CN1940713A

CN1940713A - 基于光读出的成像系统

Info

Publication number: CN1940713A
Application number: CN200510105671.5A
Authority: CN
Inventors: 兀明; 沈憧斐; 陈宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-04

Abstract

本发明涉及一种基于光读出的成像系统，其包括：参考光源，焦平面阵列和读出探测器阵列，目标光波和参考光源发出的参考光波入射到焦平面阵列上，经焦平面阵列的透射或反射的参考光波转换成读出光波，由读出探测器探测并成像。运用该系统，紫外线、远红外线、毫米波图像等难以直接探测的光图像可以转换成容易探测的图像。

Description

基于光读出的成像系统

技术领域

本发明涉及一种基于光读出的成像系统，运用该系统，紫外线、远红外线、毫米波图像等难以直接探测的光图像可以转换成容易探测的图像。

技术背景

普通的照相机探测从物体反射的可见光，成像需要一个光源，图像很容易受照明的影响，也受天气的影响。不同于普通的照相机探测可见光(波长大约是400纳米至800纳米)，远红外线照相机系统探测人眼不可见的远红外线(波长大约是8微米至15微米)。远红外线是物体自发的热辐射，因此红外线照相机的成像不需任何光源，在完全黑暗的情况下，所摄的图像与照明下的图像没有任何区别，因此远红外线照相机可用作夜视仪，在治安，边防，军队，等领域得到广泛的应用。远红外光可穿透烟和雾，因此远红外线照相机被消防员用来快速搜寻烟雾中的受伤人员。远红外线照相机在工业界也用途广泛。远红外线图像显示被射景物的温度。在工业界，远红外线照相机用来寻找损坏的部件，大大节省了厂家的人力物力。

远红外线照相机在消费者产业也有广泛的应用。比如，远红外线照相机可以安装在汽车上，用来提供给驾驶员清晰的夜间图像，远红外线照相机可作为房屋维修的工具，检测屋顶是否漏雨，电线是否接触短路，等等。但是，因为现在的远红外线照相机成本太高，它的大部分应用还不为一般消费者所知。这里介绍一种新的远红外线照相机技术原理。这种技术的读出系统不是电子线路，而是普通的可见光照相机，即CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)照相机。

远红外线照相机通常是由两种技术实现：光探测器或微电阻器。光探测器一般由窄带半导体光电二极管制作。这种照相机需要在低温下工作，制作昂贵，需要经常维护。微电阻器利用特定材料的电阻率随温度变化的特性来探测远红外线。这种器件在吸收远红外线后温度上升，电阻变化，从而导致电阻两端电压或电流变化，这种变化被下级的特定电路读出。采用光探测器或微电阻器两种技术，制作工艺复杂，产品率低，产出量少，造价高昂。

发明内容

本发明涉及的基本概念：参考光波是由人工光源发出的光波，也叫光载体，如可见光，近红外线等；目标光波是需要探测的物体发出的光波，如远红外线、紫外线等；读出光波是参考光波经焦平面阵列透射或反射而转换的光波；入射光线包括参考光波及目标光波。成像系统包括镜头，转换光波的焦平面阵列，探测读出光波的普通探测器(读出探测器)，及参考光波的光源。像素是转换光波的焦平面阵列的最小的单元。

本发明的基于光读出的成像系统是将入射的某一波长(目标波长)的光波图像(目标图像)和某一参考光波通过焦平面阵列参考光波转换成另一光波(读出光波)的光波图像(读出图像)，由读出光波成像系统探测并成像。该成像系统不仅可用于制作远红外线照相机，还可用于其他的相机，比如紫外线或毫米波成像。

具体成像的原理是将要成像的某一波长(目标光波)的光和另一个波长(参考光波)的光同时照射在成像器件焦平面阵列上，焦平面阵列在吸收光波后，温度上升，在参考光波波长附近的光学特性发生变化，导致从焦平面反射或透射的参考光波发生变化，成为读出光波。因此，参考光波的变化就代表了读出光波的强度。另一个对读出光波敏感的读出探测器用来探测这种变化。因此，读出探测器的数据经过处理，读出光波的图像就会显示出来。

