CN116718275A - 一种红外热电光谱成像系统及红外成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种红外热电光谱成像系统及红外成像方法，系统包括：成像镜头以及热电探测器，热电探测器包括：红外窗口、滤光膜、调制结构以及探测器阵列，沿成像镜头的光轴方向依次设置有成像镜头、红外窗口和探测器阵列，滤光膜附着于红外窗口，调制结构位于红外窗口与探测器阵列之间。通过在红外窗口上设置滤光膜，以及将调制结构设置于红外窗口与探测器阵列之间，在不改变当前的热电探测器的结构构成的前提下提高了热电探测器的探测性能，实现对外界入射光光谱的高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，特别是涉及一种红外热电光谱成像系统及红外成像方法。
背景技术
光谱仪是获得光谱信息的仪器。光谱携带的信息量丰富，可用于物质识别、检测和分析，在农业、生物、化学、天文、医疗、环境检测、半导体工业等领域得到广泛应用。
红外热电光谱成像系统是一种利用红外辐射光得到物体高光谱图像的仪器。红外热电光谱成像系统接收外界红外辐射光，通过光谱调制将外界红外辐射光进行编码，编码后的红外辐射光照射到探测器上产生热量，探测器像元中的热敏材料吸收热量导致电信号变化，进而利用光谱反演算法根据电信号的变化可以得到高光谱图像，可见，光谱调制在红外热电光谱成像系统中的作用非常重要。
可见光光电光谱成像系统可以直接将光调制层、传感层以及电路层堆叠到光谱成像探测器上，从而实现可见光光谱调制。然而，如果将该堆叠方式应用到热电探测器，会导致热电探测器的探测性能下降，因此，将可见光光电光谱成像系统的堆叠方式套用在红外热电光谱成像系统中的效果并不理想，因此需要一种能够进行高精度测量的红外热电光谱成像系统。
发明内容
本发明实施例提供了一种红外热电光谱成像系统及红外成像方法，至少可以实现对外界入射光光谱的高精度测量。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种红外热电光谱成像系统，所述系统包括：成像镜头以及热电探测器，所述热电探测器包括：红外窗口、滤光膜、调制结构以及探测器阵列，其中：
沿所述成像镜头的光轴方向依次设置有所述成像镜头、所述红外窗口和所述探测器阵列；
所述滤光膜附着于所述红外窗口，所述调制结构位于所述红外窗口与所述探测器阵列之间。
可选的，所述调制结构位于所述红外窗口朝向所述探测器阵列的一面，所述滤光膜附着于所述红外窗口的另一面。
可选的，所述滤光膜附着于所述红外窗口朝向所述成像镜头的一面，所述调制结构位于所述探测器阵列的像元上。
可选的，所述调制结构通过导热层设置在所述探测器阵列的像元上。
可选的，所述调制结构包括多个调制单元，每个所述调制单元包括多个调制子单元；
每个所述调制子单元包括多个相同的调制微结构，所述调制微结构在该调制子单元内均匀分布；同一所述调制单元中的不同调制子单元中的调制微结构的截面形状不同。
可选的，所述调制微结构为红外高透材料调制柱、红外高透材料调制孔或金属调制孔。
可选的，所述调制微结构的超构表面与所述探测器阵列的像元之间的距离为10μm-2000μm。
可选的，所述调制微结构的高度为2μm-10μm，所述调制微结构的周期范围为2μm-12μm，每种所述调制微结构的周期数目为4-100，每个所述调制子单元内的所述调制微结构的占空比为10％-90％。
可选的，所述红外窗口与所述探测器阵列之间为真空环境。
第二方面，本发明实施例提供了一种红外成像方法，所述方法包括：
获取目标物体对应的灰度图像，其中，所述灰度图像为通过上述第一方面任一项所述的红外热电光谱成像系统获得；
基于所述灰度图像，通过光谱反演算法生成所述目标物体对应的高光谱图像。
可选的，在所述基于所述灰度图像，通过光谱反演算法生成所述目标物体对应的高光谱图像的步骤之后，所述方法包括：
