CN102486410A - 光学成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学成像装置，包括：可见光路结构、红外光路结构、照明光路结构、焦平面阵列以及成像光路结构。可见光路结构，用于采集目标物体发出的可见光并转化为可见平行光；红外光路结构，用于采集目标物体发出的红外辐射并将其聚焦到焦平面阵列上；照明光路，用于提供照明平行光；焦平面阵列，用于吸收红外光路结构采集到的目标物体的红外辐射并产生角度变化，并根据角度变化反射照明平行光，被焦平面阵列反射的照明平行光上附有焦平面阵列的角度变化信息；成像光路结构，用于将附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光成像为红外光像，并将可见光路提供的可见平行光成像为可见光像。本发明的实施例适用于非制冷红外成像和可见光成像。

Description

光学成像装置

技术领域

本发明涉及微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术领域，更具体地，涉及一种光学读出热型红外光学成像装置。

背景技术

光学读出热型红外光学成像装置是一种常用的红外辐射探测装置，用于将不可见的红外辐射转化为可见的图像。图1示出了现有技术中一种光学读出热型红外光学成像装置。

如图1所示，目标物体100发出的红外光首先经过一个红外透镜200，红外透镜200将目标100成像在FPA(Focal Plane Array，焦平面阵列)300上，由于吸收红外光，FPA结构产生变形；另一方面，发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)照明光源500发出的光线通过准直透镜600成为平行光，并且到达半反半透镜400，以光线①为例，半反半透镜400将LED 500发出的光线的一部分(如光线①)反射到FPA300上；FPA由于变形导致其上的微镜面反射结构发生角度变化，之后将光线①反射到半反半透镜400上，这些经过FPA反射的光线①则记录了微镜面反射结构转角变化的信息；随后光线①透过半反半透镜400到达傅里叶透镜700进行分频聚焦，再通过刀口滤波器800的滤波作用以及逆傅里叶透镜900的成像作用，最后在电荷耦合图像传感器(Charge Coupled Device，CCD)1000上显示了目标物体100的红外光像。

在实际应用中，还无法通过同一个光学系统同时得到红外光像和可见光像。因此，需要提供一种新颖的光学成像装置，以满足应用需求中同时得到红外光像和可见光像光学成像装置的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光学成像装置，以克服上述现有技术中的问题，通过同一个光学系统同时得到红外光像和可见光像。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种光学成像装置，该装置包括可见光路结构、红外光路结构、照明光路结构、焦平面阵列以及成像光路结构，其中：

可见光路结构，用于采集目标物体发出的可见光并转化为可见平行光；

红外光路结构，用于采集目标物体发出的红外辐射并将其聚焦到焦平面阵列上；

照明光路结构，用于提供照明平行光；

焦平面阵列，用于吸收所述红外光路结构采集到的目标物体的红外辐射后产生角度变化，并根据所述角度变化反射所述照明平行光，其中，被所述焦平面阵列反射的照明平行光上附有焦平面阵列的角度变化信息；

成像光路结构，用于将所述附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光成像为红外光像，以及将所述可见光路提供的可见平行光成像为可见光像。

上述方案中，所述可见光路结构包括：

第一准直透镜，用于将目标物体发出的可见光转化为可见平行光；

第一半透半反镜，用于将所述第一准直透镜转化的可见平行光部分反射到所述成像光路结构。

上述方案中，所述红外光路结构包括红外透镜，用于将目标物体发出的红外辐射聚焦到所述焦平面阵列上并进行成像。

上述方案中，所述焦平面阵列包括支撑结构和微反射镜结构，其中：

支撑结构，用于支撑所述微反射镜结构以及吸收所述红外辐射，并根据吸收的红外辐射产生角度变化；

微反射镜结构，用于根据所述支撑结构的角度变化反射所述照明平行光。

上述方案中，所述照明光路结构包括：

照明光源，用于发出照明光；

第二准直透镜，用于将所述照明光转化为照明平行光；

第二半透半反镜，用于将所述第二准直透镜转化的照明平行光部分透射到所述焦平面阵列，以及将所述焦平面阵列反射的附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光部分反射到所述成像光路结构。