由温度上升而导致焦平面阵列光学特性的变化，这种机制可由多种途径来实现。参考光波的变化又包括许多种，比如光的强度，光的角度，光的偏振角，光的波长，等等。成像器件中的材料，对参考光波的折射率和吸收率可以随温度变化，导致反射或透射的读出光波的变化。成像器件可利用不同材料组成。不同材料之间的折射率和吸收率不同，可以形成相干涉效应。利用相干效应，在焦平面阵列温度变化时，读出光波的变化可以增强。焦平面阵列上可以制作发光二极管(读出光源)，在温度变化时，发光二极管发出的光就会变化。焦平面阵列在温度变化时，发生物理形状的变化，从焦平面阵列反射或透射的读出光波发生变化。

附图说明

图1显示了本发明的远红外线照相机探测器阵列(亦称为焦平面阵列)的一个单元(亦称为像素，点像素)的光学原理；

图2表现了基于光读出的一种成像系统实施例；

图3表现了基于光读出的另一种成像系统实施例；

图4表现了基于光读出的另一种成像系统实施例；

图5A表现了图1所示的像素利用光吸收特性来实现光波转换；

图5B表现了图5A所述的像素利用光吸收特性下的参考光波强度以及透射光(读出光波)强度的关系曲线图；

图6A表现了图1所示的像素利用相干涉效应来实现光波转换；

图6B表现了中图6A所述的像素利用相干涉效应特性下的参考光波强度及透射光(读出光波)强度与各自波长的关系曲线图；

图7A表现了像素未吸收远红外线时的状态；

图7B表现了相对于图7A，像素吸收了远红外线时像素尺寸变化的状态；

图7C表现了相对于图7A，像素吸收了远红外线时像素角度变化的状态；

图8表现了利用像素与衬底之间的相干效应来实现的光波转换；

图9表现了基于光读出成像系统的入射光线及透射光线方向；

具体实施方式

图1显示了远红外线照相机焦平面阵列的一个单元(亦称为像素，点像素)。像素包括吸收面(103)，衬底(106)，和用于支撑吸收面和传导热能的管脚(105)。远红外线(101)射在像素的吸收面(103)上，吸收的光转换成热能，因而吸收面温度相比于无远红外线射入时升高。这个温度与远红外线的强度有关。另一束参考光波如可见光(102)也同时射在像素上，参考光波如可见光(102)穿透吸收面并穿透吸收面下的衬底(106)。像素在可见光波长的穿透率是与吸收面的温度有关的，因此穿透的可见光(读出光波104)强度与吸收面的温度有关，进而代表了远红外线的强度。这穿透的可见光即读出光波又被随后的成像系统的探测器阵列，如CCD或CMOS普通照相机探测器阵列(107)探测到。吸收面的温度和吸收面与衬底之间的热导有关。一方面，吸收面不断吸收远红外线，热能上升；另一方面，吸收的热能又通过热导传输到衬底而消耗掉。热导越小，温度就越高。

焦平面阵列是由许多这样制作在衬底上的像素组成的矩阵。远红外线图像照射在焦平面阵列上，不同的像素所接受到的远红外线能量不一样，于是温度也不一样，导致穿透的可见光的强度不一样。CCD或CMOS探测到的可见光图像因此包含了这种信息，经过图像处理，远红外线图像就会被读出来。焦平面阵列的像素上可以制作发光电子器件，发出的光的特性(如光强，角度，偏振度，等等)与像素的温度有关。焦平面阵列及衬底的材料包括，但不局限于以下材料：半导体材料如非晶体硅，多晶硅，晶体硅，非晶体锗，多晶锗，晶体锗，非晶体碳，多晶碳，晶体碳，非晶体硅锗碳，多晶硅锗碳，晶体硅锗碳合金，等等；绝缘材料如氧化硅，氮化硅，氧氮化硅，等等；金属氧化物如氧化铝，氧化钽，等等；有机物材料；金属氮化物，玻璃，石英，硅，锗，氧化铝，锗玻璃如AMTIR、GASIR，ZnSe，MgF，CaF，ZnS，等等。

