CN107085313B - 基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器及该滤波器的操作方法 - Google Patents

基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器及该滤波器的操作方法 Download PDF

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Abstract

基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器及该滤波器的操作方法，涉及红外成像、景象生成技术领域。本发明是为了解决红外成像***冷反射的问题。本发明所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，第一旋转框位于腔体的开口处，第一旋转框能够以其中轴为转轴旋转，第一旋转框和第二旋转框通过偏心的旋转销轴转动连接，使得第二旋转框能够以旋转销轴为转轴旋转，第二锁紧钉用于将第一旋转框和第二旋转框相对固定，电阻阵列和镜头均位于腔体内，微透镜阵列嵌固在第二旋转框的中心通孔处，电阻阵列与微透镜阵列分别位于镜头前后二倍焦距处，且电阻阵列的中心、镜头的光轴和第一旋转框的中轴共线。本发明适用于红外成像***中。

Description

基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器及该滤波 器的操作方法
技术领域
本发明属于红外成像、景象生成技术领域。
背景技术
目前国内外红外成像***中最常应用的景象生成器件为电阻阵列或者数字微镜阵列。在成像过程中，杂散光对成像质量的影响比重很大。而由于电阻阵列和数字微镜阵列的表面为镜面，反射率较高，极易造成透镜、窗口等内部多次反射。为了降低热成像***的冷反射问题，常常采用对窗口镀减反射膜的方法，但一次反射的杂散光仍对成像造成一定影响，未从根本上解决问题。
发明内容
本发明是为了解决红外成像***冷反射的问题，现提供基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器。
基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，包括：腔体1、电阻阵列2、镜头3、微透镜阵列8和双自由度微调机构，双自由度微调机构包括：第一锁紧钉4、第一旋转框5、第二锁紧钉6、第二旋转框7和旋转销轴9，
第一旋转框5和第二旋转框7均为中心开有通孔的圆板形结构，
第一旋转框5位于腔体1的开口处，第一旋转框5与腔体1之间通过第一锁紧钉4活动连接，使得第一旋转框5能够以其中轴为转轴旋转，
第一旋转框5和第二旋转框7通过偏心的旋转销轴9转动连接，使得第二旋转框7能够以旋转销轴9为转轴旋转，第二锁紧钉6用于将第一旋转框5和第二旋转框7相对固定，
电阻阵列2和镜头3均位于腔体1内，微透镜阵列8嵌固在第二旋转框7的中心通孔处，
电阻阵列2、镜头3、第一旋转框5和第二旋转框7依次排列，电阻阵列2与微透镜阵列8分别位于镜头3前后二倍焦距处，且电阻阵列2的中心、镜头3的光轴和第一旋转框5的中轴共线，
第一旋转框5的中心通孔面积大于第二旋转框7的中心通孔面积。
腔体1的开口端向四周延伸出一环形平面1-1，该环形平面1-1所在面为腔体1的开口端面，环形平面1-1上开有N个弧形通孔A，N个弧形通孔A以环形平面1-1的圆心为对称中心呈中心对称结构排布，且N个弧形通孔A与环形平面1-1同心设置，N为正整数，
第一旋转框5上也开有N个弧形通孔A，第一旋转框5上的N个弧形通孔A所在圆与环形平面1-1上的N个弧形通孔A所在圆重合，当第一旋转框5旋转时，第一旋转框5上的N个弧形通孔A能够分别与环形平面1-1上的N个弧形通孔A一一正对重合或相互交错开，
一个第一锁紧钉4能够同时穿过两个对应的弧形通孔A，使得第一锁紧钉4能够将两个对应的弧形通孔A锁紧或分离。
