CN102650549A - 点格分光镜调制的基于fpa的非制冷热成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明为点格分光镜调制的基于FPA的非制冷红外热成像光学系统，此种方法代替传统的小孔或刀口进行光学滤波。此种方法利用点格分光镜对焦平面阵列反射的光线进行调制而改善系统的成像性能。当焦平面阵列中微悬臂梁单元受热发生偏转时，反射到点格分光镜的光线在角度和位置上都发生了变化，因此透过和反射的光束比例也发生相应的改变，通过成像透镜后，光电探测器接受到的光能改变，经过处理得到辐射物体的红外热图像。通过调节点格分光镜与焦平面阵列的位置关系，能够得到最佳的成像效果。此种方法相比于刀口和小孔能够更有效地滤除杂散光，提高系统信噪比和探测灵敏度，提高系统的成像质量，并且结构大大简化。

Description

点格分光镜调制的基于FPA的非制冷热成像光学系统

■技术领域

本发明是基于FPA(焦平面阵列)的非制冷红外成像系统技术中的一种光学读出方法，该读出方法可以代替刀口或小孔进行滤波成像，针对目前此种成像系统的结构过于庞大和复杂的问题，发明出的一种成像方法。此种方法能够对环境中的杂散光进行有效的抑制，并对焦平面阵列各个单元反射的光进行调制，使光电探测器探测到的光能能够随着受热悬臂梁的偏转变化而变化，提高系统的成像质量。 

■背景技术

近年来，随着FPA技术的不断发展，非制冷红外成像系统得到了突破性的提高并且受到了广泛的关注。新型非制冷红外成像系统和传统的非制冷型红外成像系统相比，辐射探测器采用光学读出方法，而不是电学读出方法，不需要制冷，成本低，且可以民用。传统的电学读出方法能够在室温下进行工作，焦平面阵列与硅工艺兼容，并且不需要机械扫描装置，集成电路制作技术较为成熟，但仍存在着以下几个问题： 

1)通过的电流会产生附加的热量，使得很难高精度地检测入射的红外辐射。 

2)为了使探测器能够产生有效的局部升温，探测单元与基底之间必须实现良好的热隔离，但是为了读出热电效应的变化，必须将探测器单元与基底之间通过导线进行连接，而导线是热的良导体，这就造成传统的热型红外辐射探测器很难实现理想的热隔离，使其探测灵敏度降低，并且像素的数目很难增大。 

3)对于阵列像素来说，要对红外焦平面阵列上的每一个单元制作高增益高精度的读出电路，制作难度和成本都很高。 

4)由于探测材料的热常数会使探测单元产生一定的局部升温需要比较长的时间，因此其帧速率相对于量子型红外探测器相比较低。 

光学读出方法是将红外辐射转化为热能，温度的变化使得焦平面探测单元的转角或者是离面位移发生变化，通过光学读出系统得到被测辐射物体的热像或温度分布。与电读出方式相比，光学读出方法不需要在焦平面阵列上构造复杂的电信号放大电路，因此结构简化了很多，工艺步骤也很大程度上简化了。由于不需要构造放大电路，则系统自然没有了电路产生的热量造成的影响，所以光学读出方法具有更低的背景噪声和更高的灵敏度。 

对光学读出方式的研究已经经历了十多年，1997年，Stanford大学S.R.Manalis在Applied Physics Letters发表Two-dimensional microme-chanicalbimorph arrays for detection of thermal radiation，同年Nikon公司和1999年的美国Berkeley以及中国科技大学和北京理工大学都相继地对光学读出方式进行了研究，使得这项技术越来越受到重视。从已公布的实验结果来看，光读出红外焦平面阵列技术已经趋近于发展成熟，但仍然有一些关键技术问题有待攻克。 

目前，光学读出方法多采用刀口滤波和小孔滤波，但是这两种方式很难将环境中的杂散光滤除掉，并且对工作环境的要求较高，还不能够实现更理想的等效噪声温差，因此，寻求新的光学读出方法来完善系统势在必行。本发明采用的是一种新型的分光镜，即点格分光镜。点格分光镜在广域波谱里的反射投射比为常量，其分光性能较标准介质分光镜性能胜出许多。UV级熔融石英利用真空沉积将加强镀膜在固定的通光口径内，镀膜与不镀膜表面图案成点状分布，入射遇到镀膜区域会反射，而遇到玻璃材料则会透射，这种分光片对入射角度 不敏感，光线可在0°到45°范围内入射。 

