CN113348346A - 用于检测电磁辐射的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对来自物体的电磁辐射进行成像的装置和方法。装置包括入射光学器件，入射光学器件用于允许电磁辐射进入装置，入射光学器件包括物体的图像将要在其上成像的图像平面。装置包括干涉仪，干涉仪具有测量臂，其中图像平面在测量臂中。装置在图像平面处包括转换层，用于将电磁辐射转换成转换层的折射率的时空变化，以便在干涉仪的测量臂中引起被处理以产生物体的代表图像的时空光学相位差。

Description

用于检测电磁辐射的方法和系统

技术领域

本发明总体上涉及用于检测电磁辐射的方法和装置。更具体地，本发明涉及用于检测热辐射的方法和装置。

背景技术

电磁辐射的光谱可以由黑体辐射曲线(称为普朗克辐射定律)表示，并且由以下方程给出

其中u(T,ν)是在温度T下的单位体积和单位频率间隔的辐射能。出于实际目的，人们使用在温度T下的黑体表面的发射功率，由以下方程给出：

当对发射功率方程积分时，可以发现黑体的单位面积辐射的总功率为：

W＝σT⁴ (3)

其中σ是斯蒂芬(Stefan)常数。

电磁辐射检测器已经被开发用于检测电磁频谱的特定频带。这些检测器的重要一类是热红外检测器。热红外检测器可以分为冷却检测器和非冷却检测器。已知冷却检测器的价格昂贵，并且其空间分辨率次于可见光谱的图像传感器，诸如标准CCD、CMOS和InGaAs成像器传感器。非冷却检测器可以分为通过热电冷却器(TEC)或者通过不具有热电冷却器(无TEC)的那些检测器控制的检测器。许多非冷却检测器都是基于使用了微机械传感器(MEMS)技术的微辐射热测定器。最近，由Sierra-Olympic公司基于像素间距为12微米的1920x 1200的非冷却 VOx微辐射热测定器引入非冷却高清晰度(1080p)热成像摄像机(VAYU HD)。在宝马夜视系统中已经引入FLIR系统热成像摄像机，使得在夜间可以在约300m的范围内检测到人和动物，这比使用车头灯远得多。到2023年，全球红外成像市场预计将达到73亿美元。全球许多公司投入大量资金寻找用于高性能热检测器的低成本生产技术。

美国专利4,275,302描述了用于将热图像转换成二级图像(例如，可见图像)的方法和装置。US 4,275,302中的优选机构是基于液-液界面的物理变形。

美国专利5,072,120描述了一系列电磁成像器。它是基于热图像的光学读出，该热图像嵌入在流体(尤其是气体、优选地是六氟化硫(SF6) 气体)中。温度引起的折射率的空间变化是使用典型的干涉仪设置测量的。美国专利5,072,120中用于响应于红外信号而改变介质的折射率的优选机构是振动到平移能量交换。

美国专利5,365,065描述了灵敏的干涉仪平行热波成像器，其用于表征以适当方式制备的样本以提取样本信息。本发明使用激发光束，该激发光束优选地是激光以便增加样本的温度，并且可以被分类为非无源成像器。Allen Flusberg和Shrenik Deliwala的论文(“具有直接光学读数的高灵敏度红外成像器(Highly sensitive infrared imagerwith direct optical readout)”，红外技术和应用XXXII，Proc.of SPIE，第6206卷(第62061E-1至62061E-18页)(2006年)，doi:10.1117/12.669353)描述了用于IR辐射到可见光的转换的法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪。Allen Flusberg等人的论文(“用于热-IR成像的热-到-可见换能器(TVT) (Thermal-to-Visible Transducer(TVT)for Thermal-IRimaging)”，红外技术和应用XXXIV，Proc.of SPIE，第6940卷，694015，(2008年)， doi:10.1117/12.783013)，描述了已制造的必需的像素化阵列的特征。专利US 7,491,922 B1、US 7,767,951、US 8,153,948 B1和US 8,309,899 B1 应用了上述论文的发现结果。优选的吸收剂材料是具有低精细涂层(薄膜)的硝化纤维膜。已知硝化纤维具有危害和安全问题。专利US 7,491,922 B1、US 7,767,951、US 8,153,948 B1和US 8,309,899 B1中的优选机构是由于吸收的IR辐射引起的加热所引起的换能器光学厚度的变化，从而导致对换能器的反射率的调制，如通过探测激光束可以看到的。在上述论文中还指出，一旦完全投入生产，制造时间将大约为1至2 周。

专利US 2005/0082480 A1描述了红外摄像机系统。优选机构使用具有随着像素温度变化而由于折射率变化而使波长偏移的通频带的像素。热可调滤光器响应于由将要成像的场景辐射的IR能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁辐射检测器，该电磁辐射检测器解决了与现有技术有关的问题。

替代地或另外地，本发明的目的是将在诸如红外、毫米和微波的波长下的电磁图像转换成可以由诸如摄像机的成像装置利用的有用波长。

简而言之，本发明涉及一种电磁成像器装置，该装置用于例如以红外、毫米和/或微波波长对物体进行成像，并且将这些物体的图像转换成诸如CCD、和CMOS和InGaAs传感器的可见光成像装置可以记录和/ 或可以用肉眼看到的有用的波长。在本文中，术语“可见”旨在表示对人类肉眼可见。术语“不可见”旨在表示对人类肉眼不可见。应当理解，被设计用于对可见光成像的诸如CCD、