第一旋转框5上还开有M个弧形通孔B，M个弧形通孔B分布在以旋转销钉9为圆心的圆弧上，第一旋转框5上的M个弧形通孔B位于第一旋转框5上的N个弧形通孔A内侧，M为正整数，
第二旋转框7上也开有M个弧形通孔B，第二旋转框7上的M个弧形通孔B所在圆弧与第一旋转框5上的M个弧形通孔B所在圆弧重合，
当第二旋转框7旋转时，第二旋转框7的M个弧形通孔B能够分别与第一旋转框5上的M个弧形通孔B一一正对重合或相互交错开，
一个第二锁紧钉6能够同时穿过两个正对的弧形通孔B，将第一旋转框5与第二旋转框7锁紧或分离。
所述的滤波器的操作方法为：利用双自由度微调机构调整电阻阵列2与微透镜阵列8的相对位置，至电阻阵列2的像元与微透镜阵列8的像元一一对应且完全重合，使得目标图像经微透镜阵列8后再被探测器探测，完成光学滤波；
其中利用双自由度微调机构调整电阻阵列2与微透镜阵列8的相对位置的具体操作方法如下：
步骤一：旋转第二旋转框7，使微透镜阵列8中的一个像元能够与电阻阵列2的中心像元的相互正对，且微透镜阵列8能够接收到电阻阵列2的全部景象；
步骤二：利用第二锁紧钉6将第一旋转框5与第二旋转框7相互锁紧，使得第一旋转框5与第二旋转框7的相对位置固定；
步骤三：旋转第一旋转框5，使得微透镜阵列8像元排列方向与电阻阵列2像元排列方向一致；
步骤四：利用第一锁紧钉4将第一旋转框5与腔体1相互锁紧，使得第一旋转框5与腔体1的相对位置固定。
本发明具有以下优点：
1、本发明基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，能够避免探测器直接探测电阻阵列，导致电阻阵列表面反射率高会引起的红外成像***的冷反射问题，实现空间滤波作用，使得冷反射的信噪比降低为四十分之一。
2、双自由度微调机构对微透镜阵列通过两个自由度位置调整(即两次旋转)，实现微透镜阵列像元与电阻阵列像元一一对准，对准方式操作简单，便于调节。
附图说明
图1为基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器的主视图；
图2为基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器的局部剖视图；
图3为基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器的光学原理示意图；
图4为双自由度微调机构的调节示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，包括：腔体1、电阻阵列2、镜头3、微透镜阵列8和双自由度微调机构，双自由度微调机构包括：第一锁紧钉4、第一旋转框5、第二锁紧钉6、第二旋转框7和旋转销轴9，
第一旋转框5和第二旋转框7均为中心开有通孔的圆板形结构，
第一旋转框5位于腔体1的开口处，第一旋转框5与腔体1之间通过第一锁紧钉4活动连接，使得第一旋转框5能够以其中轴为转轴旋转，
第一旋转框5和第二旋转框7通过偏心的旋转销轴9转动连接，使得第二旋转框7能够以旋转销轴9为转轴旋转，
第二锁紧钉6用于将第一旋转框5和第二旋转框7相对固定，
电阻阵列2和镜头3均位于腔体1内，微透镜阵列8嵌固在第二旋转框7的中心通孔处，
电阻阵列2、镜头3、第一旋转框5和第二旋转框7依次排列，
电阻阵列2与微透镜阵列8分别位于镜头3前后二倍焦距处，且电阻阵列2的中心、镜头3的光轴和第一旋转框5的中轴共线，
第一旋转框5的中心通孔面积大于第二旋转框7的中心通孔面积。
本实施方式中，如图3的原理所示，电阻阵列2为景象生成器，电阻阵列2由若干微桥结构组成，每个微桥结构都是一个发光单元，发光单元通过微桥结构发光，若干个发光单元共同组成目标景象，即：生成红外目标景象。微透镜阵列8为中继发光器，原理与上述相同。第一旋转框5的中心开有通孔，能够避免其中心区域遮挡微透镜阵列8传递目标景象。由镜头3将电阻阵列2生成的目标景象投影到微透镜阵列8，即：微透镜阵列8接收电阻阵列2目标景象后再被探测器探测，这种方式避免了探测器直接探测电阻阵列2目标景象时产生的冷反射问题，冷反射的信噪比为冷反射辐射的信号与***噪声之比，与反射率成正比，从80％反射率降到2％反射率。。