■发明内容：

本发明的目的是利用点格分光镜的分光性能，对经过焦平面阵列单元反射的光线进行调制，再经过成像透镜成像在光电探测器上，获得焦平面阵列受热偏转后的信息。通过点格分光镜透光与不透光部分的调制，可以有效地抑制背景噪声，使成像效果变好。 

本发明的目的是由以下技术方案来实现：①当环境中不加入红外辐射物体时，焦平面阵列每个微悬臂梁单元偏转相同的角度。准直光束以一定的角度投射到焦平面阵列上，并以一定的角度反射到出射光路，出射光路中加入点格分光镜，光束通过点格分光镜后照射到光学探测器上，并以此作为成像基准。②当环境中有红外辐射物体时，焦平面阵列受热微悬臂梁单元发生偏转，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。反射光线会以不同的角度通过点格分光镜，则透过点格分光镜的光束分布会发生相应的变化，光电探测器上接收到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，简化系统的结构，并且能够减小环境中的杂散光对系统成效的影响，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为点格分光镜的点状图案分布图 

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-点格分光镜，6-成像透镜，7-光电探测器，8-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。准直光源1反射出平行光照射到焦平面阵列4上，经焦平面阵列反射到读出光路中。反射光线在读出光路中首先通过点格分光镜5进行调制，使反射的光线一部分反射，一部分透射。透射的部分再经过成像透镜6由光电探测器进行7接收。当环境中没有红外辐射物体时，光电探测器7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2聚焦在焦平面阵列4上，由于焦平面阵列是双材料微悬臂梁单元构成，悬臂梁受热发生偏转，反射光线再经点格分光镜5分光。因为透过点格分光镜的光束发生了变化，则入射到成像透镜5的光束分布也随之变化，最后经过成像透镜6照射到光电探测器7上。这时，光电探测器采集并保存的是包含辐射物体信息的一副图像，将这幅图像与之前保存的背景图像相减，则在显示器上所输出的就是肉眼可见的红外热图像。 

点格分光镜是呈点状图案进行镀膜的，对入射的光线部分反射部分透射，且入射光线在0°至45°之间都可以工作。放入红外辐射物体后，由于微悬臂梁的偏转角度变化，反射的光线方向也随之发生变化，则入射到点格分光镜的角度及位置也相应地发生了变化，即焦平面阵列每个小单元反射出的光束透过和不透过点格分光镜的比例发生变化，从而使得经过成像透镜后在光电探测器上接收到的图像发生改变。 

获得红外辐射物体的热图像时，点格分光镜与焦平面阵列的距离以及放置倾角是至关重要的。放置的距离越近，且倾斜的角度使得一个焦平面阵列单元与点格分光镜的四个小单元(即一反三透)相对应，成像效果会越好。并且要调整点格分光镜与焦平面阵列法线的角度，使成像效果更好。此外，应将点格分光镜的点格边平行或垂直于基座。满足以上几点的红外成像系统，能够改善其成像效果。 

Claims (4)

1.一种基于FPA的非制冷红外热成像光学系统，其特征在于：所述成像系统是由点格分光镜进行调制，该系统包括准直光源、焦平面阵列、红外透镜、点格分光镜、成像透镜、光电探测器、显示器，该系统分为入射光路和读出光路两部分，入射光路包括准直光源，读出光路包括点格分光镜、成像透镜、光电探测器、显示器，准直光源出射的平行光入射到焦平面阵列上，光线经焦平面阵列反射后经点格分光镜进行调制，调制后的出射光经过成像透镜成像到光电探测器上。

2.如权利要求1所述的基于FPA的非制冷红外热成像光学系统，其特征在于：入射光路和读出光路相对于焦平面阵列呈一个夹角，夹角的角度随焦平面阵列微悬臂梁小单元的初始偏转角确定。

3.如权利要求1所述的基于FPA的非制冷红外热成像光学系统，其特征在于：点格分光镜放置在焦平面阵列悬臂梁单元的像和外框像刚好分开的位置。

4.如权利要求1所述的利用点格分光镜进行调制的基于FPA的非制冷红外热成像光学系统，其特征在于：红外透镜置于焦平面阵列的感光面方向，当外界无热物体时，焦平面阵列上的悬臂梁各个单元偏转角都相同，光电探测器接收的图像设为“基底”，放入热物体，悬臂梁单元各个单元的偏转角由于受热程度不同而偏转不同的角度，点格分光镜对入射光线的振幅进行调制，光电探测器接收调制后的光线形成一帧图像，与“基底”相比，两幅图像在相同像素点处的灰度值发生变化，将该两幅图像“取差”，得到热物体的红外图像。

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