CMOS和InGaAs相机的一些装置也适用于对肉眼不可见的近红外光进行成像。本发明的目的还在于在这种CCD、

CMOS和InGaAs相机对其不敏感的红外波长下进行成像。

根据第一方面，提供了一种用于对例如来自物体的不可见电磁辐射进行成像的装置。电磁辐射可以包括红外(例如，远红外)、毫米波和微波辐射。装置包括用于允许电磁辐射进入装置的入射光学器件。装置包括在其上对物体的图像进行成像的图像平面。装置包括具有测量臂的干涉仪。图像平面在测量臂中。装置在图像平面处包括转换层，用于将电磁辐射转换成转换层的折射率的时空变化，以便在干涉仪的测量臂中引起代表物体的图像的时空光学相位差。因此，在给定体积的吸收或激发的检测器材料(即转换层)内产生与温度有关的光学相位差，并且随后通过光学读出来检测该光学相位差。温度有关的光学相位差通过干涉仪设置进行测量。因此，干涉仪测量臂中的探测光束可以用于确定转换层处的光学相位变化。这些光学相位变化可以用于生成代表物体的图像的可见图像

通常，在干涉仪中，相干光的单个入射光束将被分成两个相同的光束。这些光束中的每一个都经过光路，并且在到达检测器之前将它们重新组合。是折射率和相应光束行进的物理距离的乘积的光路不相等，并且在它们之间形成光相位差。正是这种引入的光学相位差在最初相同的波之间产生了干涉图样。光程差是对沿光路改变光相位的任何事物的诊断。这可以是路径长度本身的尺寸变化，也可以是沿着物理路径的折射率的实部的变化。干涉仪可以包括测量臂和参考臂。图像平面在由测量臂形成的第一路径中并且包括探测光束。参考臂包括第二路径，该第二路径屏蔽电磁辐射。干涉仪可以确定测量臂与参考臂之间的(时空)光学相位差。

干涉仪的测量臂可以包括测量光束，其中测量光束可以是相干光束。测量光束可以具有横截面尺寸，使得物体在图像平面上的整个图像在横截面区域内。因此，测量光束可以用于确定在图像平面处的物体的图像内的每个位置处、例如在图像平面处的物体的图像的每个像素处的光学相位变化。

干涉仪技术的基本原理是，此处由转换层形成的折射率为n且厚度为L的透明材料的平板的温度T的变化会导致温度相关的相位变化，由以下方程给出：

其中

是材料的线性膨胀的热系数，并且

是温度相关的光学相位差(参见Sergio De Nicola、AndreaFinizio、Pietro Ferraro、Giovanni Pierattini的“透明材料的热光系数的干涉测量(Interferometric measurement of thermo-optic coefficients of transparentmaterials)”，Proc.SPIE 4016，光子学，装置和系统，(1999年12月29日)；doi:10.1117/12.373648)。

任选地，电磁辐射仅穿过转换层一次。这可以帮助提高装置的分辨率。

根据第二方面，转换层包括屏蔽电磁辐射的部分，以用于从该部分产生补偿信号。屏蔽部分可以位于图像平面的位置处。屏蔽部分可以例如被定位在图像平面处、在物体图像的外部，例如在图像旁边或图像周围。测量光束的横截面尺寸可以使得1)图像平面上物体的整个图像或其一部分在横截面区域内，并且2)被屏蔽的部分在横截面区域内。屏蔽部分屏蔽电磁辐射。因此，在屏蔽部分中，转换层的折射率不会预期因电磁辐射的撞击而发生变化，并且因此不会由于电磁辐射的撞击而导致光学相位变化。可以通过测量臂中的补偿光束对被屏蔽部分进行采样。在屏蔽部分中检测的任何光学相位变化都可能是由于环境变化引起的，而环境变化并非归因于电磁辐射的撞击。因此，在遮蔽部分中确定的光学相位可以用作补偿，以便校正在图像平面处的物体的图像处确定的光学相位变化。

这允许通过例如例如低成本的检测器材料中的温度有关的光学相位差的移相干涉仪的测量臂中的探测光束进行测量，该干涉仪包括两个热连接的样本体积，其中测量体积的折射率在暴露于电磁辐射的目标光束的作用下发生变化，并且其中补偿体积与电磁辐射的目标光束光学隔离。

可以通过干涉仪的几何设置来进行自动补偿，其方式使得样本长度 L随温度的几何变化在相移干涉仪的探测光束和补偿光束中是相同的。

产生探测光束和参考光束以及任选的补偿光束的辐射源取决于干涉仪设置的类型可以是相干或低相干辐射源。

应当理解，也可以将转换层的部分或相同的第二转换层放置在干涉仪的参考臂中以提供补偿。

根据第三方面，转换层包括固体、液体、气体或其任何组合。优选地，转换层对于干涉仪的探测光束是光学透明的。优选地，选择具有大的热光系数

的固体、液体、气体或其组合。热光系数

确定针对温度的变化，转换层材料的折射率的变化。

通过根据检测器材料中的3D空间辐射分布提供大的光程差调制，转换层的选定的检测器材料优化干涉仪中的信噪比。电磁能的吸收会导致自动补偿相移干涉仪的光程差发生局部变化。在以连续2D-相位函数相位解包裹后转换局部光程差(“二维相位解包裹、理论、算法和软件 (Two-dimensional phase unwrapping,Theory,algorithms,andsoftware)”)，Dennis C.Ghiglia、Mark D.Pritt，ISBN 0-471-24935-1)。该解包裹的相位函数用于重构观察物体的温度分布。