基于所述高光谱图像，确定所述目标物体的属性，其中，所述属性包括物理属性和/或化学属性。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供的方案中，红外热电光谱成像系统包括：成像镜头以及热电探测器，热电探测器包括：红外窗口、滤光膜、调制结构以及探测器阵列，沿成像镜头的光轴方向依次设置有成像镜头、红外窗口和探测器阵列，滤光膜附着于红外窗口，调制结构位于红外窗口与探测器阵列之间。上述红外热电光谱成像系统中，通过在红外窗口上设置滤光膜，以及将调制结构设置于红外窗口与探测器阵列之间，在不改变当前的热电探测器的结构构成的前提下提高了热电探测器的探测性能，实现对外界入射光光谱的高精度测量。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明实施例所提供的第一种红外热电光谱成像系统的结构示意图；
图2基于图1所示实施例的氧化钒探测器的一种具体结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的第二种红外热电光谱成像系统的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的第三种红外热电光谱成像系统的结构示意图；
图5为本发明实施例所提供的第四种红外热电光谱成像系统的结构示意图；
图6为基于图1所示实施例的多功能光谱滤光片的一种具体结构示意图；
图7为本发明实施例所提供的第五种红外热电光谱成像系统的结构示意图；
图8为本发明实施例所提供的第六种红外热电光谱成像系统的结构示意图；
图9为本发明实施例所提供的调制结构的一种结构示意图；
图10为图9所示实施例中的调制单元的一种结构示意图；
图11为本发明实施例所提供的金属调制孔的一种结构示意图；
图12为基于图1所示实施例的超构表面与FPA之间距离的一种示意图；
图13为本发明实施例所提供的红外高透材料调制柱的一种结构示意图；
图14为本发明实施例所提供的一种红外成像方法的流程图。
其中，图1-图14中各组件名称与相应附图标记之间的对应关系为：
110成像镜头、120热电探测器、101红外窗口、102滤光膜、103调制结构、104探测器阵列、201热绝缘层、202CMOS基底、203反射器、204互连结构、205读出电路、701导热层、1001第一调制子单元、1002第二调制子单元、1003第三调制子单元、1004第四调制子单元、1301红外高透材料调制柱。
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基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了实现对外界入射光光谱的高精度测量，本发明实施例提供了一种红外热电光谱成像系统及红外成像方法，下面首先对本发明实施例所提供的一种红外热电光谱成像系统进行介绍。
如图1所示，一种红外热电光谱成像系统，所述系统包括：成像镜头110以及热电探测器120，所述热电探测器120包括：红外窗口101、滤光膜102、调制结构103以及探测器阵列104，其中：
沿所述成像镜头110的光轴方向依次设置有所述成像镜头110、所述红外窗口101和所述探测器阵列104；
所述滤光膜102附着于所述红外窗口101，所述调制结构103位于所述红外窗口101与所述探测器阵列104之间。
可见，本发明实施例提供的方案中，红外热电光谱成像系统包括：成像镜头以及热电探测器，热电探测器包括：红外窗口、滤光膜、调制结构以及探测器阵列，沿成像镜头的光轴方向依次设置有成像镜头、红外窗口和探测器阵列，滤光膜附着于红外窗口，调制结构位于红外窗口与探测器阵列之间。上述红外热电光谱成像系统中，通过在红外窗口上设置滤光膜，以及将调制结构设置于红外窗口与探测器阵列之间，在不改变当前的热电探测器的结构构成的前提下提高了热电探测器的探测性能，实现对外界入射光光谱的高精度测量。
本发明实施例提供的红外热电光谱成像系统可以包括：成像镜头110以及热电探测器120，热电探测器120可以包括：红外窗口101、滤光膜102、调制结构103探测器阵列104以及读出电路(图1中未示出)。
