CN102798472A - 基于fpa非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统 - Google Patents

Abstract

本发明是基于FPA非制冷红外成像的菲涅耳透镜光学读出系统，该系统利用菲涅尔透镜对从焦平面阵列反射的光束的相位和振幅进行调制而改善系统的成像性能。当环境中无热辐射物体时，从FPA反射的光束经菲涅耳透镜成像，作为“基准”像；当加入热物体时，FPA上的微悬臂梁受热偏转，从FPA反射的光束位相发生变化，菲涅耳透镜对反射光束进行位相和振幅调制，使在光电探测器上像的强度变化，经图像处理后得到热物体的可见光图像。该系统利用菲涅耳透镜设计自由度大、材料广泛、轻薄等特点，与传统光学元件组合，达到改善成像质量，减小光学读出系统尺寸和系统重量的目的。

Description

基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统

■技术领域

本发明是基于FPA红外热成像的一种菲涅耳透镜光学读出系统。该读出系统针对目前成像系统结构过于庞大和复杂的问题，发明出的一种光学读出系统。此种系统可代替传统的光学读出系统进行成像，使得系统更加轻便，设计自由度更大，能够减小光学读出系统的像差，提高系统成像质量以及探测灵敏度。

■背景技术

目前，非制冷红外成像技术光学读出方法发展迅速，新型的光学读出方法采用的焦平面阵列由双材料微悬臂梁组成，通过红外透镜的红外光被双材料微悬臂梁探测单元吸收后转化为热能，由于双材料的热致效应，微悬臂梁发生形变，该形变可以通过各种光学方法读出，从而得到被测热物体的温度分布及可见光图像。由于采用的微悬臂梁阵列制作简单，且不需要对每个单元设计并制作复杂的读出电路，因此该方法基本解决了电学读出方法的诸多问题。相比于传统的电学读出方法，光学读出方法能够很好地实现探测单元与基底间的热隔离，对等量的热辐射具有更高的温升。目前常用的光学读出方法有原子显微镜(AFM)光学读出方法、干涉式读出方法、针孔滤波读出方法、光学衍射读出方法和改进的非相干空间滤波方法等等，下面简单介绍这几种光学读出方法。

一.四单元读出系统

“四单元读出方法”是以标准原子力显微镜(AFM)原理为背景的读出系统，该方法利用光点的移动检测微悬臂梁受热后的偏转角，并利用特定的光学读出系统获得热图像。红外辐射需通过一个机械斩光器，然后经过红外透镜聚焦在微悬臂梁探测器上。机械斩光器能提高锁相放大器的参考频率，提高信噪比。利用激光照射微悬臂梁，再利用四单元位置敏感探测器(PSD)确定微悬臂梁的位置，并将信息存储在计算机中，计算机利用存储数据重构一个8位的图像阵列，灰度级为256。在重建的图像中，形变量最小的微悬臂梁呈黑色，形变量最大的微悬臂梁呈白色。这种系统灵敏度高，但只采用一个微悬臂梁作为探测单元，需要扫描机构按序扫描各个像元，因此该方法会导致光线间的互扰。另外，该方法对热信号响应时间较长，难以进行实时观察，且测量面离焦平面非常近，很难对整个焦平面空间进行检测。

二.光学干涉读出系统

这种方法是基于迈克尔逊干涉原理的光学读出方法。从FPA反射的光到达分光镜后，一部分通过分光镜传播到反射面上，另一部分经反射镜的反射垂直向下射向被测面，被测面和反射镜反射的光再次相遇发生干涉，经成像透镜在光电探测器上成像。当环境中加入热辐射物体时，FPA上的微悬臂梁发生偏转，则从FPA反射的光束方向发生变化，导致在光电探测器上灰度值发生变化，通过帧间图像的相减便获得红外热图像。这种方法检测的是微悬臂梁受热后产生的离面位移，光学分辨率为四分之一个波长。该系统精度非常高，易于阵列成像，但是对抗震性要求也很高，需要采用共光路干涉光路，并且参与干涉的平面(参考平面和变形平面)需保持十分近的距离，但这会使光在两个面上多次反射，使系统的信噪比很难提高。该光学系统的动态范围窄，为了满足光强信号和微悬臂梁离面位移的单调关系，需要限制微悬臂梁的离面位移在半个波长以内。

