CN102288302B - 利用双三角棱镜系统进行调制的光学读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明为利用双三角棱镜系统进行调制的光学读出方法，属于棱镜在光学读出式红外焦平面热成像技术领域的应用。此方法是针对焦平面阵列由于本身的缺陷，利用刀口滤波难找到谱平面中心的问题。采用该方案可以代替刀口进行光学调制，同时对杂散光具有很好的抑制作用，从而改善输出图像的质量。主要过程：环境中不存在红外辐射物体时，准直光通过焦平面阵列、棱镜系统与透镜后，CCD接收此部分光能并作为基准。环境中有物体发出红外辐射时，焦平面阵列由于双材料效应发生偏转，照射在焦平面阵列上的光线的反射角发生变化，这样棱镜的光线入射角相应发生改变，经过棱镜系统调制，CCD上接收到的光能也相应改变，与基准“相减”后得到物体红外图像。

Description

利用双三角棱镜系统进行调制的光学读出方法

技术领域

本发明是一种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，利用该技术可以代替刀口或者小孔对系统进行调制；并且对环境中的杂散光有显著的抑制作用，令后续的图像处理过程可以获得更好的效果，提高图像质量。

背景技术

基于MEMS技术的应用光力学效应的非制冷红外成像技术是一种新型的非制冷红外探测技术，它是针对低功耗，微型化，高分辨率，低成本的要求提出来的。相对于制冷型和热电型非制冷红外成像系统，它省去了昂贵的制冷器和复杂的读出电路，使得低成本的广泛应用成为可能，另外理论上预测的该原理的热检测灵明度可以很高，这使得其在高性能红外探测领域有着广泛的应用前景。同时，国外的非制冷热成像系统的高端产品对我国而言属于禁运一类，中低端产品价格依然昂贵。研制我国拥有自主知识产权的高性能、低价格的非制冷红外成像系统成为当务之急。如果光读出式FPA能够走向成品，那么这将是我国在MEMS领域取得的一项具有自主知识产权的新技术，将改变我国红外热成像探测器核心芯片完全依赖进口的现状，其经济意义和社会意义十分深远。

国内和国际上陆续有多家机构投入到对此项课题的研究当中，其中主要包括日本的Nikon公司，美国的Agiltron公司，美国加州大学伯克利分校，中国科学院微电子所以及中国科学技术大学和北京理工大学。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。但目前此项技术还不够成熟，离商业化还有一定的距离，仅仅停留在实验研究阶段。

利用光学读出技术来实现廉价的高灵敏度和高清晰度的红外探测不仅必要而且可能。总体上看，该研究目前还处于起步阶段，本发明将为进一步提高这类红外探测器的性能指标打下基础。

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。

发明内容

本发明的目的是利用三角棱镜反射和折射性质以及折射定律，对经焦平面阵列单元反射的光线进行调制，读出焦平面阵列受热后单元偏转的信息同时滤除系统杂散光，抑制噪声。

本发明的目的是由以下技术方案来实现：①环境中不存在红外辐射物体时，焦平面阵列每个单元均不发生偏转，准直光经焦平面阵列反射后，通过棱镜系统与透镜后，光学接收器CCD接收此部分光能，并作为基准。②环境中有物体发出红外辐射时，焦平面阵列由于双材料效应发生偏转，照射在焦平面阵列上的光线的反射角就会发生变化，这样三角棱镜的光线的入射角相应发生改变，经过三角棱镜调制，光学接收器CCD上接收到的光能会增大或减小，与基准“相减”后可以得到辐射物体的热图像。

有益效果

采用本发明可以替代现有的刀口或者小孔滤波元件进行滤波，并且克服了由于焦平面阵列本身的缺陷，利用刀口滤波难找到谱平面中心的问题；通过调节两三角棱镜斜边之间的距离，也可以实现对光波的调制，当两斜边距离大于某一数值时，入射到三角棱镜的光线的入射角发生改变时，像平面的位移相对于没放棱镜时更大，这样CCD上接收到的光能变化将更大，体现在图像上便是明暗程度的变化更灵敏；利用反射波与入射波的性质，知该系统可减小环境中杂散光对系统成像的影响，抑制噪声，改善输出图像质量。

附图说明

图1为基于本发明的以焦平面阵列为核心的热成像系统原理示意图。

图2为双三角棱镜系统。

图3为环境中没有辐射源和有辐射源两种情况下光线在棱镜系统中的传输对比，其中(a)为环境中没有红外辐射源的情况，(b)为环境中存在红外辐射源的情况。

其中：1-光源，2-准直透镜，3-外界入射红外线，4-红外透镜，5-锗玻璃，6-焦平面阵列，7-双三角棱镜系统，8-成像透镜，9-CCD相机，10-数字图像处理系统，12-焦平面阵列，13-双三角棱镜系统。

图4为K9玻璃反射率随入射角的变化情况，其中(a)图为光密到光疏，(b)图为光疏到光密。

图5光点(FPA片子上的任一点)移动探测灵敏度示意图。

图6为随着入射角变化，像平面的偏移量(有棱镜时像平面位移量与未放棱镜时像平面位移量之差)，图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别表示两棱镜斜边距离分别为0mm，0.1mm，0.5mm，1mm，1.5mm，2mm，初始角度(焦平面阵列与棱镜直角边的夹角)为7度时的偏移量情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

