CN110455418B - 用于红外探测器非均匀性校正的超构透镜阵列及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于红外探测器非均匀性校正的超构透镜阵列及方法。所述超构透镜阵列蚀刻在衬底的下表层，其中红外探测器阵列中的每个探测器与超构透镜阵列中的每个超构透镜尺寸相同。所述方法包括步骤：(1)对探测器阵列进行辐射测量；(2)扫描数模图像；(3)获取每个采样点对应的超构透镜焦距；(4)设计超构透镜；(5)生成超构透镜阵列。本发明能够减少红外成像系统的体积，具备轻型化、一体化的优点，能够在红外成像过程中，及时有效地进行非均匀性校正，提高红外成像质量，具有适用范围广、实时性强的特点。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，更进一步涉及红外成像技术领域中的一种用于红外探测器非均匀性校正的超构透镜阵列及方法。本发明通过在焦平面的红外探测器阵列前增加一组超构透镜阵列，根据红外探测器的响应分布，将红外辐射信息高效地调制到红外探测器的光敏元上，能够在红外成像过程中，有效地对红外探测器上的光敏元进行非均匀性校正。
背景技术
红外成像是红外技术的核心，在军事装备、天文观测、医疗诊断以及日常生活中都有广泛的应用。然而，红外探测器的材料、制备工艺等往往会导致红外探测器阵列的各个像元产生非均匀的响应，在成像的图像中表现出明显的非均匀性，有时会严重影响红外成像的质量。传统的红外成像装置通常配备了非均匀性校正算法或者校正电路，往往会增加红外成像系统的复杂性。微纳超构光学元件的提出为突破这一限制提供了新思路和新途径。超构透镜是纳米尺度的谐振单元组成的亚波长间隔散射体。通过在微纳尺度调整它们的形状，大小，位置和方向，能够控制入射光的基本属性(相位、振幅、偏振)，从而可按需求设计其波前。超构透镜具有超薄、超紧凑、超分辨率的特点，是现代光学系统设计的前沿研究方向。理想情况下，红外探测器上每一个光敏元的响应都应该是完全相同的。然而实际情况中，由于受材料、制作工艺等影响，在均匀红外辐射入射的情况下，红外探测器各个光敏元具有不同的响应特性，表现出明显的差异，存在不可避免的非均匀性。红外焦平面器件的非均匀性严重影响红外成像系统的成像质量，限制系统的探测灵敏度。所以，实际应用中需要对红外探测器的输出图像进行非均匀性校正。
中国科学院西安光学精密机械研究所在其申请的专利文献“一种红外探测器非均匀性校正装置”(申请号201210549048.9，公开号CN 103048051 A)中公开了一种红外探测器非均匀性校正装置。该装置包括用以遮蔽光学镜头的校正叶片，还包括叶片配重座、叶片轴承座、用以驱动校正叶片往复摆动的步进电机及其控制电路、电限位和机械限位装置，步进电机通过电机座固定于外镜筒侧壁，叶片轴承座通过螺钉与电机座连接紧固，在外镜筒的前端面设置有对应于校正叶片运行的设定限位位置的两个霍尔传感器，对应于所述霍尔传感器在校正叶片上固定设置有磁钢，霍尔传感器的输出端接入所述控制电路。该装置的优点是电机转动范围和实际校正范围具有良好的匹配性，且该装置具有良好的环境适应性。但是，该装置仍然存在的不足之处是，该装置与传统装置相比增加了电限位、机械限位装置和两个霍尔传感器，并且各个器件的位置需严格固定，增加了控制电路的复杂度，装置整体包含器件较多，使得装置数量多、体积大、装配难度高，在制造上难以满足红外成像系统集成化的要求。