电阻阵列2与微透镜阵列8分别位于镜头3前后二倍焦距处，构成光学4F***，为使目标景象经过微透镜阵列8传递而不失真，应保证微透镜阵列8像元与电阻阵列2像元一一对应。因此，在实际装调过程中，利用双自由度微调机构对微透镜阵列8位置进行二维平面内的位置调整，相对传统需要三自由度的调节装置结构复杂操作难度高的问题，本实施方式的双自由度微调机构结构简单，操作简便。同时，电阻阵列2生成目标图像经镜头3成像在微透镜阵列8所在平面，通过双自由度微调机构对微透镜阵列8的位置进行调节，实现微透镜阵列8像元与电阻阵列2像元一一对准，使得目标图像经微透镜阵列8后再被探测器探测。其中实现微透镜阵列8像元与电阻阵列2像元一一对准的方法为：
先使微透镜阵列8的某一像元位于电阻阵列2中心像元处，此时应保证微透镜阵列8能接收到电阻阵列2全部景象，用第二锁紧钉6固定第一旋转框5与第二旋转框7的相对位置，然后旋转第一旋转框5至微透镜阵列8像元与电阻阵列2中心像元排列方向一致。最后用第一锁紧钉4固定第一旋转框5与腔体1的相对位置，通过两个自由度即两次旋转操作即实现微透镜阵列8像元与电阻阵列2像元一一对准。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器作进一步说明，本实施方式中，腔体1的开口端向四周延伸出一环形平面1-1，该环形平面1-1所在面为腔体1的开口端面，
环形平面1-1上开有N个弧形通孔A，N个弧形通孔A以环形平面1-1的圆心为对称中心呈中心对称结构排布，且N个弧形通孔A与环形平面1-1同心设置，N为正整数，
第一旋转框5上也开有N个弧形通孔A，第一旋转框5上的N个弧形通孔A所在圆与环形平面1-1上的N个弧形通孔A所在圆重合，
当第一旋转框5旋转时，第一旋转框5上的N个弧形通孔A能够分别与环形平面1-1上的N个弧形通孔A一一正对重合或相互交错开，
一个第一锁紧钉4能够同时穿过两个对应的弧形通孔A，使得第一锁紧钉4能够将两个对应的弧形通孔A锁紧或分离。
本实施方式具体的，第一旋转框5与环形平面1-1同心设置，第一旋转框5覆盖在环形平面1-1的表面。第一旋转框5上的N个弧形通孔A所在圆与环形平面1-1上的N个弧形通孔A所在圆完全重合，第一旋转框5上的N个弧形通孔A分别与环形平面1-1上的N个弧形通孔A一一对应，两个对应的弧形通孔A之间通过一个第一锁紧钉4贯穿。当第一锁紧钉4旋出时，第一旋转框5与环形平面1-1之间松动，第一旋转框5能够以其中轴为转轴旋转，旋转过程中第一旋转框5上的N个弧形通孔A与环形平面1-1上的N个弧形通孔A能够一一正对重合或相互交错开。当第一旋转框5达到旋转目标角度时，将第一锁紧钉4旋紧，使得第一旋转框5与环形平面1-1之间紧密贴合，且第一旋转框5固定不动，完成第一旋转框5的定位。
本实施方式优选的，N取值为4，第一旋转框5上的4个弧形通孔A与环形平面1-1上的4个弧形通孔A相互交错至最大范围时能够合围成一个圆形，且4个弧形通孔A呈中心对称排布，保证了第一旋转框5的稳定性。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器作进一步说明，本实施方式中，第一旋转框5上还开有M个弧形通孔B，M个弧形通孔B分布在以旋转销钉9为圆心的圆弧上，
第一旋转框5上的M个弧形通孔B位于第一旋转框5上的N个弧形通孔A内侧，M为正整数，
第二旋转框7上也开有M个弧形通孔B，第二旋转框7上的M个弧形通孔B所在圆弧与第一旋转框5上的M个弧形通孔B所在圆弧重合，
当第二旋转框7旋转时，第二旋转框7的M个弧形通孔B能够分别与第一旋转框5上的M个弧形通孔B一一正对重合或相互交错开，
一个第二锁紧钉6能够同时穿过两个正对的弧形通孔B，将第一旋转框5与第二旋转框7锁紧或分离。
本实施方式具体的，第二旋转框7位于第一旋转框5的表面，二者通过偏心的旋转销轴9转动连接，使得第二旋转框7能够以旋转销轴9为转轴旋转，且由于二者均有M个一一对应的弧形通孔B，且相互对应的两个弧形通孔B贯穿有第二锁紧钉6，限定了第二旋转框7的转动轨迹。实际应用时，旋转第二旋转框7至目标位置，利用1个第二锁紧钉6贯穿两个相互之间有交集的弧形通孔B，将第二锁紧钉6锁紧至第一旋转框5与第二旋转框7紧密贴合，完成第二旋转框7的定位。
