CN105158897A - 一种热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器，旨在提供一种可极大提高热像仪成像温度动态范围的热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器。它包括斩波片，所述斩波片由阿基米德螺旋线分隔成打开区和遮挡区，所述遮挡区面向光线入射的一面称为遮挡面；所述遮挡面为设置衍射图案的衍射面，所述衍射图案为若干组阵列且无相交部分的同心环带组。本发明可极大减小斩波片遮挡期间和打开期间的温度差异，从而提高热像仪的可成像的温度动态范围。

Description

一种热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器

技术领域

本发明涉及热释电非制冷长波红外热像仪技术领域，尤其是涉及一种热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器。

背景技术

热释电非制冷长波红外热像仪采用非制冷红外焦平面探测器获取目标景物的红外热辐射信息，按照探测器的工作温度高低可以将器件分成两个大的种类：工作时探测器敏感元温度在-100℃及以下的制冷型、工作时探测器敏感元温度在室温附近的非制冷型。非制冷红外焦平面探测器的原理如图1所示，其将人眼不可见场景的红外辐射1，经过透镜2到达红外焦平面探测器3转化为不同大小电信号30，之后传输到探测器外部提供其他电子部件进行处理得到红外图像。

热释电红外探测器是非制冷红外探测器一种，由于探测器的材料只能工作在交流耦合模式下，需要外界场景有间断的变化。为了使采用热释电非制冷红外焦平面探测器为核心的热像仪能够正常工作，需要通过斩波器来完成外部场景的间断变化。斩波器在热像仪中的位置是位于热像仪的物镜组件后面、探测器的前面。已有的斩波器遮挡部分的轮廓线为圆形阿基米德螺旋线，通过螺旋线外轮廓的旋转在行方向上遮挡敏感元实现外部场景的遮挡和打开，得到间断变化的图像。

遮挡型斩波器在遮挡期间，被探测景物的信号是全部切断的，探测器得到的是斩波器背面的温度图像。当所观察的场景温度与斩波器背面的温度相差较大时，就会使探测器信号输出饱和而失去探测能力，例如，当环境温度为10℃，而斩波器背面的温度也是10℃时，在观察27℃的人可以清楚的话，目标温度与斩波器温度存在的温差为17℃。一旦室外温度为-10℃或者更低时，斩波器的温度在稳定后也将与室外环境温度相同，此时观察人目标温度为27℃，目标与斩波器温差为37℃，使探测器的输出信号饱和而失去探测能力。因此限制了热像仪的适用范围，使之在高温或低温环境中无法使用。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种适用范围广，可极大提高热像仪成像温度动态范围的热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器，包括斩波片，所述斩波片上由阿基米德螺旋线分隔成打开区和遮挡区，其特征在于：在遮挡区面向光线入射面设置有由衍射图案形成的衍射面，所述衍射图案为若干组阵列且无相交部分的同心环带组。

优选的是，所述同心环带组中各环带的径向宽度从中心向外依次递减，且环带间的宽度也从中心向外依次递减。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明通过在遮挡型斩波器的斩波片的遮挡面制备衍射图案，使斩波片在遮挡期间，也能使探测器接收到景物均匀辐射，获得实时景物的平均温度数值而不成像，而斩波片在打开期间使探测器收到一个高分辨率的景物图像，这样就能获得观察场景中的温度分布与观察场景的平均温度信号，极大减小斩波片遮挡期间和打开期间的温度差异，并且可以利用实时场景的平均温度进行图像校正，从而提高热像仪的可成像的温度动态范围，将热释电非制冷热像仪的成像温度范围由原来的50℃提高到500℃，使得热像仪的应用范围大幅度扩展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为斩波片的局部放大图。

图3为电子显微镜下衍射面的结构图。

图4为本发明斩波片与未设置衍射面斩波片的透过率比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1-3所示热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器，

包括壳体1和斩波片2，所述斩波片2由阿基米德螺旋线分隔成打开区3和遮挡区4，所述遮挡区4面向光线入射的一面称为遮挡面；所述遮挡面上设置有由衍射图案形成的衍射面，所述衍射图案为若干组阵列且无相交部分的同心环带组。

