斜率与物体红外辐射的关系为： $k=\frac{2H{\·S}_T}{M}\·T;$

其中，k是单个子孔径探测得到的波前斜率；H是FPA单元的热转换效率，它由红外目标的温升ΔT_s引起探测阵元的温升ΔT_C的反比决定： $H=\frac{\∂T_C}{\∂T_s};$ S_T表示热机械响应，即反射面转过的角度Δθ与阵元的温度改变量ΔT之比： $S_T=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂T}.$

本发明的原理是：作为光力学红外成像仪的核心之一，光学读出系统的性能直接关系到该成像仪的性能；传统光学采用读出系统直接探测光强的变化量来得到红外图像的方法，信噪比低，当目标红外辐射较弱时，只能得到像质很差的红外图像甚至无法得到红外图像。本发明将焦平面阵列的反射光看作是一种受焦平面阵列的悬臂梁扰动后的波，通过检测反射光的波前来间接得到物体的红外图像。由于哈特曼波前传感器能够高精度和高帧频探测目标波前的特点，所以该光力学红外成像仪能够应用在弱红外辐射物体成像中。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明摒弃了传统的光力学红外成像仪直接探测光强的变化量来得到红外图像的方法，将焦平面阵列的反射光看作是一种受焦平面阵列的悬臂梁扰动后的波，利用哈特曼波前传感器探测得到其波前后重构出物体的红外图像。由于哈特曼波前传感器具有高灵敏度和高帧频的特点，所以该光力学红外成像仪能够应用在弱红外辐射物体成像中，从而在国防、公安、科研等领域中得到更广泛的应用；另外，本发明在红外成像原理上与传统技术完全一致，因此对传统光力学红外成像仪的改造不需要额外的技术成本，方便实用。

附图说明

图1为基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪的工作原理图；

图2为焦平面阵列电镜照片和变形原理图；

图3为哈特曼波前传感器示意图；

图4为单个焦平面阵列单元光学读出光路图；

图5为本发明中基于哈特曼波前探测器光力学红外成像仪示意图；

图中：1：红外成像系统，2：焦平面阵列，3：冷光源系统，4：光学读出系统，5：IR图像复原器，6：FPA单元，7：分光镜，8：准直透镜组，9：小孔，10：LED冷光源，11：哈特曼波前传感器，12：光路缩束系统，13：微透镜阵列，14：CCD，15：波前处理机，16：基底，17：微透镜，18红外吸收板/反光板，19：双材料变形梁，20：热隔离梁。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

本实施例的一种基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，包括红外成像系统1、焦平面阵列2、冷光源系统3，光学读出系统4和IR图像复原器5五大部分，如图1所示。红外物体通过红外成像系统1成像到焦平面阵列2上，由于红外热辐射使得焦平面阵列2的FPA单元6产生热致转角，然后用冷光源系统3发出标准平面波经过分光镜7的透射照射到焦平面阵列2中的FPA单元6上发生反射，带有热致转角信息的反射光波前通过分光镜7的反射进入光学读出系统4中由哈特曼波前传感器11进行波前探测，最后由IR图像复原器5根据相关的算法从探测到的波前中提取出每个FPA单元6的热致转角信息，并重构出被探测物体的红外辐射图像。

所述焦平面阵列2包含FPA单元6和基底16；FPA单元6固定在基底16上，基底16可以透射红外辐射，这里选取焦平面阵列2中包含有120×120个FPA单元6。

FPA单元6由红外吸收板/反光板18、双材料变形梁19和热隔离梁20三部分组成，如图2所示。双材料变形梁19为双材料膜，当吸收红外辐射导致温度发生变化时，由于材料的膨胀系数不同，两层材料之间的相互约束会使得双材料变形梁19的发生弯曲变形，双材料变形梁19的弯曲变形会带动红外吸收板/反光板18转过一定的角度，并且该转角的大小单调对应于入射红外辐射的能量大小；红外吸收板/反光板18为双材料膜，其中一面用于反射读出光，另一面用于吸收多余的入射红外辐射；热隔离梁20为单材料膜，隔离双材料变形梁19与基底16之间的热交换。

冷光源系统3包括LED冷光源10、小孔9和准直透镜组8；LED冷光源10发出的光通过小孔9时形成点光源，准直透镜组8将该点光源变换为标准平面波，然后通过分光镜7的透射照射到焦平面阵列2上。