其中，成像镜头110可以为凸透镜，这样外界入射光便可以通过成像镜头110会聚到红外窗口101，特定波段的红外光可以穿透滤光膜102，而非特定波段的外界入射光则无法通过滤光膜102，从而实现对外界入射光的过滤。例如，滤光膜102可以允许波长为6μm～14μm的长波红外辐射光通过，实现对入射的不同波段的辐射光的过滤。
上述红外窗口101可以为红外高透材料制成的窗口，例如，可以采用硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、锗(Ge)、硫化锌(ZnS)以及氟化镱(Cas)等红外高透材料制成的窗口。由于上述红外高透材料对于红外光的透过率和折射率高，因此，长波红外辐射光入射到红外高透材料之后的透过率高，并且折射角小于入射角，因此，入射光透过红外高透材料的光损耗率小，可以提高光利用率。
红外热电光谱成像系统中的光谱调制层具有入射角度敏感性，即不同角度的入射光入射到光谱调制层后，所输出的光谱调制曲线不同，因此，目前在进行光谱调制的过程中，需要对不同成像距离的调制光谱曲线进行标定，从而降低由于入射光的入射角度差异巨大而带来的影响，但是实际进行标定的过程相当复杂，大大浪费了人力。
为了能够减少入射光的入射角度对光谱调制的影响，在一种实施方式中，本发明实施例提供的红外热电光谱成像系统中，调制结构103可以设置于朝向探测器阵列104的一面，这样，可以降低入射光的入射角度差异，因此只对单个成像距离下的光谱调制曲线进行标定即可，降低调制光谱曲线标定的复杂度，使红外热电光谱成像系统具有较好的鲁棒性。
上述探测器阵列104包括多个探测器成像像元，每个探测器成像像元接收经过调制结构103调制后的红外辐射光，其中的热敏材料由于红外辐射光的照射而吸收热量，从而产生电信号的变化，实现将红外辐射光的光信号转换为电信号，进而读出电路便可以读出电信号的变化，基于电信号的变化，采用光谱反演算法便可以得到高光谱图像。
如图2所示，以氧化钒探测器为例，对一个探测器成像像元的结构进行举例介绍。氧化钒(VOx)探测器成像像元结构为一般为双悬梁支撑的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构，包括热绝缘层201、CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)基底202、反射器(reflector)203、互连结构(interconnection)204以及读出电路205。
热敏材料位于氧化钒探测器成像像元结构的中心靶面，用于接收外界红外辐射光以及接收热量，其中，热绝缘层201为由氮化硅(SiNx)层、氧化钒层以及氮化硅层组成的三明治结构。热绝缘层201中的氧化钒层在接收到外界红外辐射光后，产生热量，进而引起电导率变化，读出电路205便可以输出该电信号的变化。
作为一种实施方式，本发明实施例提供的红外热电光谱成像系统中，滤光膜102可以附着于红外窗口101，调制结构103位于红外窗口101与探测器阵列104之间。其中上述滤光膜102附着于红外窗口101的方式可以为蒸镀、电镀、电化学镀膜的方式。例如，可以为电子束镀膜、磁控溅射镀膜、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子增强化学气相沉积)镀膜等，在此不做具体限定。
具体的，在一种实施方式中，调制结构103可以设置于红外窗口101上，包括两种情况，第一种情况下，如图1所示，滤光膜102可以附着于红外窗口101朝向成像镜头110的一面，调制结构103可以位于红外窗口101的另一面，也就是说，可以利用原有红外窗口101，将滤光膜102和调制结构103分别设置于红外窗口101的两侧。这样，可以在不改变当前的热电探测器的结构构成的前提下，实现红外热电光谱成像系统的小体积、集成化和低成本。
第一种情况下，如图3所示，滤光膜102可以附着于红外窗口101朝向探测器阵列104的一面，调制结构103设置于滤光膜102上。也可以利用原有红外窗口101，将滤光膜102和调制结构103设置于红外窗口101朝向探测器阵列104的一侧。这样，也可以在不改变当前的热电探测器的结构构成的前提下，实现红外热电光谱成像系统的小体积、集成化和低成本。
