[发明专利]基于全息波前补偿技术的光学读出方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学读出式红外焦平面阵列热成像系统的光学读出处理技术，利用该技术可以显著的克服焦平面阵列制造过程中的不均匀性所带来的像面各像素光机械响应不一致的问题，令后续的图像处理过程获得更好的处理效果，提高图像质量和容许制造更大规模的阵列而保持像面阵列响应的灵敏度和一致性。

背景技术

近年来采用电学读出方式的非制冷焦平面阵列红外热成像系统获得了很大的发展，取代传统的制冷型系统成为当今热成像系统的主流，而此时光学读出式焦平面阵列相比于电学读出方式，由于其具有背景噪声低，结构简单和造价低的优点开始受到关注，国际上陆续有多家机构投入到对此项课题的研究当中，其中主要包括美国的Nikon公司，Berkeley大学，Agiltron公司，以及中国科学院微电子所和中国科学技术大学。美国Agiltron公司制造的高速光学读出焦平面阵列，其探测噪声等效温差已经达到120mK，阵列尺寸280×240，输出可达1000帧每秒。虽然如此，此项技术目前还不成熟，离商业化还有一定的距离，仅停留在实验研究阶段。

焦平面阵列的光学读出技术，主要是将焦平面阵列表面单元在红外热作用下的微小形变转变为可直接用肉眼观察的图像的技术。焦平面阵列热变形主要是基于双材料梁受热变形的机理，阵列单元的尺度约在几十微米量级，每个单元内部都包含着一个或若干个的双材料复合悬臂梁，构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差悬殊，为了便于可见光探测，在双材料梁结构上会固定高反射率的材料制成的反射面或反射体，在红外线的热作用下悬臂梁会发生微小的弯曲，带动反射面偏转而改变入射光的相位。

光学滤波的核心是利用光学频谱处理的思想，将单元的微小形变转化为图像明暗程度的变化。这首先要求单元反射体的姿态角度具有较好的一致性，这样各个单元的谱才能在滤波平面上基本重合在一起而可以采用同一个滤波器并行处理而具有一致的灵敏度，然而由于制造工艺的限制，实际焦平面阵列的姿态角度并不一致，导致图像上各单元的温度响应不一致，甚至一些像素单元由于姿态角度偏离太大而完全没有响应；其次要求单元的反射面要尽可能的平整，这样才能在滤波平面上形成能量集中的谱，具有较高的探测灵敏度，而实际焦平面阵列存在着单元反射面弯曲的问题，弯曲的单元反射面使对应单元的谱在滤波平面上的能量散开，严重影响探测灵敏度。

发明内容

本发明的目的是采用全息技术改进光学读出光路来补偿和克服上述的焦平面阵列初始形状缺陷，从而改善输出图像质量。

本发明的目的是由以下技术方案来实现：主要的过程分为两步，首先是记录过程，以全息记录介质来记录被理想形式(包括但不限于点光源或准直平行光源)的相干光源照射的焦平面阵列反射出来的含有初始形状缺陷信息的带有畸变的波前，或者以计算全息方式制造含有形状缺陷信息的纪录介质；其次是再现过程，采用全息再现光路以记录介质为媒介再现一个与原畸变波前相位相反传播方向相反的补偿波前，并将该波前准确的入射到焦平面阵列上。

有益效果

采用本发明可以补偿由于焦平面阵列形状缺陷所造成的光学滤波效果不一致的情况和滤波灵敏度较差的情况。再现过程中，由于相位互补的作用，焦平面阵列的反射光将接近于记录时的理想的光学输出模式，使得光学滤波过程可以对各单元都达到或接近理想形状下的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的光学读出焦平面阵列为核心的热成像系统，

图2为本发明的一个实际采用的全息记录过程，

图3为与图2对应的采用反射方式的再现过程，

其中：1-光源，2-半反半透镜，3-外界入射红外线，4-红外透镜，5-焦平面阵列，6、8-傅立叶透镜，7-滤波器，9-相机，10-数字图像处理器，11-显示器，12-相干光源，13-聚焦镜头及针孔组件，14-准直透镜，15-参考光，16-全息记录介质，17-物光，18-聚焦镜头及针孔组件，19-记录光，20-再现光，21-再现波前。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：