CN102419209A

CN102419209A - 一种手持式红外热像仪

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Publication number: CN102419209A
Application number: CN2011102349687A
Authority: CN
Inventors: 刘子骥; 姜宇鹏; 辛勇明; 王然; 李伟
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2031-08-17
Also published as: CN102419209B

Abstract

本发明公开了一种手持式红外热像仪，包括分色滤光片（400），用于将目标光源中的8-14μm红外光与0.4-0.7μm可见光分开，所述分色滤光片（400）在非制冷红外探测器（102）、目标光源（500）之间，三者在同面同轴上构成同轴光路结构。目标光源经分色滤光片（400），将可见光反射至可见光系统（200）中的电荷耦合器件CCD（202），红外线透射至非制冷红外探测器（102）。本发明解决了传统热像仪旁轴光路探测所产生的相差问题，弥补了近距离小目标探测时图外图像与可见光图像无法配准的缺陷。

Description

一种手持式红外热像仪

技术领域

本发明涉及一种红外热像仪，确切地说涉及一种手持式红外热像仪。

背景技术

自然界的各种物体都呈现出一定的温度，而物体的温度往往能够反映出它处的物理状态。凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射，并且物体的红外辐射与它的表面温度分布密切相关。因此可以通过物体红外辐射的测量，根据红外辐射与温度的对应关系，来确定物体表面的温度。一般，温度越高，红外辐射越强。这种非接触式的红外辐射测温方法与接触式的方法相比有极大的优势，例如可以适应不同的测量环境，所测物体的温度可以很高等。

红外热像仪作为一种将光、机、电技术融为一体的高新技术产品，将人眼不可见的温度分布(红外波段0.9～14微米)通过光电转换成人眼熟悉的灰度图像或者是人工彩色图像，这一光电转换过程扩大了人眼的光谱响应波段、增加了人获取信息的能力。

影响红外热像仪目标红外辐射的因素很多，且红外图像不如可见光那样能够清晰地反应出物体的大小、颜色、形状、位置等信息，于是将电荷耦合器件CCD(Charge-coupled Device)与红外热像仪结合成为发展趋势。

根据致冷需求，可分为制冷和非制冷红外热像仪。这两种红外热像仪存在以下不足。

①以光子探测为代表的制冷型红外热像仪虽已经应用于通信、医学、军事和工业等诸多领域，但因其严苛的低温制冷工作环境，造成系统庞大、结构复杂且成本偏高，从而无法大规模的推广应用。

②传统手持式红外热像仪的非制冷红外焦平面与可见光CCD感光面置于同面不同轴的位置，正如旁轴取景数码相机的缺点一样，热像仪的CCD可见光图像与红外图像各自在不同的成像光路上，即存在相差。当观察者应用显示设备观察可见光图与红外图像叠加时或画中画时，由于旁轴光路的相差原因，可见光与红外图像的中心与边缘部分接合不正确，即使采用软件进行图像配准纠正处理，程序复杂且存在信息丢失、图像失配等缺点，尤其是在探测近距离小物体时图像失配情况更加明显。

③传统的红外热像仪，由于材料及工艺水平的限制，非制冷红外焦平面普遍存在均匀性差等缺点，使得红外图像动态范围窄、成像不清晰。

发明内容

本发明的目的在于，解决针对制冷型红外热像仪系统庞大、结构复杂且成本偏高，无法大规模的推广应用和非制冷红外焦平面手持式热像仪存在相差导致的信息丢失、图像失配以及因材料、工艺水平所带来的红外图像动态范围低、成像不清晰等问题。本明提供一种手持式非制冷热像仪。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种手持式红外热像仪，包括红外系统、可见光系统、照明系统、FPGA模块、存储器，其特征是：红外系统中的非制冷红外探测器IRFPA与目标光源处在同面同轴，在非制冷红外探测器IRFPA与目标光源两者之间设置有分色滤光片,目标光源经分色滤光片，将可见光反射至可见光系统中的电荷耦合器件CCD，红外线透射至非制冷红外探测器IRFPA。

本发明中所述的分色滤光片能将0.4～0.7um和8～14um的光谱分开。

本发明中所述红外系统中的非制冷红外探测器采用384×288焦平面阵列，像元35um×35um，光谱响应范围为8～14um。红外系统中的红外镜头采用三片锗透镜组合式可调焦镜头，透过波长对应8～14um，焦距35mm。

