專利名稱：一種含時間調制裝置的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種含時間調制裝置的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，尤其是一種紅外調制成像、光學讀出形式的高性能非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)。
背景技術：
紅外熱成像技術在軍事和民用領域都有著非常廣泛的應用，并且越來越受到各行各業(yè)的重視。但是傳統(tǒng)的紅外熱成像系統(tǒng)由于其工藝、成本、體積、重量、功耗等問題，一支沒有得到大規(guī)模的、普遍的使用。近年來，基于MOEMS技術的光讀出式微懸臂梁焦平面陣列(focal plane array, FPA)熱成像系統(tǒng)，采用焦平面陣列器件FPA作為紅外圖像傳感器，大大降低了紅外系統(tǒng)的體積、重量，為大規(guī)模、普遍使用紅外成像系統(tǒng)提供了有力條件。焦平面陣列器件是一種微懸臂梁結構，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。所以，外界的溫度場會導致微懸臂梁陣列產生相應的變形，如果能夠精確探測到微懸臂梁陣列中每個的微懸臂梁的變形量，則可以得到外界的溫度場分布，換言之，可以得到紅外圖像。微懸臂梁變形量的檢測主要有電讀出和光讀出兩種方式。前者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。該方法外圍設備比較簡單，但是要在FPA上額外構造復雜電路，加大了 FPA的制造難度，并且電路本身的熱量會在一定程度上影響紅外圖像的質量。另一種叫做光讀出，是實現紅外光一熱機械變形一照射可見光的反射光強變化一還原圖像的過程。在每一個微懸臂梁上，都有小反射鏡。用可見光照射微懸臂梁陣列，微懸臂梁陣列的反射鏡會將可見光反射，當每個微懸臂梁的變形量不同時，每個微懸臂梁攜帶的反射鏡對照射的可見光的反射效果也會不同，通過檢測反射光的變化量可獲得懸臂梁的變形量，再還原為紅外圖像。該方法需要配置的外圍設備比電讀出復雜，但不需要在FPA上構造讀出電路，避免了讀出電路產生的熱量對成像質量的影響。理論上講，光讀出比電讀出微懸臂梁FPA系統(tǒng)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，光讀出遠遠未達到預期的成像效果，甚至還低于電讀出方式。研究光讀出FPA紅外成像系統(tǒng)光路的成像原理可以看出，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、靈敏度的因素很多，其原因有兩個方面，一方面是工藝、器件性能的制約，另一方面是系統(tǒng)設計水平。是進一步提高光讀出非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)性能的重要研究方向。

發(fā)明內容
本發(fā)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(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度的問題，提供一種具有時間調制的、可以有效消除環(huán)境振動、環(huán)境溫度與照度變化、紅外焦平面陣列器件變形、光源電源紋波、光源老化、光機結構變形、CCD噪聲對系統(tǒng)成像質量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度的技術。本發(fā)明的目的是由以下技術方案來實現①本發(fā)明的新型高性能非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，包括紅外調制成像光路、照明光路、光學讀出光路、圖像采集及處理裝置。紅外調制成像光路包含紅外成像鏡頭、 光調制器和紅外焦平面陣列傳感器，為成像系統(tǒng)按一定的時間頻率分時提供紅外圖像、背景和噪聲信號的空間調制信號；照明光路包含光源、準直鏡頭組，為成像系統(tǒng)提供可見照明成像光束；光學讀出光路包含若干成像鏡頭組和濾波器，用于對被紅外調制成像光路空間調制以后的可見照明成像光束進行濾波、聚焦成像，圖像成像在CCD靶面上；圖像采集和處理裝置對信號處理后輸出紅外圖像。②該系統(tǒng)地成像特點是紅外成像鏡頭對外界目標聚焦成像，位于該聚焦成像光路中的光調制器對紅外成像光線進行時間調制后射向紅外焦平面陣列器件，紅外焦平面陣列器件接收經過時間調制以后的紅外成像光線，并且其陣列像元產生相應的變化；從光源發(fā)出的光，被擴束、準直以后，射向紅外調制成像光路并被空間調制以后進入光學讀出光路，成像于CCD表面。由于紅外調制成像光路提供的空間調制信號具有分時性，一部分時間是紅外圖像信號，另一部分時間是背景及系統(tǒng)噪聲信號，所以CCD接收的圖像信號也是按一定頻率交替的紅外圖像信號、背景和系統(tǒng)噪聲信號，且這兩個信號具有光程完全相同的特點，時間上也基本同步。③該系統(tǒng)在圖像處理過程中，用背景和系統(tǒng)噪聲信號對紅外圖像信號不斷地進行修正，從而達到消除環(huán)境振動、環(huán)境溫度與照度變化、紅外焦平面陣列器件變形、光源電源紋波、光源老化、光機結構變形、CCD噪聲對系統(tǒng)成像質量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度的目的。有益效果采用本發(fā)明可以實現對紅外圖像的修正，扣除環(huán)境振動、環(huán)境溫度與照度變化、紅外焦平面陣列器件變形、光源電源紋波、光源老化、光機結構變形、CCD噪聲對系統(tǒng)成像質量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度。較之早前的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)， 在同等條件下，其成像性能得到提高，并且對使用環(huán)境要求、系統(tǒng)器件要求也相應降低。


