[发明专利]基于FPA非制冷红外热成像的菲涅耳透镜光学读出系统

说明书

■技术领域

本发明是基于FPA红外热成像的一种菲涅耳透镜光学读出系统。该读出系统针对目前成像系统结构过于庞大和复杂的问题，发明出的一种光学读出系统。此种系统可代替传统的光学读出系统进行成像，使得系统更加轻便，设计自由度更大，能够减小光学读出系统的像差，提高系统成像质量以及探测灵敏度。

■背景技术

目前，非制冷红外成像技术光学读出方法发展迅速，新型的光学读出方法采用的焦平面阵列由双材料微悬臂梁组成，通过红外透镜的红外光被双材料微悬臂梁探测单元吸收后转化为热能，由于双材料的热致效应，微悬臂梁发生形变，该形变可以通过各种光学方法读出，从而得到被测热物体的温度分布及可见光图像。由于采用的微悬臂梁阵列制作简单，且不需要对每个单元设计并制作复杂的读出电路，因此该方法基本解决了电学读出方法的诸多问题。相比于传统的电学读出方法，光学读出方法能够很好地实现探测单元与基底间的热隔离，对等量的热辐射具有更高的温升。目前常用的光学读出方法有原子显微镜(AFM)光学读出方法、干涉式读出方法、针孔滤波读出方法、光学衍射读出方法和改进的非相干空间滤波方法等等，下面简单介绍这几种光学读出方法。

一.四单元读出系统

“四单元读出方法”是以标准原子力显微镜(AFM)原理为背景的读出系统，该方法利用光点的移动检测微悬臂梁受热后的偏转角，并利用特定的光学读出系统获得热图像。红外辐射需通过一个机械斩光器，然后经过红外透镜聚焦在微悬臂梁探测器上。机械斩光器能提高锁相放大器的参考频率，提高信噪比。利用激光照射微悬臂梁，再利用四单元位置敏感探测器(PSD)确定微悬臂梁的位置，并将信息存储在计算机中，计算机利用存储数据重构一个8位的图像阵列，灰度级为256。在重建的图像中，形变量最小的微悬臂梁呈黑色，形变量最大的微悬臂梁呈白色。这种系统灵敏度高，但只采用一个微悬臂梁作为探测单元，需要扫描机构按序扫描各个像元，因此该方法会导致光线间的互扰。另外，该方法对热信号响应时间较长，难以进行实时观察，且测量面离焦平面非常近，很难对整个焦平面空间进行检测。

二.光学干涉读出系统

这种方法是基于迈克尔逊干涉原理的光学读出方法。从FPA反射的光到达分光镜后，一部分通过分光镜传播到反射面上，另一部分经反射镜的反射垂直向下射向被测面，被测面和反射镜反射的光再次相遇发生干涉，经成像透镜在光电探测器上成像。当环境中加入热辐射物体时，FPA上的微悬臂梁发生偏转，则从FPA反射的光束方向发生变化，导致在光电探测器上灰度值发生变化，通过帧间图像的相减便获得红外热图像。这种方法检测的是微悬臂梁受热后产生的离面位移，光学分辨率为四分之一个波长。该系统精度非常高，易于阵列成像，但是对抗震性要求也很高，需要采用共光路干涉光路，并且参与干涉的平面(参考平面和变形平面)需保持十分近的距离，但这会使光在两个面上多次反射，使系统的信噪比很难提高。该光学系统的动态范围窄，为了满足光强信号和微悬臂梁离面位移的单调关系，需要限制微悬臂梁的离面位移在半个波长以内。

三.针孔滤波读出系统

针孔滤波读出系统通过红外透镜将红外光聚焦在FPA上，FPA封装在真空腔内，光源为可见光LED。LED发出的光经准直元件后成为平行光，该平行光照射在FPA上并经FPA反射，从FPA反射的光束通过第一个成像透镜成为会聚光，并会聚在焦面上的针孔附近。因为每个反射小单元的偏转角度不同，会使这些光线在针孔板上的会聚位置不同，只有当会聚位置与针孔位置对应时，这些光线才能够通过针孔及第二个成像透镜。当这些光线通过第二个成像透镜后，成为平行光并在CCD上成像。当环境中没有红外热辐射物体时，各个悬臂梁小单元的偏转角度相同，因此准直后的平行光经FPA反射后具有相同的方向，通过第一个成像透镜后会聚焦在一起，各小单元焦点的位置全部重叠，使CCD接收到的FPA上每个小单元的反射光经过针孔后的光强相同，因此输出图像各个位置的灰度值相同。当环境中存在热物体时，由于各个小单元受热不同而偏转不同的角度，导致经FPA反射的光束的方向不同，使得该光束通过第一个成像透镜聚焦后焦点不重合，因此通过针孔的光强发生变化，最终导致CCD上接收到的光强发生变化，得到灰度值不同的图像输出。这种方法的探测灵敏度不仅与探测目标黑体的温度有关，还与LED的发光强度和CCD的灵敏度有关。该方法无需隔振，易实现阵列测量。但是该方法的空间分辨率和探测灵敏度无法同时提高，空间分辨率不够且图像不清晰。

四.光学衍射读出系统