哈特曼波前传感器11由于其结构简单、原理直白而在现代光学中有着非常广泛的用途，它由光路缩束系统12、微透镜阵列13和CCD14组成，是一种以波前斜率测量为基础的波前测量仪器，这里用于实现对焦平面阵列2反射光的波前探测，其微透镜阵列13中含有与FPA单元6相对应的120×120个微透镜17。

哈特曼波前传感器11的原理如图3；微透镜阵列13将入射波面分割后会聚到焦平面上；当入射波前是理想平面波前，微透镜阵列13中的每个微透镜17形成的光斑将在其焦点上；当入射波前受到干扰，则微透镜17所形成的光斑将偏离其焦点；利用CCD14可以检测出各光斑质心的偏离量。光斑质心位置坐标由下式决定：

$X_c=\frac{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{X}_i{S}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{ij}}},$ $Y_c=\frac{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{Y}_i{S}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{ij}}}---\left(1\right)$

其中，X_c和Y_c是质心坐标；X_i和Y_i是每个像素位置；S_ij表示每个像素的读出信号。

每个分离焦点与中心点在x和y方向上的偏离程度反映了对应采样单元波面在两个方向上的平均斜率，可以用下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂W}{\∂x}=\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\\ \frac{\∂W}{\∂y}=\frac{\mathrm{\Δy}}{f}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：f是微透镜17焦距；

和

是子孔径波前斜率。

波前处理机15对偏离量的处理就可以计算出各子孔径上两个正交方向上的平均波前斜率，从而重构出入射波面的波前。

FPA单元6光学读出光路如图4所示。图中L₁、L₂是光路缩束系统12，其作用是将单个FPA单元6反射的光与哈特曼波前传感器11的一个子孔径相对应；L₃是哈特曼波前传感器11与该FPA单元6相对应的微透镜17。其中L₁的焦距是f₁、L₂的焦距是f₂、L₃的焦距是f₃。

f₁、f₂由FPA单元6的长度L_leg和微透镜17的口径d决定：

$\frac{f_2}{f_1}=\frac{d}{L_{\mathrm{leg}}}=M---\left(3\right)$

其中，M表示缩束比。

所以当FPA单元6发生θ角的形变时，在L₃的后焦面上光斑移动的距离为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{2\mathrm{\θ}}{M}\·f_3---\left(4\right)$

根据前面的分析，光学读出系统4如图5所示，用冷光源系统3产生的平面波照射焦平面阵列2的反光面，其反射光通过光路缩束系统12后进入哈特曼波前传感器11，由于FPA单元6的热致转角与温升成线性关系，而热致转角与CCD14上光斑移动的距离由(4)式决定。所以利用哈特曼波前传感器11检测得到所有FPA单元6的热致转角信息后就能复原处所探测物体的红外辐射图像。

所述IR图像复原器5的采用的算法是基于焦平面阵列2反射光的波前，取出FPA单元6的热致转角信息，利用热致转角与物体红外辐射的关系将单个子孔径探测得到的波前斜率与物体红外辐射对应得到探测物体的红外图像；单个子孔径探测得到的波前斜率与物体红外辐射的关系为： $k=\frac{2H{\·S}_T}{M}\·T;$

其中，k是单个子孔径探测得到的波前斜率；H是FPA单元6的热转换效率，它由红外目标的温升ΔT_s引起探测阵元的温升ΔT_C的反比决定： $H=\frac{\∂T_C}{\∂T_s};$ S_T表示热机械响应，即反射面转过的角度Δθ与阵元的温度改变量ΔT之比： $S_T=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂T}.$

下面介绍基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪的噪声等效温度差分析；

由于光学读出系统4的噪声的影响，重构得到的物体红外辐射图像并不准确，由噪声引起的温度起伏量ΔT_min定义为噪声等效温度差(Noise Equivalent Temperature Difference NETD)，它表示了系统的分辨率(Y.Zhao，M.Mao，R.Horowitz，et al.Optomechanical uncooled infraredimaging system：design，microfabrication，and performance，[J].MEMS 11(2)(2002)136-146.)。

系统的灵敏度 $\mathrm{\κ}=\frac{\∂\mathrm{\Δ}}{\∂T}$ 由FPA单元6的灵敏度

和哈特曼波前传感器11的灵敏度

决定，即：

$\mathrm{\κ}=\frac{\∂\mathrm{\Δ}}{\∂T}=\frac{\∂\mathrm{\Δ}}{\∂\mathrm{\θ}}\·\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂T}=\frac{2f_{3}R}{M}---\left(5\right)$

