一種新型非製冷紅外焦平面成像系統的製作方法

2023-09-21 06:39:05

專利名稱：一種新型非製冷紅外焦平面成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型非製冷紅外焦平面陣列成像系統，尤其是一種雙光路、光學 讀出形式的非製冷紅外焦平面陣列成像系統。
背景技術：
傳統的紅外熱成像系統屬於掃描型熱成像系統，由於其工藝複雜，價格高昂，體積 大、功耗大，很難大規模的使用。近年來非製冷FPA紅外熱成像技術的發展使得紅外熱成像 系統的製造成本、體積、重量、功耗都大幅降低，也因此逐漸在越來越多的領域實現了產品 化。一種新的非製冷紅外成像技術是紅外焦平面陣列成像系統，它的特點是採用焦平 面陣列器件FPA作為紅外圖像傳感器。FPA是基於MEMS技術的器件，它由微米量級的微像 元單元陣列組成，而每一個微像元單元又由微懸臂梁和小反射鏡組成。微懸臂梁由兩種熱 膨脹係數相差較大的材料構成，當微懸臂梁吸收紅外輻射後，梁的溫度上升，雙材料層之間 會很快達到熱平衡，熱平衡後，由於兩種材料的熱膨脹係數差別較大，它們之間的應力將使 梁產生彎曲，彎曲量與微懸臂梁吸收的熱量成正比。小反射鏡與只與微懸臂梁連接，所以微 懸臂梁的彎曲會帶動反射鏡旋轉，如果能夠測出反射鏡偏轉的角度值，就可以知道每個像 元單元的微懸臂梁所吸收的熱量，多像元構成陣列，也就可以形成紅外輻射源的溫度場，換 言之，也就是可以得到目標物體的紅外輻射圖像。目前微懸臂梁變形的檢測方式有兩種，一種叫做電讀出，另一種叫做光讀出。電讀 出方式是通過檢測微懸臂梁彎曲處的電容或電阻等電學參數的變化情況，來獲得懸臂梁的 形變量，進而推算出微懸臂梁吸收的紅外熱輻射，恢復出目標物體的紅外輻射圖像。其特點 是需要配置的外圍設備比較簡單，技術也相對成熟，但是要在FPA上構造複雜的電信號放 大讀出電路，使得FPA的製造難度加大，並且由於該部分電路本身會產生熱量，所以會在一 定程度上影響紅外圖像的質量。另一種叫做光讀出，是用可見光照射FPA，通過檢測反射光 的變化量間接獲得懸臂梁的變形量，其特點是要將紅外信號通過後續光學讀出系統轉換為 可見光信號，通過對可見光信號的探測與處理獲得紅外圖像信號。與電讀出相比，光讀出增 加了一個紅外光到可見光的轉換過程，即FPA外圍需要配置一套可見光成像系統，但是不 需要在FPA上構造讀出電路，使得PFA製造工藝簡化，同時也避免了讀出電路產生的熱量對 成像質量的影響。光讀出非製冷紅外成像系統，是用一束非幹涉平行可見光照射已經被紅外輻射照 射的FPA，紅外焦平面陣列的各像元由於吸收熱量的不同產生了不同的變形，被這些像元反 射以後的平行光也就攜帶了紅外焦平面陣列像元變形情況的信息，接收這些反射光並計算 處理，就可以得到目標物體的纖外輻射圖像。許多專家和學者推算，光讀出系統理論上比電讀出微懸臂梁FPA系統具有更低的 背景噪聲，更高的靈敏度。但是就目前國內外技術資料來看，光讀出系統還遠遠未達到預期 的成像效果，甚至還低於電讀出方式，其原因有兩個方面，一方面是紅外焦平面陣列器件製造工藝水平的制約，另一方面是光學讀出系統成像性能，這兩個方面也是進一步提高光讀 出非製冷紅外焦平面陣列成像系統性能的重要研究方向。

發明內容
本發明的目的是針對提高光讀出非製冷紅外焦平面陣列成像系統靈敏度的問題， 提供一種具有雙光路的、可以有效扣除消除光源電源紋波、光源老化、環境溫度與照度變化 對系統的影響，提高系統工作的穩定性與可靠性技術。本發明的目的是由以下技術方案來實現①本發明的新型非製冷紅外焦平面陣列成像系統，包括紅外成像光路、照明光路、 分光裝置、光學讀出光路、參比光路和圖像採集與處理裝置。紅外成像光路包含紅外成像鏡 頭和紅外焦平面陣列傳感器，紅外鏡頭將目標物體的熱圖像成像在紅外焦平面傳感器上， 使紅外焦平面傳感器像元陣列產生變化；照明光路包含光源、準直鏡頭與反射鏡，為整個系 統提供可見光束；分光裝置包含分光元件，將光源發出的光按照一定的比例分成兩束；光 學讀出光路包含若干成像鏡頭和濾波器，用於對攜帶有紅外圖像信號的可見光成像在CCD 靶面上；參比光路包含反射鏡、若干成像鏡頭和濾波器，用於監控光源電源紋波、光源老化、 環境溫度與照度變化。②該系統地成像特點是從光源發出的光，被擴束、準直以後，按一定的比例分成 兩束，其中一束經過紅外成像光路和光學讀出光路，對外界目標成紅外像，另一束通過參比 光路，提供參比信號，且這兩束光經過的光程基本相等，時間上也同步。③該系統在圖像處理過程中，用參比信號對紅外像進行實時修正，扣除光源電源 紋波、光源老化、環境溫度與照度變化對系統成像質量和靈敏度的影響，提高系統工作的穩 定性與可靠性。有益效果採用本發明可以實現對紅外圖像的實時修正，扣除由於光源電源紋波等因素對系 統成像性能的影響。較之早前的非製冷紅外焦平面成像系統，在同等照明功耗的前提下，其 成像性能得到提高，並且對光源電源的性能要求也降低。