华中科技大学鄂州工业技术研究院和华中科技大学在其申请的专利文献“一种红外图像非均匀性校正方法及系统”(申请号201710507734.2，公开号CN107255521 A)中公开了一种红外图像非均匀性校正方法及系统。该系统包括一次校正模块、采集模块、辅助处理模块、补偿校正模块。其中一次校正模块包括计算模块和校正处理模块，在计算模块中计算了多个温度下的偏置本底，然后采用插值的方法估算探测器在当前温度下的偏置本底。该系统中每一个模块的输出数据都作为下一个模块的输入数据。该系统的优点是各模块分工明确，在计算模块中最大限度的消除了温度的影响，但是，该系统仍然存在的不足是，各模块之间高度耦合，每一个模块的输出数据都作为下一个模块的输入数据，校正过程中误差会随着数据量的增加而增加。该方法用一次校正模块对待校正图像进行一次校正，得到第一图像；用采集模块采集待校正图像在多个不同辐射强度时的均匀背景图像；用辅助处理模块对每幅不同辐射强度时的均匀背景图像进行校正，得到多幅不同辐射强度时的辅助图像；用补偿校正模块计算辅助图像的偏置本底，根据加权法建立当前场景下的补偿校正模型，通过使补偿校正后图像和期望图像的像素差平方和最小求解补偿校正模型中辅助图像的加权系数，得到当前场景下的补偿校正公式，并对第一图像进行补偿校正，得到第二图像。该方法的优点是消除了探测器温度和场景变化对红外成像的影响，但是，该方法仍然存在的不足是，需要在探测器输出图像之后再通过电路或软件进行非均匀性校正，且对每一次输出的图像都要进行校正，校正算法复杂、实时性低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于红外探测器非均匀性校正的超透镜阵列及方法，解决现有技术中装置数量多、体积大、装配难度高，在制造上难以满足红外成像系统集成化的问题，同时，解决了现有校正方法复杂、实时性低的问题，本发明能够在红外成像过程中，对红外探测器上的光敏元进行非均匀性校正。
实现本发明的基本思路是：利用超构透镜能够自由调控光波前的特点，对红外探测器上的光敏元进行非均匀性校正，在焦平面的探测器阵列前设计一个超构透镜阵列，通过调制各个超构透镜的会聚效率调制到达红外探测器光敏元上的红外辐射分布，能够在红外成像过程中，高效、实时地对红外探测器上的光敏元进行非均匀性校正，提高红外成像质量，同时减少红外成像系统的复杂性。
本发明的超透镜阵列包括设置在红外焦平面上的探测器阵列和信号处理电路，在红外焦平面上设置的超构透镜阵列，将探测器阵列生长在衬底上，在衬底上直接蚀刻超构透镜阵列，阵列中的每个超构透镜由所有复合谐振单元按照圆周期排列，在探测器阵列上方设置二氧化硅读出电路，其中探测器阵列与超构透镜阵列尺寸相同的，每一个超构透镜覆盖一个探测器。
本发明的非均匀性校正的方法的步骤如下：
(1)对探测器阵列进行辐射测量：
调节黑体辐射源，使其与红外焦平面共轴，通过扩束光路将辐射投射至红外焦平面上，由探测器阵列收集辐射能量，经过信号处理电路的AD转换，得到数模图像；
(2)扫描数模图像：
对数模图像进行逐点扫描，得到探测器阵列中每个光敏元的实际响应度分布；
(3)获取每个采样点对应的超构透镜焦距：
(3a)对探测器阵列中所有光敏元的实际响应度分布进行归一化处理，对归一化后的曲线进行逐点采样，得到各采样点的归一化响应度；
(3b)保持超构透镜与探测器阵列中光敏元的距离不变，改变超构透镜的焦距，得到超构透镜的会聚效率随焦距变化的离散点分布，对离散点分布进行二次曲线拟合，得到所有会聚效率的拟合曲线；
(3c)建立每个采样点的响应度与每个超构透镜会聚效率的匹配关系η(f)＝1-ω(x)，其中,η(f)表示不同焦距f的超构透镜的会聚效率，ω(x)表示第x个采样点的响应度，根据会聚效率η(f)与f的匹配值，得到每个采样点的响应度与超构透镜的焦距的匹配值；
(3d)由每个采样点的响应度与其对应超构透镜的焦距匹配值，得到每个采样点对应的超构透镜焦距；
(4)设计超构透镜：
利用数值孔径公式，通过每个采样点对应的超构透镜焦距，计算每个超构透镜的数值孔径，将超构透镜阵列中的每个超构透镜的复合谐振单元作为截断波导，调制超构透镜出射光场的相位，得到与探测器阵列中各个探测器响应相匹配的超构透镜结构；
(5)生成超构透镜阵列：
按照与探测器阵列的排布方式对应，将与各个探测器相互匹配的超构透镜逐行逐列排布，组成与探测器阵列相同纵横比的超透镜阵列，获得能够工作在连续宽波段下，可校正红外非均匀性的超构透镜阵列。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明在红外探测器阵列衬底的下面蚀刻超构透镜阵列，克服了现有技术中装置数量多、体积大、装配难度高，在制造上难以满足红外成像系统集成化的不足，使得本发明具备阵列轻型化，加工一体化的优点。