任选地，转换层包括聚合物。转换层可以例如由聚合物组成。聚合物可以例如是掺杂的聚合物。聚合物可以具有高

任选地，转换层包括液体混合物，诸如水和乙二醇的混合物，包含羧酸(RCOOH)、醇(ROH)、酯(RCOOR)和水(H2O)的溶液或液晶(例如合成液晶)。

任选地，转换层包括胶态悬浮液，诸如悬浮的纳米颗粒或磁性流体。胶态悬浮液可以提供如下优点：液体可以提供高

并且悬浮颗粒可以在电磁辐射的照射的影响下提供液体的快速加热。

例如，以下固体、液体和聚合物已被识别具有高热光系数

硼硅酸盐玻璃4.1×10^-6/K，

硅酸锌玻璃5.5×10^-6/K，

石英玻璃10.8×10^-6/K，

水-0.91×10^-4/K，

聚(甲基丙烯酸甲酯)-1.20×10^-4/K，

DR1/PMMA的偶氮聚合物-1.215×10^-4/K，

聚苯乙烯-1.23×10^-4/K，

DR1聚酰亚胺-1.331×10^-4/K，

甘油-2.3×10^-4/K，

聚甲基丙烯酸酯-3.33×10^-4/K，

1-丙醇-3.9×10^-4/K，

甲醇-3.94×10^-4/K，

乙醇-4×10^-4/K，

乙腈-4.5×10^-4/K，

丙酮-5.42×10^-4/K，

四氯甲烷-6.12×10^-4/K，

二硫化碳-8.09×10^-4/K以及

偶氮聚氨酯-9.12×10^-4/K。

在转换层中上述材料或其组合的使用形成了本发明的优选实施例。

偶氮聚氨酯(Azo BPU 1)在1550nm波长下的热光系数为-1.4×10 ^-3/K(Yan Jiang等人，光学材料75(2018)858-868)，其中它可以用于例如基于1550nm激光二极管源和InGaAs检测器的相移干涉仪设置。通过选择如偶氮聚氨酯和合适的探测光束波长之一的高热光系数，可以提供高度灵敏的装置和方法。

根据第四方面，转换层被容纳在两个窗口之间。转换层可以例如被容纳在狭窄空间内，例如两个窗口之间1μm至100μm的宽度。两个窗口可以在周长处连接以在窗口之间形成空腔。在转换层是固体、液体、气体或其混合物的情况下，该空腔可以容易地容纳转换层。基于弛豫时间

用于净水的典型的空腔空间具有的厚度为x＝12μm，其中τ＝1ms，并且净水的热扩散率为χ＝1.48×10^-7m²/s。小的弛豫时间对于获得传感器的快速响应是优先的。小的弛豫时间还允许处理单元在记录的图像上使用相关技术，从而导致最终显示的图像中的信噪比增加。

任选地，指向电磁辐射源的外部窗口对于电磁辐射是透明的。任选地，外部窗口对于干涉仪中使用的光不是透明的。外部窗口可以例如包括锗、硒化锌、硫化锌、硅、氟化钙和/或硫属元素化物玻璃，它们是典型的热红外窗口材料。任选地，外部窗口包括对电磁辐射透明的第一区域和对电磁辐射不透明的第二区域。第二区域可以形成屏蔽部分。

任选地，外部窗口的至少一个表面被涂覆。外部窗口的外表面通常涂覆有高性能抗反射涂层。外部窗口的内表面可以具有涂层，该涂层被优化用于透射外部电磁辐射并且以干涉仪中使用的光的波长进行反射。

任选地，背离电磁辐射源的内部窗口对于干涉仪中使用的光是透明的。任选地，内部窗口对于电磁辐射不是透明的。任选地，内部窗口的表面被涂覆。内部窗口的外表面通常涂覆有高性能抗反射涂层。内部窗口的内表面可以具有涂层，该涂层被优化用于透射干涉仪的光并且在外部电磁辐射的波长下反射。内部窗口可以例如包括熔融二氧化硅或BK7 玻璃。

任选地，将外部窗口和内部窗口保持在不同的温度下以产生迫使由转换层吸收的热波主要沿干涉仪的光轴传播的温度梯度。可以通过在转换层与内部窗口的内表面之间放置透明指形冷冻器来产生温度差。这种透明的指形冷冻器可以是具有高热导率的涂层(例如，典型地具有 900-2320W m^-1K^-1的金刚石类材料)。该指形冷冻器可以连接到外部热电冷却器(TEC)。外部窗口和内部窗口可以配备有温度探头，以允许控制温度梯度。

根据第五方面，干涉仪是相移干涉仪(光学车间检验(Optical Shop Testing)，第3版，Wiley-Interscience，第14章)。相移干涉仪提供了可以精确测量时空相位差的优点。

任选地，干涉仪的辐射源是电流调制的激光二极管(Hisao Kikuta、 KoichiIwata、Ryo Nagata，通过波长偏移激光二极管光进行距离测量 (Distance measurementby the wavelength shift laser diode light)，应用光学，第25卷，第17期，1986年9月1日)。任选地，例如电流调制的激光二极管与数字摄像机同步。