图2表现了一种实现这种照相机的构造方法。远红外线(101)通过远红外光学镜头(202)聚焦在焦平面阵列(204)上，从可见光光源(207)发出的可见光(102)由一个分光器(203)反射到焦平面阵列上，远红外线被焦平面阵列上的像素吸收，部分可见光穿透焦平面阵列。穿透的可见光即读出光波被可见光镜头(205)聚焦在CCD或CMOS照相机探测器(107)上。不同的像素接收的远红外线强弱不同，导致像素的温度不同，进而导致穿透的读出光波的强度不同。

另外，读出光波可以直接通过放大镜为肉眼直接观察目标物体产生的红外线图像。

在图2中，远红外线焦平面阵列上的像素是工作在透射模式下的。然而，像素也可以是工作在反射模式下，如图3所示。在这种模式下，远红外线(101)通过远红外光学镜头(202)聚焦在焦平面阵列(204)上，分光器(203)位于焦平面阵列(204)的后面，它把可见光(102)反射到焦平面阵列(204)上。焦平面阵列把部分的可见光反射回来，这部分可见光穿过光分器后被可见光镜头(205)聚焦在CCD或CMOS照相机探测器(107)上。像素的反射率与像素的温度有关，因此，发射的可见光图像记录了远红外线图像的信息。

图2和图3中位于远红外线焦平面阵列和CCD或CMOS照相机探测器之间的光学镜头也可以被省略掉，如图4所示。在图4中，远红外线焦平面阵列(204)直接与CCD或CMOS探测器阵列(107)相邻，入射光直接照射在两个探测器阵列上，因此通过远红外线焦平面阵列的图像被投影在CCD或CMOS上。从长远的角度讲，远红外线焦平面阵列可以直接做在CCD或CMOS上，提供最大的集成度。

这种照相机不一定是用来探测远红外线图像，也可用来探测其它波长的图像。可探测的光还包括紫外线，毫米波，等等。用来读出的光信号也不一定是可见光，也可以是其它的光波，比如近红外线。这个光被称为光载体。

焦平面阵列是这种照相机的核心部件。这个焦平面阵列与其它的焦平面阵列不同，它没有电学管脚，它的作用是把一个波长的光转换成另一个波长的光，相当于一个光波转换器。光波转换可以由多种机制实现，如利用光吸收特性以及相干涉效应。

图5A描述了利用吸收面的光吸收特性实现光波转换。吸收面(103)的材料吸收用来读出的参考光波如可见光(102)，吸收系数与材料的温度有关。未被吸收的参考光波，一部分被反射，一部分则透射。透射的光，即读出光波(104)强度与吸收系数有关，因而与温度有关，因此代表了吸收面所吸收的远红外线(101)的强度。在图5B中，参考光波的波峰(505)的高度代表了参考光波的强度，波峰(506)的高度代表当吸收面吸收少量远红外线时的透射光强度，即读出光波强度，而波峰(507)的高度则代表当吸收面吸收更多远红外线时的透射光强度。

图6A描述了利用吸收面(103)的相干涉效应来实现光波转换器。吸收面可能是由若干层材料组成，这些材料的折射率不同，形成相干效应。某些材料的折射率与温度有关，导致相干效应与温度有关。例如，吸收面可能是一个光滤波器，滤波器的谐振波长与谐振腔(604)的折射率有关，而谐振腔的折射率又与温度有关。参考光波如可见光(102)的波长位于滤波器谐振波长的附近，当滤波器的谐振波长发生变化时，透射过滤波器的光，即读出光波(104)的强度就会发生变化。在图6B中，吸收面滤波器在吸收少量远红外线或未吸收红外线时波峰(606)的波长为L1，当吸收面吸收更多远红外线(602)时，滤波器波峰(607)的波长移动至L2。参考光波的光谱波峰(608)的波长位于L3。少量或没有远红外线时，透射的光载体的强度(I1)与大量远红外线的光载体的强度(I2)不同。

