[發明專利]基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學讀出系統

在審

• 申請號: 201210161403.5
• 申請日: 2012-05-23
• 公開（公告）號: CN102798472A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 惠梅;王文娟;龔誠;趙躍進
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01J5/10
• 分類號: G01J5/10;G01J5/08
• 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紅外熱成像的一種菲涅耳透鏡光學讀出系統。該讀出系統針對目前成像系統結構過于龐大和復雜的問題，發明出的一種光學讀出系統。此種系統可代替傳統的光學讀出系統進行成像，使得系統更加輕便，設計自由度更大，能夠減小光學讀出系統的像差，提高系統成像質量以及探測靈敏度。

■背景技術

目前，非制冷紅外成像技術光學讀出方法發展迅速，新型的光學讀出方法采用的焦平面陣列由雙材料微懸臂梁組成，通過紅外透鏡的紅外光被雙材料微懸臂梁探測單元吸收后轉化為熱能，由于雙材料的熱致效應，微懸臂梁發生形變，該形變可以通過各種光學方法讀出，從而得到被測熱物體的溫度分布及可見光圖像。由于采用的微懸臂梁陣列制作簡單，且不需要對每個單元設計并制作復雜的讀出電路，因此該方法基本解決了電學讀出方法的諸多問題。相比于傳統的電學讀出方法，光學讀出方法能夠很好地實現探測單元與基底間的熱隔離，對等量的熱輻射具有更高的溫升。目前常用的光學讀出方法有原子顯微鏡(AFM)光學讀出方法、干涉式讀出方法、針孔濾波讀出方法、光學衍射讀出方法和改進的非相干空間濾波方法等等，下面簡單介紹這幾種光學讀出方法。

一.四單元讀出系統

“四單元讀出方法”是以標準原子力顯微鏡(AFM)原理為背景的讀出系統，該方法利用光點的移動檢測微懸臂梁受熱后的偏轉角，并利用特定的光學讀出系統獲得熱圖像。紅外輻射需通過一個機械斬光器，然后經過紅外透鏡聚焦在微懸臂梁探測器上。機械斬光器能提高鎖相放大器的參考頻率，提高信噪比。利用激光照射微懸臂梁，再利用四單元位置敏感探測器(PSD)確定微懸臂梁的位置，并將信息存儲在計算機中，計算機利用存儲數據重構一個8位的圖像陣列，灰度級為256。在重建的圖像中，形變量最小的微懸臂梁呈黑色，形變量最大的微懸臂梁呈白色。這種系統靈敏度高，但只采用一個微懸臂梁作為探測單元，需要掃描機構按序掃描各個像元，因此該方法會導致光線間的互擾。另外，該方法對熱信號響應時間較長，難以進行實時觀察，且測量面離焦平面非常近，很難對整個焦平面空間進行檢測。

二.光學干涉讀出系統

這種方法是基于邁克爾遜干涉原理的光學讀出方法。從FPA反射的光到達分光鏡后，一部分通過分光鏡傳播到反射面上，另一部分經反射鏡的反射垂直向下射向被測面，被測面和反射鏡反射的光再次相遇發生干涉，經成像透鏡在光電探測器上成像。當環境中加入熱輻射物體時，FPA上的微懸臂梁發生偏轉，則從FPA反射的光束方向發生變化，導致在光電探測器上灰度值發生變化，通過幀間圖像的相減便獲得紅外熱圖像。這種方法檢測的是微懸臂梁受熱后產生的離面位移，光學分辨率為四分之一個波長。該系統精度非常高，易于陣列成像，但是對抗震性要求也很高，需要采用共光路干涉光路，并且參與干涉的平面(參考平面和變形平面)需保持十分近的距離，但這會使光在兩個面上多次反射，使系統的信噪比很難提高。該光學系統的動態范圍窄，為了滿足光強信號和微懸臂梁離面位移的單調關系，需要限制微懸臂梁的離面位移在半個波長以內。

三.針孔濾波讀出系統

針孔濾波讀出系統通過紅外透鏡將紅外光聚焦在FPA上，FPA封裝在真空腔內，光源為可見光LED。LED發出的光經準直元件后成為平行光，該平行光照射在FPA上并經FPA反射，從FPA反射的光束通過第一個成像透鏡成為會聚光，并會聚在焦面上的針孔附近。因為每個反射小單元的偏轉角度不同，會使這些光線在針孔板上的會聚位置不同，只有當會聚位置與針孔位置對應時，這些光線才能夠通過針孔及第二個成像透鏡。當這些光線通過第二個成像透鏡后，成為平行光并在CCD上成像。當環境中沒有紅外熱輻射物體時，各個懸臂梁小單元的偏轉角度相同，因此準直后的平行光經FPA反射后具有相同的方向，通過第一個成像透鏡后會聚焦在一起，各小單元焦點的位置全部重疊，使CCD接收到的FPA上每個小單元的反射光經過針孔后的光強相同，因此輸出圖像各個位置的灰度值相同。當環境中存在熱物體時，由于各個小單元受熱不同而偏轉不同的角度，導致經FPA反射的光束的方向不同，使得該光束通過第一個成像透鏡聚焦后焦點不重合，因此通過針孔的光強發生變化，最終導致CCD上接收到的光強發生變化，得到灰度值不同的圖像輸出。這種方法的探測靈敏度不僅與探測目標黑體的溫度有關，還與LED的發光強度和CCD的靈敏度有關。該方法無需隔振，易實現陣列測量。但是該方法的空間分辨率和探測靈敏度無法同時提高，空間分辨率不夠且圖像不清晰。

四.光學衍射讀出系統