本发明中所述可见光的可见光CCD采用高清晰520线SONY摄像头模组，图像传感器尺寸为1/3英寸，PAL制式有效像素为752(H)×582(V)。可见光镜头根据红外探测的空间分辨率和视场角及图像叠加的比例，选配焦距6mm或12mm。

本发明中为方便可见光电荷耦合器件CCD夜间正常工作，配备LED光源。

本发明的有益效果：

① 结合分色滤光片的分光技术，解决了传统红外热像仪旁轴光路探测所产生的相差问题，弥补了近距离小目标探测时图外图像与可见光图像无法配准的缺陷。

② 本发明系统简小、结构简单、成本低、可大规模推广应用。

③ 本发明所测得到的红外图像动态范围高、成像更清晰。

附图说明

图1本发明手持式红外热像仪同轴光路结构图；

图2 传统手持式红外热像仪旁轴光路结构图；

图3 手持式红外热像仪系统框图；

图4 分色滤光片400～700nm波段反射光谱；

图5 分色滤光片8～14um波段透射光谱；

图6 CCD感光像元；

图7 全红外图像显示数据截取；

图8 6mm镜头全可见光图像显示数据截取；

图9 12mm镜头全可见光图像显示数据截取；

图10 可见光背景、红外画中画显示数据截取；

图11 红外背景、可见光画中画显示数据截取。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图3示出了手持式红外热像仪系统框图。如图3所示，该红外热像仪包括红外系统（100）、可见光系统（200）、照明系统（300）、FPGA模块、存储器、显示屏LCD模块。红外系统（100）由红外镜头（101）、红外焦平面阵列探测器IRFPA（102）、数模转换芯片（103）组成。红外镜头（101）用于接收被测物体的红外辐射；红外焦平面阵列探测器IRFPA（102）把通过红外镜头的红外辐射转换成模拟量的电信号，数模转换芯片（103）将模拟量的电信号转换成数字量的电信号，再传送至FPGA模块。

为了保证同轴光路结构的手持式红外热像仪能够实现全红外图像、全可见光图像以及红外/可见图像叠加功能的实现，需要反射率及透过率都比较理想的分色滤光片。根据非制冷红外探测器性能参数选择合适的红外镜头，同时计算红外系统的视场角及空间分辨率，并以相应的可见/红外图像分辨率选择可见光CCD系统以及不同的CCD镜头。空间分辨率是指能够识别的两个相邻目标的最小距离，是评定红外热像仪的重要指标, 代表红外热像仪的最小分辨单元，空间分辨率=像素间距(Pixel Size)/镜头焦距(Lens Focal Length)。

实施例一

本发明的同轴光路结构要求目标发出的光源既要被CCD可见光感光面接收，同时又要被非制冷红外焦平面接收，这就需要将可见光与远红外光分开的特定波段带通滤光片。作为优选之一：采用高透8～14um红外、高反0.4～0.7um可见光的分色滤光片，该分色滤光片用锗作为常用的镀膜基底，YbF₃作为低折射率薄膜材料，ZnS作为高折射率薄膜材料，利用长波通干涉截止滤光片的设计原理，将规整的λ/4多层介质膜叠加，得到很高的可见光反射率；同时设计膜系，使得远红外透射率也能达到要求。目标光源经该分色滤光片后，短波部分光谱如图4所示（分光光度计测得），长波部分光谱如图5所示（傅里叶红外光谱仪测得），反射率及透过率都比较理想，符合分光要求。

实施例二

由于人眼的最小分辨率约为0.5mrad。所以红外系统的空间分辨率大于0.5mrad。作为优选之一：本发明的红外系统的空间分辨率为1mrad，非制冷红外探测器102采用的是384×288焦平面阵列（像元的尺寸为35×35um，视场角24°×18°）；红外镜头101采用的是焦距为35mm的电动调焦红外镜头。

实施例三

在本明中可见光系统(200)的空间分辨率应与红外系统探测目标的空间分辨率1mrad成比例关系即当图像叠加时可见图像像素与红外图像像素比为1:1时，可见光系统的空间分辨率相应为1mrad；当可见光像素与红外图像像素比为1:4时，可见光系统的空间分辨率则达到0.5mrad。作为优选之一：可见光系统200中的可见光CCD202采用的是1/3英寸高清晰索尼CCD摄像头模组（感光面积4.8×3.6mm，有效像素PAL：752(H)×582(V)）。可见光镜头201采用视场角为60°焦距为6mm的普通感光镜头或者采用视场角30°焦距为12mm普通感光镜头。