上述方案中，所述成像光路结构包括反光棱镜和读出单元，其中：

反光棱镜，用于将所述第二半透半反镜反射的附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光以及所述可见光路结构转化的可见平行光反射到所述读出光路；

读出光路单元，用于将所述反光棱镜反射的照明平行光和可见平行光分别成像为红外光像和可见光像，并进行显示。

上述方案中，所述反光棱镜的截面为等腰三角形；

所述反光棱镜包括两个反光侧面，用于反射所述第二半透半反镜反射的照明平行光以及所述可见光路结构转化的可见平行光。

上述方案中，所述等腰三角形的底角为450。

上述方案中，所述读出光路单元包括：

傅里叶变换透镜组，用于将所述反光棱镜反射的光线进行分频聚焦；

空间滤波器，用于将所述傅里叶变换透镜组分频聚焦后得到的光谱进行滤波处理；

逆傅里叶变换透镜组，用于将所述空间滤波器滤波后的光谱形成光学像；

图像传感器，用于采集所述光学像进行显示，其中，所述光学像包括所述照明平行光形成的红外光像以及所述可见平行光形成的可见光像。

上述方案中，所述空间滤波器为刀口滤波器。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的光学成像装置，通过将同一个光学成像装置同时形成红外光像和可见光像，满足了同时观测红外光像和可见光像的要求，并且本发明的光学成像装置简易、易于实现。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为现有技术中红外光学成像装置的示意图；

图2为根据本发明一个实施例得到的光学成像装置的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的FPA结构示意图；

图4为根据本发明另一实施例得到的光学成像装置的示意图。

具体实施方式

以下，通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

以下，将参照图2和图3来对根据本发明实施例的得到的光学成像装置予以详细说明。

如图2所示为本发明的实施例得到的一种光学成像装置。其中包括：可见光路结构20、红外光路结构30、照明光路结构40、FPA 50以及成像光路结构60。其中，可见光路20用于采集目标物体10发出的可见光②并转化为可见平行光②，并提供给成像光路结构60；红外光路30用于将采集目标物体10发出的红外辐射③，聚焦到FPA 50上并在FPA50上成像；照明光路结构40用于提供照明平行光①给FPA 50；FPA 50则吸收红外光路30采集并聚焦的红外辐射③后产生角度变化，然后根据角度变化反射照明平行光①，以形成附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光①，或者也可以说反射的照明平行光①上则记录了红外光像的信息；成像光路结构60用于将FPA 50反射的照明平行光①成像为红外光像，以及将可见光路结构20转化的可见平行光②成像为可见光像。

以下将详细描述FPA的工作原理。具体地，如图3所示，FPA 50包括：支撑结构51和微反射镜结构(Micro-Reflection Structure)52，其中支撑结构51通常通过在半导体衬底(例如Si衬底)上制成特定的结构形成，用于支撑整个FPA结构。在支撑结构51的表面上涂覆有红外辐射吸收层以帮助吸收红外辐射，微反射镜结构52则能够根据吸收的红外辐射产生角度变化。优选地，在微反射镜结构52上与支撑结构51相邻的一面还形成有金属层，以加强对红外光的反射作用，从而提高支撑结构51对红外光的吸收效率。微反射镜结构52用于根据支撑结构51的角度变化反射照明平行光，因此被反射的照明光则记录了支撑结构51的角度变化，进一步地，也反映了支撑结构51吸收的红外光辐射信息，或者也可以说是红外成像的信息。本发明实施例所采用的FPA结构为现有的一种常规结构，在MEMS技术中已经完全公开，但本发明的实施例并不打算以此对所本发明所采用的FPA结构进行限制。FPA，包括其内的支撑结构和微反射镜结构为现有技术中的一种常规结构，可以参考公开号为CN101241231B的中国专利文件中对FPA的原理进行的说明。因此这里不再对其原理进行赘述。