根据第六方面，该装置包括数字摄像机，该数字摄像机被布置用于捕获由干涉仪产生的干涉图像。

任选地，该装置包括处理单元，该处理单元被布置用于处理数字摄像机的摄像机信号，诸如用于在显示装置上显示。

根据第七方面，提供了一种热感摄像机，其包括如上所述的装置。

根据第八方面，提供了一种包括如上所述的装置的多光谱摄像机。

根据第九方面，提供了一种夜视摄像机，其包括如上所述的装置。

根据第十方面，提供了一种用于诸如智能手机或平板电脑的移动装置的附加装置，该附加装置包括如上所述的装置，该附加装置被布置用于与移动装置合作，使得移动装置的数字摄像机捕获到由干涉仪产生的干涉图像。附加装置可以例如是夹式装置。附加装置可以例如包括在、诸如集成在用于移动装置的盖中。

根据第十一方面，提供了一种用于对例如来自物体的不可见电磁辐射进行成像的方法。该方法包括例如通过入射光学器件对物体在入射光学器件的图像平面上的电磁辐射图像进行成像，其中该图像平面在干涉仪的检测臂中。该方法包括通过图像平面处的转换层将电磁辐射转换成转换层的折射率的时空变化，以便在干涉仪的测量臂中引起代表物体的图像的时空光学相位差。该方法包括基于相位解包裹的光学相位差来生成代表物体的图像的可见图像。

任选地，该方法包括通过屏蔽转换层的一部分免受电磁辐射来在干涉仪中、例如在图像平面的位置处产生补偿信号。

任选地，该方法包括生成多个可见图像，其中干涉仪的照明光的相位在多个可见图像中的各个图像之间是不同的；并且基于多个可见图像生成单个可见图像。

根据第十二方面，提供了一种计算机程序产品，其包括软件代码部分，这些软件代码部分被布置用于当在可编程设备上执行时，基于由如上所述的装置的干涉仪、如上所述的摄像机或者如上所述的附加装置产生的干涉图像来生成可见图像。该计算机程序产品可以例如是在移动装置上可安装和可执行的应用程序，也称为app。因此，可以将通用移动装置容易地转换成成像装置，例如用于不可见的电磁辐射，诸如热成像装置或红外成像装置。

装置、摄像机和方法的应用是检测波长范围从0.7微米(430THz) 到1000微米(300GHz)的红外辐射。在该光谱中，人们找到近红外辐射(NIR)、短波红外辐射(SWIR)、微波红外辐射(MWIR)、长波红外辐射(LWIR)和超长波红外辐射(VLWIR)的光谱带。非冷却操作可以考虑高达30微米的波长。多光谱检测器可以由具有高

的吸收物质的适当混合物形成。

本发明可以允许以短的制造生产周期时间来制造低成本高分辨率多光谱大幅面热红外检测器。本发明的光力学复杂性类似于以低成本大量生产的CDROM光头的光力学。该检测器的主要市场是国防、安全和汽车行业，以及消费应用和能源管理市场的新市场。

应当理解，以上方面、特征和选项中的任何一个或多个可以组合。应当理解，鉴于一个方面而描述的任何一个选项可以等同地应用于其他方面中的任何一个。还应当清楚的是，鉴于装置描述的所有方面、特征和选项均等同地适用于摄像机和方法，反之亦然。

附图说明

将基于附图中表示的示例性实施例进一步阐明本发明。通过非限制性说明给出示例性实施例。应当注意，附图仅仅是通过非限制性示例给出的本发明的实施例的示意性表示。

在附图中：

图1示出了装置的示意性示例；

图2示出了使用马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉设置的装置的示意性示例；

图3示出了使用横向剪切干涉设置的装置的示意性示例；

图4示出了使用Fizeau干涉设置的装置的示意性示例；

图5示出了使用Twyman-Green干涉设置的装置的示意性示例；

图6示出了使用偏振Twyman-Green干涉设置的装置的示意性示例；

图7示出了方法的示意图；并且

图8示出了用于移动装置的附加装置的示意图。

具体实施方式

图1示出了装置100的示例的示意图。该装置被布置用于对来自物体101的电磁辐射进行成像。电磁辐射优选地是不可见辐射，诸如近红外辐射(NIR)、短波红外辐射(SWIR)、中波红外辐射(MWIR)、长波红外辐射(LWIR)、超长波红外辐射(VLWIR)、毫米波长辐射和 /或微波波长辐射。

装置100包括入射光学器件。在该示例中，入射光学器件包括物镜 102。在该示例中，入射光学器件包括入射窗104。入射窗104允许电磁辐射进入装置100。物镜102可以包括经典和/或衍射光学元件。入射光学器件包括物体将要在其上成像的图像平面或焦平面107。物镜102可以包括折射、反射、折反射和/或衍射光学元件，用于将物体101聚焦在图像平面107处。装置100包括干涉仪106。在此，干涉仪106具有分束器 159和参考镜158。干涉仪106具有测量臂108。在该示例中，干涉仪106 还具有参考臂110。干涉仪106包括光源112。光源112产生相干光束 114。光源可以例如是激光二极管。光源可以包括用于扩展光束的横截面尺寸的准直器/光束扩展器115。在该示例中，光束114被分成沿着测量臂108行进的第一光束116和沿着参考臂110行进的第二光束118。应当理解，图像平面107在测量臂108中

