專利名稱：基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)讀出式紅外焦平面陣列熱成像系統(tǒng)的光學(xué)讀出處理技術(shù)， 利用該技術(shù)可以顯著的克服焦平面陣列制造過程中的不均勻性所帶來的像面各 像素光機(jī)械響應(yīng)不一致的問題，令后續(xù)的圖像處理過程獲得更好的處理效果， 提高圖像質(zhì)量和容許制造更大規(guī)模的陣列而保持像面陣列響應(yīng)的靈敏度和一致 性。
背景技術(shù)：
近年來采用電學(xué)讀出方式的非制冷焦平面陣列紅外熱成像系統(tǒng)獲得了很大 的發(fā)展，取代傳統(tǒng)的制冷型系統(tǒng)成為當(dāng)今熱成像系統(tǒng)的主流，而此時光學(xué)讀出 式焦平面陣列相比于電學(xué)讀出方式，由于其具有背景噪聲低，結(jié)構(gòu)簡單和造價 低的優(yōu)點(diǎn)開始受到關(guān)注，國際上陸續(xù)有多家機(jī)構(gòu)投入到對此項課題的研究當(dāng)中，
其中主要包括美國的Nikon公司，Berkeley大學(xué)，Agiltron公司，以及中國科學(xué) 院微電子所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。美國Agiltron公司制造的高速光學(xué)讀出焦平面 陣列，其探測噪聲等效溫差已經(jīng)達(dá)到120mK，陣列尺寸280x240，輸出可達(dá)1000 幀每秒。雖然如此，此項技術(shù)目前還不成熟，離商業(yè)化還有一定的距離，僅停 留在實驗研究階段。
焦平面陣列的光學(xué)讀出技術(shù)，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(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯佑萌庋塾^察的圖像的技術(shù)。焦平面陣列熱變形主要 是基于雙材料梁受熱變形的機(jī)理，陣列單元的尺度約在幾十微米量級，每個單 元內(nèi)部都包含著一個或若干個的雙材料復(fù)合懸臂梁，構(gòu)成懸臂梁的兩種材料熱膨脹系數(shù)相差懸殊，為了便于可見光探測，在雙材料梁結(jié)構(gòu)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(fā)生微小的彎曲， 帶動反射面偏轉(zhuǎn)而改變?nèi)肷涔獾南辔弧?br> 光學(xué)濾波的核心是利用光學(xué)頻譜處理的思想，將單元的微小形變轉(zhuǎn)化為圖 像明暗程度的變化。這首先要求單元反射體的姿態(tài)角度具有較好的一致性，這 樣各個單元的譜才能在濾波平面上基本重合在一起而可以采用同一個濾波器并 行處理而具有一致的靈敏度，然而由于制造工藝的限制，實際焦平面陣列的姿 態(tài)角度并不一致，導(dǎo)致圖像上各單元的溫度響應(yīng)不一致，甚至一些像素單元由
于姿態(tài)角度偏離太大而完全沒有響應(yīng)；其次要求單元的反射面要盡可能的平整， 這樣才能在濾波平面上形成能量集中的譜，具有較高的探測靈敏度，而實際焦 平面陣列存在著單元反射面彎曲的問題，彎曲的單元反射面使對應(yīng)單元的譜在 濾波平面上的能量散開，嚴(yán)重影響探測靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用全息技術(shù)改進(jìn)光學(xué)讀出光路來補(bǔ)償和克服上述的焦平 面陣列初始形狀缺陷，從而改善輸出圖像質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實現(xiàn)主要的過程分為兩步，首先是記 錄過程，以全息記錄介質(zhì)來記錄被理想形式(包括但不限于點(diǎn)光源或準(zhǔn)直平行光 源)的相干光源照射的焦平面陣列反射出來的含有初始形狀缺陷信息的帶有畸變 的波前，或者以計算全息方式制造含有形狀缺陷信息的紀(jì)錄介質(zhì)；其次是再現(xiàn) 過程，采用全息再現(xiàn)光路以記錄介質(zhì)為媒介再現(xiàn)一個與原畸變波前相位相反傳 播方向相反的補(bǔ)償波前，并將該波前準(zhǔn)確的入射到焦平面陣列上。有益效果
采用本發(fā)明可以補(bǔ)償由于焦平面陣列形狀缺陷所造成的光學(xué)濾波效果不一 致的情況和濾波靈敏度較差的情況。再現(xiàn)過程中，由于相位互補(bǔ)的作用，焦平 面陣列的反射光將接近于記錄時的理想的光學(xué)輸出模式，使得光學(xué)濾波過程可 以對各單元都達(dá)到或接近理想形狀下的靈敏度。


圖1為本發(fā)明的光學(xué)讀出焦平面陣列為核心的熱成像系統(tǒng)，