圖1是現有的光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明的新型高性能非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)示意圖；其中，附圖標記說明如下圖中1.紅外成像鏡頭組；2.光調制器；3.紅外焦平面陣列；4.光源；5.準直鏡頭組；6.光學讀出光路；7.圖像采集和處理裝置。
具體實施例方式下面將詳細描述本發(fā)明的具體實施例。1.系統(tǒng)組成本發(fā)明的新型高性能非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，由紅外調制成像光路、照明光路、光學讀出光路和圖像采集與處理裝置組成，具體如圖2所示
紅外調制成像光路由紅外成像鏡頭組1、光調制器2和紅外焦平面陣列3組成，紅外鏡頭將外界目標的熱圖像聚焦成像，位于成像光路中的光調制器對紅外成像光束進行時間調制，調制以后的光線在7上成像，7的像元陣列產生規(guī)律的變化；照明光路包含光源4和光源準直鏡頭組5，照明光路為整個系統(tǒng)提供可見、非干涉、平行的照明成像光束；光學讀出光路6包含若干成像鏡頭和濾波器，用于對被紅外調制鏡頭組空間調制以后的可見照明成像光束聚焦成像于圖像采集和處理裝置中的CCD表面；圖像采集和處理裝置7，對光學讀出光路輸出的信號按照一定的規(guī)律處理，并輸出紅外熱圖像。2.成像過程本發(fā)明的新型高性能雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其成像過程如圖 2所示外界目標的紅外熱圖像通過紅外鏡頭1進入本發(fā)明的新型高性能雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)(箭頭I所示)，并被位于成像光路中的光調制器2進行時間調制，然后成像于焦平面陣列3上(箭頭II所示)，焦平面陣列3由于吸收了熱，像元陣列的反射鏡在懸臂梁的帶動下會發(fā)生偏轉。光源4發(fā)出的發(fā)散光，被準直鏡頭組5擴束、準直以后，射入紅外調制成像光路 (箭頭III所示)，被焦平面陣列3調制以后的照明成像光束，進入光學讀出光路6(箭頭IV 所示)，光學讀出光路將其成像于信息采集與處理裝置的CCD靶面上。由于紅外調制成像光路提供的空間調制信號具有分時性，一部分時間是紅外圖像信號，另一部分時間是背景及系統(tǒng)噪聲信號，所以CCD接收的圖像信號也是按一定頻率交替的紅外圖像信號、背景和系統(tǒng)噪聲信號。3.用背景和系統(tǒng)噪聲信號修正紅外圖像本發(fā)明的新型高性能非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，用背景和系統(tǒng)噪聲信號修正紅外圖像如下(1)紅外圖像的獲取附圖1所示的光讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)的紅外圖像采集過程為首先由系統(tǒng)對參考物體成像，此時默認為外界環(huán)境對焦平面陣列3無成像，則圖像采集和處理裝置7各像元獲得一個能量EO ；然后系統(tǒng)對外界紅外物體成像，外界圖像經由紅外鏡頭組1 成像于焦平面陣列3上，使焦平面陣列3的像元產生相應的角度偏轉，導致圖像采集和處理裝置7的各像元獲得的能量Ei與EO產程差異，二者的差即紅外熱圖像，即紅外熱圖像Ei。= E0-Ei........................... (1)其中E0= E · Il1 · η2 · η。........................... (2)Ei = E · Il1 · η2 · η........................... (3)E為光源4的發(fā)光強度，Il1為光源準直鏡頭組5的光傳遞效率，η 2為讀出光路6 的光傳遞效率，η ο為焦平面陣列3的光傳遞效率，n為系統(tǒng)對紅外物體成像以后焦平面陣列3的光傳遞效率；實質上，式⑵和式(3)中的E，Jl1, η2，η。，η都會隨時間有一定的波動Ε會隨光源老化、光源電源紋波而變化；η” η2會因為外界環(huán)境變化、結構變形產生變化；％會由于外界震動產生極大的變化，從而導致式(1)的計算結果失真。特別是當系統(tǒng)需要長時間工作時，系統(tǒng)輸出的紅外圖像會失真，并且越來越模糊，逐漸失去成像能力。(2)用背景和噪聲信號修正紅外圖像圖2所示的新型高性能非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，在圖1的基礎上增加了一個光調制器2，對紅外成像光線進行時間調制。