装置100还包括在图像平面107处的转换层120。转换层包括具有高

的材料。在此，图像平面107位于窗口104的后平面处，即在转换层 120的前平面处，或者图像平面被定位成邻近转换层120中的窗口104。

当物体101的图像在图像平面107处聚焦到转换层120上时，转换层将根据图像中的辐射的强度而经历局部加热。转换层120的高

导致图像中的电磁辐射的局部强度转换成转换层120的折射率的局部变化。第一光束116将受到折射率的局部变化的影响。第二光束118被屏蔽免受电磁辐射，并且因此保持不受影响。当重新组合时，第一光束116和第二光束118在干涉仪的检测平面122处引起干涉图案。应当理解，干涉图案将包括跨组合光束的横截面区域的局部干涉。局部干涉代表在图像平面107处的电磁辐射的图像。指形冷冻器196被放置在转换层120 与窗口105之间的界面处。指形冷冻器196可以在窗口104与窗口105 之间产生温差。指形冷冻器196连接到外部热电冷却器198。在该示例中，装置100包括检测器124，诸如数字视频摄像机，例如CMOS相机，用于在检测平面122处捕获干涉图案的图像。因此，装置100可以将在图像平面107处的不可见电磁辐射中的图像转换成在检测平面122 处或者在联接至检测器124的显示装置126处的可见图像。

在该示例中，转换层120包括在其中对物体成像的第一区域128，以及第二区域130，该第二区域被例如使用盖131来屏蔽以免受电磁辐射。盖131可以是固定的或可移动的。当其可移动时，它可以覆盖第一区域 128和第二区域130，使得外部电磁辐射被阻挡。盖131可以用作允许相位敏感检测的机械斩波器。第一光束116包括两个部分。探测光束部分116A对第一区域进行采样。补偿光束部分116B对第二区域130进行采样。这在检测平面122处在图像中生成两个部分。第一区域122A对应于探测光束116A，第二区域122B对应于补偿光束116B。应当理解，由于补偿光束对第二区域进行采样，该第二区域被屏蔽以免受电磁辐射，因此补偿光束不受电磁辐射的影响。然而，补偿光束可能会受到诸如温度、湿度等的环境因素的影响。因此，补偿光束116B可以用于生成补偿信号，该补偿信号用于针对这种环境因素补偿探测信号。在该示例中，装置100包括处理器132，该处理器被布置成用于使用诸如检测平面122 上的第二区域122B中的干涉仪信号的平均强度的信号来自动补偿由检测器记录的在检测平面122上的图像的第一区域122A的图像。

在该示例中，光源112包括用于调制光源的光相位的调制器112A。这允许在光源112的彼此不同的光学相位下利用检测器进行连续读取，诸如图像。这也称为相移干涉法。设置的关键部分可以放置在真空室 195中。可以通过热电冷却器198控制真空室195的温度。

转换层可以是固体，液体、气体或它们的组合，例如聚合物或胶态悬浮液。转换层可以容纳在两个窗口之间。转换层可以例如被容纳在狭窄空间内，例如两个窗口之间1μm至100μm的宽度。两个窗口可以在周长处连接以在窗口之间形成空腔。在转换层是液体、气体或其混合物的情况下，该空腔可以容易地容纳转换层。两个窗口中的外部一个可以例如形成装置的入射窗。

使用平衡设置，其中转换层中的一个体积被来自物体的辐射照射，而另一个体积不被来自物体的辐射照射。第一光束同时照射两个体积。来自两个体积的干涉仪数据用于检测折射率差异，并且通过这样做来基于以下方程推断物体的温度分布：

物体的图像中的温度分布的重建允许物体的温度分布的可视化。干涉数据可以例如使用迈克尔逊干涉仪、Fizeau干涉仪、Twyman-Green干涉仪、马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Perot) 干涉仪、横向剪切干涉仪、Jamin干涉仪中的相位检测、基于多普勒效应的感测或基于谐振器的感测中的相位检测来收集。在所有这些干涉仪设置的示例中，这是非穷举性列表，干涉测量数据的变化是由检测体积中的局部温度变化引起的。在这些干涉图中，根据以下方程，干涉级Δ m(x,y)涉及探测光束λ的波长、样本L中的光的路径长度以及折射率的变化Δn(x,y)：

当转换层是均匀的时，测量臂通过转换层的光路对于所有位置(x, y)都是相等的。在这种情况下，干涉图中的条纹是笔直的，并且其数目和相对于任意轴的角度例如由另一个参考干涉仪臂中的倾斜镜中的倾斜度所确定。因此，条纹是等距的，并且对于给定的y，干涉级k(x,y₀) 是周期函数。求解折射率n(x,y,z)的方程给出以下方程：

光路长度OPL是基于费马原理，并且由沿从A到B的路径的线积分来定义：

其中s是沿光路的参数。

人们可以获得以下方程：

其中，Ψ(x，y；t)是时间t处干涉图中的可变相位，并且z是沿干涉仪的光轴的坐标，而(x,y)是在相对于干涉仪的光轴的横向方向上的坐标。

干涉图通常具有由以下方程给出的辐射率I(x,y；t)：

其中I₁是参考臂中的辐射率，并且I₂是测量臂中的辐射率。在一个示例中，使用相移干涉术(PSI)来提高相位测量的准确性。为此目的，已经描述了许多算法(参见光学车间检验，Daniel Malacara，第三版)。经典算法是四步PSI。在该算法中，捕获了四个干涉图I₁(x,y)、I₂(x, y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)，其相移分别为0、π/2、π和3π/2，其中在相对于探测光束的传播的横向平面中测量(x,y)。通过方程得出包裹相位ψ(x,y)的空间分布：