在另一种实施方式中，调制结构103可以设置于探测器阵列104的像元上，包括两种情况，第一种情况下，如图4所示，滤光膜102可以附着于红外窗口101朝向成像镜头110的一面，调制结构103设置于探测器阵列104的像元上。也就是说，可以利用原有红外窗口101和探测器阵列104，将滤光膜102和调制结构103分别设置于红外窗口101和探测器阵列104的像元上。这样，也可以在不改变当前的热电探测器的结构构成的前提下，实现红外热电光谱成像系统的小体积、集成化和低成本。
第二种情况下，如图5所示，滤光膜102可以附着于红外窗口101朝向探测器阵列104的一面，调制结构103设置于探测器阵列104的像元上。也就是说，可以利用原有红外窗口101和探测器阵列104，将滤光膜102和调制结构103分别设置于红外窗口101和探测器阵列104的像元上。这样，也可以在不改变当前的热电探测器的结构构成的前提下，实现红外热电光谱成像系统的小体积、集成化和低成本。
针对上述滤光膜102附着于红外窗口101朝向成像镜头110的一面，调制结构103位于红外窗口101的另一面的情况而言，滤光膜102、红外窗口101以及调制结构103可以形成一个多功能光谱滤光片。
在一种实施方式中，如图6所示，上述多功能光谱滤光片可以包括滤光膜102、红外窗口101和调制结构103。以红外窗口101为Si为例，Si针对波长为10μm红外光的折射率为3.4699，当红外入射光以α＝60°的入射角透过到滤光膜102后，以折射角度为β＝14.45°进入调制结构103，进而调制结构103便可以对长波红外辐射光进行调制。这样，多功能光谱滤光片便可以实现滤波以及光谱调制的功能。
可见，滤光膜、红外窗口以及调制结构可以形成一个多功能光谱滤光片，在不改变红外热电光谱成像系统的结构构成的前提下，红外热电光谱成像系统中包括了多功能光谱滤光片，通过该多功能滤光片实现滤波以及光谱调制的功能，进而提高热电探测器的探测性能，实现对外界入射光光谱的高精度测量。
作为本发明实施例的一种实施方式，针对上述调制结构103位于探测器阵列104的像元上的情况而言，如图7所示，调制结构103可以通过导热层701设置在探测器阵列104的像元上。
调制结构103设置于探测器阵列104的像元上时，为了方便工艺实现以及保证红外热电光谱成像系统的性能，调制结构103可以通过导热层701设置在探测器阵列104的像元上，这样，可以等离激元的方式实现光谱调制的作用。具体来说，红外辐射光透过调制结构103之后照射到导热层701，导热层701将热量传输至探测器阵列104的像元，从而引起电信号的变化。
其中，导热层701具体可以为金属等能够导热的材料组成，例如，可以为金、银以及铝等金属材料，在此不做具体限定。
在一种实施方式中，如图7所示，调制结构103可以朝向红外窗口101，当然，在另一种实施方式中，如图8所示，在工艺允许的情况下，调制结构103也可以朝向探测器阵列104的像元，这都是合理的。
可见，本实施例中，调制结构103可以通过导热层701设置在探测器阵列104的像元上，能够通过等离激元的方式实现对长波红外辐射光的光谱调制，进而提高热电探测器的探测性能，实现对外界入射光光谱的高精度测量。
作为本发明实施例的一种实施方式，上述调制结构可以包括多个调制单元，每个调制单元可以包括多个调制子单元，其中，每个调制子单元包括多个相同的调制微结构，调制微结构在该调制子单元内均匀分布；同一调制单元中的不同调制子单元中的调制微结构的截面形状不同。
在一种实施方式中，调制结构可以为单层结构，调制结构可以包括多个调制单元，例如，调制结构可以包括均匀分布的9个调制单元或者均匀分布的16个调制单元。每个调制单元可以包括多个调制子单元，例如，每个调制单元可以包括4个均匀分布的调制子单元等，这都是合理的。每个调制子单元中的调制微结构阵列的几何图形的排布可以具有C4对称性。