本实施方式优选的，M取值为1，1个弧形通孔B保证了第二旋转框7的旋转自由度。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器作进一步说明，本实施方式中，
电阻阵列2的分辨率为256×256，电阻阵列2的像元直径为30μm，电阻阵列2的各个像元之间的间隔为35μm，
微透镜阵列8的分辨率为320×320，微透镜阵列8的像元直径为65μm。
电阻阵列2的像元大小为φ30μm，各个像元之间的间隔为35μm，相加之后为65μm，因此电阻阵列2与微透镜阵列8像元的大小均可看做φ65μm。微透镜阵列8的尺寸大于电阻阵列2的尺寸，因此在调节微透镜阵列8像元与电阻阵列2像元一一对准时，只需使用微透镜阵列8中任256×256组像元即可。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器作进一步说明，本实施方式中，第一锁紧钉4的直径为3mm，第二锁紧钉6的直径为4mm。
具体实施方式六：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是具体实施方式一至五任一实施方式所述的滤波器的操作方法，该方法为：
利用双自由度微调机构调整电阻阵列2与微透镜阵列8的相对位置，至电阻阵列2的像元与微透镜阵列8的像元一一对应且完全重合，使得目标图像经微透镜阵列8后再被探测器探测，完成光学滤波；
其中利用双自由度微调机构调整电阻阵列2与微透镜阵列8的相对位置的具体操作方法如下：
步骤一：旋转第二旋转框7，使微透镜阵列8中的一个像元能够与电阻阵列2的中心像元的相互正对，且微透镜阵列8能够接收到电阻阵列2的全部景象；
步骤二：利用第二锁紧钉6将第一旋转框5与第二旋转框7相互锁紧，使得第一旋转框5与第二旋转框7的相对位置固定；
步骤三：旋转第一旋转框5，使得微透镜阵列8像元排列方向与电阻阵列2像元排列方向一致；
步骤四：利用第一锁紧钉4将第一旋转框5与腔体1相互锁紧，使得第一旋转框5与腔体1的相对位置固定。
本实施方式中，如图4所示，设旋转销轴9的轴向为Z轴，垂直于Z轴的平面为XY平面，Z轴在XY平面的所在点为O2点，第一旋转框5的中心为O1点。
微透镜阵列8像元大小与电阻阵列2像元大小相同且均为阵列排列，调整第二旋转框7绕O2点在XY平面内旋转，微透镜阵列8中的一个像元能够与电阻阵列2的中心像元的相互正对，且微透镜阵列8能够接收到电阻阵列2的全部景象；然后调整第一旋转框5绕O1点在XY平面内旋转，使处于第一旋转框5的微透镜阵列8像元与电阻阵列2中心像元的位置对应且方向一致，即可保证微透镜阵列8与电阻阵列2的像元一一对应。即：通过两个自由度的旋转操作实现微透镜阵列8像元与电阻阵列2像元一一对应且完全重合。对于传统需要三自由度的调节装置结构复杂操作难度高的问题，本实施方式将三自由度改为二自由度调整，且调整效果简便，明显降低了微透镜阵列与电阻阵列像元一一对应的操作难度。

Claims (6)

1.基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，其特征在于，包括：腔体(1)、电阻阵列(2)、镜头(3)、微透镜阵列(8)和双自由度微调机构，双自由度微调机构包括：第一锁紧钉(4)、第一旋转框(5)、第二锁紧钉(6)、第二旋转框(7)和旋转销轴(9)，第一旋转框(5)和第二旋转框(7)均为中心开有通孔的圆板形结构，
第一旋转框(5)位于腔体(1)的开口处，第一旋转框(5)与腔体(1)之间通过第一锁紧钉(4)活动连接，使得第一旋转框(5)能够以其中轴为转轴旋转，
第一旋转框(5)和第二旋转框(7)通过偏心的旋转销轴(9)转动连接，使得第二旋转框(7)能够以旋转销轴(9)为转轴旋转，第二锁紧钉(6)用于将第一旋转框(5)和第二旋转框(7)相对固定，
