CN101430537B - 基于全息波前补偿技术的光学读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于全息波前补偿技术的光学读出方法，属于全息技术在光学读出式红外焦平面热成像技术领域的应用，针对光学读出式红外焦平面阵列各成像单元初始姿态不一致带来单元热探测灵敏度不一致的问题，采用全息补偿照明技术的新型相干照明方案，可以解决该问题，并消除部分盲元，改善输出图像的质量。主要过程是利用全息光学手段首先在记录过程中记录球面波(或平面波)入射被阵列反射产生畸变的波前，然后在再现过程中再现一个与原畸变波前相位相反传播方向相反的补偿波前，根据光路可逆原理，采用该补偿波前作为阵列照明光源，精确控制照明的角度和方位，则阵列反射光可以形成规整的球面波(或平面波)，便于后续探测。

Description

基于全息波前补偿技术的光学读出方法

技术领域

本发明涉及光学读出式红外焦平面阵列热成像系统的光学读出处理技术，利用该技术可以显著的克服焦平面阵列制造过程中的不均匀性所带来的像面各像素光机械响应不一致的问题，令后续的图像处理过程获得更好的处理效果，提高图像质量和容许制造更大规模的阵列而保持像面阵列响应的灵敏度和一致性。

背景技术

近年来采用电学读出方式的非制冷焦平面阵列红外热成像系统获得了很大的发展，取代传统的制冷型系统成为当今热成像系统的主流，而此时光学读出式焦平面阵列相比于电学读出方式，由于其具有背景噪声低，结构简单和造价低的优点开始受到关注，国际上陆续有多家机构投入到对此项课题的研究当中，其中主要包括美国的Nikon公司，Berkeley大学，Agiltron公司，以及中国科学院微电子所和中国科学技术大学。美国Agiltron公司制造的高速光学读出焦平面阵列，其探测噪声等效温差已经达到120mK，阵列尺寸280×240，输出可达1000帧每秒。虽然如此，此项技术目前还不成熟，离商业化还有一定的距离，仅停留在实验研究阶段。

焦平面阵列的光学读出技术，主要是将焦平面阵列表面单元在红外热作用下的微小形变转变为可直接用肉眼观察的图像的技术。焦平面阵列热变形主要是基于双材料梁受热变形的机理，阵列单元的尺度约在几十微米量级，每个单元内部都包含着一个或若干个的双材料复合悬臂梁，构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差悬殊，为了便于可见光探测，在双材料梁结构上会固定高反射率的材料制成的反射面或反射体，在红外线的热作用下悬臂梁会发生微小的弯曲，带动反射面偏转而改变入射光的相位。

光学滤波的核心是利用光学频谱处理的思想，将单元的微小形变转化为图像明暗程度的变化。这首先要求单元反射体的姿态角度具有较好的一致性，这样各个单元的谱才能在滤波平面上基本重合在一起而可以采用同一个滤波器并行处理而具有一致的灵敏度，然而由于制造工艺的限制，实际焦平面阵列的姿态角度并不一致，导致图像上各单元的温度响应不一致，甚至一些像素单元由于姿态角度偏离太大而完全没有响应；其次要求单元的反射面要尽可能的平整，这样才能在滤波平面上形成能量集中的谱，具有较高的探测灵敏度，而实际焦平面阵列存在着单元反射面弯曲的问题，弯曲的单元反射面使对应单元的谱在滤波平面上的能量散开，严重影响探测灵敏度。

发明内容

本发明的目的是采用全息技术改进光学读出光路来补偿和克服上述的焦平面阵列初始形状缺陷，从而改善输出图像质量。

本发明的目的是由以下技术方案来实现：主要的过程分为两步，首先是记录过程，以全息记录介质来记录被理想形式(包括但不限于点光源或准直平行光源)的相干光源照射的焦平面阵列反射出来的含有初始形状缺陷信息的带有畸变的波前，或者以计算全息方式制造含有形状缺陷信息的纪录介质；其次是再现过程，采用全息再现光路以记录介质为媒介再现一个与原畸变波前相位相反传播方向相反的补偿波前，并将该波前准确的入射到焦平面阵列上。

有益效果

采用本发明可以补偿由于焦平面阵列形状缺陷所造成的光学滤波效果不一致的情况和滤波灵敏度较差的情况。再现过程中，由于相位互补的作用，焦平面阵列的反射光将接近于记录时的理想的光学输出模式，使得光学滤波过程可以对各单元都达到或接近理想形状下的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的光学读出焦平面阵列为核心的热成像系统，

图2为本发明的一个实际采用的全息记录过程，

图3为与图2对应的采用反射方式的再现过程，

其中：1-光源，2-半反半透镜，3-外界入射红外线，4-红外透镜，5-焦平面阵列，6、8-傅立叶透镜，7-滤波器，9-相机，10-数字图像处理器，11-显示器，12-相干光源，13-聚焦镜头及针孔组件，14-准直透镜，15-参考光，16-全息记录介质，17-物光，18-聚焦镜头及针孔组件，19-记录光，20-再现光，21-再现波前。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

