CN101866031A - 利用光纤束进行调制的光学读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明为利用光纤束进行调制的光学读出方法，属于纤维光学在光学读出式红外焦平面热成像技术领域的应用，针对光学读出式红外焦平面阵列各成像单元初始姿态不一致造成的各零级光谱不一致，从而给滤波造成困难的问题。采用该方案可以代替刀口(或者小孔)进行光学滤波，同时对由于环境条件所限而产生的杂散光具有很好的抑制作用，从而改善输出图像的质量。主要过程是光线在光纤中遵循全反射原理进行传输，光纤对光线的入射角有严格的要求，不满足入射角度的光线(例如环境中的杂散光)在光纤中不能发生全反射而被折射到包层中，即光纤束不传输此部分光线，从而抑制了杂散光。而满足入射角度的光线(例如扩束准直光源)能够通过全反射原理被传递到光纤束的后端面。当后端面处放置的焦平面阵列由于受热发生偏转后，导致从此端面进入到光纤的光线角度发生变化，则从前端面出射的光线角度也会随之变化，光学接收器上接收到的光能就会发生变化，体现在图像上便是明暗程度的变化。

Description

利用光纤束进行调制的光学读出方法

技术领域

本发明是一种光学读出式红外焦平面阵列热成像***的光学读出处理技术，利用该技术可以代替刀口或者小孔对***进行滤波，简化了***的结构；并且对环境中的杂散光有显著的抑制作用，令后续的图像处理过程可以获得更好的效果，提高图像质量。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断进步，非制冷型红外热成像***取得了飞速发展，逐步形成了以下几种读出方法：①电学读出方法：将红外辐射能转变为焦平面上探测单元的热能，局部的温度变化引起焦平面探测单元的可测物理参量变化，例如电阻抗变化，再用流入探测单元阵列的电信号来读出温度变化，从而给出热图像。采用电学读出方法的非制冷焦平面阵列红外热成像***的优点是无需配备制冷装置，且焦平面阵列工艺与IC工艺兼容，已逐渐取代传统的制冷型***，成为当今热成像***的主流。缺点是它除了微读出阵列电路的制作难度外，其探测单元与基板的导线连接，降低了探测单元的绝热效果，而且让电流流过探测单元本身会起加热作用，影响单元的温度测量精度，另外，基板与探测单元之间的悬支间隙使得空气层的热传导作用不可忽略，因而要求FPA必须置于高真空度(0.01Pa)的真空腔中，从而增加了技术上的难度。②光学读出方法：将红外辐射能转变为焦平面上探测单元的热能，温度变化导致焦平面探测单元的转角或离面位移发生变化，通过光学读出***检测探测单元输出光谱的变化来解读出焦平面探测单元的转角或离面位移的变化和分布，从而给出红外辐射物体的热图像。相比于电学读出方式，其优点是背景噪声低，结构简单和造价低，近年来开始受到关注。国际上陆续有多家机构投入到对此项课题的研究当中，其中主要包括美国橡树岭国家实验室、加州大学伯克利分校、Sarcon/Sarnoff微***公司、多谱成像公司、Agiltron公司，日本的Nikon公司，北京理工大学、北京大学、中国科学院微电子所以及中国科学技术大学等。美国Agiltron公司制造的高速光学读出焦平面阵列，其探测噪声等效温差已经达到120mK，阵列尺寸280x240，输出可达1000帧每秒。但目前此项技术还不够成熟，离商业化还有一定的距离，尚停留在实验研究阶段。

焦平面阵列的光学读出技术，主要是将焦平面阵列表面单元在红外热作用下的微小形变转变为可直接用肉眼观察的图像的技术。焦平面阵列热变形主要是基于双材料梁受热变形的机理，阵列单元的尺度约在几十微米量级，每个单元内部都包含着一个或若干个的双材料复合悬臂梁，构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差悬殊，为了便于可见光探测，在双材料梁结构上会固定高反射率的材料制成的反射面或反射体，在红外线的热作用下悬臂梁会发生微小的弯曲，带动反射面偏转而改变入射光的相位。

光纤束中光纤是有规律的相关排列的，每根光纤在入射端和出射端的几何位置完全一致，可以高保真地传递高清晰度的图像，是性能优越的光电成像和图像传输元件。光纤束中的每根纤维可以独立传送一个像素，具有良好的光学绝缘性能，传光时可以不受周围纤维的影响。