圖2為本發(fā)明的一個實際采用的全息記錄過程， 圖3為與圖2對應(yīng)的采用反射方式的再現(xiàn)過程，
其中l(wèi)-光源，2-半反半透鏡，3-外界入射紅外線，4-紅外透鏡，5-焦平面 陣列，6、 8-傅立葉透鏡，7-濾波器，9-相機(jī)，10-數(shù)字圖像處理器，11-顯示器， 12-相干光源，13-聚焦鏡頭及針孔組件，14-準(zhǔn)直透鏡，15-參考光，16-全息記錄 介質(zhì)，17-物光，18-聚焦鏡頭及針孔組件，19-記錄光，20-再現(xiàn)光，21-再現(xiàn)波前。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述
圖2和圖3采用了無透鏡的反射再現(xiàn)全息，可以在物光17及再現(xiàn)波前21 中對應(yīng)的相同位置處插入變換透鏡使系統(tǒng)成為有透鏡變換的全息，也可以改變 記錄與再現(xiàn)的形式在記錄過程中采用反射光路而在再現(xiàn)過程采用透射形式的光 路。在圖2和圖3中所采用的參考光15、入射陣列的記錄光19和再現(xiàn)光14均 為準(zhǔn)直光束，但是在保證記錄光19與再現(xiàn)光14為共軛光束的情況下，也可以 使用其它形式的光束，例如球面波、柱面波和拋物面波等或上述形式多個波的疊加組合。所采用的全息記錄介質(zhì)可以記錄任意的波前形式，因此也可以實現(xiàn) 一些光學(xué)元件的功能，如準(zhǔn)直透鏡，因此可以通過記錄過程將透鏡光學(xué)元件而 在再現(xiàn)過程中省略該元件從而起到簡化光學(xué)系統(tǒng)的目的。采用物理記錄方式可 以獲得很高細(xì)節(jié)分辨率的再現(xiàn)波前，然而為了提高再現(xiàn)過程的光能利用率有可
能采用計算全息來生成所需的波前，圖2的記錄過程將由一個焦平面陣列表面 形貌探測的過程所取代，在獲得實際陣列形貌數(shù)據(jù)以后可以通過計算手段得到 全息介質(zhì)上的干涉圖樣生成計算全息或二元光學(xué)元件用于再現(xiàn)過程。在記錄與 再現(xiàn)過程中不僅可以采用可見光波，也可以采用其它種類的波，如紫外光和電 子束等，從而在獲得更高的探測靈敏度的情況下保持像面響應(yīng)的一致性。
相干光源1發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直以后經(jīng)過半反半透鏡2照射在焦平面陣列5 上，陣列的反射光又經(jīng)過傅立葉變換透鏡6在濾波器平面上匯聚，得到焦平面 陣列圖形的空間頻譜，通過適當(dāng)設(shè)計的濾波器7，該空間頻譜又被傅立葉透鏡8 成像在像機(jī)9上，像機(jī)9產(chǎn)生的連續(xù)視頻流經(jīng)過數(shù)字圖像處理器10的處理以后 被顯示器11顯示出來。通常正常工作之前首先完全遮擋住外界通過紅外透鏡4 進(jìn)入到系統(tǒng)中的紅外線3，由數(shù)字圖像處理器10采集一幀圖像并保存下來作為 背景，然后去掉遮擋，外界紅外線3經(jīng)過紅外透鏡4照射在焦平面陣列5上， 令陣列單元發(fā)生形變，該形變改變了反射出光的相位，像機(jī)9上則由于光學(xué)濾 波器7的作用而得到了明暗改變的圖像，數(shù)字圖像處理器IO將當(dāng)前采集的圖像 與先前保存的背景圖像相減以后輸出顯示，即得到了肉眼可見的紅外圖像。
將聚焦鏡頭及針孔組件18置于頻譜平面，由相干光源12產(chǎn)生的相干光入 射，由聚焦鏡頭及針孔組件18發(fā)出的光經(jīng)過傅立葉透鏡6以后形成準(zhǔn)直記錄光 19穿過半反半透鏡2入射焦平面陣列5，由陣列5反射的光波前由于陣列單元 姿態(tài)角度不一致而帶有畸變，該反射光被半反半透鏡反射后照射到全息記錄介質(zhì)16上，為全息記錄所需的物光17，由相干光源12分光得到的另一束光被聚 焦鏡頭及針孔組件13和透鏡14準(zhǔn)直以后也入射到記錄介質(zhì)16上，形成全息記 錄的參考光15，物光17與參考光15相干涉得到記錄介質(zhì)16上的干涉場，被記 錄下來。
經(jīng)過記錄過程的記錄介質(zhì)16被復(fù)原安置在原位置上，相干光源12產(chǎn)生的 相干光經(jīng)過聚焦鏡頭及針孔組件13和透鏡14準(zhǔn)直以后按照記錄過程中參考光 15的相反方向入射到記錄介質(zhì)16上，作為再現(xiàn)光20。再現(xiàn)光20被記錄介質(zhì)16 反射以后再現(xiàn)出與記錄過程中的物光共軛的再現(xiàn)波前21，根據(jù)光路可逆的原理， 再現(xiàn)波前21被半反半透鏡2反射以后入射到焦平面陣列5上，再由焦平面陣列 5反射出來，將沿著原記錄光19路徑反向匯聚到記錄過程中的聚焦鏡頭及針孔 組件18的針孔位置處，將記錄過程中的聚焦鏡頭及針孔組件18和相干光源12 如圖置換成原濾波光路的7、 8、 9、 10、 11就可以在畸變波前被補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)下 工作了。