图1为光学系统原理图。光源1发出的光经过准直照射到焦平面阵列6上，阵列6反射的光线经过双棱镜与成像透镜后成像在相机CCD上。当环境中没有红外辐射时，由数字图像处理系统10采集一帧图像并保存下来作为背景；当环境中有红外辐射时，外界入射红外线3经红外透镜4聚焦在焦平面阵列6上，由于双材料效应，6的焦平面阵列单元会发生偏转，入射到6上的光线经6反射后，光线也将发生偏转，经过双棱镜系统调制后，CCD相机9上所接收到的图像也将随之发生改变。数字图像处理系统10将当前采集的图像与之前保存的背景图像相减后输出显示在显示器上，即得到了肉眼可见的红外热图像。

图2为双三角棱镜系统，其中三角棱镜两斜边保持平行，且有一定距离，当距离改变时，对光的调制将会发生变化。

图3(a)为焦平面阵列未受热时的光线以及经过焦平面阵列反射后的光线在双三角棱镜中的的传输情况。图3(b)为焦平面阵列受到外界红外辐射产生偏转角后光线在棱镜中的传输情况。此时入射到三角棱镜的光线的入射角发生改变，根据反射波与折射波的性质，棱镜反射的光能将发生改变；同时由于两三角棱镜之间有一定距离，当距离大于某一数值时，像平面的位移相对于没放棱镜时更大，这样CCD上接收到的光能变化将更大，体现在图像上便是明暗程度的变化更灵敏。

下面分别从入射角变化与两棱镜距离的变化具体说明棱镜是如何对光进行调制的。

1)入射角变化

入射光波垂直分量的反射率

R_s＝sin²(θ_i-θ_t)/sin²(θ_i+θ_t)                             (1)

平行分量的反射率

R_p＝tan²(θ_i-θ_t)/tan²(θ_i+θ_t)                             (2)

总反射率

$R=\frac{1}{1+\mathrm{\α}}({\mathrm{\αR}}_s+R_p)---\left(3\right)$

假设所用的是自然光，则α＝1

$R=\frac{1}{2}(R_s+R_p)---\left(4\right)$

图4(a)为从光密到光疏，K9玻璃光的反射率随入射角的变化情况，图4(b)为从光疏到光密，光的反射率随入射角的变化情况，从以上分析可以看出，初始角度(焦平面阵列与三角棱镜斜边的夹角)在40到41.3度，当焦平面阵列受热发生偏转时，光的反射率剧烈发生变化，这样CCD上接收到的光能变化将更大，体现在图像上便是明暗程度的变化更灵敏。

2)两棱镜距离变化

设光点(FPA片子上的任一点)在CCD上所成的光点像的峰值令CCD刚好饱和，设CCD灰度分辨率为N，如图5所示，A点为光点移动前的光点亮度峰值位置，当光点像移动以后A点位于光点像的边缘处，A点位于光点像的边缘处，A的亮度也由最强的峰值亮度变到几乎为0，相应的灰度值也由N变到几乎为0，则反射光线检测灵敏度为：

S＝λ/2Na                                                 (5)

刀口滤波灵敏度为：

S＝λ/1.6Na                                               (6)

由以上两式可知两种灵敏度检测是相当的，由此扩展到整个像平面可知，像平面的移动也可使物体成像。

从图6中可以看出，当初始角度一定时，两三角棱镜斜边有一定距离，焦平面阵列受热偏转时像平面的位移与未放棱镜时像平面位移量不同。当两棱镜间距离较小时，偏移量(有棱镜时像平面位移量与未放棱镜时像平面位移量之差)为负值，即此时放上棱镜要比未放棱镜像平面位移要小；当距离增大时，像平面的位移量相应增大，此时CCD上接收到的光能变化将更大，体现在图像上便是明暗程度的变化更灵敏。实际中需要考虑到棱镜尺寸的大小，根据实验结果，一般保持两斜边的距离为1.5mm左右时最佳。

Claims (2)

1.一种利用双三角棱镜系统进行调制的光学读出系统，该光学读出系统包括红外调制照明光路、成像光路、光学读出光路、图像采集处理装置，其特征在于，利用双三角棱镜系统对经焦平面阵列反射的光线进行调制：光源发出的光经过准直透镜照射成像到焦平面阵列上，焦平面阵列反射的光经过双三角棱镜系统，当焦平面阵列的单元受热产生热致转角后，反射到双三角棱镜系统的光线的入射角发生改变，经过双三角棱镜系统调制后，读出焦平面阵列受热后焦平面阵列中的单元偏转的信息，再经过成像透镜成像在相机CCD上，相机CCD上接收到的光能就会产生相应变化，最后经过图像采集处理装置得到所需的红外图像；同时利用双三角棱镜系统滤除光学读出系统部分杂散光，实现抑制噪声的目的；

所述焦平面阵列未受热偏转时与双三角棱镜系统中两互相平行斜边的夹角，即初始角度取为40～41.3度；所述双三角棱镜系统中互相平行的两斜边的距离取为1.5mm。

2.如权利要求1所述的一种利用双三角棱镜系统进行调制的光学读出系统，其特征在于：当双三角棱镜系统采用的玻璃材质不同时，而焦平面阵列与双三角棱镜系统中两互相平行斜边的夹角，即初始角度相同时，焦平面阵列中的单元受热发生偏转后，双三角棱镜系统反射的能量变化是不同的，这样可以通过改变玻璃材料提高光学读出系统探测灵敏度。

Images