如图4所示，为根据本发明的一个优选实施例得到的光学成像装置。其中，可见光路结构20包括：第一准直透镜21和第一半透半反镜22。其中目标物体10发出的可见光②经过第一准直透镜21后成为可见平行光并照射到第一半反半透镜22上，第一半透半反镜22对可见平行光②进行反射和透镜，其中一部分光线被反射到成像光路60，具体地是反射到成像光路中的反光棱镜61。在这个结构中，目标物体10位于第一准直透镜21的后焦平面上。

红外光路结构30包括：红外透镜31，用于将目标物体发出的红外辐射③聚集成像到FPA50上，具体地聚集到FPA 50中的支撑结构51。其中FPA50位于红外透镜31后的后焦平面上。

照明光路结构40包括LED光源41、第二准直透镜42和第二半透半反镜43。其中，LED光源41发出照明光①并入射到第二准直透镜42上，对于本发明的实施例来说可以选择其他的光源；经过第二准直透镜42后，入射的照明光①转化为照明平行光①出射，并入射到第二半反半透镜43上；第二半透半反镜43将第二准直透镜42入射的照明平行光①中的一部分透射到FPA 50，以及将FPA 50根据吸收的红外辐射产生形变并且根据该形变进行反射的照明平行光①反射到成像光路结构60。为了得到更好的照明平行光，进一步地，可以在光源41与第二准直透镜42之间增加光源滤波孔，光源滤波孔位于第二准直透镜42的前焦平面上，从而经过光源滤波孔的光线入射到第二准直透镜21后，被第二准直透镜2平行入射到第一半反半透镜22上。

如图3所示，FPA 50包括：支撑结构51和微反射镜结构52，支撑结构51吸收了红外辐射后产生角度变化，并根据角度变化反射由第二半反半透镜入射的照明平行光①。

具体地，成像光路结构60包括：反光棱镜61以及读出光路单元62。其中，第二半透半反镜43反射的照明平行光①以及可见光路20转化的可见平行光②入射到反光棱镜61上时，该棱镜能够将照明平行光①以及可见平行光②进行反射，并提供给读出光路单元62进行读出并成像。反光棱镜61的横截面可以为等腰三角形，顶角为直角(则底角为450)，或者也可以是其他的能够实现上述功能的反光结构。如图5所示，反光棱镜61包括两个用于反射光线的侧面，均为镜面。读出光路单元62用于将反光棱镜61反射的照明平行光①成像为红外光像，以及将可见平行光②成像为可见光像。

具体地，读出光路单元62可以包括：傅里叶透镜组621、滤波器622、逆傅里叶透镜组623以及图像传感器CCD 624。其中傅里叶透镜组621用于将反光棱镜61反射的照明平行光①和可见平行光②进行分频聚焦；空间滤波器622用于对傅里叶透镜组621分频聚焦后得到的光谱进行滤波处理，空间滤波器622优选为刀口滤波器；逆傅里叶透镜组623用于将空间滤波器622滤波后的光谱形成光学像；图像传感器CCD 624用于将光学像进行显示，其中光学像包括照明平行光①形成的红外光像以及可见平行光②形成的可见光像。图中的傅里叶透镜组621和逆傅里叶透镜组623都只画出了一个透镜，需要说明的是，实际上这是透镜组，能够满足傅里叶光谱变换和逆傅里叶光谱变换的功能。

如图4所示的本发明的实施例中，第一半反半透镜22、第二半反半透镜43的设置方向均为，各个半反半透镜的法线方向与入射光线之间的夹角为450，因此在反射光线时，反射光线与入射光线的夹角恰好为900，因而能够将入射光线的方向改变900后出射。其中的反光棱镜61的两个侧面与入射过来的平行光线成450角，从而能够把入射光线改变900角反射到傅里叶透镜组621上。刀口滤波器622正好位于傅里叶透镜组621的后焦平面上，同时也位于逆傅里叶透镜组623的焦平面上。以上所述仅为本发明的优选方式，不用于限制本发明的保护范围。本发明的实施例中，各透镜、反光棱镜等的位置关系可以根据实际需要进行调整，只要满足光路传播过程即可实现本发明。

