CN102103017A - 一种新型非制冷红外焦平面成像*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型非制冷红外焦平面阵列成像***，包括红外成像光路1和7、照明光路2和8、分光装置3、光学读出光路4、参比光路5和图像采集及处理***6。1将外界景物的热图像成像在红外焦平面阵列7上，使7的阵列像元产生变化；从2出射的平行光被3分成两束，其中一束进入1，被携带外界红外热图像信号的7调制，然后进入4，另一束直接进入5；从4和5出射的光同时进入6，经过处理，输出红外热图像。本发明的核心在于增加了5，在图像处理时，可利用5的输出信号对4输出的红外热图像进行实时修正，从而消除光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化对***成像精度和灵敏度的影响，提高***工作的稳定性与可靠性。

Description

一种新型非制冷红外焦平面成像***

技术领域

本发明涉及一种新型非制冷红外焦平面阵列成像***，尤其是一种双光路、光学读出形式的非制冷红外焦平面阵列成像***。

背景技术

传统的红外热成像***属于扫描型热成像***，由于其工艺复杂，价格高昂，体积大、功耗大，很难大规模的使用。近年来非制冷FPA红外热成像技术的发展使得红外热成像***的制造成本、体积、重量、功耗都大幅降低，也因此逐渐在越来越多的领域实现了产品化。

一种新的非制冷红外成像技术是红外焦平面阵列成像***，它的特点是采用焦平面阵列器件FPA作为红外图像传感器。FPA是基于MEMS技术的器件，它由微米量级的微像元单元阵列组成，而每一个微像元单元又由微悬臂梁和小反射镜组成。微悬臂梁由两种热膨胀系数相差较大的材料构成，当微悬臂梁吸收红外辐射后，梁的温度上升，双材料层之间会很快达到热平衡，热平衡后，由于两种材料的热膨胀系数差别较大，它们之间的应力将使梁产生弯曲，弯曲量与微悬臂梁吸收的热量成正比。小反射镜与只与微悬臂梁连接，所以微悬臂梁的弯曲会带动反射镜旋转，如果能够测出反射镜偏转的角度值，就可以知道每个像元单元的微悬臂梁所吸收的热量，多像元构成阵列，也就可以形成红外辐射源的温度场，换言之，也就是可以得到目标物体的红外辐射图像。

目前微悬臂梁变形的检测方式有两种，一种叫做电读出，另一种叫做光读出。电读出方式是通过检测微悬臂梁弯曲处的电容或电阻等电学参数的变化情况，来获得悬臂梁的形变量，进而推算出微悬臂梁吸收的红外热辐射，恢复出目标物体的红外辐射图像。其特点是需要配置的***设备比较简单，技术也相对成熟，但是要在FPA上构造复杂的电信号放大读出电路，使得FPA的制造难度加大，并且由于该部分电路本身会产生热量，所以会在一定程度上影响红外图像的质量。另一种叫做光读出，是用可见光照射FPA，通过检测反射光的变化量间接获得悬臂梁的变形量，其特点是要将红外信号通过后续光学读出***转换为可见光信号，通过对可见光信号的探测与处理获得红外图像信号。与电读出相比，光读出增加了一个红外光到可见光的转换过程，即FPA***需要配置一套可见光成像***，但是不需要在FPA上构造读出电路，使得PFA制造工艺简化，同时也避免了读出电路产生的热量对成像质量的影响。

光读出非制冷红外成像***，是用一束非干涉平行可见光照射已经被红外辐射照射的FPA，红外焦平面阵列的各像元由于吸收热量的不同产生了不同的变形，被这些像元反射以后的平行光也就携带了红外焦平面阵列像元变形情况的信息，接收这些反射光并计算处理，就可以得到目标物体的纤外辐射图像。

许多专家和学者推算，光读出***理论上比电读出微悬臂梁FPA***具有更低的背景噪声，更高的灵敏度。但是就目前国内外技术资料来看，光读出***还远远未达到预期的成像效果，甚至还低于电读出方式，其原因有两个方面，一方面是红外焦平面阵列器件制造工艺水平的制约，另一方面是光学读出***成像性能，这两个方面也是进一步提高光读出非制冷红外焦平面阵列成像***性能的重要研究方向。

发明内容

本发明的目的是针对提高光读出非制冷红外焦平面阵列成像***灵敏度的问题，提供一种具有双光路的、可以有效扣除消除光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化对***的影响，提高***工作的稳定性与可靠性技术。

