CN102650547B - 非制冷红外成像系统微透镜阵列光学读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于FPA非制冷红外热成像系统的微透镜阵列光学读出方法，该方法应用于基于FPA的非制冷红外热成像系统中。该方法利用微透镜阵列和窗口阵列组合对从FPA反射的光场进行调制来改善系统的成像性能。当焦平面阵列上各小单元偏转不同的角度时，反射光束通过第一组微透镜阵列，在窗口阵列板上形成的谱位置会根据小单元偏转角的不同而不同，使透过窗口阵列的光束强度不同，再经过第二组微透镜阵列后射到光电探测器上，得到辐射物体的红外热图像。通过窗口阵列板和微透镜阵列的组合，可大大提高系统的探测灵敏度，相比传统的4f系统中的刀口和小孔滤波方法能有效地滤除杂散光，抗震性较好，能够提高系统的成像质量，使结构大大简化。

Description

非制冷红外成像系统微透镜阵列光学读出方法

■技术领域

针对红外成像系统目前存在体积过于庞大及复杂的问题，发明了基于焦平面阵列FPA的非制冷红外成像系统微透镜阵列光学读出方法，该方法能够代替传统的刀口或小孔滤波读出方法。该方法对FPA上各个反射小单元反射的光进行调制，使光电探测器探测到的光强随着小单元受热偏转的角度变化而变化，能够有效地对环境中的杂散光进行抑制，提高系统的探测灵敏度，并提高系统的成像质量。

■背景技术

非制冷红外成像系统由于其高性价比、长寿命、高可靠性等因素近年来成为了研究热点，得到了突破性的进展。新型的非制冷红外成像系统相比于传统的非制冷红外成像系统，不采用电读出，而是采用光学读出方式，这种方式不需要制冷，低功耗，成本低且可以广泛用于民用领域。传统的电学读出方法能在室温下工作，不需要机械扫描装置，焦平面阵列与硅工艺兼容，集成电路制作比较成熟，但是仍然存在着一下几个问题有待解决：

1)由于电流会通过探测单元，导致探测器单元上产生附加热量从而影响探测器的探测精度，因此相比于光学读出方法，电学读出方法很难达到很高的探测灵敏度。

2)为了能够让探测器单元产生有效局部的升温，探测器单元与基底之间设置了热隔离装置。然而，为了能够得到热电效应变化，必须用导线将探测器单元与基底相连，但是导线往往是良好的热导体，会带来附加热量。 因此，传统的电学读出方法很难实现理想的热隔离，其探测灵敏度较低等效噪声温差NETD在100～400mK范围，且像素数目也很难提高。

3)对于传统的电学读出方法，需要对FPA上的每一个感热像素单元制作高增益和高精度的读出电路，这使得制作工艺及成本很高。

4)被测的电效应都十分微弱，例如在阻抗型的红外探测其中，当被测物体有1K温度的变化，探测器电阻率仅变化0.02％。所以，要检测此微弱信号，就必须对集成电路的要求高，需要拥有十分高的信噪比而后增益，因而增加了探测器和读出电路的设计难度。

5)由于探测器中探测材料的热常熟导致探测单元产生一定的局部温升需要比较长的时间，因此相比于传统的量子型红外探测器，其帧速率较低(约1Hz～30Hz)。

红外成像系统光学读出方法是将红外辐射通过红外透镜转化为热能，热能的温度变化使得FPA上的小单元受热后偏转不同的角度或是离面位移发生变化，再通过光学系统得到被测辐射目标的热图像或者温度场分布。FPA的基本结构为双材料微悬臂梁阵列，不需在每一个感热单元上集成高灵敏度的复杂读出电路，因此光学读出方法能够很大程度上降低电读出热型红外成像系统在设计和制作红外焦平面阵列FPA时所遇到的难题。

到目前为止，对非制冷红外成像系统光学读出方法的研究已经经历了十多年，早在1996年，美国Oak Ridge国家实验室重点研究了微悬臂梁传感器系统，Oden P.I.ThomasThundat等几位学者利用压电电阻微悬臂梁展示了一种新型的红外探测器，并论述了双材料微悬臂梁作为红外探测器的可行性。之后Nikon公司和1999年的美国Berkeley以及北京理工大学、中国科技大学都相继地对光学读出方法进行了深入研究，因此这项新的技术得到了越来越多界内机构的重 视。从目前已公布的实验结果来看，光读出红外焦平面阵列技术发展趋势已经接近于成熟，但仍有一些关键技术有待攻克。

目前，光学读出方法多采用刀口滤波和小孔进行滤波，虽然能够在一定程度上提高系统的成像质量，但是很难将环境中的杂散光滤除，并且对工作环境的要求较高，不能够实现更理想的等效噪声温差NETD，因此，需要研发新的光学读出方法来完善系统性能。本发明采用的是微透镜阵列光学读出方法。微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。微透镜列阵可分为折射型微透镜列阵与衍射型微透镜列阵两类。衍射型微透镜列阵利用其表面波长量级的三维浮雕结构对光波进行调制、变换，具有轻而薄、设计灵活等特点。作为功能元件，在波前传感、光聚能、光整形等多种系统可得到广泛应用。