发明内容

本发明的目的是利用光纤束的传像特性，对经焦平面阵列单元反射的光线进行调制，读出焦平面阵列受热后单元偏转的信息；滤除***杂散光，抑制噪声。

本发明的目的是由以下技术方案来实现：①环境中不存在红外辐射物体时，焦平面阵列每个单元均不发生偏转，准直光以特定角度进入到光纤束中，经过多次全反射照射到焦平面阵列上，经焦平面阵列反射后，部分反射光再次进入到光纤束中，光学接收器接收此部分光能，并作为基准。②环境中有物体发出红外辐射时，焦平面阵列由于双材料效应发生偏转，照射在焦平面阵列上的光线的反射角就会发生变化，这样光纤束前端面出射光线的角度就会随着其后端面入射光线角度的变化而改变，光学接收器上接收到的光能会增大或减小，与基准“相减”后可以得到辐射物体的热图像。

有益效果

采用本发明可以替代现有的刀口或者小孔滤波元件进行滤波，简化***结构；利用光纤的传光特性，减小环境中杂散光对***成像的影响，抑制噪声，改善输出图像质量；利用光纤束，可以进行远距离传输，避免信号的电磁干扰。

附图说明

图1为基于本发明的以焦平面阵列为核心的热成像***原理示意图，

图2为光纤束的端面形式，

图3为环境中没有辐射源和有辐射源两种情况下光线在光纤束中的传输对比，其中(a)为环境中没有红外辐射源的情况，(b)为环境中存在红外辐射源的情况，

其中：1-光源，2-半反半透镜，3-外界入射红外线，4-红外透镜，5-焦平面阵列，6-光纤束，7、8-傅里叶透镜，9-相机，10-数字图像处理器，11-显示器，21-两端面均为平面的光纤束，22-一个端面带有倾角的光纤束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

图1为光学***原理图。光源1发出的光经过准直通过半反半透镜2照射在光纤束5上，并由光纤束5传输到焦平面阵列6上，阵列6反射的光线经5传输后又被傅里叶透镜7和8成像在相机9上。当环境中没有红外辐射时，由数字图像处理器10采集一帧图像并保存下来作为背景；当环境中有红外辐射时，外界入射红外线3经红外透镜4聚焦在焦平面阵列6上，由于双材料效应，6的每个单元会发生偏转，入射到6上的光线经6反射后，光线也将发生偏转，经过光纤束5的传输，相机9上所接收到的图像也将随之发生改变。数字图像处理器10将当前采集的图像与之前保存的背景图像相减后输出显示在显示器11上，即得到可见的目标温度场分布。

光纤束的两个端面可以是平行的，如图2(a)所示；也可以是不平行的，即其中一个端面与光纤垂直，另一个端面则与光纤不垂直，如图2(b)所示。

图3(a)为焦平面阵列未受热时的光线以及经过焦平面阵列反射后的光线在光纤束中的传输情况。假设入射到光纤束上的光线是垂直于平端面的，经过多次全反射，光线将被传输到光纤束的另一个端面(倾斜端面)上，经过焦平面阵列金属层的反射，光线将以特定的角度入射到光纤束的倾斜端面上，在平端面将以

角出射。图3(b)为焦平面阵列受到外界红外辐射产生偏转角δ后光线在光纤中的传输情况。此时由光纤束平端面射出的光与端面的夹角将不再是

而变成了实际上，光纤束端面输出的是一个以出射光角度为锥顶角的光锥状光场，当焦平面阵列产生热致转角后，光场的锥顶角会变大或者变小，这样CCD上接收到的光能也会随之发生变化，体现在图像上便是明暗程度的变化。

Claims (5)

1.一种利用光纤束进行调制的光学读出方法，其特征在于：利用光纤束对经焦平面阵列单元反射的光线进行调制，读出焦平面阵列受热后单元偏转的信息；利用光纤束滤除***杂散光，实现抑制噪声的目的。

2.如权利要求1所述的利用光纤束进行调制的光学读出方法，其特征在于：当焦平面阵列单元受热产生热致转角后，光纤束前端面光线出射的角度将随光纤束后端面光线入射的角度发生改变，光学接收器上接收到的光能就会相应变化。即焦平面阵列单元的反射光被光纤束调制。

3.如权利要求1所述的利用光纤束进行调制的光学读出方法，其特征在于：光线在光纤中传输需要遵循全反射原理，光纤对光线的入射角度有严格的要求，不满足入射角度要求的光线在光纤中不发生全反射而是被折射到包层中，即不传输此部分不满足要求的光线，抑制了***杂散光。

4.如权利要求1所述的利用光纤束进行调制的光学读出方法，其特征在于：光纤束的两端面既可以是平面，也可以是一端带有倾角的斜面。

5.如权利要求1所述的利用光纤束进行调制的光学读出方法，其特征在于：调制所用的元件，不局限于规则排列的光纤束，也可采用光纤面板。

Images