本发明的目的是由以下技术方案来实现：

①本发明的新型非制冷红外焦平面阵列成像***，包括红外成像光路、照明光路、分光装置、光学读出光路、参比光路和图像采集与处理装置。红外成像光路包含红外成像镜头和红外焦平面阵列传感器，红外镜头将目标物体的热图像成像在红外焦平面传感器上，使红外焦平面传感器像元阵列产生变化；照明光路包含光源、准直镜头与反射镜，为整个***提供可见光束；分光装置包含分光元件，将光源发出的光按照一定的比例分成两束；光学读出光路包含若干成像镜头和滤波器，用于对携带有红外图像信号的可见光成像在CCD靶面上；参比光路包含反射镜、若干成像镜头和滤波器，用于监控光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化。

②该***地成像特点是：从光源发出的光，被扩束、准直以后，按一定的比例分成两束，其中一束经过红外成像光路和光学读出光路，对外界目标成红外像，另一束通过参比光路，提供参比信号，且这两束光经过的光程基本相等，时间上也同步。

③该***在图像处理过程中，用参比信号对红外像进行实时修正，扣除光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化对***成像质量和灵敏度的影响，提高***工作的稳定性与可靠性。

有益效果

采用本发明可以实现对红外图像的实时修正，扣除由于光源电源纹波等因素对***成像性能的影响。较之早前的非制冷红外焦平面成像***，在同等照明功耗的前提下，其成像性能得到提高，并且对光源电源的性能要求也降低。

附图说明

图1是现有的单光束光读出非制冷红外焦平面成像***示意图；

图2是本发明的新型双光束光读出非制冷红外焦平面成像***示意图；

其中，附图标记说明如下：图中1.红外成像镜头组；2.光源准直镜头组；3.分光组件；4.读出光路；5.参比光路；6.图像采集和处理装置；7.焦平面阵列；8.单色光源

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。

1.***组成

本发明的新型光读出非制冷红外焦平面成像***，由红外成像光路、照明光路、分光装置、光学读出光路、参比光路和图像采集与处理装置组成，具体如图2所示：

红外成像光路由红外成像镜头组1和焦平面阵列7组成，红外镜头将外界目标的热图像成像于焦平面阵列7上，使7的像元阵列产生规律的变化；

照明光路包含光源8和光源准直镜头组2，照明光路为整个***提供可见、非干涉、平行的照明光束；

分光装置主要包含分光组件2，其主要功能是将光源发出的光按照一定的比例分成两束，一束直接射入到参比光路，另一束照向焦平面阵列7，并被携带有红外图像信号的7调制；

光学读出光路4包含若干成像镜头和滤波器，用于对携带有红外图像信号的光束分支成像，并将图像送到图像采集和处理装置中；

参比光路5包含反射镜、若干成像镜头和滤波器，利用分光组件分出的一束光，对光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化进行监控；

图像采集和处理装置6，对光学读出光路和参比光路提供的信号按照一定的规律处理，并输出红外热图像。

2.成像过程

本发明的新型双光束光读出非制冷红外焦平面成像***，其成像过程如图2所示：

外界目标的红外热图像通过红外镜头1进入本发明的非制冷红外焦平面成像***，并成像于焦平面阵列7上，如箭头VI所示。焦平面阵列7由于吸收了热，像元阵列的反射镜在悬臂梁的带动下会发生偏转。

光源8发出的发散光，被准直镜头组2扩束、准直、折转以后，射入分光装置3，如箭头I所示。分光装置3将入射的平行光束按照一定比例分成两束，一束射入参比光路，如箭头II所示，另一路射向焦平面阵列7，被焦平面阵列7调制，如箭头III所示。被焦平面这列7调制以后的光束，携带了外界目标的红外热图像，该光束被7反射，穿过分光组件后，进入到光学读出光路4，如箭头IV所示，光学读出光路将其成像于信息采集与处理装置。进入参比光路5的光束被反射、成像于信息采集与处理装置，实时监控光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化，如箭头V所示。

3.用参比信号实时修正红外图像

本发明的新型双光束光读出非制冷红外焦平面成像***，用参比信号实时修正红外图像如下：

(1)红外图像的获取

附图1所示的单光束光读出非制冷红外焦平面成像***的红外图像采集过程为：首先由***对参考黑体成像，此时默认为外界环境对焦平面阵列7无调制作用，则图像采集和处理装置6各像元获得一个能量E₀；然后***对外界红外物体成像，外界图像经由红外镜头组1成像于焦平面阵列7上，使焦平面阵列5的像元产生相应的角度偏转，导致图像采集和处理装置6的各像元获得的能量Ei与E₀产程差异，二者的差即红外热图像，即：