在Hariharan算法的情况下，方程中的包裹相位ψ(x，y)会产生5个干涉图：

众所周知，Hariharan算法比四步算法更稳健。

处理器132可以被布置用于执行相移干涉术所需的计算。可以将作为电流调制激光二极管112的光源与作为用于相移干涉术的数字摄像机124的检测器同步。

移相器可以具有不同种类，例如可以调制探测光束的激光二极管的电流。可以使用基于探测光束的辐射的偏振的其他移相器，例如，使用线性偏振光，其中偏振通过波片旋转，使得获得的相移为90度。有效折射率n_eff(x,y)与相位φ(x,y)的测量空间分布的关系由以下方程给出：

其中，

是探测光束的波矢量的大小，λ₀是探测光束的真空波长，并且L是转换层120在z方向上的厚度。由于干扰波的周期性特征，仅在(-π,π]的主值范围内唯一地定义在特定点φ(x,y)处的包裹相位。因此，相位解包裹算法可以用于生成连续相位φ(x,y)，其中与包裹相位的关系为：

其中符号[x]表示x的最接近整数函数。

如图7所示，参考图1描述的装置可以在用于对例如来自物体的不可见电磁辐射进行成像的方法200中使用，该方法如下。在步骤201 中，将物体的电磁辐射图像成像在图像平面上，其中该图像平面在干涉仪的检测臂中。在步骤202中，电磁辐射被转换成在图像平面处的转换层的折射率的时空变化，以便在干涉仪的测量臂中引起代表物体的图像的时空光学相位差。在步骤203中，基于光学相位差生成可见图像，该可见图像表示物体的图像。

任选地，在干涉仪测量臂中的步骤204中，在图像平面的位置处，通过屏蔽测量臂的一部分免受电磁辐射来生成补偿信号。任选地，在步骤205中生成多个可见图像，其中干涉仪的照明光的相位在多个可见图像中的各个图像之间是不同的，并且在任选的步骤206中，基于多个可见图像生成单个可见图像。

图2中的布置示出了装置的示例性布置。探测光束仅穿过转换层一次。图2示出了物体101发射的电磁辐射，该电磁辐射被物镜102收集，该物镜在图像平面107中形成图像。在这样做时，电磁辐射在分束器菱形体190与入射棱镜窗口104之间的界面处被镜面反射。图像平面107 被嵌入转换层120中。指形冷冻器196被放置在转换层120与输出棱镜窗口105之间的界面处。在转换层120的测量体积中形成图像。转换层 120被放置在入射棱镜窗口104与输出棱镜窗口105之间。光源(这里是激光二极管112)的辐射操作为探测光束，其中准直器115收集激光二极管112的辐射，使得它用至少准平行辐射来照射转换层。激光二极管112 的准直辐射被第一分束器菱形体170和棱镜分束器103分成两束。一个光束通过第二分束器菱形体180朝向入射棱镜104传播，并继续到达转换层120A，并且另一光束通过马赫曾德尔干涉仪106的补偿臂沿第二分束器菱形体朝向补偿体积120B传播并继续，使得其在第三分束器菱形体175的表面上镜面反射。测量臂和参考臂的光束在输出棱镜窗口105 与第三分束器菱形体175之间的界面处组合。可以将光吸收材料199胶合到输出棱镜105以抑制杂散光。组合光束穿过物镜140，该物镜形成入射棱镜窗口104与检测器(这里是例如CMOS、成像器124)上的转换层 120之间的界面的图像。成像器124的信号由处理单元132处理，然后在显示器126上可视化。处理单元132和激光二极管驱动器112A通过内部时钟同步。设置的关键部分可以放置在真空室195中。可以通过热电冷却器198控制真空室195的温度。热电冷却器198的信号由处理单元132 控制。

图3中的布置示出了装置的示例性布置。探测光束仅穿过转换层120 一次。图3示出了物体101发射的电磁辐射，该电磁辐射被物镜102收集，该物镜在图像平面107中形成图像。在这样做时，电磁辐射在分束器菱形体190与入射棱镜窗口104之间的界面处被镜面反射。图像平面 107被嵌入转换层120中。指形冷冻器196被放置在转换层120与输出窗口105之间的界面处。在转换层120的测量体积中形成图像。转换层120 被放置在入射棱镜窗口104与输出窗口105之间。光源(这里是激光二极管112)的辐射操作为探测光束，其中准直器115收集激光二极管112 的辐射，使得它用至少准平行辐射来照射转换层120。在该示例中，转换层120包含两个体积：一个测量体积120A和一个补偿体积120B。两个体积最初处于相同温度。激光二极管112的准直辐射在平行板192处镜面反射成两个光束。通过在平行板192的前表面处的反射形成一个光束，并且在平行板192的后表面处形成另一光束。镜面反射光束相对于彼此横向剪切，并且产生横向剪切干涉仪106。两个光束都穿过物镜 140，该物镜形成入射棱镜窗口104与例如CMOS、成像器124上的转换层120之间的界面的两个剪切图像。在两个光束的重叠区域中，观察到干涉图案。该干涉图案在成像器124处被感测到，并且随后由处理单元 132处理。处理单元132将要可视化的数据传送到显示器126。处理单元 132和激光二极管驱动器112A通过内部时钟同步。设置的关键部分可以放置在真空室195中。可以通过热电冷却器198控制真空室195的温度。热电冷却器198的信号由处理单元132控制。