对于本发明的其他实施例来说，照明光经过第二准直透镜42之后，并不一定要以450角入射到第二半反半透镜43上，完全可以根据光具组的位置来确定入射方向。

对于本发明的其他实施例来说，第二准直透镜21入射到第一半反半透镜22也不必满足450的要求，完全可以根据光具组的摆放位置来确定入射光线的角度。

图4所示的实施例中光具组的摆放方向的选择完全是根据图示说明的方便，并不用于限定本发明。

通过本发明实施例提供的成像装置，就实现了同时得到红外光像和可见光像的目的。并且本发明的实施例光路系统简单，容易实现，只需增加部分常规的光学器件则能够完成本发明。

在以上的描述中，对于各个具体光学器件的结构、参数和位置设置等细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来选择所需要的光学器件，以及如何设置这些光学器件等。另外，为了达到同一目的，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学成像装置，其特征在于，该装置包括可见光路结构、红外光路结构、照明光路结构、焦平面阵列以及成像光路结构，其中：

可见光路结构，用于采集目标物体发出的可见光并转化为可见平行光；

红外光路结构，用于采集目标物体发出的红外辐射并将其聚焦到焦平面阵列上；

照明光路结构，用于提供照明平行光；

焦平面阵列，用于吸收所述红外光路结构采集到的目标物体的红外辐射后产生角度变化，并根据所述角度变化反射所述照明平行光，其中，被所述焦平面阵列反射的照明平行光上附有焦平面阵列的角度变化信息；

成像光路结构，用于将所述附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光成像为红外光像，以及将所述可见光路提供的可见平行光成像为可见光像。

2.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述可见光路结构包括：

第一准直透镜，用于将目标物体发出的可见光转化为可见平行光；

第一半透半反镜，用于将所述第一准直透镜转化的可见平行光部分反射到所述成像光路结构。

3.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述红外光路结构包括红外透镜，用于将目标物体发出的红外辐射聚焦到所述焦平面阵列上并进行成像。

4.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述焦平面阵列包括支撑结构和微反射镜结构，其中：

支撑结构，用于支撑所述微反射镜结构以及吸收所述红外辐射，并根据吸收的红外辐射产生角度变化；

微反射镜结构，用于根据所述支撑结构的角度变化反射所述照明平行光。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学成像装置，其特征在于，所述照明光路结构包括：

照明光源，用于发出照明光；

第二准直透镜，用于将所述照明光转化为照明平行光；

第二半透半反镜，用于将所述第二准直透镜转化的照明平行光部分透射到所述焦平面阵列，以及将所述焦平面阵列反射的附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光部分反射到所述成像光路结构。

6.根据权利要求5所述的光学成像装置，其特征在于，所述成像光路结构包括反光棱镜和读出单元，其中：

反光棱镜，用于将所述第二半透半反镜反射的附有焦平面阵列的角度变化信息的照明平行光以及所述可见光路结构转化的可见平行光反射到所述读出光路；

读出光路单元，用于将所述反光棱镜反射的照明平行光和可见平行光分别成像为红外光像和可见光像，并进行显示。

7.根据权利要求6所述的光学成像装置，其特征在于，所述反光棱镜的截面为等腰三角形；

所述反光棱镜包括两个反光侧面，用于反射所述第二半透半反镜反射的照明平行光以及所述可见光路结构转化的可见平行光。

8.根据权利要求7所述的光学成像装置，其特征在于，所述等腰三角形的底角为450。

9.根据权利要求6所述的光学成像装置，其特征在于，所述读出光路单元包括：

傅里叶变换透镜组，用于将所述反光棱镜反射的光线进行分频聚焦；

空间滤波器，用于将所述傅里叶变换透镜组分频聚焦后得到的光谱进行滤波处理；

逆傅里叶变换透镜组，用于将所述空间滤波器滤波后的光谱形成光学像；

图像传感器，用于采集所述光学像进行显示，其中，所述光学像包括所述照明平行光形成的红外光像以及所述可见平行光形成的可见光像。

10.根据权利要求9所述的光学成像装置，其特征在于，所述空间滤波器为刀口滤波器。

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