[發明專利]基于FPA非制冷熱成像系統的點格分光鏡光學讀出方法

有效

• 申請號: 201110180165.8
• 申請日: 2011-06-29
• 公開（公告）號: CN102650551B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發明（設計）人: 惠梅;丁琳;趙躍進;劉小華;董立泉;武紅
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01J5/10
• 分類號: G01J5/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

■技術領域

本發明是基于FPA(焦平面陣列)的非制冷紅外成像系統技術中的一種光學讀出方法，該讀出方法可以代替刀口或小孔進行濾波成像，針對目前此種成像系統的結構過于龐大和復雜的問題，發明出的一種成像方法。此種方法能夠對環境中的雜散光進行有效的抑制，并對焦平面陣列各個單元反射的光進行調制，使光電探測器探測到的光能能夠隨著受熱懸臂梁的偏轉變化而變化，提高系統的成像質量。?

■背景技術

近年來，隨著FPA技術的不斷發展，非制冷紅外成像系統得到了突破性的提高并且受到了廣泛的關注。新型非制冷紅外成像系統和傳統的非制冷型紅外成像系統相比，輻射探測器采用光學讀出方法，而不是電學讀出方法，不需要制冷，成本低，且可以民用。傳統的電學讀出方法能夠在室溫下進行工作，焦平面陣列與硅工藝兼容，并且不需要機械掃描裝置，集成電路制作技術較為成熟，但仍存在著以下幾個問題：?

1)通過的電流會產生附加的熱量，使得很難高精度地檢測入射的紅外輻射。?

2)為了使探測器能夠產生有效的局部升溫，探測單元與基底之間必須實現良好的熱隔離，但是為了讀出熱電效應的變化，必須將探測器單元與基底之間通過導線進行連接，而導線是熱的良導體，這就造成傳統的熱型紅外輻射探測器很難實現理想的熱隔離，使其探測靈敏度降低，并且像素的數目很難增大。?

3)對于陣列像素來說，要對紅外焦平面陣列上的每一個單元制作高增益高精度的讀出電路，制作難度和成本都很高。?

4)由于探測材料的熱常數會使探測單元產生一定的局部升溫需要比較長的時間，因此其幀速率相對于量子型紅外探測器相比較低。?

光學讀出方法是將紅外輻射轉化為熱能，溫度的變化使得焦平面探測單元的轉角或者是離面位移發生變化，通過光學讀出系統得到被測輻射物體的熱像或溫度分布。與電讀出方式相比，光學讀出方法不需要在焦平面陣列上構造復雜的電信號放大電路，因此結構簡化了很多，工藝步驟也很大程度上簡化了。由于不需要構造放大電路，則系統自然沒有了電路產生的熱量造成的影響，所以光學讀出方法具有更低的背景噪聲和更高的靈敏度。?

對光學讀出方式的研究已經經歷了十多年，1997年，Stanford大學S.R.Manalis在Applied?Physics?Letters發表Two-dimensional?microme-chanical?bimorph?arrays?for?detection?of?thermal?radiation，同年Nikon公司和1999年的美國Berkeley以及中國科技大學和北京理工大學都相繼地對光學讀出方式進行了研究，使得這項技術越來越受到重視。從已公布的實驗結果來看，光讀出紅外焦平面陣列技術已經趨近于發展成熟，但仍然有一些關鍵技術問題有待攻克。?

目前，光學讀出方法多采用刀口濾波和小孔濾波，但是這兩種方式很難將環境中的雜散光濾除掉，并且對工作環境的要求較高，還不能夠實現更理想的等效噪聲溫差，因此，尋求新的光學讀出方法來完善系統勢在必行。本發明采用的是一種新型的分光鏡，即點格分光鏡。點格分光鏡在廣域波譜里的反射投射比為常量，其分光性能較標準介質分光鏡性能勝出許多。UV級熔融石英利用真空沉積將加強鍍膜在固定的通光口徑內，鍍膜與不鍍膜表面圖案成點狀分布，入射遇到鍍膜區域會反射，而遇到玻璃材料則會透射，這種分光片對入射角度?不敏感，光線可在0°到45°范圍內入射。?

■發明內容：

本發明的目的是利用點格分光鏡的分光性能，對經過焦平面陣列單元反射的光線進行調制，再經過成像透鏡成像在光電探測器上，獲得焦平面陣列受熱偏轉后的信息。通過點格分光鏡透光與不透光部分的調制，可以有效地抑制背景噪聲，使成像效果變好。?

本發明的目的是由以下技術方案來實現：①當環境中不加入紅外輻射物體時，焦平面陣列每個微懸臂梁單元偏轉相同的角度。準直光束以一定的角度投射到焦平面陣列上，并以一定的角度反射到出射光路，出射光路中加入點格分光鏡，光束通過點格分光鏡后照射到光學探測器上，并以此作為成像基準。②當環境中有紅外輻射物體時，焦平面陣列受熱微懸臂梁單元發生偏轉，因此以相同入射角度入射的光束會根據微懸臂梁單元的偏轉角度不同而以不同的角度反射。反射光線會以不同的角度通過點格分光鏡，則透過點格分光鏡的光束分布會發生相應的變化，光電探測器上接收到的光能會增大或減小，與之前的基準“相減”后獲得輻射物體的紅外熱圖像。?

■有益效果?