圖1是現有的單光束光讀出非製冷紅外焦平面成像系統示意圖；圖2是本發明的新型雙光束光讀出非製冷紅外焦平面成像系統示意圖；其中，附圖標記說明如下圖中1.紅外成像鏡頭組；2.光源準直鏡頭組；3.分光 組件；4.讀出光路；5.參比光路；6.圖像採集和處理裝置；7.焦平面陣列；8.單色光源
具體實施例方式下面將詳細描述本發明的具體實施例。1.系統組成本發明的新型光讀出非製冷紅外焦平面成像系統，由紅外成像光路、照明光路、分 光裝置、光學讀出光路、參比光路和圖像採集與處理裝置組成，具體如圖2所示紅外成像光路由紅外成像鏡頭組1和焦平面陣列7組成，紅外鏡頭將外界目標的熱圖像成像於焦平面陣列7上，使7的像元陣列產生規律的變化；照明光路包含光源8和光源準直鏡頭組2，照明光路為整個系統提供可見、非幹 涉、平行的照明光束；分光裝置主要包含分光組件2，其主要功能是將光源發出的光按照一定的比例分 成兩束，一束直接射入到參比光路，另一束照向焦平面陣列7，並被攜帶有紅外圖像信號的 7調製；光學讀出光路4包含若干成像鏡頭和濾波器，用於對攜帶有紅外圖像信號的光束 分支成像，並將圖像送到圖像採集和處理裝置中；參比光路5包含反射鏡、若干成像鏡頭和濾波器，利用分光組件分出的一束光，對 光源電源紋波、光源老化、環境溫度與照度變化進行監控；圖像採集和處理裝置6，對光學讀出光路和參比光路提供的信號按照一定的規律 處理，並輸出紅外熱圖像。2.成像過程本發明的新型雙光束光讀出非製冷紅外焦平面成像系統，其成像過程如圖2所 示外界目標的紅外熱圖像通過紅外鏡頭1進入本發明的非製冷紅外焦平面成像系 統，並成像於焦平面陣列7上，如箭頭VI所示。焦平面陣列7由於吸收了熱，像元陣列的反 射鏡在懸臂梁的帶動下會發生偏轉。光源8發出的發散光，被準直鏡頭組2擴束、準直、折轉以後，射入分光裝置3，如箭 頭I所示。分光裝置3將入射的平行光束按照一定比例分成兩束，一束射入參比光路，如箭 頭Π所示，另一路射向焦平面陣列7，被焦平面陣列7調製，如箭頭III所示。被焦平面這 列7調製以後的光束，攜帶了外界目標的紅外熱圖像，該光束被7反射，穿過分光組件後，進 入到光學讀出光路4，如箭頭IV所示，光學讀出光路將其成像於信息採集與處理裝置。進 入參比光路5的光束被反射、成像於信息採集與處理裝置，實時監控光源電源紋波、光源老 化、環境溫度與照度變化，如箭頭V所示。3.用參比信號實時修正紅外圖像本發明的新型雙光束光讀出非製冷紅外焦平面成像系統，用參比信號實時修正紅 外圖像如下(1)紅外圖像的獲取附圖1所示的單光束光讀出非製冷紅外焦平面成像系統的紅外圖像採集過程為 首先由系統對參考黑體成像，此時默認為外界環境對焦平面陣列7無調製作用，則圖像採 集和處理裝置6各像元獲得一個能量；然後系統對外界紅外物體成像，外界圖像經由紅 外鏡頭組1成像於焦平面陣列7上，使焦平面陣列5的像元產生相應的角度偏轉，導致圖像 採集和處理裝置6的各像元獲得的能量Ei與產程差異，二者的差即紅外熱圖像，即紅外熱圖像Ei0 = E0-Ei其中=E0= E · Il1 · η2 · η0 · η3........................... (1)Ei = E · Il1 『 η2· η· η3........................... (2)E為光源8發光強度，Il1為光源準直鏡頭組2的光傳遞效率，η2為分光組件3的 光傳遞效率，nO為焦平面陣列7的光傳遞效率，n3為讀出光路4的光輸效率，n為系統對紅外物體成像以後焦平面陣列7的光傳遞效率；所以Ei0= ^1-Ei= E · Il1 『 η 2 · η 3 · ( η 0_ η ).................. (3)實質上E = Ee+AEt，而0時刻和t時刻ΔΕ是不同的(H1 · η2 · η3也會隨時間 t有所變化，但主要是Δ^)，即式(1)和O)中的Ε· Il1 . η2. η3並不完全相同(其中 主要是Ε)。直接採用式C3)進行圖像計算，會引入誤差。(2)用參比信號實時修正紅外圖像圖2所示的新型雙光束光讀出非製冷紅外焦平面成像系統，在圖1的基礎上增加 了一個參比光通道5，且確保參比光通道5與原來的讀出光路4等光程，即參比光路5的 E' · n/ · n2' · n3'與讀出光路4的E · Ji1 · n2 · n3—致。同單光束光讀出非製冷