在一种实施方式中，每个调制子单元中调制微结构的截面形状可以包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等形状，也可以为上述各形状的任意组合，在此不做具体限定。
每个调制微结构根据截面形状的不同可以包括不同的结构参数，例如，圆形的调制微结构的结构参数可以包括口径等，椭圆形的调制微结构的结构参数可以包括长轴、短轴等，十字形、星形等调制微结构的结构参数可以包括旋转角度、角数等，正多边形的调制微结构的结构参数可以包括边长等。
例如，如图9所示的调制结构，包括16个调制单元，每个调制单元的具体结构可以如图10所示，调制单元可以包括4个调制子单元，每个调制子单元包括多个相同的调制微结构，调制微结构在该调制子单元内均匀分布，同一调制单元中的不同调制子单元中的调制微结构的截面形状不同。具体来说，第一调制子单元1001包括的调制微结构的截面形状为圆形，第二调制子单元1002包括的调制微结构的截面形状为十字形，第三调制子单元1003包括的调制微结构的截面形状为三角形，第四调制子单元1004包括的调制微结构的截面形状为正六边形。
作为一种实施方式，同一调制单元中的不同调制子单元中的调制微结构的截面形状也可以相同，但是不同调制子单元中的调制微结构对应的结构参数不同，例如，调制单元1中的调制子单元A和调制子单元B对应的调制微结构的截面形状均为圆形，但是调制子单元A中的调制微结构截面形状的口径为x，调制子单元B中调制微结构截面形状的口径为y，且x不等于y。又例如，调制单元2中的调制子单元C和调制子单元D对应的调制微结构的截面形状均为十字形，但是调制子单元C中的调制微结构的旋转角度为m，调制子单元D中调制微结构的旋转角度为n，且m不等于n。在此不做具体限定。红外辐射光入射至调制结构时，每个调制子单元对应至少一个探测器阵列的像元，每个像元为一个高光谱空间分辨率单元，所以每个调制子单元对应的探测器阵列的像素数量至少为1，实际使用中可以选用调制子单元对应的一个像素的灰度值或多个像素的平均值作为该调制子单元对应的灰度值。
由于同一调制单元中的各个调制子单元的截面形状不同，或者，同一调制单元中的不同调制子单元中的截面相同的调制微结构对应的结构参数不同，所以对于红外光的透过率也不同，因此可以达到对红外光不同的调制效果，通过不同调制子单元的红外光导致的电信号的变化也不同，进而，探测器阵列的像元所对应的像素的灰度值也不同，因此，通过包括的调制微结构的截面形状相同的调制子单元进行调制后，可以生成一张该种截面形状的调制子单元对应的灰度图像，该灰度图像也就反映了该种截面形状的调制子单元对红外光的调制作用，从而包含该截面形状的调制子单元对应的频谱信息。
例如，如图10所示，同一调制单元中包括4个调制子单元，那么，截面形状为圆形的调制子单元可以对应生成一张灰度图像1，截面形状为十字形的调制子单元可以对应生成一张灰度图像2，截面形状为三角形的调制子单元可以对应生成一张灰度图像3，截面形状为正六边形的调制子单元可以对应生成一张灰度图像4，即可以得到4张包含频谱信息的灰度图像。当然，在实际显示时，该4张包含不同频谱信息的灰度图像也可以显示于一张图像中，这都是合理的。
在一种实施方式中，针对调制结构设置在探测器阵列的像元上的情况而言，每个调制单元对应一个像元，即一个像元上设置一个调制单元，这样，一个调制单元即对应于一个像素，各个调制单元之间互不影响，可以尽可能地减少入射角度引起的光谱调制差异。
可见，在本实施例中，调制结构包括多个调制单元，每个调制单元包括多个调制子单元，每个调制子单元包括多个相同的调制微结构，调制微结构在该调制子单元内均匀分布，同一调制单元中的不同调制子单元中的调制微结构的截面形状不同。通过这样的调制结构，能够更好的进行红外光的调制，从而提高红外热电光谱成像系统的性能。
作为本发明实施例的一种实施方式，上述调制微结构可以为红外高透材料调制柱、红外高透材料调制孔或金属调制孔。
在一种实施方式中，上述调制微结构可以为红外高透材料调制柱，其中，红外高透材料调制柱可以为硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、锗(Ge)、硫化锌(ZnS)以及氟化镱(Cas)等红外高透材料制成的调制柱。