三.针孔滤波读出系统

针孔滤波读出系统通过红外透镜将红外光聚焦在FPA上，FPA封装在真空腔内，光源为可见光LED。LED发出的光经准直元件后成为平行光，该平行光照射在FPA上并经FPA反射，从FPA反射的光束通过第一个成像透镜成为会聚光，并会聚在焦面上的针孔附近。因为每个反射小单元的偏转角度不同，会使这些光线在针孔板上的会聚位置不同，只有当会聚位置与针孔位置对应时，这些光线才能够通过针孔及第二个成像透镜。当这些光线通过第二个成像透镜后，成为平行光并在CCD上成像。当环境中没有红外热辐射物体时，各个悬臂梁小单元的偏转角度相同，因此准直后的平行光经FPA反射后具有相同的方向，通过第一个成像透镜后会聚焦在一起，各小单元焦点的位置全部重叠，使CCD接收到的FPA上每个小单元的反射光经过针孔后的光强相同，因此输出图像各个位置的灰度值相同。当环境中存在热物体时，由于各个小单元受热不同而偏转不同的角度，导致经FPA反射的光束的方向不同，使得该光束通过第一个成像透镜聚焦后焦点不重合，因此通过针孔的光强发生变化，最终导致CCD上接收到的光强发生变化，得到灰度值不同的图像输出。这种方法的探测灵敏度不仅与探测目标黑体的温度有关，还与LED的发光强度和CCD的灵敏度有关。该方法无需隔振，易实现阵列测量。但是该方法的空间分辨率和探测灵敏度无法同时提高，空间分辨率不够且图像不清晰。

四.光学衍射读出系统

光学衍射读出系统采用的是光栅衍射型微悬臂梁阵列，该微悬臂梁主要包含红外吸收面、叉指形梳齿结构及悬臂梁支腿。叉指形梳齿结构位于微悬臂梁的侧面或末端，作为衍射光栅，其中一排梳齿和支腿相连，由于支腿是由热导率小的半导体材料SiC或SiNx组成，因此这排梳齿受红外辐射的影响十分小，并称为固定梳齿。光栅的另一排梳齿和微悬臂梁的红外吸收面相连，红外吸收面是由热膨胀系数低的SiC或SiNx和热膨胀系数高的金属Al或Au构成，当微悬臂梁吸收红外热辐射时发生弯曲，使排梳齿相对于固定梳齿发生纵向及横向的相对位移，因此称排梳齿为可动梳齿。该系统的衍射主要来自于梳齿间的纵向相对位移。当焦平面受到准直激光的照射，光栅的纵向位移会引起衍射光强的变化，衍射光强与微悬臂梁的纵向位移相对应。将经过焦平面阵列的衍射光进行傅里叶变换，其中第一个透镜做傅里叶正变换，将不同方向的衍射光通过透镜后变为焦平面上的一系列孤立的频谱亮斑，仅让+1级亮斑通过，+1级亮斑包含了整个焦平面阵列的信息。第二个透镜进行傅里叶逆变换，重现红外图像。这种方法能避免电学读出方法引线互联和反射法的顺序扫描问题，不需抗震。但是该方法的微悬臂梁制作工艺复杂，受光栅衍射周期的限制，目前只能做尺寸大于50μm×50μm的阵列，且阵列的红外吸收面积较小，影响探测灵敏度。

