CN101718589A - 一种用于红外热像成像仪的光学读出方法 - Google Patents

Abstract

一种用于红外热像成像仪的光学读出方法，红外热像成像仪包括红外集像模块、真空室、放置于真空室中的微梁单元阵列、光学读出模块和图像读出显示模块；光学读出模块包括LED光源、准直透镜、分光镜、傅里叶透镜、滤波器以及成像透镜；其特征在于：所述的滤波器选用狭缝滤波器，狭缝滤波器设置于微梁单元的光学衍射谱平面上，并通过狭缝滤波器的空间滤波作用，调制衍射谱的强度；其效果在于：提出了基于狭缝滤波器的光学读出方法，并同时针对该光学读出方法，提出了如何准确获得其最佳灵敏度的方法；通过准确设置狭缝滤波器的宽度、狭缝中心线的位置、以及LED光源的发光亮度，可使红外热像成像仪的光学检测灵敏度得到成倍提高。

Description

一种用于红外热像成像仪的光学读出方法

技术领域

本发明涉及红外热像成像技术，具体是应用在将不可见光图像转换为可见光图像的红外热像成像仪中，通过设置狭缝滤波器的位置、宽度，以及光源亮度，来调整红外热像成像仪灵敏度，并能获得红外热像成像仪的最佳性能。

背景技术

将不可见光图像转换为可见光图像的方法及装置在军事和民用中都有着广泛的应用。近年来国内外许多研究者对基于微悬臂梁阵列结构的热型红外辐射探测器展开了大量的研究。这种基于微悬臂梁阵列结构的热型红外辐射探测器具有许多其它类型的红外辐射探测装置所不具备的优点，有望开发出更高性能的热型红外辐射探测装置。本申请人在公开号为1474169的发明专利中，提出了一种红外热像成像仪，用于将不可见图像转化为可见图像，该技术方案的实施方式之一如图1所示，包括有红外集像模块、真空室、放置于真空室中的微梁单元阵列(包括若干微梁单元及其支撑框架)、光学读出模块和图像读出显示模块。其中，光学读出模块包括有LED光源、准直透镜、分光镜、傅里叶透镜、刀口滤波器以及成像透镜，经微梁单元反射的衍射光线在汇聚谱平面上形成光学衍射谱。其特征是：LED光源位于准直透镜的焦平面上；刀口滤波器位于傅里叶透镜的后焦平面上，即微梁单元的汇聚谱平面；成像透镜的前焦平面位于刀口滤波器所处平面；刀口滤波器在汇聚谱平面上按照如下方式设置：

在制作微梁单元阵列的过程中，残余应力几乎不可避免，并导致微梁单元具有一定的初始偏转角，因此微梁单元和其支撑框架不在同一平面上。如图2、图3所示，该现象在汇聚谱平面上表现为：微梁单元的光学衍射谱1的旁边会有一由支撑框架反射而形成的杂散光斑2，刀口滤波器3有效边界(301)与杂散光斑中心(201)、光学衍射谱中心(101)的连线垂直。

上述红外热像成像仪的工作原理如下：

由LED光源发出的点扩散光经准直透镜后变为平行光，该平行光经分光镜后垂直照射在微梁单元阵列上。所述平行光被微梁单元阵列反射后，经傅里叶透镜后汇聚在汇聚谱平面上，其中，由微梁单元反射的平行光形成微梁单元的光学衍射谱1；由支撑框架反射的平行光形成支撑框架的衍射谱2；刀口滤波器3则放置在汇聚谱平面上。其特征是：只有位于刀口滤波器3通光区域的衍射谱部分才能经成像透镜被图像读出显示模块接收，从而形成红外目标的可见光图像；位于刀口滤波器3不通光区域的衍射谱部分则被刀口滤波器3阻挡，从而不能被图像读出显示模块接收。

对位于红外集像模块视场中的红外目标，其辐射的红外能量被红外集像模块汇聚在微梁单元阵列上，并形成红外图像。微梁单元吸收红外能量后将产生角度偏转。与此同时，在微梁单元的另一面，经微梁单元反射的可见光也将产生对应的角度偏转，其在汇聚谱平面上表现为对应衍射谱的平移。衍射谱的平移使其原来落在刀口滤波器3通光区域的部分光线移入了不通光区域(或者相反)，从而使能够通过刀口滤波器3的光能减少(或增多)，反映在图像读出显示模块上就是可见光图像亮度的减弱(或增强)。换句话说，接收到的可见光光强的变化反映了红外集像模块视场中红外辐射能的变化。该专利发明的技术效果体现在：