实施例四

由于材料及工艺水平的限制，非制冷红外焦平面普遍存在均匀性差等缺点，使得红外图像动态范围窄、成像不清晰等特点，所以在终端设备显示前需要进行包括盲元补偿、非均匀校正、直方图均衡等图像处理。本发明中利用FPGA借助FLASH、RAM存储器完成盲元补偿、非均匀校正及直方图均衡化等预处理工作。

作为优选方式之一：本发明采用3.5英寸320×240分辨率液晶屏LCD，由于分辨率均小于384×288红外图像和752×582可见光图像，所以当显示时，需要对所需的数据截取。

当选择全红外图像功能时，从红外图像中截取中间320×240个像素数据并存于SDRAM中，LCD再读出全部数据即可显示全红外图像，如图7所示。

当选择全可见光图像功能时，依6mm或12mm焦距镜头不同，数据的读出及图像显示分为。

．当选用6mm镜头，视场角约为60°，从可见光图像中截取中间320×240个像素数据存于SDRAM中，LCD直接读出全部数据即可显示全可见光图像，如图8。

. 当选用12mm镜头，视场角约为30°，可以有不同的数据截取方式，为保证在视场角较小的情况下尽可能保留目标信息，从可见光752×582个数据中按奇数行、奇数列的方式截取320×240个像素数据存于SDRAM中，LCD再直接读出全部数据即可显示全可见光图像，如图9。

当选择可见/红外图像叠加功能时，红外图像依据全红外图像数据截取方法将320×240数据存于SDRAM1中，可见光图像由CCD镜头不同分别依据全可见光图像数据截取方法将320×240数据存于SDRAM2中，SDRAM3中再根据背景/画中画的不同选择读取SDRAM1及SDRAM2中相应数据，LCD全部读取SDRAM3中数据即可完成可见/红外图像叠加的功能，具体方式为。

.选择背景为可见光、画中画为红外图像的方式，第1～p行读取可见光相应数据；第p～p+m行前q列读取可见光数据，中间q～q+m列读取红外数据，后320-q-n列读取可见光数据；第240-p-m行读取可见光数据，如图10。

.选择背景为红外、画中画为可见光图像的方式，第1～p行读取红外数据；第p～p+m行前q列读取红外数据，中间q～q+m列读取可见光数据，后320-q-n列读取红外数据；第240-p-m行读取红外数据，如图11。

实施例五

为了适应夜间工作的要求，加装LED照明光源，提供常亮及2S闪光两种模式选择。

实施例六

作为优选：本发明还包括输入设备输出设备，用于输入输出命令或相应数据，所述输入设备包括一个触摸屏，触摸屏充当作为所述输出设备的显示屏。

作为优选：本发明还包括网络端口，用于与外部设备通信。

Claims

1.一种手持式红外热像仪，包括红外系统（100）、可见光系统（200）、FPGA模块、存储器，其特征是：红外系统（100）中的非制冷红外探测器IRFPA（102）与目标光源(500)处在同面同轴，在非制冷红外探测器IRFPA（102）与目标光源（500）两者之间设置有分色滤光片（400）,目标光源经分色滤光片(400)，将可见光反射至可见光系统（200）中的电荷耦合器件CCD（202），红外线透射至非制冷红外探测器IRFPA（102）。

2.根据权利要求1所述的手持式红外热像仪其特征在于：所述手持式红外热像仪中的分色滤光片（400）是能将0.4～0.7um和8～14um的光谱分开的特定波段带通滤光片。

3.根据权利要求1所述的手持式红外热像仪其特征在于：所述的可见光系统的空间分辨率与所述的红外系统探测目标的空间分辨率1mrad成比例关系。

4.根据权利要求1所述的手持式红外热像仪其特征在于：利用所述的FPGA模块借助FLASH和RAM存储器来完成盲元补偿、非均匀校正及直方图均衡化等预处理工作。

5.根据权利要求1所述的手持式红外热像仪其特征在于：加装LED照明光源，提供常亮及2S闪光两种模式选择。

6.根据权利要求1所述的手持式红外热像仪其特征在于：还包括输入输出设备，用于输入输出命令或相应数据。

7. 根据权利要求1所述的手持式红外热像仪其特征在于：还包括网络端口，用于与外部设备通信。