五.刀口滤波系统

刀口滤波系统属于部分相干光的光学衍射读出系统，该系统利用部分相干光的优点，能够很好地抑制相干噪声，能够将物体的光强分布直接作为输入信号，能够处理彩色图像信息，有效地提高系统的信噪比。刀口滤波方法的原理是：假设悬臂梁的反光面是规则的矩形板，这些矩形板排列起来成为了二维光栅结构。利用可见光对矩形板进行照明，每个矩形板会形成相同的衍射谱，然而当每个矩形板受热不同会偏转不同的角度，因此每个小单元的衍射谱会在谱平面上错开一个小位移。刀口边缘位于没有热物体时谱的中心处。当悬臂梁偏转角偏大时，衍射光大部分进入不通光区域，透过刀口的光亮变小；而当悬臂梁偏转微小角偏小时，衍射光的大部分仍在通光区域内，透光的光量减小程度不大，因此微悬臂梁单元在CCD像面上对应区域的光强发生变化，通过处理可以的得到热物体的可见光图像。但是该方法容易受环境的影响，尤其是震动和空气扰动。并且由于FPA制造工艺的限制，谱分散情况较为严重，从而降低了系统的探测灵敏度。

综上所述，传统的光学读出方法都能够一定程度上提高系统的探测灵敏度，但系统结构较大，每个方法都有其自身的不足，对成像系统的工作环境要求较高，且成像质量需进一步提高。

菲涅尔透镜属于二元光学中的一种，二元光学是光学与微电子技术相互渗透、交叉形成的学科。相比于传统光学，二元光学在实现光波变换上具有更多卓越的功能。其主要特点包括能够得到任意要求的波前，高衍射效率，重量较轻；与传统光学相结合能够使系统更加简洁，重量更轻，可在宽带光下使用，增加光学设计和选择光学材料的自由度，并且系统的各种像差能够得到更好地校正。

二元光学元件既是分光元件，能够对入射光波的相位和振幅进行有效地调制，又是成像元件，其焦距随波长的变化。利用二元光学元件的优点与传统光学元件的优点进行成像透镜的设计，能够在提高成像质量的同时，提高红外热成像系统的探测灵敏度，并使系统结构简化，便于携带。

■发明内容：

本发明的目的是利用菲涅耳透镜的成像性能，对经过焦平面阵列反射的光进行调制成像。利用菲涅耳透镜的成像及衍射性能，通过其表面的浮雕结构对经过焦平面阵列反射的光束的相位和振幅进行调制，并成像在光电接收器上，获得焦平面阵列受热偏转前后的信息。菲涅耳透镜作为一种特殊的光学器件，通过设计浮雕的位置、槽宽、槽深及槽形结构来产生任意波面，和传统光学元件结合，增加了设计变量，能够有效地减小系统的球差和轴外像差，并简化光路，减小系统的尺寸和重量。

本发明的目的是由以下技术方案来实现：①在初始状态，FPA上各个小单元具有相同的初始偏转角度，由于外界环境中没有热辐射物体，各个小单元的偏转角度不变。当准直光源发出的平行光照射在FPA上，通过各小单元反射的光束具有相同的方向，该反射光束通过菲涅尔成像透镜后，在光电探测器CCD上成像，该像作为“基准”像。②当外界环境中加入红外热辐射物体时，红外透镜将热辐射物体辐射的红外线滤出，并照射到FPA的双材料微悬臂梁上。双材料微悬臂梁由于热致效应发生变形，使FPA小单元反光面发生偏转，受热不同，则小单元偏转的角度不同。因此，准直光源发出的平行光照射在FPA各个小单元后，其反射光具有不同的方向，该反射光束通过菲涅尔成像透镜最终在光电探测器CCD上成像，该像与“基准”像做差，便可得到红外热辐射物体的可见光图像。

■有益效果

采用本发明取代了传统的光学读出系统进行成像。利用衍射元件菲涅耳透镜对FPA进行调制并成像，有效地减小了各种像差，提高了光学读出系统成像质量，提高了系统的探测灵敏度，减小了系统的轴向尺寸和重量，使红外热成像系统便于携带。