红外热图像Ei₀＝E₀-Ei

其中：E₀＝E·η₁·η₂·η₀·η₃………………………(1)

Ei＝E·η₁·η₂·η·η₃       ………………………(2)

E为光源8发光强度，η₁为光源准直镜头组2的光传递效率，η₂为分光组件3的光传递效率，η₀为焦平面阵列7的光传递效率，η₃为读出光路4的光输效率，η为***对红外物体成像以后焦平面阵列7的光传递效率；

所以：Ei₀＝E₀-Ei

＝E·η₁·η₂·η₃·(η₀-η)………………(3)

实质上E＝Ee+ΔEt，而0时刻和t时刻ΔE是不同的(η₁·η₂·η₃也会随时间t有所变化，但主要是ΔEt)，即式(1)和(2)中的E·η₁·η₂·η₃并不完全相同(其中主要是E)。直接采用式(3)进行图像计算，会引入误差。

(2)用参比信号实时修正红外图像

图2所示的新型双光束光读出非制冷红外焦平面成像***，在图1的基础上增加了一个参比光通道5，且确保参比光通道5与原来的读出光路4等光程，即参比光路5的E′·η₁′·η₂′·η₃′与读出光路4的E·η₁·η₂·η₃一致。同单光束光读出非制冷红外焦平面成像***一样，读出光路4有：

E₀s＝(Ee+ΔE₀)·η₁·η₂·η₀·η₃…………………(4)

Eis＝(Ee+ΔEt)·η₁·η₂·η·η₃ …………………(5)

参比光路5有：

EOp＝(Ee+ΔE₀)′·η₁′·η₂′·η₃′

＝(Ee+ΔE₀)·η₁·η₂·η₃        …………………(6)

Eip＝(Ee+ΔEt)′·η₁′·η₂′·η₃′

＝(Ee+ΔEt)·η₁·η₂·η₃                 …………………(7)

令：Ei₀＝E₀-Ei＝(E₀s/E₀p)-(Eis/Eip)＝η₀-η     …………(8)

根据式(8)可以看出，新型双光束光读出非制冷红外焦平面成像***较好的去除了光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化对***成像的影响。通过后续的图像处理，可以更好的获得红外图像，提高***工作的稳定性与可靠性。

Claims (7)

1.一种新型非制冷红外焦平面阵列成像***，包括红外成像光路、照明光路、分光装置、光学读出光路、参比光路、图像采集及处理装置，其特征在于有两个光学通道，其中一个光学通道对外界物体成红外热图像，另一个光学通道提供参考信息，在图像处理时，利用参考信息对红外热图像进行实时修正，从而消除光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化对***成像精度和灵敏度的影响，提高***工作的稳定性与可靠性。

2.根据权利要求1所述的新型非制冷红外焦平面阵列成像***，其特征在于红外成像光路包含红外成像镜头和红外焦平面阵列，照明光路包含光源、准直镜头与反射镜，分光装置包含分光元件，光学读出光路包含若干成像镜头和滤波器，参比光路包含反射镜、若干成像镜头和滤波器。

3.根据权利要求1所述的新型非制冷红外焦平面阵列成像***，其特征在于从光源发出的发散光经若干透镜扩束、准直后、反射后，进入分光装置。

4.根据权利要求1所述的新型非制冷红外焦平面阵列成像***，其特征在于所述分光元件将入射的一束平行光分成两束，一束用以探测红外焦平面阵列像元的变形量，形成红外热图像，另一束用以提供参考光信息。

5.根据权利要求4所述的新型非制冷红外焦平面成像***，其特征在于光学读出光路与参比光路光程一致。

6.根据权利要求4和5所述的新型非制冷红外焦平面成像***，其特征在于图像采集和处理装置同时采集光学读出光路和参比光路的信号。

7.根据权利要求4、5和6所述的新型非制冷红外焦平面成像***，其特征在于图像采集和处理装置利用参比光路的信号，对光学读出光路输出的红外图像信号进行实时修正，消除光源电源纹波、光源老化、环境温度与照度变化对***成像精度和灵敏度的影响。

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