图4中的布置示出了装置的示例性布置。探测光束穿过转换层120 两次。图4示出了物体101发射的电磁辐射，该电磁辐射被物镜102收集，该物镜在图像平面107中形成图像。图像平面107被嵌入转换层120 中。指形冷冻器196被放置在转换层120与窗口105之间的界面处。在转换层120的测量体积中形成图像。转换层120被放置在入射窗口104 与输出窗口105之间。盖131放置在入射窗口104的前面，以防止电磁辐射到达转换层120的补偿体积。盖131可以是固定的或可移动的。当其可移动时，它将覆盖第一区域128和第二区域130，使得外部电磁辐射被阻挡。盖131可以用作允许相位敏感检测的机械斩波器。激光二极管112的辐射操作为探测光束，其中准直器115收集激光二极管112的辐射，使得它用至少准平行辐射来照射转换层120。激光二极管112的准直辐射在转换层120与入射窗口104之间的界面处镜面反射。镜面反射辐射通过分束器155朝向物镜140转移，该物镜形成入射窗口104与(例如CMOS、成像器124上的)转换层120之间的界面的图像。该设置被识别为Fizeau干涉仪106。成像器124的信号由处理单元132处理，然后在显示器126上可视化。处理单元132和激光二极管驱动器112A通过内部时钟同步。设置的关键部分可以放置在真空室195中。可以通过热电冷却器198控制真空室195的温度。热电冷却器198的信号由处理单元132控制。

图5中的布置示出了装置的示例性布置。探测光束穿过转换层两次。图5示出了物体101发射的电磁辐射，该电磁辐射被物镜102收集，该物镜在图像平面107中形成图像。图像平面107被嵌入转换层120中。指形冷冻器196被放置在转换层120与输出窗口105之间的界面处。在转换层120的测量体积中形成图像。转换层120被放置在入射窗口104 与输出窗口105之间。盖131放置在入射窗口104的前面，以防止电磁辐射到达转换层120的补偿体积。盖131可以是固定的或可移动的。当其可移动时，它将覆盖第一区域128和第二区域130，使得外部电磁辐射被阻挡。盖131可以用作允许相位敏感检测的机械斩波器。光源(这里是激光二极管112)的辐射操作为探测光束，其中准直器115收集激光二极管112的辐射，使得它用至少准平行辐射来照射转换层120。激光二极管112的准直辐射被分束器立方体160分成两个光束。一个传播到转换层120，并且一个传播到分束器立方体160的镜面150。在非偏振干涉仪的参考臂中，我们找到输出窗口152的光学当量、转换层151的光学当量。这些光学当量可以形成等路径干涉仪，而不是标称非等路径干涉仪，其中不存在光学当量152和151，并且其中镜150被蒸镀在分束器立方体160的一个面上。在转换层120与入射窗口104之间的界面处的镜面反射光束再次被分束器立方体160分割，其中一个光束朝向物镜140 转移，该物镜形成入射窗口104与(例如CMOS、成像器124上的)转换层120之间的界面的图像。成像器124的信号由处理单元132处理，然后在显示器126上可视化。处理单元132和激光二极管驱动器122A通过内部时钟同步。设置的关键部分可以放置在真空室195中。可以通过热电冷却器198控制真空室195的温度。热电冷却器198的信号由处理单元132控制。

图6中的布置示出了装置的示例性布置。探测光束穿过转换层120 两次。图6示出了物体101发射的电磁辐射，该电磁辐射被物镜102收集，该物镜在图像平面107中形成图像。图像平面107被嵌入转换层120 中。指形冷冻器196被放置在转换层120与输出窗口105之间的界面处。在转换层120的测量体积中形成图像。转换层120被放置在入射窗口104 与输出窗口105之间。盖131放置在入射窗口104的前面，以防止电磁辐射到达转换层120的补偿体积。盖131可以是固定的或可移动的。当其可移动时，它将覆盖第一区域128和第二区域130，使得外部电磁辐射被阻挡。盖131可以用作允许相位敏感检测的机械斩波器。光源(这里是激光二极管112)的辐射操作为探测光束，其中准直器115收集激光二极管112的辐射，使得它用至少准平行辐射来照射转换层120。激光二极管112的准直辐射被偏振分束器立方体161分成两个光束。一个穿过四分之一波片127朝向转换层120传播，并且一个传播到偏振分束器立方体161的镜面150。在偏振干涉仪的参考臂中，我们找到四分之一波片 153的光学当量、输出窗口152的光学当量、转换层151的光学当量。这些光学当量可以形成等路径干涉仪，而不是标称非等路径干涉仪，其中不存在光学当量153、152和151，并且其中镜150被蒸镀在偏振分束器立方体161的一个面上。在转换层120与入射窗口104之间的界面处的镜面反射光束第二次穿过四分之一波片127，并且再次被偏振分束器立方体161分割，其中一个光束朝向CMOS物镜140转移，该物镜形成入射棱镜窗口104与(例如CMOS、成像器124上的)转换层120之间的界面的图像。成像器124的信号由处理单元132处理，然后在显示器126 上可视化。处理单元132和激光二极管驱动器122A通过内部时钟同步。该设置被识别为Twyman-Green干涉仪106。设置的关键部分可以放置在真空室195中。可以通过热电冷却器198控制真空室195的温度。热电冷却器198的信号由处理单元132控制。