紅外焦平面成像系統一樣，讀出光路4有E0S = (Ee+ AE0) · H1 『 η 2 · η 0 · η 3..................... (4)Eis = (Ee+Δ Et) · η" η2 · η · η3 ..................... (5)參比光路5有EOp= (Ee+ Δ E0) 『 .η/ · η2' · η3'= (Ee+ Δ E0) · η 丄· η 2 · η 3..................... (6)Eip= (Ee+Δ Et)' ·η/ ·η2' ·η3'= (Ee+Δ Et) · η" η2· η3..................... (7)令=Ei0= E0-Ei = (E0s/E0p)-(Eis/Eip) = n0-n ............ (8) 根據式(8)可以看出，新型雙光束光讀出非製冷紅外焦平面成像系統較好的去除 了光源電源紋波、光源老化、環境溫度與照度變化對系統成像的影響。通過後續的圖像處 理，可以更好的獲得紅外圖像，提高系統工作的穩定性與可靠性。
權利要求
1.一種新型非製冷紅外焦平面陣列成像系統，包括紅外成像光路、照明光路、分光裝 置、光學讀出光路、參比光路、圖像採集及處理裝置，其特徵在於有兩個光學通道，其中一個 光學通道對外界物體成紅外熱圖像，另一個光學通道提供參考信息，在圖像處理時，利用參 考信息對紅外熱圖像進行實時修正，從而消除光源電源紋波、光源老化、環境溫度與照度變 化對系統成像精度和靈敏度的影響，提高系統工作的穩定性與可靠性。
2.根據權利要求1所述的新型非製冷紅外焦平面陣列成像系統，其特徵在於紅外成像 光路包含紅外成像鏡頭和紅外焦平面陣列，照明光路包含光源、準直鏡頭與反射鏡，分光裝 置包含分光元件，光學讀出光路包含若干成像鏡頭和濾波器，參比光路包含反射鏡、若干成 像鏡頭和濾波器。
3.根據權利要求1所述的新型非製冷紅外焦平面陣列成像系統，其特徵在於從光源發 出的發散光經若干透鏡擴束、準直後、反射後，進入分光裝置。
4.根據權利要求1所述的新型非製冷紅外焦平面陣列成像系統，其特徵在於所述分光 元件將入射的一束平行光分成兩束，一束用以探測紅外焦平面陣列像元的變形量，形成紅 外熱圖像，另一束用以提供參考光信息。
5.根據權利要求4所述的新型非製冷紅外焦平面成像系統，其特徵在於光學讀出光路 與參比光路光程一致。
6.根據權利要求4和5所述的新型非製冷紅外焦平面成像系統，其特徵在於圖像採集 和處理裝置同時採集光學讀出光路和參比光路的信號。
7.根據權利要求4、5和6所述的新型非製冷紅外焦平面成像系統，其特徵在於圖像採 集和處理裝置利用參比光路的信號，對光學讀出光路輸出的紅外圖像信號進行實時修正， 消除光源電源紋波、光源老化、環境溫度與照度變化對系統成像精度和靈敏度的影響。
全文摘要
本發明提供了一種新型非製冷紅外焦平面陣列成像系統，包括紅外成像光路1和7、照明光路2和8、分光裝置3、光學讀出光路4、參比光路5和圖像採集及處理系統6。1將外界景物的熱圖像成像在紅外焦平面陣列7上，使7的陣列像元產生變化；從2出射的平行光被3分成兩束，其中一束進入1，被攜帶外界紅外熱圖像信號的7調製，然後進入4，另一束直接進入5；從4和5出射的光同時進入6，經過處理，輸出紅外熱圖像。本發明的核心在於增加了5，在圖像處理時，可利用5的輸出信號對4輸出的紅外熱圖像進行實時修正，從而消除光源電源紋波、光源老化、環境溫度與照度變化對系統成像精度和靈敏度的影響，提高系統工作的穩定性與可靠性。
文檔編號G01J5/02GK102103017SQ20101053338
公開日2011年6月22日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者於曉梅, 劉小華, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進, 龔誠 申請人:北京理工大學