[發明專利]利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法

無效

• 申請號: 201110180151.6
• 申請日: 2011-06-29
• 公開（公告）號: CN102288302A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 趙躍進;陰剛華;董立泉;劉小華;惠梅;賈倩
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01J5/52
• 分類號: G01J5/52;G01J5/54;G01J5/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是一種光學讀出式紅外焦平面陣列熱成像系統的光學讀出處理技術，利用該技術可以代替刀口或者小孔對系統進行調制；并且對環境中的雜散光有顯著的抑制作用，令后續的圖像處理過程可以獲得更好的效果，提高圖像質量。

背景技術

基于MEMS技術的應用光力學效應的非制冷紅外成像技術是一種新型的非制冷紅外探測技術，它是針對低功耗，微型化，高分辨率，低成本的要求提出來的。相對于制冷型和熱電型非制冷紅外成像系統，它省去了昂貴的制冷器和復雜的讀出電路，使得低成本的廣泛應用成為可能，另外理論上預測的該原理的熱檢測靈明度可以很高，這使得其在高性能紅外探測領域有著廣泛的應用前景。同時，國外的非制冷熱成像系統的高端產品對我國而言屬于禁運一類，中低端產品價格依然昂貴。研制我國擁有自主知識產權的高性能、低價格的非制冷紅外成像系統成為當務之急。如果光讀出式FPA能夠走向成品，那么這將是我國在MEMS領域取得的一項具有自主知識產權的新技術，將改變我國紅外熱成像探測器核心芯片完全依賴進口的現狀，其經濟意義和社會意義十分深遠。

國內和國際上陸續有多家機構投入到對此項課題的研究當中，其中主要包括日本的Nikon公司，美國的Agiltron公司，美國加州大學伯克利分校，中國科學院微電子所以及中國科學技術大學和北京理工大學。美國Agiltron公司制造的高速光學讀出焦平面陣列，其探測噪聲等效溫差已經達到120mK，陣列尺寸280×240，輸出可達1000幀每秒。但目前此項技術還不夠成熟，離商業化還有一定的距離，僅僅停留在實驗研究階段。

利用光學讀出技術來實現廉價的高靈敏度和高清晰度的紅外探測不僅必要而且可能。總體上看，該研究目前還處于起步階段，本發明將為進一步提高這類紅外探測器的性能指標打下基礎。

焦平面陣列的光學讀出技術，主要是將焦平面陣列表面單元在紅外熱作用下的微小形變轉變為可直接用肉眼觀察的圖像的技術。焦平面陣列熱變形主要是基于雙材料梁受熱變形的機理，陣列單元的尺度約在幾十微米量級，每個單元內部都包含著一個或若干個的雙材料復合懸臂梁，構成懸臂梁的兩種材料熱膨脹系數相差懸殊，為了便于可見光探測，在雙材料梁結構上會固定高反射率的材料制成的反射面或反射體，在紅外線的熱作用下懸臂梁會發生微小的彎曲，帶動反射面偏轉而改變入射光的相位。

發明內容

本發明的目的是利用三角棱鏡反射和折射性質以及折射定律，對經焦平面陣列單元反射的光線進行調制，讀出焦平面陣列受熱后單元偏轉的信息同時濾除系統雜散光，抑制噪聲。

本發明的目的是由以下技術方案來實現：①環境中不存在紅外輻射物體時，焦平面陣列每個單元均不發生偏轉，準直光經焦平面陣列反射后，通過棱鏡系統與透鏡后，光學接收器CCD接收此部分光能，并作為基準。②環境中有物體發出紅外輻射時，焦平面陣列由于雙材料效應發生偏轉，照射在焦平面陣列上的光線的反射角就會發生變化，這樣三角棱鏡的光線的入射角相應發生改變，經過三角棱鏡調制，光學接收器CCD上接收到的光能會增大或減小，與基準“相減”后可以得到輻射物體的熱圖像。

有益效果

采用本發明可以替代現有的刀口或者小孔濾波元件進行濾波，并且克服了由于焦平面陣列本身的缺陷，利用刀口濾波難找到譜平面中心的問題；通過調節兩三角棱鏡斜邊之間的距離，也可以實現對光波的調制，當兩斜邊距離大于某一數值時，入射到三角棱鏡的光線的入射角發生改變時，像平面的位移相對于沒放棱鏡時更大，這樣CCD上接收到的光能變化將更大，體現在圖像上便是明暗程度的變化更靈敏；利用反射波與入射波的性質，知該系統可減小環境中雜散光對系統成像的影響，抑制噪聲，改善輸出圖像質量。

附圖說明

圖1為基于本發明的以焦平面陣列為核心的熱成像系統原理示意圖。

圖2為雙三角棱鏡系統。

圖3為環境中沒有輻射源和有輻射源兩種情況下光線在棱鏡系統中的傳輸對比，其中(a)為環境中沒有紅外輻射源的情況，(b)為環境中存在紅外輻射源的情況。

其中：1-光源，2-準直透鏡，3-外界入射紅外線，4-紅外透鏡，5-鍺玻璃，6-焦平面陣列，7-雙三角棱鏡系統，8-成像透鏡，9-CCD相機，10-數字圖像處理系統，12-焦平面陣列，13-雙三角棱鏡系統。

圖4為K9玻璃反射率隨入射角的變化情況，其中(a)圖為光密到光疏，(b)圖為光疏到光密。

圖5光點(FPA片子上的任一點)移動探測靈敏度示意圖。