圖像采集和處理裝置7分時接收紅外圖像h 和背景與噪聲圖像Eo，且這兩類信號按一定的時間頻率交替出現，即t時刻出現，則t+Ι時刻出現&，t+2時刻出現Eo……由于t和t+i時刻的間隔At非常小，Ε，ηι; η2, η0, η 的變化也將非常小，甚至可以忽略不計，所以，如果按照E(t+1) = Eot-Es (t+1) ........................ G)計算的結果輸出紅外圖像，則可以在很大程度上克服由于E，Ii1, η2, η0, η隨時間變化引起的圖像失真甚至失去成像能力的困難，也就是說本成像系統(tǒng)能夠較好的扣除環(huán)境振動、環(huán)境溫度與照度變化、紅外焦平面陣列器件變形、光源電源紋波、光源老化、光機結構變形、CCD噪聲對系統(tǒng)成像質量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度。
權利要求
1.一種含時間調制裝置的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，包括紅外調制成像光路、 照明光路、光學讀出光路、圖像采集及處理裝置，其特征在于采用紅外調制成像光路中的光調制器對成像紅外光進行時間調制在不同調制狀態(tài)下，圖像采集及處理裝置采集到的圖像對應不同信號源，具有不同的意義，在圖像處理時，利用不同信號對紅外圖像進行修正， 從而消除環(huán)境振動、環(huán)境溫度與照度變化、紅外焦平面陣列器件變形、光源電源紋波、光源老化、光機結構變形、CCD噪聲對系統(tǒng)成像質量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度。
2.根據權利要求1所述的含時間調制裝置的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，其特征在于紅外調制成像光路包含紅外成像鏡頭、光調制組件、紅外焦平面陣列，照明光路包含光源、準直鏡組，光學讀出光路包含成像鏡頭組和濾波器。
3.根據權利要求1所述的含時間調制裝置的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，其特征在于所述進入紅外調制成像光路中的紅外成像光束，被光調制組件進行時間調制，使得紅外調制成像光路的輸出具有分時性，一部分時間是紅外圖像，另一部分時間是探測系統(tǒng)背景噪聲信號。
4.根據權利要求1所述的一種含時間調制裝置的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，其特征在于從光源發(fā)出的發(fā)散光經準直鏡組擴束、準直后，進入紅外調制成像光路。
5.根據權利要求4所述的新型高性能非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于探測紅外圖像的光路，與探測系統(tǒng)背景噪聲的光路完全一致，成像像素也完全一致。
6.根據權利要求5所述的新型高性能非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于圖像采集和處理裝置分時采集紅外圖像信號和背景噪聲信號，分時頻率由光調制器的調制周期決定。
7.根據權利要求6所述的新型高性能非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于圖像采集和處理裝置利用背景噪聲信號，對紅外圖像信號進行修正，以消除環(huán)境振動、環(huán)境溫度與照度變化、紅外焦平面陣列器件變形、光源電源紋波、光源老化、光機結構變形、CCD噪聲對系統(tǒng)成像質量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種含時間調制裝置的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，包括紅外調制成像光路1、2和3、照明光路4和5，光學讀出光路6，和圖像采集及處理系統(tǒng)7。1對外界目標聚焦并經2時間調制后成像于3，3產生相應變化；4發(fā)出的光經5準直后射向3，并被3空間調制后經6聚焦成像于7，7輸出紅外熱圖像。本發(fā)明的核心在于在非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)光路中設置了時間調制裝置2，使7交替接收紅外圖像信號和背景及系統(tǒng)噪聲信號；7利用背景噪聲信號對紅外圖像信號進行修正，從而消除振動、環(huán)境照度變化、紅外焦平面陣列器件變形、光源變化、光機結構變形、CCD噪聲對系統(tǒng)成像質量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度。
文檔編號G01J5/06GK102279053SQ20111008940
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月11日 優(yōu)先權日2011年4月11日
發(fā)明者于曉梅, 劉小華, 惠梅, 朱慧時, 武紅, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進, 龔誠 申請人:北京理工大學