[發明專利]一種新型非制冷紅外焦平面成像系統

無效

• 申請號: 201010533384.5
• 申請日: 2010-11-05
• 公開（公告）號: CN102103017A
• 公開（公告）日: 2011-06-22
• 發明（設計）人: 趙躍進;褚旭紅;董立泉;劉小華;于曉梅;龔誠
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01J5/08
• 分類號: G01J5/08;G01J5/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種新型非制冷紅外焦平面陣列成像系統，尤其是一種雙光路、光學讀出形式的非制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于掃描型熱成像系統，由于其工藝復雜，價格高昂，體積大、功耗大，很難大規模的使用。近年來非制冷FPA紅外熱成像技術的發展使得紅外熱成像系統的制造成本、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。

一種新的非制冷紅外成像技術是紅外焦平面陣列成像系統，它的特點是采用焦平面陣列器件FPA作為紅外圖像傳感器。FPA是基于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系數相差較大的材料構成，當微懸臂梁吸收紅外輻射后，梁的溫度上升，雙材料層之間會很快達到熱平衡，熱平衡后，由于兩種材料的熱膨脹系數差別較大，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上構造復雜的電信號放大讀出電路，使得FPA的制造難度加大，并且由于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后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制造工藝簡化，同時也避免了讀出電路產生的熱量對成像質量的影響。

光讀出非制冷紅外成像系統，是用一束非干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于吸收熱量的不同產生了不同的變形，被這些像元反射以后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，接收這些反射光并計算處理，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，甚至還低于電讀出方式，其原因有兩個方面，一方面是紅外焦平面陣列器件制造工藝水平的制約，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制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制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本發明的新型非制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、參比光路和圖像采集與處理裝置。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，用于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，用于監控光源電源紋波、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、準直以后，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