第二，由于本发明的方法通过获取每个采样点对应的超构透镜焦距，设计与探测器阵列中各探测器响应度相匹配的超构透镜阵列，在成像过程中即可实时完成非均匀性的校正，克服了现有技术中需要在探测器输出图像之后再通过电路或软件进行非均匀性校正，校正算法复杂、实时性低的不足，使得本发明具有成像与校正一体化，不需要额外的复杂算法，具有实时校正的优点。
附图说明
图1为本发明阵列的单个像元结构示意图；
图2为本发明方法的流程图；
图3为本发明超构透镜阵列成像过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参照附图1，对本发明在红外焦平面上设置的超构透镜阵列的结构做进一步的详细描述。
本发明将红外探测器阵列生长在衬底6上，该探测器阵列包括P-N结5、钝化层4、接触金属层2。超构透镜阵列7蚀刻在衬底6的下表层，超构透镜阵列7中的超构透镜由多个复合谐振单元组成，其中复合谐振单元的个数由设计时需要的焦距和超透透镜的尺寸共同确定，且复合谐振单元沿着超构透镜中心进行圆周期排列。通过铟柱3连接探测器阵列和AD转换电路1，其中红外探测器阵列中的每个探测器与超构透镜阵列7中的每个超构透镜尺寸相同。
以实施例说明每个超构透镜的设计步骤如下：
在中红外宽波段3μm～5μm区间设计每个超构透镜。
以砷化镓作为超构透镜上复合谐振单元的材料，设置超构透镜的尺寸等于红外探测器阵列中各探测器的尺寸。
利用有限元FDTD仿真软件中的S参数分析组，对超构透镜的每个复合谐振单元进行扫描，得到所有相位值随复合谐振单元的尺寸变化的曲线。
结合得到的各谐振单元的尺寸参数，利用有限元FDTD仿真软件建立每个超构透镜。
参照附图2，对本发明的红外非均匀性校正方法的具体步骤做进一步的详细描述。
步骤1，对探测器阵列进行辐射测量。
调节黑体辐射源，使其与红外焦平面共轴，通过扩束光路将辐射投射至红外焦平面上，由探测器收集辐射能量，经过信号处理电路的AD转换，得到数模图像；
步骤2，扫描数模图像。
对数模图像进行逐点扫描，得到探测器阵列中每个光敏元的实际响应度分布；
步骤3，获取每个采样点对应的超构透镜焦距。
对探测器阵列中所有光敏元的实际响应度分布进行归一化处理，对归一化后的曲线进行逐点采样，得到各采样点的响应度。
保持超构透镜与探测器光敏元的距离不变，改变超构透镜的焦距，得到超构透镜的会聚效率随焦距变化的离散点分布，对离散点分布进行二次曲线拟合，得到所有会聚效率的拟合曲线。
建立每个采样点的响应度与每个超构透镜会聚效率的匹配关系η(f)＝1-ω(x)，其中,η(f)表示不同焦距f的超构透镜的会聚效率，ω(x)表示第x个采样点的响应度根据会聚效率η(f)与f的匹配值，得到每个采样点的响应度与超构透镜的焦距的匹配值。
由每个采样点的响应度与其对应超构透镜的焦距匹配值，得到每个采样点对应的超构透镜焦距。
步骤4，设计超构透镜。
利用数值孔径公式，通过每个采样点对应的超构透镜焦距，计算每个超构透镜的数值孔径。
所述超构透镜的数值孔径公式如下：
其中，NA表示超构透镜的数值孔，D表示超构透镜的直径；f表示超构透镜的焦距，
表示开平方操作。
将超构透镜阵列中的每个超构透镜的复合谐振单元作为截断波导，调制超构透镜的光场的相位，得到与各个探测器相互匹配的超构透镜。
所述的调制超构透镜的光场的相位的步骤如下：
第1步，按照下式，超构透镜上不同位置处的复合谐振单元产生会聚球面波所需的相位延迟：
其中，Φ(r)表示超构透镜上复合谐振单元相对于超构透镜中心距离r的相位延迟，λ表示光源的入射波长，f表示超构透镜的焦距，r表示复合谐振单元相对于超构透镜中心的距离。
第2步，利用有限元FDTD仿真软件中的S参数分析组，对超构透镜的每个复合谐振单元进行扫描，得到所有相位值随复合谐振单元的尺寸变化的曲线；
第3步，调节复合谐振单元的尺寸、高度，获得满足超构透镜上各位置处所需的相位延迟。