在调制微结构为红外高透材料调制柱的情况下，如果该调制柱设置于红外窗口上，其材料可以与红外窗口的材料相同。作为一种实施方式，可以采用蒸镀、电镀、电化学镀膜等方式将调制柱设置于红外窗口上，这都是合理的，在此不做具体限定。
在调制微结构为红外高透材料调制孔的情况下，如果该调制孔设置于红外窗口上，其材料可以与红外窗口的材料相同。作为一种实施方式，可以采用蚀刻等方式在红外窗口的一面制成调制孔，这都是合理的，在此不做具体限定。
该红外高透材料调制孔的截面形状也可以包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等形状，也可以为上述各形状的任意组合，在此不做具体限定。
在调制微结构为金属调制孔的情况下，针对调制结构设置在探测器阵列的像元上的情况而言，形成金属孔的金属层通过介质层设置于导热层之上。其中，调制金属孔可以为在金、银以及铝等金属材料制成的金属层中制成的孔，在此不做具体限定。
该金属调制孔的截面形状可以包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等形状，也可以为上述各形状的任意组合，在此不做具体限定。例如，如图11所示的调制子单元，可以包括圆形、十字形、三角形、正六边形四种截面形状的金属调制孔。
可见，在本实施例中，调制微结构为红外高透材料调制柱、红外高透材料调制孔或金属调制孔，无论采用何种结构的调制微结构，均可以有效对红外光进行调制。
作为本发明实施例的一种实施方式，上述调制微结构的超构表面与探测器阵列的像元之间的距离可以为10μm-2000μm。
如图12所示，以调制结构103位于红外窗口101朝向探测器阵列104的一面，滤光膜102附着于红外窗口101的另一面的情况为例，即滤光膜102、红外窗口101、调制结构103构成一个多功能光谱滤光片的结构。外界红外辐射光会在红外窗口101朝向成像镜头110的一面会聚，会聚光覆盖直径为L的圆，其中，L的大小与调制结构103的超构表面即调制微结构所在表面与FPA(Focal Plane Array，焦平面阵列)即探测器阵列104之间的距离正相关。具体的，当调制结构103的超构表面与FPA之间的距离越小，L也越小。
特定空间位置发出的红外光入射红外窗口后仅覆盖单个调制子单元，这样能够避免不同调制子单元对调制光线的串扰。所以调制结构103的超构表面与FPA之间的距离可以设置的尽量小一些，以使红外光入射红外窗口后仅覆盖单个调制子单元。
因此，为了降低各个不同子调制单元对应的调制曲线之间串扰的影响，可以减少调制结构103的超构表面与FPA之间的距离，即可以将调制结构103设置于红外窗口101朝向探测器阵列104的一面。
基于上述原理，可以将调制微结构的超构表面与探测器阵列的像元之间的距离控制在为10μm-2000μm的范围内，从而进一步各个不同调制子单元对应的调制曲线之间串扰的影响。
可见，在本实施例中，调制微结构的超构表面与探测器阵列的像元之间的距离为10μm-2000μm，可以降低各个不同子调制单元对应的调制曲线之间串扰的影响，从而进一步提高红外热电光谱成像系统的性能。
作为本发明实施例的一种实施方式，基于工艺复杂度和红外热电光谱成像系统的尺寸的要求考虑，上述调制微结构的高度可以为2μm-10μm，调制微结构的周期范围可以为2μm-12μm，每种调制微结构的周期数目可以为4-100，每个调制子单元内的调制微结构的占空比可以为10％-90％。
例如，如图13所示的红外高透材料调制柱1301，其截面形状为圆形，D为红外高透材料调制柱1301的口径，P为该红外高透材料调制柱1301对应的周期范围，h为红外高透材料调制柱1301的高度。其中，h的范围可以为2μm-10μm。P的范围可以为2μm-12μm。
每种调制微结构的周期数目可以为4-100，也就是截面形状为各种形状的调制微结构的周期数目可以为4-100个，即在每个调制单元中，可以包括4-100个调制子单元。例如，如图9所示的调制单元中，周期数目为16。