1、直线边界的空间滤波技术，在保证光学测量装置的探测灵敏度的同时，使光学测量装置具有很高的空间分辨率和数据可靠性。

2、确认了照明亮度(光学接收器的量化级数)与探测灵敏度的关系，探测灵敏度的提高可以通过简单的调节照明亮度加以实现。

3、光学测量装置采用非干涉测量方式，光学抗振性能高，适合工程应用。

本申请人在公开号为1474169的发明专利说明书中，首先在微梁单元的光学衍射谱完全不被刀口滤波器3所阻挡的条件下，使图像读出显示模块接收到的光强刚好达到其满量程，然后使刀口有效边界位于微梁单元的光学衍射谱中心处，即图3所示的101处。然而，在这之后的实验发现，当更换刀口滤波器3为狭缝滤波器4后，调节狭缝滤波器4至合适的宽度，并将狭缝滤波器4的中心设置于明显偏离衍射谱中心(101)的某个位置时，再增强LED光源的光强至图像读出显示模块的满量程，红外热像成像仪的光学检测灵敏度出现大幅度(甚至数倍)提高。显然，为了使红外热像成像仪光学测量装置获得更高的探测灵敏度，如何正确调节狭缝滤波器4的宽度、设置狭缝滤波器4的中心位置、并调整LED光源的发光亮度成为一个新的需要解决的问题。

发明内容

本发明是为使红外热像成像仪获得更高的探测灵敏度，提出一种基于狭缝滤波器的光学读出方法。通过调节狭缝滤波器的宽度、狭缝滤波器中心的位置以及LED光源的光强，可有效调节红外热像成像仪的灵敏度，并能使其处于最佳的探测性能。

本发明采用如下技术方案解决所述技术问题：

一种用于红外热像成像仪的光学读出方法，红外热像成像仪，如图4所示，包括红外集像模块、真空室、放置于真空室中的微梁单元阵列、光学读出模块和图像读出显示模块；微梁单元阵列包括若干微梁单元及其支撑框架；光学读出模块包括LED光源、准直透镜、分光镜、傅里叶透镜、滤波器以及成像透镜，经微梁单元反射的衍射光线在傅里叶透镜的汇聚谱平面上形成光学衍射谱；其特征在于：所述的滤波器选用狭缝滤波器，狭缝滤波器设置于微梁单元的光学衍射谱平面上，并通过狭缝滤波器的空间滤波作用，调制衍射谱的强度；点亮LED光源，通过确定狭缝滤波器的狭缝宽度、狭缝滤波器在光学衍射谱平面上的位置以及LED光源的强度，来确定对应的红外热像成像仪的灵敏度状态：

在汇聚谱平面中，如图5所示，设支撑框架的杂散光斑中心与微梁单元的光学衍射谱中心的连线为X轴，光学衍射谱中心为坐标原点，过坐标原点且与X轴垂直的线为Y轴；狭缝滤波器的狭缝边界与Y轴平行，Z轴垂直于汇聚谱平面并于X轴、Y轴构成右手直角坐标系；x_f和y_f分别是X轴、Y轴坐标值；设X轴上杂散光斑一侧为正方向，+∞、-∞分别表示X轴、Y轴上的正无穷远、负无穷远；

当未设置狭缝滤波器时，定义：

c)t(x_f，y_f)为微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上关于点(x_f，y_f)的振幅即光强分布函数；

d)

为微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上沿X轴的一维光强分布函数；所述一维光强分布函数可表述为两部分的乘积，即I(x_f)＝A·E_erf(x_f)，其中，A代表LED光源经微梁单元反光板反射后的光强；E_erf(x_f)代表除去光强A的剩余部分；

当设置狭缝滤波器后，调整宽度为w_slit的狭缝滤波器的狭缝中心线位置，使其交于汇聚谱平面上的X轴上某点(x_slit，0)处，并使狭缝滤波器的狭缝边界与Y轴保持平行状态：

设立特征函数一：

$\frac{{\∫}_{x_{\text{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}\≥\mathrm{\α}$

上式表征了狭缝滤波器的能量使用效率；在设定α为某一值时(0＜α＜1)，通过特征函数一可确定关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω；所述取值区间Ω即，对某一α值，通过特征函数一可确定x_slit的取值区间，以及在x_slit的各个取值时，所对应的不同的w_slit取值区间。

α典型值为α＝15％。

设立特征函数二：

$\mathrm{\Θ}(x_{\mathrm{slit}},w_{\mathrm{slit}})=\frac{E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}+{0.5w}_{\mathrm{slit}})-E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}-{0.5w}_{\mathrm{slit}})}{{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}$