图7A、图7B和图7C为利用吸收面的变形来实现光波转换的示意图。(具体叙述一下)，参考光波如可见光(102)照射在焦平面阵列上，像素既可以工作在透射模式，也可以工作在反射模式。像素的吸收面(103)在吸收到远红外线(101)后温度升高，导致物理形变，近而导致透过的参考光波强度的变化，即读出光波(104)。物理形变可以是吸收面大小的变化，也可以是吸收面与入射的光载体的角度的变化。比如，图7A是平常远红外线入射到单一像素时的情况，吸收面完全反射参考光波。四个像素的分布图如右图所示。在这种情况下，CCD或CMOS所探测的实际上是从像素空隙之间所透出的参考光波。在图7B中，当远红外线强度增加时，吸收面受热膨胀，像素空隙之间透出的参考光波的强度减弱。另外一种情况如图7C所示。吸收面的角度发生变化，也导致像素空隙的变化，近而导致透出的参考光波的强度变化。

图8A描述了利用吸收面与衬底之间的相干效应来实现光波转换。吸收面(103)与衬底(106)之间有一个缝隙(804)，形成相干滤波器。当吸收面的温度因为吸收远红外线(101)而发生变化时，物理形变导致缝隙的高度发生变化，导致滤波器的谐振波长变化，进而导致透射的(或反射的)光载体的强弱发生变化，转换成读出光波(104)。为增强相干效应，在衬底上还可以加镀反射层(805)。在图8B中，滤波器在无远红外线射入时的波峰(811)和滤波器在有远红外线射入时的波峰(812)，除波长不同之外，形状也可能不同。参考光波的波峰由曲线(813)代表。

如图9所示，远红外线(101)通过锗透镜(902)成斜角45度照射在焦平面阵列(103)上，参考光波如可见光(102)用发光二极管(905)从另一个斜角45度照射在焦平面阵列上。可见光穿过焦平面阵列投射在CCD探测器阵列(107)上。

Claims

1、一种基于光读出的成像系统，其包括：参考光源，焦平面阵列和读出探测器阵列，目标光波和参考光源发出的参考光波入射到焦平面阵列上，经焦平面阵列透射或反射的参考光波转换成读出光波，由读出探测器探测并成像。

2、根据权利要求1所述的成像系统，还包括：目标光波光学透镜和分光器，目标光波通过目标光波光学透镜将目标光波聚焦并穿过分光器透射到焦平面阵列上，参考光波经分光器反射到焦平面阵列上，将参考光波转换成读出光波，然后由读出探测器探测并成像。

3、根据权利要求2所述的成像系统，其中，参考光波经分光器反射到焦平面阵列上，经焦平面阵列反射，形成读出光波，然后读出光波由读出探测器探测并成像。

4、根据权利要求2或3所述的成像系统，还包括一个读出光波光学透镜，读出光波经读出光波光学透镜聚焦到读出探测器上。

5、根据权利要求1所述的成像系统，还包括一个可供肉眼直接观测所成的远红外线图像的放大镜。

6、根据权利要求1所述的成像系统，其中所述的焦平面阵列为一个对参考光波的光学特性随温度而变化的焦平面阵列。

7、根据权利要求1或6所述的成像系统，其中所述的焦平面阵列为一个由折射率、吸收率、或偏振角随温度变化的材料所制成的焦平面阵列。

8、根据权利要求1所述的成像系统，其中所述的焦平面阵列为一个可形成相干效应的多层材料制成的焦平面阵列。

9、根据权利要求1所述的成像系统，其中所述的焦平面阵列为一个形状在吸收目标光波后发生变化的像素所组成的焦平面阵列。

10、根据权利要求1所述的成像系统，其中所述的焦平面阵列为一个像素与衬底之间的有相干效应的焦平面阵列。

11、根据权利要求1所述的成像系统，焦平面阵列的像素上制作发光电子器件，发出的光的特性(如光强，角度，偏振度，等等)与像素的温度有关。

12、根据权利要求1-3，5，6，8-11任意一项所述的成像系统，其中参考光波可以是可见光、紫外线、或近红外线。

13、根据权利要求4所述的成像系统，其中参考光波可以是可见光、紫外线、或近红外线。

14、根据权利要求7所述的成像系统，其中参考光波可以是可见光、紫外线、或近红外线。

15、根据权利要求12所述的成像系统，读出探测器可以是CCD照相机的探测器或CMOS照相机的探测器。