其中，所述同心环带组中各环带的径向宽度从中心向外依次递减，且环带间的宽度也从中心向外依次递减。

所述衍射图案可以采用常规的微电子光刻、刻蚀工艺制备，也可以采用激光直写工艺和金刚石精密车床工艺，以及压膜工艺制备。斩波片的材料包含Si、Ge、ZnS、ZnSe或硫系玻璃，以及厚度在1um～50um范围内的有机物薄膜。采用有机物薄膜的斩波片需要支撑框架，其他的材料可以自支撑不用框架。

衍射图形的参数设计如下，寻找一组相位突变点坐标集{aL，bL}使其满足衍射谱m在－M到M级次内，即2M－1个光束的光强均匀分布，而且总衍射效率P_k足够高，也就是要求

$P_k=p\left(0\right)+2\underset{w=l}{\overset{M}{\Σ}}P\left(m\right)$

的数值尽可能大，并且p(0)＝p(±1)＝.........＝p(±m)

为评价优化过程及其效果，定义误差函数

$E^2=\mathrm{\α}\{{\[P\left(0\right)-P_K\hat{P}\left(0\right)\]}^2+2\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{\[P\left(m\right)-P_E\hat{P}\left(m\right)\]}^2\}+(1-\mathrm{\α}){(1-P_E)}^2$

公式中是各级强度分布的理论目标值；α是在优化过程中所取的假设自由补偿参数，α的值在0～1范围内变化；误差函数的第一项是衡量设计值P(m)与目标值的差异，第二项是衡量衍射效率的，α的取值不同，误差函数表达式中两项所占权重的大小就不同，设计时根据对光束均匀性以及衍射效率要求的大小选取一定的α值；

评价函数与突变坐标{aL，bL}以及相位角θ之间是一个很复杂的非线性关系，一般用非线性优化算法进行优化。假设优化过程中第n次迭代的突变坐标为{aL，n，bL，n}，误差函数为E²，在n每次给定突变点{aL，n，bL，n}的一个微量变化，带到误差函数里面以后得到该函数的变化，n次迭代过程的坐标修正量。这样第n次迭代过程的误差函数可以表示成γ的函数，对γ进行一维搜索，求出使En最小的γ值γnm，就可以得到n+1次迭代的突变点坐标：

a_l,n+1-a_l,n＝γΔE_al,n/|ΔE_max,n

b_l,n+1-b_l,n＝γΔE_bl,n/|ΔE_max,n

如果对得到的{a_L，b_L}依然不满意，再重复上述过程，直到得到满意的设计参数为止。

非制冷焦平面探测器应用在红外长波波段，因此设计上采用的波长γ＝10μm，衍射图形外直径：1366^μm，环带周期数为9，计算得到的焦距：f＝2591(μm)；环带半径：r₀＝161(μm)、r₂＝227(μm)，……r₁₆＝648(μm)r₁₇＝669(μm)；最小环带间距：v＝20.3(μm)；

依据探测器像元中心间距48.5^μm，列阵规模320×240，探测器有效面积长边为15.5mm，宽边为11.6mm，由此得到斩波器的曲线特征参数K＝10.0，有效曝光效率η＝45.1％，斩波器导致的探测器敏感元的行内同步曝光误差为23％。

斩波器整体采用特殊工艺的Si片，通过激光直写刻蚀衍射片列阵成形，得到最终的测试结果为：直接透过部分增加减反射(AR)膜后，在7^μm～14^μm波段透过率优于95％。在FLA部分：分束比为1.2×103；衍射效率：η＝40％；非均匀性：多点测试后优于10％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器，包括斩波片，所述斩波片上由阿基米德螺旋线分隔成打开区和遮挡区，其特征在于：在遮挡区面向光线入射面设置有由衍射图案形成的衍射面，所述衍射图案为若干组阵列且无相交部分的同心环带组。

2.根据权利要求1所述热释电非制冷长波红外热像仪用二元光学斩波器，其特征在于：所述同心环带组中各环带的径向宽度从中心向外依次递减，且环带间的宽度也从中心向外依次递减。