Θ(x_slit，w_slit)值与能调整得到的红外热像成像仪灵敏度之间存在对应关系；在由特征函数一确定的关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω内，Θ(x_slit，w_slit)值越大，则能调整得到的红外热像成像仪灵敏度越高；当Θ(x_slit，w_slit)值最大时，能调整得到红外热像成像仪的最高灵敏度；

调整得到的红外热像成像仪灵敏度是指：

对某一α值，通过特征函数一可确定x_slit的取值区间，以及在x_slit的某一个取值时所对应的w_slit的取值区间；在操作红外热像成像仪时，调整狭缝滤波器的狭缝中心线交于汇聚谱平面上的X轴上x_slit的取值区间内的某点(x_slit，0)处；并调节狭缝滤波器的宽度，使其在对应于该x_slit取值时的w_slit的取值区间内变化；在每个狭缝滤波器的宽度为w_slit的取值状态下，增加光源亮度，使得图像读出显示模块刚好达到其满量程A_CCD，计算此状态下的特征函数二的Θ(x_slit，w_slit)值，得到此状态下的红外热像成像仪的灵敏度；Θ(x_slit，w_slit)值越大，表示红外热像成像仪灵敏度越高；采用此方法遍历x_slit的取值区间，可以得到所需要的红外热像成像仪的不同灵敏度；

调整狭缝滤波器的宽度w_slit，使之遍历x_slit的取值区间内各个x_slit取值所对应的不同的w_slit的取值区间，计算得到特征函数二的Θ(x_slit，w_slit)最大值Θ_max时，设与Θ_max对应的x_slit、w_slit取值分别为x_max、w_max，将狭缝滤波器的狭缝中心线交于与Θ_max对应的(x_max，0)处，并将狭缝滤波器的宽度设置为与Θ_max对应的w_max值，再增加LED光源亮度，使得图像读出显示模块刚好达到其满量程A_CCD，即可得到红外热像成像仪的最高灵敏度。

本发明基于以下技术思路：

以公开号为1474169的发明专利中所述的红外热像成像仪为基础，如图4所示，用狭缝滤波器4替换刀口滤波器3。微梁单元吸收红外能量后将产生热致角度偏转，所述角度偏转在汇聚谱平面上表现为对应光学衍射谱的平移。由于在汇聚谱平面上存在狭缝滤波器，衍射谱的平移将引起透过狭缝滤波器的光强变化，具体表现为图像读出显示模块上可见光图像亮度的变化。需要强调的是：根据空间滤波原理，微梁单元经过狭缝滤波器后仍可在像平面上成清晰的像，并且不会发生任何移动，只是图像的亮度会发生改变。因此，微梁单元的热致转角最终表现为图像读出显示模块上微梁单元的像的亮度变化。显然，狭缝滤波器的相关参数，如狭缝滤波器的宽度、以及其在汇聚谱平面上的位置直接关系红外热像成像仪的灵敏度。

为了便于说明，在汇聚谱平面上(图2、3、5所示)，设：

i.支撑框架的杂散光斑中心201与微梁单元的光学衍射谱中心101的连线为X轴，光学衍射谱中心101为坐标原点，过坐标原点且与X轴垂直的线为Y轴，狭缝滤波器的狭缝边界301与Y轴平行，Z轴垂直于汇聚谱平面并于X轴、Y轴构成右手直角坐标系；x_f和y_f分别是X轴、Y轴坐标值；设X轴上杂散光斑一侧为正方向，+∞、-∞分别表示X轴、Y轴上的正无穷远、负无穷远；

ii.当未设置狭缝滤波器4时，定义：

a)t(x_f，y_f)为微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上关于点(x_f，y_f)的振幅即光强分布函数；

b)

为微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上沿X轴的一维光强分布函数。根据傅里叶光学的基本理论、以及本发明人在Optics Letters，Vol.32，No.6，2007的论文，一维光强分布函数I(x_f)可表述为两部分的乘积，即I(x_f)＝A·E_erf(x_f)，其中，A代表LED光源经微梁单元反光板反射后的光强；E_erf(x_f)代表除去光强A的剩余部分。

iii.当将宽度为w_slit的狭缝滤波器的中心设置于汇聚谱平面上的x_slit处时，如图5所示：

微梁单元的衍射谱只有未被狭缝滤波器4挡住的部分可以通过，换句话说，只有位于区间(x_slit-0.5w_slit，x_slit-0.5w_slit)的衍射谱可以通过。因此，对于微梁单元的衍射谱，其透过狭缝滤波器4的光强T受狭缝滤波器调制，并可表达为：