■附图说明

图1为基于本发明的焦平面阵列热成像菲涅耳透镜读出系统原理示意图

图2为菲涅耳透镜的扫描电镜图

1-点光源，2-准直透镜，3-焦平面阵列，4-菲涅耳透镜，5-光电接收器

■具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，当外界没有红外辐射物体时，焦平面阵列3上的小单元都具有相同的初始偏转角。点光源1发射出的光经准直透镜2后变为平行光射出，平行光照射到焦平面阵列3上，并被焦平面阵列3上的小单元反光板反射，该反射光束经过菲涅耳透镜4进行相位和振幅调制并成像在光电接收器5上，光电接收器5采集一帧图像作为“基准”像。当对红外物体成像时，红外物体发出的光经过红外透镜后成像在焦平面阵列3上，焦平面阵列3上对应的小单元的悬臂梁受热发生偏转，通过准直透镜2发出的平行光照射到焦平面阵列3上，由于焦平面阵列3各个小单元受热量不同，使各个小单元偏转不同的角度，导致从焦平面阵列3上各个小单元反射的光束具有不同的方向，该反射光经过菲涅耳透镜后成像在光电接收器5上。此时，光电接收器采集到具有红外物体信息的一幅图像，将这幅图像与“基准”像做差就得到红外物体的可见光图像。

将菲涅耳透镜设计为一面是具有浮雕结构的衍射表面，另一面是折射表面，即非球面，通过设置浮雕结构的位置、槽宽、槽深及槽形结构对光束相位和振幅的调制使离轴像差得到有效的矫正，并且通过非球面系数的设置校正系统的球差，提高系统的成像质量。另外，由于菲涅耳透镜可以减小轴外像差，因此可以进一步缩短菲涅耳透镜4和焦平面阵列3之间的距离，减小读出光路的轴向尺寸。

将不同波长的光源用于菲涅耳透镜读出系统时，菲涅耳透镜的焦距发生变化，像的距离也会发生变化。菲涅耳透镜的波长与焦距成反比，可以通过增加光源的波长来减小菲涅耳透镜的焦距，能够进一步减小系统的尺寸，实际使用时采用较大的光源波长进行光学读出。

调整焦平面阵列和光电接收器5的物像距离，并满足物像共轭关系，在保证成像质量的同时使光电接收器5到焦平面阵列的距离最短，从而使系统的光路尺寸最小。

Claims (8)

1.一种基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：

该系统为MEMS红外热成像系统，系统由照明光路、焦平面阵列微悬臂梁FPA、红外透镜、菲涅尔透镜、光电探测器及显示器组成。

2.如权利要求1所述的基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：红外透镜将热辐射目标共轭成像在FPA后表面上，使FPA小单元发生受热变形偏转，照明光路出射的平行光经FPA前表面反射后到达菲涅尔透镜，经过菲涅耳透镜多相位阶数浮雕结构的衍射，成像在光电探测器上，显示器显示焦平面阵列受热偏转前后的光场信息。

3.如权利要求2所述的基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：菲涅耳透镜读出方法利用的是衍射成像，对位相和振幅都有调制作用，经过菲涅尔透镜前的光波是平面波，经过菲涅尔透镜的位相调制后，波形可变为任意波面。

4.如权利要求3所述的基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：折射光学系统中，只能通过改变曲面的曲率或使用不同的光学材料校正像差，而菲涅尔透镜则可以通过改变透镜的位置，槽宽与槽深以及槽型结构来产生任意波面，大大增加了设计变量，起到精准成像的目的，可以提高探测灵敏度和成像质量。

5.如权利要求3所述的基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：因为菲涅耳透镜波带半径的奇数序或偶数序各自发出的次波到达参考点的光程差为波长的整数倍，所以光波经过衍射到达该点时引起的光振动的位相相同，光强加强，达到衍射成像的目的。

6.如权利要求5所述的基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：菲涅耳透镜是一种二元光学衍射元件，是一种纯相位衍射元件，为得到高的衍射效率，可做成多相位阶数的浮雕结构，利用亚波长结构及连续相位面型，可以达到接近100％的衍射效率。

7.如权利要求6所述的基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：菲涅尔透镜使用亚波长结构得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性，因此，菲涅尔透镜可以放置在离FPA很近的位置，实现光学读出系统的小型化。

8.如权利要求2所述的基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统，其特征在于：采用单片菲涅尔透镜衍射成像，取代传统光学读出方法的多片透镜成像系统，减小了光学读出系统的体积和重量。

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