电阻阵列(2)和镜头(3)均位于腔体(1)内，微透镜阵列(8)嵌固在第二旋转框(7)的中心通孔处，
电阻阵列(2)、镜头(3)、第一旋转框(5)和第二旋转框(7)依次排列，电阻阵列(2)与微透镜阵列(8)分别位于镜头(3)前后二倍焦距处，且电阻阵列(2)的中心、镜头(3)的光轴和第一旋转框(5)的中轴共线，
第一旋转框(5)的中心通孔面积大于第二旋转框(7)的中心通孔面积。
2.根据权利要求1所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，其特征在于，腔体(1)的开口端向四周延伸出一环形平面(1-1)，该环形平面(1-1)所在面为腔体(1)的开口端面，环形平面(1-1)上开有N个弧形通孔A，N个弧形通孔A以环形平面(1-1)的圆心为对称中心呈中心对称结构排布，且N个弧形通孔A与环形平面(1-1)同心设置，N为正整数，
第一旋转框(5)上也开有N个弧形通孔A，第一旋转框(5)上的N个弧形通孔A所在圆与环形平面(1-1)上的N个弧形通孔A所在圆重合，
当第一旋转框(5)旋转时，第一旋转框(5)上的N个弧形通孔A能够分别与环形平面(1-1)上的N个弧形通孔A一一正对重合或相互交错开，
一个第一锁紧钉(4)同时穿过两个对应的弧形通孔A，使得第一锁紧钉(4)能够将两个对应的弧形通孔A锁紧或分离。
3.根据权利要求2所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，其特征在于，第一旋转框(5)上还开有M个弧形通孔B，M个弧形通孔B分布在以旋转销钉(9)为圆心的圆弧上，第一旋转框(5)上的M个弧形通孔B位于第一旋转框(5)上的N个弧形通孔A内侧，M为正整数，
第二旋转框(7)上也开有M个弧形通孔B，第二旋转框(7)上的M个弧形通孔B所在圆弧与第一旋转框(5)上的M个弧形通孔B所在圆弧重合，
当第二旋转框(7)旋转时，第二旋转框(7)的M个弧形通孔B能够分别与第一旋转框(5)上的M个弧形通孔B一一正对重合或相互交错开，
一个第二锁紧钉(6)能够同时穿过两个正对的弧形通孔B，将第一旋转框(5)与第二旋转框(7)锁紧或分离。
4.根据权利要求1所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，其特征在于，电阻阵列(2)的分辨率为256×256，电阻阵列(2)的像元直径为30μm，电阻阵列(2)的各个像元之间的间隔为35μm，
微透镜阵列(8)的分辨率为320×320，微透镜阵列(8)的像元直径为65μm。
5.根据权利要求1所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器，其特征在于，第一锁紧钉(4)的直径为3mm，第二锁紧钉(6)的直径为4mm。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的基于双自由度微调机构的红外成像***空间滤波器的操作方法，其特征在于，该方法为：利用双自由度微调机构调整电阻阵列(2)与微透镜阵列(8)的相对位置，至电阻阵列(2)的像元与微透镜阵列(8)的像元一一对应且完全重合，使得目标图像经微透镜阵列(8)后再被探测器探测，完成光学滤波；
其中利用双自由度微调机构调整电阻阵列(2)与微透镜阵列(8)的相对位置的具体操作方法如下：
步骤一：旋转第二旋转框(7)，使微透镜阵列(8)中的一个像元能够与电阻阵列(2)的中心像元的相互正对，且微透镜阵列(8)能够接收到电阻阵列(2)的全部景象；
步骤二：利用第二锁紧钉(6)将第一旋转框(5)与第二旋转框(7)相互锁紧，使得第一旋转框(5)与第二旋转框(7)的相对位置固定；
步骤三：旋转第一旋转框(5)，使得微透镜阵列(8)像元排列方向与电阻阵列(2)像元排列方向一致；
步骤四：利用第一锁紧钉(4)将第一旋转框(5)与腔体(1)相互锁紧，使得第一旋转框(5)与腔体(1)的相对位置固定。
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