$T=T(x_{\mathrm{slit}},w_{\mathrm{slit}})=A{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f---\left(1\right)$

下面从4个方面讨论基于狭缝滤波器的红外热像成像仪的灵敏度：

a)能量使用效率

本申请使用狭缝滤波器4后，只有位于区间(x_slit-0.5w_slit，x_slit-0.5w_slit)的衍射谱可以通过，为反映红外热像成像仪的能量使用效率，设立特征函数一：

$\frac{{\∫}_{x_{\text{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}\≥\mathrm{\α}---\left(2\right)$

分母表示经微梁单元反射的总能量；分子则表示在经微梁单元反射的总能量中，透过狭缝滤波器的能量部分；α为设定的某一值，表示红外热像成像仪的能量使用效率的最低可接受限度(0＜α＜1，其典型值为α＝15％)。对某一α值，通过特征函数一可确定关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω；所述取值区间Ω即，对某一α值，通过特征函数一可确定x_slit的取值区间，以及在x_slit的各个取值时，所对应的不同的w_slit取值区间。

b)灵敏度的定义

本申请所提及的灵敏度特指光学读出模块的光学检测灵敏度，定义为微梁单元单位转角引起的光强变化，在数学上，可表述为：

$S_{\mathrm{opt}}=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{d\θ}}=\frac{\mathrm{dT}}{{\mathrm{dx}}_f}\frac{{\mathrm{dx}}_f}{\mathrm{d\θ}}---\left(3\right)$

$=2\mathrm{fA}[E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}+{0.5w}_{\mathrm{slit}})-E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}-{0.5w}_{\mathrm{slit}})$

其中，f为傅里叶透镜的焦距，并用到了关系式dx_f＝2fdθ，其出处可参考本发明人在Chinese Physics Letters，Vol.20，No.12，2003的论文。

c)图像读出显示模块的隐含约束

为使图像读出显示模块能够有效的检测光强变化而不至饱和溢出，必须保证通过狭缝滤波器的光强低于图像读出显示模块的满量程A_CCD，在数学上，可表述为：

$T=T(x_{\mathrm{slit}},w_{\mathrm{slit}})=A{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f\≤A_{\mathrm{CCD}}$

$A\≤\frac{A_{\mathrm{CCD}}}{{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-{0.5w}_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+{0.5w}_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}---\left(4\right)$

将公式(4)代入公式(3)消去LED经微梁单元反光板反射后的光强A，可得到：

$S_{\mathrm{opt}}\≤{2\mathrm{fA}}_{\mathrm{CCD}}\frac{F_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}+{0.5w}_{\mathrm{slit}})-F_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}-{0.5w}_{\mathrm{slit}})}{{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-{0.5w}_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+{0.5w}_{\mathrm{slit}}}{F}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}---\left(5\right)$

对任一指定的红外热像成像仪，傅里叶透镜的焦距f、图像读出显示模块的满量程A_CCD都是一固定值，因此，为消除不同硬件系统的影响，可将2fA_CCD归一化，从而得到光学检测灵敏度的特征函数二：

$\mathrm{\Θ}\≤\frac{E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}+{0.5w}_{\mathrm{slit}})-E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}-{0.5w}_{\mathrm{slit}})}{{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}---\left(6\right)$

d)最高灵敏度

对某一α值，通过特征函数一可确定一个关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω。根据特征函数二Θ，即公式(6)，可计算得到在取值区间Ω内，所有可获得的Θ值，其中的最大值Θ_max则对应红外热像成像仪可获得的最高灵敏度，设与Θ_max对应的x_slit、w_slit取值分别为x_max、w_max。

为使红外热像成像仪工作在Θ_max所对应的状态，需调整狭缝滤波器的狭缝中心线，使其交于汇聚谱平面上的X轴上与Θ_max对应的(x_max，0)处，并将狭缝滤波器的宽度设置为与Θ_max对应的w_max值，再增加LED光源亮度，使得图像读出显示模块刚好达到其满量程A_CCD，即让公式(6)的等号成立，即可得到红外热像成像仪的最高灵敏度。

本发明所采用技术方案正确性的理论及实验验证：

根据本发明人所使用的微梁单元阵列的典型值，即微梁单元尺寸60×60μm²；微梁单元的平面反光板长L＝50μm；图6是所述微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上的一维光强分布函数，所述光强分布函数已按能量归一化处理，即