图2和图3采用了无透镜的反射再现全息，可以在物光17及再现波前21中对应的相同位置处插入变换透镜使系统成为有透镜变换的全息，也可以改变记录与再现的形式在记录过程中采用反射光路而在再现过程采用透射形式的光路。在图2和图3中所采用的参考光15、入射阵列的记录光19和再现光14均为准直光束，但是在保证记录光19与再现光14为共轭光束的情况下，也可以使用其它形式的光束，例如球面波、柱面波和抛物面波等或上述形式多个波的叠加组合。所采用的全息记录介质可以记录任意的波前形式，因此也可以实现一些光学元件的功能，如准直透镜，因此可以通过记录过程将透镜光学元件而在再现过程中省略该元件从而起到简化光学系统的目的。采用物理记录方式可以获得很高细节分辨率的再现波前，然而为了提高再现过程的光能利用率有可能采用计算全息来生成所需的波前，图2的记录过程将由一个焦平面阵列表面形貌探测的过程所取代，在获得实际阵列形貌数据以后可以通过计算手段得到全息介质上的干涉图样生成计算全息或二元光学元件用于再现过程。在记录与再现过程中不仅可以采用可见光波，也可以采用其它种类的波，如紫外光和电子束等，从而在获得更高的探测灵敏度的情况下保持像面响应的一致性。

相干光源1发出的光经过准直以后经过半反半透镜2照射在焦平面阵列5上，阵列的反射光又经过傅立叶变换透镜6在滤波器平面上汇聚，得到焦平面阵列图形的空间频谱，通过适当设计的滤波器7，该空间频谱又被傅立叶透镜8成像在像机9上，像机9产生的连续视频流经过数字图像处理器10的处理以后被显示器11显示出来。通常正常工作之前首先完全遮挡住外界通过红外透镜4进入到系统中的红外线3，由数字图像处理器10采集一帧图像并保存下来作为背景，然后去掉遮挡，外界红外线3经过红外透镜4照射在焦平面阵列5上，令阵列单元发生形变，该形变改变了反射出光的相位，像机9上则由于光学滤波器7的作用而得到了明暗改变的图像，数字图像处理器10将当前采集的图像与先前保存的背景图像相减以后输出显示，即得到了肉眼可见的红外图像。

将聚焦镜头及针孔组件18置于频谱平面，由相干光源12产生的相干光入射，由聚焦镜头及针孔组件18发出的光经过傅立叶透镜6以后形成准直记录光19穿过半反半透镜2入射焦平面阵列5，由阵列5反射的光波前由于阵列单元姿态角度不一致而带有畸变，该反射光被半反半透镜反射后照射到全息记录介质16上，为全息记录所需的物光17，由相干光源12分光得到的另一束光被聚焦镜头及针孔组件13和透镜14准直以后也入射到记录介质16上，形成全息记录的参考光15，物光17与参考光15相干涉得到记录介质16上的干涉场，被记录下来。

经过记录过程的记录介质16被复原安置在原位置上，相干光源12产生的相干光经过聚焦镜头及针孔组件13和透镜14准直以后按照记录过程中参考光15的相反方向入射到记录介质16上，作为再现光20。再现光20被记录介质16反射以后再现出与记录过程中的物光共轭的再现波前21，根据光路可逆的原理，再现波前21被半反半透镜2反射以后入射到焦平面阵列5上，再由焦平面阵列5反射出来，将沿着原记录光19路径反向汇聚到记录过程中的聚焦镜头及针孔组件18的针孔位置处，将记录过程中的聚焦镜头及针孔组件18和相干光源12如图置换成原滤波光路的7、8、9、10、11就可以在畸变波前被补偿的状态下工作了。

采用全息材料记录由焦平面反射出的带有畸变的波前，该过程重要的是要确定由焦平面反射出的光的能量集中的方向，必须将记录材料置于反射能量的主方向上，并尽可能的覆盖所有阵列单元反射的主方向。合理安排全息记录介质(例如全息干板)所放置的方向，应该避免再现过程中的零级衍射光对波前再现的干扰。全息介质与焦平面阵列之间的相对位置要严格固定，保证在处理全过程中不发生相对位移影响再现波前与阵列的匹配精度。再现波长应尽可能与原波长接近以减小像差。全息再现过程需要增加辅助装置对焦平面阵列或入射准直光束的空间角度进行微调，以使得再现的波前与焦平面阵列准确重合。再现过程应采用高稳定性的相干光源，这样可以保证输出图像背景亮度稳定。再现过程受到气流扰动影响较大，为减少气流影响应采取一定的密封措施。

Claims (7)

1.一种基于全息波前补偿技术的光学读出方法，其特征在于：该方法分为全息手段记录和再现两个过程，记录过程用于记录双材料悬臂梁阵列反射产生的畸变波前；再现过程复现出与畸变波前相位相反传播方向相反的补偿波前用于双材料悬臂梁阵列照明。

2.如权利要求1所述的基于全息波前补偿技术的光学读出方法，其特征在于：全息手段记录和再现既包括反射再现全息也包括透射再现全息，既包括无透镜变换的全息也包括带有变换透镜的全息。

3.如权利要求1所述基于全息波前补偿技术的光学读出方法，其特征在于：全息记录和再现所采用的光束是单一种类的非准直光束或者是多个种类的非准直光束叠加构成的光束。

4.如权利要求3所述基于全息波前补偿技术的光学读出方法，其特征在于：所述非准直的光束是球面光束或抛物面光束。

5.如权利要求1所述基于全息波前补偿技术的光学读出方法，其特征在于：所述记录过程中所用的记录介质是全息干板。

6.如权利要求1所述基于全息波前补偿技术的光学读出方法，其特征在于：所述记录过程中所用的记录介质是针对阵列形貌数据采用专门设计的具有双材料悬臂梁阵列波前补偿功能的计算全息光学元件或二元光学元件。

7.如权利要求1所述基于全息波前补偿技术的光学读出方法，其特征在于：全息记录和再现所采用的光束是可见光束或紫外光束或电子束。

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