根据(5)式可得，当FPA单元6的灵敏度R一定时，在满足系统需求的情况下，适当减小缩束比M和增加微透镜17焦距f₃可以提高整个系统的灵敏度。

式(1)中S_ij表示每个像素读出信号的两部分：真实光信号P_ij和噪声信号N_ij。

S_ij＝P_ij+N_ij    (6)

影响哈特曼波前传感器11分辨率的主要有离散采样噪声、读出噪声和光子起伏噪声(CaoGenrui，Yu Xin.Accruacy analysis of a Hartmann-Shack wavefront sensor operated with a faintobject.Optical Engineering 1994，33：2331～2335)。当质心探测的均方根误差为σ_xc，单个像素边长为a时，系统的NETD为：

$\mathrm{NETD}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xc}}a}{\mathrm{\κ}}---\left(7\right)$

由(7)式可得，提高系统灵敏度的同时可以降低噪声等效温度差。合理设计参数，在目前的条件下该红外仪可以达到低于0.1K的分辨率。所以基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪能够对弱红外辐射目标进行高频探测，为得到弱红外辐射目标的红外图像提供了核心的解决方案。

Claims (8)

1.基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，包括红外成像系统(1)、焦平面阵列(2)、冷光源系统(3)，光学读出系统(4)和IR图像复原器(5)，其特征在于：红外物体通过红外成像系统(1)成像到焦平面阵列(2)上，由于红外热辐射使得焦平面阵列(2)中的FPA单元(6)发生微小变形，然后用冷光源系统(3)发出标准平面波通过分光镜(7)的透射照射到焦平面阵列(2)中的FPA单元(6)上发生反射，使带有微小面形变化的波前信息通过分光镜(7)的反射进入光学读出系统(4)中，由光学读出系统(4)中的哈特曼波前传感器(11)进行波前探测，最后由IR图像复原器(5)根据相关算法从光学读出系统(4)探测到的波前中提取出每个FPA单元(6)的热致转角信息后重构为被探测物体的红外图像。

2.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，其特征在于：所述焦平面阵列(2)还包含有基底(16)；FPA单元(6)固定在基底(16)上，基底(16)透射红外辐射。

3.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，其特征在于：所述焦平面阵列(2)中的FPA单元(6)的转角与温升成线性关系，通过光学读出方式检测每个FPA单元(6)热致转角，就得到温度的分布图像。

4.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，其特征在于：所述FPA单元(6)由红外吸收板/反光板(18)、双材料变形梁(19)、热隔离梁(20)三部分组成；其中热隔离梁(20)为单材料膜，隔离双材料变形梁(19)与基底(16)之间的热交换；红外吸收板/反光板(18)为双材料膜，其中一面用于反射读出光，另一面用于吸收多余的入射红外辐射；双材料变形梁(19)为双材料膜；当吸收红外辐射导致温度发生变化时，由于材料的膨胀系数不同，两层材料之间的相互约束会使得双层结构发生弯曲变形，该弯曲变形会带动红外吸收板/反光板(18)转过一定的角度，并且此转角的大小单调对应于入射红外辐射的能量大小。

5.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，其特征在于：所述的冷光源系统(3)包括LED冷光源(10)、小孔(9)和准直透镜组(8)；LED冷光源(10)发出的光通过小孔(9)时形成点光源，准直透镜组(8)将该点光源变换为标准平面波。

6.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，其特征在于：所述光学读出系统(4)中除了包含有哈特曼波前传感器(11)，还包含有波前处理机(15)；由于反射光的波前含有焦平面阵列(2)上的FPA单元(6)的热致转角信息，所以可以通过IR图像复原器(5)将波前处理机(15)得到的波前斜率转换为被探测物体的IR图像。

7.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，其特征在于：所述光学读出系统(4)采用哈特曼波前传感器(11)实现对焦平面阵列(2)反射光的波前探测；包括光路缩束系统(12)、微透镜阵列(13)和CCD(14)；微透镜阵列(13)将入射波面分割后会聚到焦平面上，当入射波前是理想平面波前，每个微透镜(17)形成的光斑将在其焦点上；当入射波前受到干扰，则光斑将偏离其焦点；利用CCD(14)检测各光斑质心的偏离量，波前处理机(15)对偏离量的处理就可以计算出各子孔径上两个正交方向上的平均波前斜率，从而重构出入射波面的波前。

8.根据权利要求7所述的基于哈特曼波前传感器的光力学红外成像仪，其特征在于：所述的哈特曼波前传感器(11)中光路缩束系统(12)的缩束比M由FPA单元(6)的长度L_leg和每个微透镜(17)口径d决定：

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