根据特征函数一(即公式2)，若指定能量利用效率的最低值是15％，即α＝15％，则可得到关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω。在所述取值区间Ω内，图7为根据特征函数二Θ(即公式6)计算的理论结果，如果按照本申请人在公开号为1474169的发明专利中的操作方法，可分析得到其灵敏度特征值为3.5，如图中所示黑点；如果使用狭缝滤波器，并将狭缝滤波器的宽度设置为w_slit＝0.5mm，并将狭缝滤波器的中心设置在x_slit＝-0.6mm，可计算得到其灵敏度特征值为15(此时的能量利用效率为15％)，与公开号为1474169的发明专利中的操作方法相比，灵敏度可提高3.3倍。

图8-图12是针对上述参数，具体的红外热像成像仪实验结果。

图8为本申请人此前发明的红外热像成像仪【公开号：1474169】的灵敏度实验值为8.5灰度/摄氏度。

图9为使用本发明的方法时(即，更换刀口滤波器为狭缝滤波器，调整狭缝滤波器的宽度为0.5mm，将狭缝滤波器的中心放置于x_f＝-0.6mm处，并且使图像读出显示模块刚好达到其满量程A_CCD)，红外热像成像仪灵敏度响应的实验曲线，响应率为35.5灰度/摄氏度。图8和图9比较可以看出，使用本发明方法后，红外热像成像仪的灵敏度有明显提高，与本申请人此前发明的红外热像成像仪【公开号：1474169】的灵敏度实验值相比，提高了35.5/8.5-1＝3.2倍。实验结果和理论分析一致(图7的理论分析结果提高了15/3.5-1＝3.3倍)。

从图10，图11可以看出，如果调整狭缝滤波器的中心位置到x_f＝-0.6mm左侧某处(即x_f＝-0.7mm和-0.8mm)，其灰度响应分别为28.4灰度/摄氏度和18.9灰度/摄氏度，明显低于将狭缝滤波器的中心放置于x_f＝-0.6mm处的灵敏度实验值(35.5灰度/摄氏度)，也就是说，本发明能够确定狭缝滤波器的最佳位置。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本申请以本申请人公开号为1474169的发明专利为基础，提出了基于狭缝滤波器的光学读出方法，并同时针对该光学读出方法，提出了如何准确获得其最佳灵敏度的方法；通过准确设置狭缝滤波器的宽度、狭缝中心线的位置、以及LED光源的发光亮度，可使红外热像成像仪的性能得到最大提高。如图7所示，经过使用本发明方法调整后的红外热像成像仪的性能是公开号为1474169的红外热像成像仪发明专利申请说明书中所公开的技术方案的15/3.5＝4.3倍。

2、本发明所采用的方法不仅能使红外热像成像仪的性能达到最佳，而且还能同时消除杂散光斑对系统性能的不利影响。

3、由于仅将刀口滤波器更换为狭缝滤波器，因此，经过调整后的红外热像成像仪仍然具有公开号为1474169的红外热像成像仪专利的一切优势。

附图说明

图1为本申请人的发明专利红外热像成像仪(公开号1474169)的实施方式之一。

图2为微梁单元的光学衍射谱，杂散光斑在汇聚谱平面上的分布。

图3为刀口滤波器滤除杂散光的示意图，此时尚未对微梁单元的光学衍射谱进行空间滤波。

图4为以公开号1474169的发明专利为基础，更好刀口滤波器为狭缝滤波器后的实施方式示意图。

图5为狭缝滤波器滤除杂散光并对微梁单元的光学衍射谱进行空间滤波作用的示意图。

图6为微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上沿X轴的归一化一维光强分布，所述微梁单元尺寸60×60μm²；微梁单元的平面反光板长L＝50μm。

图7为根据特征函数Θ(即公式5)计算的理论结果。与公开号为1474169的发明专利中的操作方法相比，基于狭缝滤波器的最高灵敏度可提高3.3倍

图8为本申请人此前发明的红外热像成像仪【公开号：1474169】的灵敏度实验值为8.5灰度/摄氏度。

图9为使用本发明的方法时(即，更换刀口滤波器为狭缝滤波器，调整狭缝滤波器的宽度为0.5mm，将狭缝滤波器的中心放置于x_f＝-0.6mm处，并且使图像读出显示模块刚好达到其满量程A_CCD)，红外热像成像仪灵敏度响应的实验曲线，响应率为35.5灰度/摄氏度。

图10、图11为调整狭缝滤波器的中心位置到x_f＝-0.6mm的左侧某处(即x_f＝-0.7mm和-0.8mm)的灵敏度响应实验曲线，响应率分别为28.4和18.9灰度/摄氏度，明显低于将狭缝滤波器的中心放置于x_f＝-0.6mm处的灵敏度实验值。