每个调制子单元内的调制微结构的占空比为10％-90％，其中，占空比可以用调制子单元内所有调制微结构的截面面积除以该调制子单元的截面面积计算得到。
在调制微结构的占空比为10％-90％以及调制微结构的周期范围为2μm-12μm的情况下，可以确定每种调制微结构对应的周期尺寸的范围可以为6μm-1200μm，即每种调制微结构在对应的调制子单元中的所占的范围的大小。
可见，在本实施例中，调制微结构的高度可以为2μm-10μm，调制微结构的周期范围可以为2μm-12μm，每种调制微结构的周期数目可以为4-100，每个调制子单元内的调制微结构的占空比可以为10％-90％。这样，能够更好的进行光波调制，从而提高红外热电光谱成像系统的性能，同时方便加工，降低成本。
作为本发明实施例的一种实施方式，上述红外窗口与探测器阵列可以采用一体化封装，红外窗口与探测器阵列之间可以为真空环境。
由于一体化封装具备以下优点：1、封装加工效率高，它以整片形式的批量生产工艺进行制造，一次完成多个探测器的封装大大提高了封装效率。2、设备可以充分利用整片的制造设备，无需再进行探测器封装产线建设。3、封装尺寸小，引线短，带来更好的电学性能。
因此，将红外窗口与探测器阵列采用一体化封装键合，可以压缩红外窗口与探测器阵列之间的距离，缩小热电探测器的尺寸，进而尽量实现调制子单元与探测器阵列中的各个像元约为一对一的效果，从而降低不同调制子单元之间的调制曲线的串扰，从而能够实现更高的分辨率以及降低封装成本。
由于红外热电光谱成像系统的原理是将光信号转换为热量，从而将热量转换为电信号，因此，为了保证良好的热绝缘性，提高红外热电光谱成像系统的性能，可以将红外窗口与探测器阵列之间保持为真空环境。例如，可以通过设置吸气剂等来保证红外窗口与探测器阵列之间为真空环境。
相应于上述一种红外热电光谱成像系统，本发明实施例提供了一种红外成像方法，下面对本发明实施例所提供的一种红外成像方法进行介绍。本发明实施例所提供的一种红外成像方法可以应用于红外热电光谱成像系统中的成像探测器，也可以应用于与红外热电光谱成像系统通信连接的其他设备等，在此不做具体限定，以下称为电子设备。
如图14所示，一种红外成像方法，所述方法可以包括：
S1401，获取目标物体对应的灰度图像；
其中，所述灰度图像可以为通过上述任一实施例所述的红外热电光谱成像系统获得；
S1402，基于所述灰度图像，通过光谱反演算法生成所述目标物体对应的高光谱图像。
可见，本公开实施例所提供的方案中，电子设备可以获取红外热电光谱成像系统采集的目标物体对应的灰度图像，进而基于灰度图像，通过光谱反演算法生成目标物体对应的高光谱图像，由于红外热电光谱成像系统可以得到精确度较高的目标物体对应的灰度图像，所以可以基于该灰度图像通过光谱反演算法生成准确的目标物体对应的高光谱图像，进而可以提高后续基于该高光谱图像进行图像分析等处理的结果的准确度。
在一种实施方式中，长波红外波段的红外辐射光通过上述红外热电光谱成像系统的成像镜头后，透过滤光膜实现宽谱滤波，宽谱滤波后的红外辐射光射入不同的调制微结构，不同截面形状的调制微结构的光谱调制效果不同，每种截面形状的调制微结构对应的探测器阵列的像元对应的读出电路获取的读值不同，因此，对于每个调制子单元可以获取多个光谱调制类型对应的灰度值信息。
将所有调制子单元中截面形状相同的调制微结构对应的探测器阵列的像元的像素的灰度值信息取出，便可以得到多幅灰度图像，每幅灰度图像由于受不同调制效果的影响而具有不同的光谱调制效果，将不同的灰度图像带入光谱反演算法便可获取目标物体的高光谱图像。其中，光谱反演算法可以为压缩感知算法或深度学习算法等。
作为本发明实施例的一种实施方式，在所述基于所述灰度图像，通过光谱反演算法生成所述目标物体对应的高光谱图像的步骤之后，所述方法可以包括：
基于所述高光谱图像，确定所述目标物体的属性。
由于高光谱图像既包括目标物体的图像信息，又包括目标物体的光谱信息，而图像信息可以反映目标物体的大小、形状、缺陷等外部物理特征；目标物体的不同成分对光谱吸收程度不同，在某个特定波长下光谱信息对某个缺陷会有明显的反映，所以光谱信息能充分反映目标物体的内部的物理结构以及化学成分的差异。因此，基于目标物体的高光谱图像，可以准确确定目标物体的属性，该属性可以包括物理属性和/或化学属性。