采用全息材料記錄由焦平面反射出的帶有畸變的波前，該過程重要的是要 確定由焦平面反射出的光的能量集中的方向，必須將記錄材料置于反射能量的 主方向上，并盡可能的覆蓋所有陣列單元反射的主方向。合理安排全息記錄介 質(zhì)(例如全息干板)所放置的方向，應(yīng)該避免再現(xiàn)過程中的零級衍射光對波前再現(xiàn) 的干擾。全息介質(zhì)與焦平面陣列之間的相對位置要嚴(yán)格固定，保證在處理全過 程中不發(fā)生相對位移影響再現(xiàn)波前與陣列的匹配精度。再現(xiàn)波長應(yīng)盡可能與原 波長接近以減小像差。全息再現(xiàn)過程需要增加輔助裝置對焦平面陣列或入射準(zhǔn) 直光束的空間角度進(jìn)行微調(diào)，以使得再現(xiàn)的波前與焦平面陣列準(zhǔn)確重合。再現(xiàn) 過程應(yīng)采用高穩(wěn)定性的相干光源，這樣可以保證輸出圖像背景亮度穩(wěn)定。再現(xiàn) 過程受到氣流擾動影響較大，為減少氣流影響應(yīng)采取一定的密封措施。
權(quán)利要求
1. 一種基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法，其特征在于該方法分為全息手段記錄和再現(xiàn)兩個過程，記錄過程用于記錄陣列反射產(chǎn)生的畸變波前；再現(xiàn)過程復(fù)現(xiàn)出與畸變波前相位相反傳播方向相反的補(bǔ)償波前用于陣列照明。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法，其特征在于 全息手段記錄和再現(xiàn)既包括反射再現(xiàn)全息也包括透射再現(xiàn)全息，既包括無透鏡 變換的全息也包括帶有變換透鏡的全息。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法，其特征在于 全息手段中所采用的全息記錄過程所制作的波前補(bǔ)償裝置，將光路中的其它光 學(xué)元件與波前補(bǔ)償部分結(jié)合而成，同時起到補(bǔ)償作用和其它光學(xué)元件的作用。
4、 如權(quán)利要求1所述基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法，其特征在于全 息記錄和再現(xiàn)所采用的光束可以是非準(zhǔn)直的光束，例如球面光束和拋物面光束， 或由上述非準(zhǔn)直光束疊加構(gòu)成光束形式進(jìn)行記錄和再現(xiàn)。
5、 如權(quán)利1所述的基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法，其特征在于記錄 過程，其記錄方式不僅限于采用光學(xué)記錄方式，也針對陣列形貌數(shù)據(jù)采用專門 設(shè)計的具有陣列波前補(bǔ)償功能的計算全息光學(xué)元件及二元光學(xué)元件。
6、 如權(quán)利要求1所述的基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法，其特征在于 全息記錄和再現(xiàn)所采用的光束不僅限于可見光束，也可采用其它波長的波(例 如紫外光或者電子束)的全息記錄和再現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明為基于全息波前補(bǔ)償技術(shù)的光學(xué)讀出方法，屬于全息技術(shù)在光學(xué)讀出式紅外焦平面熱成像技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，針對光學(xué)讀出式紅外焦平面陣列各成像單元初始姿態(tài)不一致帶來單元熱探測靈敏度不一致的問題，采用全息補(bǔ)償照明技術(shù)的新型相干照明方案，可以解決該問題，并消除部分盲元，改善輸出圖像的質(zhì)量。主要過程是利用全息光學(xué)手段首先在記錄過程中記錄球面波(或平面波)入射被陣列反射產(chǎn)生畸變的波前，然后在再現(xiàn)過程中再現(xiàn)一個與原畸變波前相位相反傳播方向相反的補(bǔ)償波前，根據(jù)光路可逆原理，采用該補(bǔ)償波前作為陣列照明光源，精確控制照明的角度和方位，則陣列反射光可以形成規(guī)整的球面波(或平面波)，便于后續(xù)探測。
文檔編號G03H1/04GK101430537SQ200810188139
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者明 劉, 劉小華, 梅 惠, 紅 武, 董立泉, 趙躍進(jìn), 誠 龔 申請人:北京理工大學(xué)