具体实施方式

下面结合附图，提供了对调整红外热像成像仪灵敏度的具体实现方式具体说明：

需要指出的是：对于不同结构的微梁单元，特征函数一和特征函数二德具体形式都是不一样的(即，不同的微梁单元有不同的最佳参数配置，即不同的最佳的狭缝滤波器宽度、不同的最佳的狭缝滤波器中心位置)。因此为了调整红外热像成像仪灵敏度，必须对每种结构的微梁单元进行分析。显然，如果能实验测得E_erf(x_f)或I(x_f)，就可以求得由特征函数一所确定的关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω，进而可根据特征函数二求得最佳的参数配置。具体测量E_erf(x_f)或I(x_f)方法如下：

方法一：测量E_erf(x_f)或I(x_f)最直接的方法是：移除红外热像成像仪的狭缝滤波器，并在微梁单元的汇聚谱平面即狭缝滤波器所处平面设置CCD(一维或者二维)，点亮LED光源，对光学衍射谱上足够多的点(x_f，y_f)(或者CCD上所对应的像素)，逐点测量其相对亮度，从而获得亮度分布函数t(x_f，y_f)，对y_f进行数值积分操作就可得到E_erf(x_f)或I(x_f)，即

从图3和图6可以看出，微梁单元的衍射谱的亮度集中在以光学衍射谱中心101为中心、±2mm的范围内，故只需在以光学衍射谱中心101为中心、±R范围内测量足够多的点(0＜R＜5mm)，就可测得t(x_f，y_f)，并同时避免了杂散光斑2的影响。在这个测量范围内，根据抽样定理，并结合实验证明：如果相邻测量点(x_f，y_f)之间的间隔距离不大于0.1mm(CCD相邻像素之间的距离10μm左右)，就可以很好的近似光学衍射谱的分布函数t(x_f，y_f)，因此，在测量亮度分布函数t(x_f，y_f)时，需保证相邻测量点(x_f，y_f)之间的间隔距离不大于0.1mm；对t(x_f，y_f)进行数值积分就可得到光学衍射谱的一维分布函数I(x_f)或E_erf(x_f)，其中积分限中的正负无穷大使用所有测量点中相应的最远点代替。

方法二：在此前关于红外热像成像仪的发明专利【公开号：1474169】中确认：当光学接收器的靶平面放置在微梁单元的像平面即成像透镜的后焦平面时，点亮LED光源，使用刀口滤波器，并将刀口滤波器放置于汇聚谱平面上，刀口滤波器的有效边界保持与Y轴平行状态，且其不透光部分相对其有效边界处于正方向，并遮盖杂散光斑。在这个条件下，对汇聚谱平面X轴上每一点(x_f，0)，逐点测量当刀口有效边界X轴上的交于该点(x_f，0)时，光学接收器所测量的相对亮度；逐次测量刀口有效边界交于X轴上每一点时的光学接收器亮度，便可获得光强亮度的积分函数

对所获得的数据进行数值微分操作，就可得到光强亮度的一维分布函数I(x_f)或E_erf(x_f)。根据图6分析可知，沿X轴方向，T(x_f)主要在以光谱衍射中心为中心、长度为4mm左右的区间内变化，所以只需要在这个范围内测量足够多的点(x_f，0)；根据抽样定理，并结合实验证明：如果相邻测量点(x_f，y_f)之间的间隔距离不大于0.1mm(CCD相邻像素之间的距离10μm左右)就可以很好的近似光学衍射谱的光强积分分布函数T(x_f)，因此，在测量光强积分分布函数T(x_f)时，需保证相邻测量点(x_f，y_f)之间的间隔距离不大于0.1mm；对T(x_f)进行数值微分就可以获得光学衍射谱的一维分布函数I(x_f)或E_erf(x_f)。

方法三：将光学接收器的靶平面放置在微梁单元的像平面即成像透镜的后焦平面，点亮LED光源，将宽度为w_slit的狭缝滤波器放置于汇聚谱平面上，狭缝滤波器的狭缝边界保持与Y轴平行状态，并遮盖杂散光斑。在这个条件下，对汇聚谱平面X轴上每一点(x_f，0)，逐点测量当狭缝滤波器的狭缝中心线交于X轴上的该点(x_f，0)时，光学接收器所测量的相对亮度；逐次测量狭缝滤波器的狭缝中心线交于X轴上的每一点时的光学接收器亮度，便可获得光强亮度的积分函数即对所获得的数据进行数值微分操作，就可得到光强亮度的一维分布函数I(x_f)或E_erf(x_f)。根据图6分析可知，沿X轴方向，T(x_f，w_slit)主要在以光谱衍射中心为中心、长度为4mm左右的区间内变化，所以只需要在这个范围内测量足够多的点(x_f，0)；根据抽样定理，并结合实验证明：如果相邻测量点(x_f，y_f)之间的间隔距离不大于0.1mm(CCD相邻像素之间的距离10μm左右)就可以很好的近似光学衍射谱的光强积分分布函数T(x_f，w_slit)，因此，在测量光强积分分布函数T(x_f，w_slit)时，需保证相邻测量点(x_f，y_f)之间的间隔距离不大于0.1mm，对T(x_f，w_slit)进行数值微分就可以获得光学衍射谱的一维分布函数I(x_f)或E_erf(x_f)。