步骤5，生成超构透镜阵列。
按照与探测器阵列的排布方式对应，将与各个探测器相互匹配的超构透镜逐行逐列排布，组成与探测器阵列相同纵横比的超构透镜阵列，获得能够工作在连续宽波段下，可校正红外非均匀性的超构透镜阵列。
参照附图3，对本发明中超构透镜阵列的成像过程做进一步的详细描述。
图3中的超构透镜阵列7由三个超构透镜集成，当连续宽波段入射辐射8经过不同的超构透镜时，每个红外探测器上光敏元9会聚的光斑不同，即保持超构透镜阵列与探测器阵列的距离不变，调节超构透镜阵列中每个超构透镜的焦距，使入射辐射通过超构透镜阵列后在探测器阵列中各探测器的光敏元上会聚的辐射能量不同。
Claims (4)
1.一种用于红外探测器非均匀性校正的超构透镜阵列，包括红外焦平面、红外探测器阵列、衬底和AD转换电路，还包括超构透镜阵列，其特征在于，该阵列将探测器阵列生长在衬底上，在衬底的下面蚀刻超构透镜阵列，阵列中的每个超构透镜由多个复合谐振单元按照圆周期排列，在探测器阵列上方设置AD转换电路，其中红外探测器阵列与超构透镜阵列尺寸相同的，每一个超构透镜覆盖一个红外探测器。
2.一种用于红外探测器非均匀性校正的方法，其特征在于，通过获取每个采样点对应的超构透镜焦距，设计超构透镜，该方法的步骤如下：
(1)对探测器阵列进行辐射测量：
调节黑体辐射源，使其与红外焦平面共轴，通过扩束光路将辐射投射至红外焦平面上，由探测器阵列收集辐射能量，经过信号处理电路的AD转换，得到数模图像；
(2)扫描数模图像：
对数模图像进行逐点扫描，得到探测器阵列中每个光敏元的实际响应度分布；
(3)获取每个采样点对应的超构透镜焦距：
(3a)对探测器阵列中所有光敏元的实际响应度分布进行归一化处理，对归一化后的曲线进行逐点采样，得到各采样点的归一化响应度；
(3b)保持超构透镜与探测器阵列中光敏元的距离不变，改变超构透镜的焦距，得到超构透镜的会聚效率随焦距变化的离散点分布，对离散点分布进行二次曲线拟合，得到所有会聚效率的拟合曲线；
(3c)建立每个采样点的响应度与每个超构透镜会聚效率的匹配关系η(f)＝1-ω(x)，其中,η(f)表示不同焦距f的超构透镜的会聚效率，ω(x)表示第x个采样点的响应度，根据会聚效率η(f)与f的匹配值，得到每个采样点的响应度与超构透镜的焦距的匹配值；
(3d)由每个采样点的响应度与其对应超构透镜的焦距匹配值，得到每个采样点对应的超构透镜焦距；
(4)设计超构透镜：
利用数值孔径公式，通过每个采样点对应的超构透镜焦距，计算每个超构透镜的数值孔径，将超构透镜阵列中的每个超构透镜的复合谐振单元作为截断波导，调制超构透镜出射光场的相位，得到与探测器阵列中各个探测器响应相匹配的超构透镜结构；
(5)生成超构透镜阵列：
按照与探测器阵列的排布方式对应，将与各个探测器相互匹配的超构透镜逐行逐列排布，组成与探测器阵列相同纵横比的超透镜阵列，获得能够工作在连续宽波段下，可校正红外非均匀性的超构透镜阵列。
3.根据权利要求2所述的一种用于红外探测器非均匀性校正的方法，其特征在于，步骤(4)中所述超构透镜的数值孔径公式如下：
其中，NA表示超构透镜的数值孔，D表示超构透镜的直径；f表示超构透镜的焦距，
表示开平方操作。
4.根据权利要求2所述的一种用于红外探测器非均匀性校正的方法，其特征在于，步骤(4)中所述调制超构透镜出射光场的相位的步骤如下：
第一步，按照下式，超构透镜上不同位置处的复合谐振单元产生会聚球面波所需的相位延迟：
其中，Φ(r)表示超构透镜上复合谐振单元相对于超构透镜中心距离r的相位延迟，λ表示光源的入射波长，f表示超构透镜的焦距，r表示复合谐振单元相对于超构透镜中心的距离；
第二步，利用仿真软件中的S参数分析组，对超构透镜的每个复合谐振单元进行扫描，得到所有相位值随复合谐振单元的尺寸变化的曲线；
第三步，调节复合谐振单元的尺寸、高度，获得满足超构透镜上各位置处所需的相位延迟。
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