■发明内容：

本发明的目的是利用微透镜阵列组合，对经过焦平面阵列上每个小单元的反射光线分别进行调制，再经过成像透镜成像在光电探测器上，得到焦平面阵列受热偏转后的分布信息。微透镜阵列组对每个小单元的调制，可以有效地解决由于谱宽所造成的灵敏度降低、系统背景噪声不能够很好抑制的问题，并能够提高抗震性能，从而进一步提高系统的成像效果。

本发明由以下技术方案来实现：①当环境中没有红外辐射物体时，焦平面阵列每个微悬臂梁单元将偏转相同的角度。准直光束以垂直于FPA法线的方向入射到分光镜上，一部分光通过分光镜反射后垂直入射到FPA上，通过FPA反 射的反射光束通过微透镜组阵列后，再经过分光镜，成像在光学探测器上，并以此作为成像基准。②当环境中有红外辐射物体时，焦平面阵列受热辐射部分的微悬臂梁单元将发生偏转，因此以相同入射角度入射的光束会根据微悬臂梁单元的偏转角度不同而以不同的角度反射。反射光线通过微透镜阵列组后，到达光电探测器上的光能会增大或减小，与之前的基准“相减”后获得辐射物体的红外热图像。

■有益效果

采用本发明可以替代现有的刀口或小孔滤波元件进行滤波调制，缩小光学读出系统的结构尺寸，提高系统的探测灵敏度和抗震性能，并且能够对周围环境中的杂散光进行抑制，改善输出图像的质量。

■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为微透镜阵列表面示意图；

图3为窗口阵列表面示意图；

其中：1-准直光源，2-红外目标辐射的红外线，3-红外透镜，4-焦平面阵列，5-第一组微透镜阵列，6-窗口阵列板，7-第二组微透镜阵列，8-分光镜，9-光电探测器，10-显示器

■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。基于FPA非制冷热成像系统的微透镜阵列光学读出方法的光学系统，包括准直光源、焦平面阵列、红外透镜、微透镜阵列、窗口阵列板、分光镜、光电探测器及显示器，利用微透镜阵列对焦平面阵列反射 的光场进行振幅调制，读出焦平面阵列微悬臂梁单元受热偏转后通过微透镜阵列的光场信息。微透镜阵列中每个小透镜的尺寸为100μm，单元形状为圆形，焦距为1mm，窗口阵列的直径为50μm，各个窗口之间的中心间距为100μm，窗口阵列通过常规半导体光刻曝光工艺完成，基板使用光学黑乳胶板以减少反射杂散光，窗口阵列板的整体尺寸与FPA的整体尺寸相同。

将微透镜阵列及FPA与窗口阵列对准并合成，利用微位移平台进行包括微透镜阵列与窗口阵列板之间的夹角、相对距离、相对旋转和平移精密调整，将一束激光照射到微透镜阵列的基板上，通过位置调节，利用显微镜进行观察，使微透镜阵列和窗口阵列板各个小单元对齐，调整好的微透镜组和窗口阵列组用填充物和胶粘剂在两基板四周将其固定，再与另一组微透镜阵列进行合成，使两组微透镜阵列的位置对齐。

微透镜阵列及窗口阵列板的组合和FPA的小单元需对齐，将一束平行光通过分光镜入射到FPA和阵列组合上，使其上的反射光强为透过阵列组合光强的一半，即窗口阵列的每个窗口边缘需要和聚焦点的中央最大值处对齐，则代表阵列组合与FPA小单元的位置已调整好，并用填充物和粘胶剂对FPA和阵列组合进行固定。

准直光源1发出平行光照射到分光镜8上，通过分光镜8的作用使平行光入射到微透镜阵列组中，通过第二组微透镜阵列7后聚焦到窗口阵列板6上，在通过微透镜阵列5后，照射到焦平面阵列4上。随后，经焦平面阵列4反射到读出光路中。反射光线在读出光路中先通过第一个微透镜阵列5，并且每个小单元的出射光聚焦到窗口阵列板6上，此时窗口阵列板6所处的位置应为焦平面阵列4的谱平面位置。焦平面阵列通过窗口阵列板6后，再通过第二个微透镜阵列7上，之后通过分光镜8在光电探测器9上成像并在显示器10上显示。 当环境中没有红外辐射物体时，光电探测器9所采集的一帧图像会保存下来作为背景。当红外辐射物体进入到探测窗口中，入射的红外线会经过红外透镜3的作用聚焦在焦平面阵列4上，因为焦平面阵列4由双材料微悬臂梁单元构成，当悬臂梁受热时会发生偏转，则反射光的相位会发生变化，通过第一组微透镜阵列5后，由于通过焦平面阵列的反射光的位相不同，则在窗口阵列上每个窗口处形成的聚焦点的位置不同，通过窗口透光与不透光部分的调制，使得对于偏转大的小单元所对应的聚焦点透过窗口的部分变小，而偏转小的小单元所对应的聚焦点透过窗口的部分相对来说变化比较小。因此，通过透过窗口板光强的变化，使经第二个镜微透镜阵列7的光强发生变化，从而导致光电探测器9上接收的光强发生变化。由于光电探测器9采集并保存的是包含辐射目标物体信息的一幅图像，将这幅图像与之前保存的背景图像相减后，在显示器10上输出的便是人眼可见的红外热图像。