根据上述说明有下述实施例

实施例1：

1、在微梁单元像平面即成像透镜的后焦平面处设置CCD并接通电源，点亮LED光源，使用刀口滤波器，并将刀口滤波器放置于汇聚谱平面上，刀口滤波器的有效边界保持与Y轴平行状态，且其不透光部分相对其有效边界处于正方向，并遮盖杂散光斑。在这个条件下，调整刀口滤波器的有效边界的位置，使有效边界交于汇聚谱平面X轴上距光学衍射谱中心为+2mm处(+表示刀口滤波器的有效边界位于光学衍射谱中心的正方向，图3)，调节LED光源发光亮度，使微梁单元的像的亮度接近，但不超过CCD满量程。

2、在以光学衍射谱中心101为中心、长度为4mm的测量范围内，每隔0.05mm步长，向负方向逐点调整刀口滤波器的有效边界在X轴上的相交位置，记下每个位置值及其相对应的光学接收器的相对亮度即量化灰度值，即可得到

并把数据传到计算机。

3、在计算机中编程进行下述操作：

1)对T(x_f)进行数值微分得到光学衍射谱的一维分布函数I(x_f)。

2)对I(x_f)进行能量归一化得到E_erf(x_f)。

3)根据特征函数一，设定α为某一值后(α典型值为15％)，通过特征函数一可确定关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω。

4)根据特征函数二，遍历取值区间Ω内每一个取值状态，通过查找操作，找到Θ达到最大值Θ_max时所对应的x_max和w_max值。

5)输出x_max和w_max值。

4、替换刀口滤波器为狭缝滤波器，使狭缝滤波器的狭缝边界与Y轴平行，并遮盖杂散光斑。调整狭缝滤波器的宽度为w_max，并使狭缝滤波器的狭缝中心线交于X轴上的点(x_max，0)处。

5、调整LED光源的发光亮度使红外热像成像仪的光学接收器刚好达到满量程。

6、此时，红外热像成像仪的灵敏度最高。

实施例2：

1、去除红外热像成像仪狭缝滤波器，在微梁单元汇聚谱平面上设置二维CCD，并接通电源，点亮LED光源，调节LED光源发光亮度，使微梁单元光学衍射谱亮度接近，但不超过CCD满量程。

2、输出CCD上以光学衍射谱中心为中心、边长为4mm正方形的测量范围内的数据；即得t(x_f，y_f)，并把数据传到计算机。

3、用计算机编程进行下述操作：

1)所得二维数据，即t(x_f，y_f)，对y_f进行数值积分求得I(x_f)。

2)对I(x_f)进行能量归一化即得到E_erf(x_f)。

3)根据特征函数一，人为指定α值后(α典型值为15％)，通过特征函数一可确定关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω。

4)遍历取值区间Ω内每一个取值状态，通过查找操作，找到Θ达到最大值Θ_max时所对应的x_max和w_max值。

5)输出x_max和w_max值。

4、根据图4，安装狭缝滤波器于汇聚谱平面上，使狭缝滤波器的狭缝边界与Y轴平行，并遮盖杂散光斑。调整狭缝滤波器的宽度为w_max，并使狭缝滤波器的狭缝中心线交于X轴上的点(x_max，0)处。

5、调整LED光源的发光亮度使红外热像成像仪的光学接收器刚好达到满量程。

6、此时，红外热像成像仪的灵敏度最高。

Claims (1)

1.一种用于红外热像成像仪的光学读出方法，红外热像成像仪包括红外集像模块、真空室、放置于真空室中的微梁单元阵列、光学读出模块和图像读出显示模块；微梁单元阵列包括若干微梁单元及其支撑框架；光学读出模块包括LED光源、准直透镜、分光镜、傅里叶透镜、滤波器以及成像透镜，经微梁单元反射的衍射光线在傅里叶透镜的汇聚谱平面上形成光学衍射谱；其特征在于：所述的滤波器选用狭缝滤波器，狭缝滤波器设置于微梁单元的光学衍射谱平面上，并通过狭缝滤波器的空间滤波作用，调制衍射谱的强度；点亮LED光源，通过确定狭缝滤波器的狭缝宽度、狭缝滤波器在光学衍射谱平面上的位置以及LED光源的强度，来确定对应的红外热像成像仪的灵敏度状态：