图8示出了被布置为用于移动装置200(在该示例中为智能电话)的附加装置的装置100的示例。在此示例中，附加装置是夹式装置。附加装置以其他方式、例如通过粘合连接安装到移动装置上也是可能的。应当理解，附加装置是移动装置200的盖的一部分或被盖包括也是可能的。在该示例中，成像器由移动装置200的数字摄像机224形成。因此，数字摄像机224可以对由干涉仪产生的干涉图像进行成像。数字摄像机224由移动装置的处理单元232处理，随后在移动装置的显示器226 上可视化。如果需要，装置100的光源112例如经由有线或无线通信链路与移动装置200的摄像机224同步是可能的。

在本文，参考本发明的实施例的特定示例来描述本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的本质的情况下，可以在其中进行各种修改和变化。

在示例中，转换层的补偿体积或第二区域被放置在干涉仪的测量臂中。也可以将转换层的补偿体积或第二区域放置在干涉仪的参考臂中。优选地，转换层的补偿体积或第二区域然后仍与转换层的测量体积或第一区域热接触。

为了清楚和简明描述的目的，本文中将特征描述为相同或分开的实施例的一部分，然而，也设想并理解具有在这些分开的实施例中描述的所有或一些特征的组合的替代实施例落入如权利要求书所概述的本发明的框架内。因此，应当在说明性意义而不是限制性意义上来理解本说明书、附图和示例。本发明意图涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有替代方案、修改和变化。此外，所描述的许多元件是功能实体，可以以任何合适的组合和位置将其实现为离散或分布式部件或与其他部件结合。

在权利要求中，放置在括号之间的任何参考符号不得理解为是对权利要求的限制。字词‘包括’并不排除存在除权利要求中列出的那些特征或步骤外的其他特征或步骤。此外，词语“一”和“一个”不应被解释为限于“仅一个”，而是用于表示“至少一个”，并且不排除多个。在相互不同的权利要求中引用某些措施的纯粹事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (24)

1.一种用于对来自物体的电磁辐射进行成像的装置，包括：

-入射光学器件，所述入射光学器件用于允许所述电磁辐射进入所述装置，所述入射光学器件包括所述物体的图像将要在其上成像的图像平面；

-干涉仪，所述干涉仪具有测量臂，其中所述图像平面在所述测量臂中；

-在所述图像平面处的转换层，所述转换层用于将所述电磁辐射转换成所述转换层的折射率的时空变化，以便在所述干涉仪的所述测量臂中引起代表所述物体的所述图像的时空光学相位差。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述转换层包括屏蔽所述电磁辐射的部分，以用于从所述部分产生补偿信号。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述屏蔽部分位于所述图像平面处。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述干涉仪是相移干涉仪。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述干涉仪的辐射源是电流调制激光二极管。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的装置，包括数字摄像机，所述数字摄像机被布置用于捕获由所述干涉仪产生的干涉图像。

7.如权利要求5和6所述的装置，其中所述电流调制激光二极管与所述数字摄像机同步。

8.如权利要求6或7所述的装置，包括处理单元，所述处理单元被布置用于处理所述数字摄像机的摄像机信号，诸如用于在显示装置上显示。

9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中所述转换层包括固体、液体、气体或其任何组合。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中所述转换层包括聚合物。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述聚合物是掺杂的聚合物。

12.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其中所述转换层包括液体混合物，诸如水和乙二醇。

13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其中所述转换层包括胶态悬浮液。

14.如权利要求1至13中任一项所述的装置，其中所述转换层被容纳在两个窗口之间。

15.一种包括根据权利要求1至14中任一项所述的装置的热感摄像机。

16.一种包括根据权利要求1至14中任一项所述的装置的夜视摄像机。

17.一种用于诸如智能手机或平板电脑的移动装置的附加装置，所述附加装置包括根据权利要求1至5或7至14中任一项所述的装置，所述附加装置被布置用于与所述移动装置合作，使得所述移动装置的数字摄像机捕获由所述干涉仪产生的干涉图像。

18.一种用于对来自物体的电磁辐射进行成像的方法，包括以下步骤：

-将所述物体的电磁辐射图像成像在图像平面上，其中所述图像平面在干涉仪的检测臂中；

-在所述图像平面处通过转换层将所述电磁辐射转换成所述转换层的折射率的时空变化，以便在所述干涉仪的所述测量臂中引起代表所述物体的所述图像的时空光学相位差；以及

-基于所述光学相位差生成可见图像，所述可见图像表示所述物体的所述图像。

19.如权利要求18所述的方法，包括以下步骤：

-通过屏蔽所述转换层的一部分免受所述电磁辐射来在所述干涉仪中产生补偿信号。

20.如权利要求18或19所述的方法，包括：

-生成多个可见图像，其中所述干涉仪的照明光的相位在所述多个可见图像中的各个图像之间是不同的；以及

-基于所述多个可见图像生成单个可见图像。

21.如权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述转换层包括固体、液体、气体或其任何组合。

22.如权利要求18至21中任一项所述的方法，其中所述转换层包括聚合物，诸如掺杂的聚合物。

23.如权利要求18至22中任一项所述的方法，其中所述转换层包括胶态悬浮液。

24.一种计算机程序产品，其包括软件代码部分，所述软件代码部分被布置用于当在可编程设备上执行时，基于由根据权利要求1至14中任一项所述的装置的所述干涉仪、根据权利要求15或16所述的摄像机或者根据权利要求17所述的附加装置产生的干涉图像来生成可见图像。

Images