本发明中，第一个微透镜阵列5的作用相当于原4f系统中的第一个傅里叶变换透镜的作用。使入射光波经傅里叶变换后在窗口阵列板6上形成焦平面阵列的谱。通过窗口阵列对各个谱点的调制后，再经过第二个微透镜阵列7对光波进行逆傅里叶变换，从而形成物体的像，并使用光电探测器9进行接收。

本发明中，如图3所示，窗口阵列板的每个小圆孔中的部分为透光部分，其余的部分为不透光部分。窗口阵列通过常规的半导体光刻曝光工艺完成，基板使用的是光学黑胶板以减少反射杂散光。微透镜阵列和窗口阵列板的固定是由填充物和胶合剂进行的。另外，在未放入红外辐射物体时，窗口阵列的每个窗口边缘需要和聚焦点的中央最大值处对齐，利用微位移平台进行精密调整，这样能够得到最大的灵敏度。满足以上要求的红外成像系统，通过每个小单元的单独滤波特性，能够提高系统的探测灵敏度，并进一步改善红外系统的成像 效果。

Claims (1)

1.一种非制冷红外成像系统微透镜阵列光学读出方法，其特征在于读出方法的步骤为：

步骤①：构建读出方法的光学系统，包括准直光源、焦平面阵列、红外透镜、微透镜阵列、窗口阵列板、分光镜、光电探测器及显示器，利用微透镜阵列对焦平面阵列反射的光场进行振幅调制，读出焦平面阵列微悬臂梁单元受热偏转后通过微透镜阵列的光场信息，微透镜阵列中每个小透镜的尺寸为100μm，单元形状为圆形，焦距为1mm，窗口阵列的直径为50μm，各个窗口之间的中心间距为100μm，窗口阵列通过常规半导体光刻曝光工艺完成，基板使用光学黑乳胶板以减少反射杂散光，窗口阵列板的整体尺寸与FPA的整体尺寸相同；

步骤②：将微透镜阵列及FPA与窗口阵列对准并合成，利用微位移平台进行包括微透镜阵列与窗口阵列板之间的夹角、相对距离、相对旋转和平移精密调整，将一束激光照射到微透镜阵列的基板上，通过位置调节，利用显微镜进行观察，使微透镜阵列和窗口阵列板各个小单元对齐，调整好的微透镜组和窗口阵列组用填充物和胶粘剂在两基板四周将其固定，再与另一组微透镜阵列进行合成，使两组微透镜阵列的位置对齐；

步骤③：微透镜阵列及窗口阵列板的组合和FPA的小单元需对齐，将一束平行光通过分光镜入射到FPA和阵列组合上，使其上的反射光强为透过阵列组合光强的一半，即窗口阵列的每个窗口边缘需要和聚焦点的中央最大值处对齐，则代表阵列组合与FPA小单元的位置已调整好，并用填充物和粘胶剂对FPA和阵列组合进行固定；

步骤④：准直光源1发出平行光照射到分光镜上，通过分光镜的作用使平行光入射到微透镜阵列组中，通过第二组微透镜阵列后聚焦到窗口阵列板上，在通过微透镜阵列后，照射到焦平面阵列上；随后，经焦平面阵列反射到读出光路中，反射光线在读出光路中先通过第一个微透镜阵列，并且每个小单元的出射光聚焦到窗口阵列板上，此时窗口阵列板所处的位置应为焦平面阵列的谱平面位置，焦平面阵列通过窗口阵列板后，再通过第二个微透镜阵列上，之后通过分光镜在光电探测器上成像并在显示器上显示；当环境中没有红外辐射物体时，光电探测器所采集的一帧图像会保存下来作为背景；

步骤⑤：当环境中有红外辐射物体时，焦平面阵列受热辐射部分的微悬臂梁单元将发生偏转，因此以相同入射角度入射的光束会根据微悬臂梁单元的偏转角度不同而以不同的角度反射，焦平面阵列微悬臂梁单元受热偏转后，反射光经第一组微透镜阵列聚焦在谱平面上，谱平面上放置窗口阵列板，对每个小单元分别形成的谱进行滤波，通过窗口的光强随FPA小单元偏转角度的变化而变化，出射光束通过第二组微透镜阵列后，到达光电探测器上，且光强发生相应的改变，形成热物体的可见光图像；

步骤⑥：由于光电探测器采集并保存的是包含辐射目标物体信息的一幅图像，将这幅图像与之前保存的背景图像相减后，在显示器上输出的便是人眼可见的红外热图像。