可见，在本实施例中，电子设备可以基于高光谱图像，确定目标物体的属性，由于红外热电光谱成像系统可以得到精确度较高的目标物体的高光谱图像，进而基于该高光谱图像可以准确确定目标物体的属性。
在本发明的可选实施例中，红外热电光谱成像系统可根据检测到的空气中的辐射光光谱变化，检测出空气中是否有危险化学气体泄漏，比如甲烷、硫化气体、氨气等，也可以用于测温和火点检测等场景。
又或者，红外热电光谱成像系统可根据检测到的离水辐射光光谱变化，检测出水质，从而实现水质监测。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例任一所述的红外成像方法的步骤。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一所述的红外成像方法。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种红外热电光谱成像系统，其特征在于，所述系统包括：成像镜头以及热电探测器，所述热电探测器包括：红外窗口、滤光膜、调制结构以及探测器阵列，其中：
沿所述成像镜头的光轴方向依次设置有所述成像镜头、所述红外窗口和所述探测器阵列；
所述滤光膜附着于所述红外窗口，所述调制结构位于所述红外窗口与所述探测器阵列之间。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制结构位于所述红外窗口朝向所述探测器阵列的一面，所述滤光膜附着于所述红外窗口的另一面。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤光膜附着于所述红外窗口朝向所述成像镜头的一面，所述调制结构位于所述探测器阵列的像元上。
4.根据权利要求3所述的光谱成像系统，其特征在于，所述调制结构通过导热层设置在所述探测器阵列的像元上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述调制结构包括多个调制单元，每个所述调制单元包括多个调制子单元；
每个所述调制子单元包括多个相同的调制微结构，所述调制微结构在该调制子单元内均匀分布；同一所述调制单元中的不同调制子单元中的调制微结构的截面形状不同。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调制微结构为红外高透材料调制柱、红外高透材料调制孔或金属调制孔。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调制微结构的超构表面与所述探测器阵列的像元之间的距离为10μm-2000μm。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调制微结构的高度为2μm-10μm，所述调制微结构的周期范围为2μm-12μm，每种所述调制微结构的周期数目为4-100，每个所述调制子单元内的所述调制微结构的占空比为10％-90％。
9.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述红外窗口与所述探测器阵列之间为真空环境。
10.一种红外成像方法，其特征在于，所述方法包括：
获取目标物体对应的灰度图像，其中，所述灰度图像为通过权利要求1-9任一项所述的红外热电光谱成像系统获得；
基于所述灰度图像，通过光谱反演算法生成所述目标物体对应的高光谱图像。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述基于所述灰度图像，通过光谱反演算法生成所述目标物体对应的高光谱图像的步骤之后，所述方法包括：
基于所述高光谱图像，确定所述目标物体的属性，其中，所述属性包括物理属性和/或化学属性。
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