在汇聚谱平面中，设支撑框架的杂散光斑中心与微梁单元的光学衍射谱中心的连线为X轴，光学衍射谱中心为坐标原点，过坐标原点且与X轴垂直的线为Y轴；狭缝滤波器的狭缝边界与Y轴平行，Z轴垂直于汇聚谱平面并于X轴、Y轴构成右手直角坐标系；x_f和y_f分别是X轴、Y轴坐标值；设X轴上杂散光斑一侧为正方向，+∞、-∞分别表示X轴、Y轴上的正无穷远、负无穷远；

当未设置狭缝滤波器时，定义：

a)t(x_f，y_f)为微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上关于点(x_f，y_f)的振幅即光强分布函数；

b)

为微梁单元的光学衍射谱在汇聚谱平面上沿X轴的一维光强分布函数；所述一维光强分布函数可表述为两部分的乘积，即I(x_f)＝A·E_erf(x_f)，其中，A代表LED光源经微梁单元反光板反射后的光强；E_erf(x_f)代表除去光强A的剩余部分；

当设置狭缝滤波器后，调整宽度为w_slit的狭缝滤波器的狭缝中心线位置，使其交于汇聚谱平面上的X轴上某点(x_slit，0)处，并使狭缝滤波器的狭缝边界与Y轴保持平行状态：

设立特征函数一：

$\frac{{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{E}_{\mathrm{ert}}\left(x_f\right)d{x}_f}\≥\mathrm{\α}$

上式表征了狭缝滤波器的能量使用效率；在设定α为某一值时(0＜α＜1)，通过特征函数一可确定关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω；所述取值区间Ω即，对某一α值，通过特征函数一可确定x_slit的取值区间，以及在x_slit的各个取值时，所对应的不同的w_slit取值区间。

设立特征函数二：

$\mathrm{\Θ}(x_{\mathrm{slit}},w_{\mathrm{slit}})=\frac{E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}})-E_{\mathrm{erf}}(x_{\mathrm{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}})}{{\∫}_{x_{\mathrm{slit}}-0.5w_{\mathrm{slit}}}^{x_{\mathrm{slit}}+0.5w_{\mathrm{slit}}}{E}_{\mathrm{erf}}\left(x_f\right){\mathrm{dx}}_f}$

Θ(x_slit，w_slit)值与能调整得到的红外热像成像仪灵敏度之间存在对应关系；在由特征函数一确定的关于(x_slit，w_slit)的取值区间Ω内，Θ(x_slit，w_slit)值越大，则能调整得到的红外热像成像仪灵敏度越高；当Θ(x_slit，w_slit)值最大时，能调整得到红外热像成像仪的最高灵敏度；

调整得到的红外热像成像仪灵敏度是指：

对某一α值，通过特征函数一可确定x_slit的取值区间，以及在x_slit的某一个取值时所对应的w_slit的取值区间；在操作红外热像成像仪时，调整狭缝滤波器的狭缝中心线交于汇聚谱平面上的X轴上x_slit的取值区间内的某点(x_slit，0)处；并调节狭缝滤波器的宽度，使其在对应于该x_slit取值时的w_slit的取值区间内变化；在每个狭缝滤波器的宽度为w_slit的取值状态下，增加光源亮度，使得图像读出显示模块刚好达到其满量程ACCD，计算此状态下的特征函数二的Θ(x_slit，w_slit)值，得到此状态下的红外热像成像仪的灵敏度；Θ(x_slit，w_slit)值越大，表示红外热像成像仪灵敏度越高；采用此方法遍历x_slit的取值区间，可以得到所需要的红外热像成像仪的不同灵敏度；

调整狭缝滤波器的宽度w_slit，使之遍历x_slit的取值区间内各个x_slit取值所对应的不同的w_slit的取值区间，计算得到特征函数二的Θ(x_slit，w_slit)最大值Θ_max时，设与Θ_max对应的x_slit、w_slit取值分别为x_max、w_max，将狭缝滤波器的狭缝中心线交于与Θ_max对应的(x_max，0)处，并将狭缝滤波器的宽度设置于与Θ_max对应的w_max值，再增加LED光源亮度，使得图像读出显示模块刚好达到其满量程A_CCD，即可得到红外热像成像仪的最高灵敏度。

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