專利名稱：基于mems紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是基于FPA非制冷紅外成像技術(shù)的ー種光學(xué)讀出系統(tǒng)。該讀出系統(tǒng)針對(duì)目前的讀出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于龐大且靈敏度低的問題，發(fā)明出的一種新的光學(xué)讀出系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用反射鏡代替了原始的透鏡成像，且使用了反射濾波器代替了傳統(tǒng)的濾波器，使得系統(tǒng)更加緊湊，輕便，設(shè)計(jì)自由度更大，并在一定程度上増加了系統(tǒng)探測(cè)的靈敏度。
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背景技術(shù)：
無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，基于MEMS的新型光學(xué)讀出式FPA熱成像技術(shù)越來越受到重視。光讀出式非制冷紅外成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電讀出方式相比，總結(jié)起來有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)I.基于微懸臂梁的非制冷紅外成像系統(tǒng)的核心敏感器件能夠在室溫下工作，且不 需要制冷設(shè)備。2.由于采用的是光學(xué)讀出方式，不存在電能轉(zhuǎn)熱能的現(xiàn)象，所以讀出系統(tǒng)不會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生附加的熱能。3.不需要在像素間進(jìn)行交叉布線和電子掃描束，容易増加探測(cè)器上像素的數(shù)量，不引入制作難度和成本，降低了制作的復(fù)雜度和生產(chǎn)成本。4.不需要探測(cè)單元間在腿部進(jìn)行金屬連接，從而能夠在探測(cè)單元和基底之間實(shí)現(xiàn)良好的熱隔離，這樣使得每個(gè)像素的熱隔離能夠達(dá)到輻射極限。5.微懸臂梁陣列現(xiàn)在采用能夠與Si制作エ藝兼容的微加工エ藝，因此很大程度上降低了開發(fā)和制作成本。根據(jù)以上介紹的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都對(duì)新型光學(xué)讀出式非制冷紅外成像系統(tǒng)的性能和集成進(jìn)行了廣泛和深入的探究。目前，非制冷紅外成像系統(tǒng)用于讀出FPA微懸臂梁偏轉(zhuǎn)角的光學(xué)讀出系統(tǒng)大多基于透射式的4f系統(tǒng)，且使用刀ロ、小孔、狹縫、方孔等的濾波方式。以小孔濾波方法為例小孔濾波讀出系統(tǒng)是通過紅外透鏡將紅外線聚焦在FPA上，F(xiàn)PA在真空腔內(nèi)，光源為可見光LED。LED發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直元件后成為平行光，該平行光照射在FPA上并經(jīng)FPA反射。從FPA反射的光束通過第一個(gè)成像透鏡成為會(huì)聚光，并會(huì)聚在焦面上的小孔附近。因?yàn)槊總€(gè)反射小単元的偏轉(zhuǎn)角度不同，會(huì)使這些光線在小孔板上的會(huì)聚位置不同，只有當(dāng)會(huì)聚位置和小孔位置合適時(shí)，這些光線才能夠通過小孔及第ニ個(gè)成像透鏡。當(dāng)這些光線通過第二個(gè)成像透鏡后，會(huì)成為平行光井在CCD上成像。當(dāng)環(huán)境中沒有紅外熱輻射物體時(shí)，各個(gè)懸臂梁小單元的偏轉(zhuǎn)角度相同，因此準(zhǔn)直后的平行光經(jīng)FPA反射后具有相同的方向，通過第一個(gè)成像透鏡后會(huì)聚焦在一起，且焦點(diǎn)的位置全部重疊，使CCD接收到的FPA上每個(gè)小単元的反射光經(jīng)過小孔后的光強(qiáng)相同，因此輸出圖像各個(gè)位置的灰度值相同。當(dāng)環(huán)境中存在熱物體吋，由于各個(gè)小単元受熱不同而偏轉(zhuǎn)不同的角度，導(dǎo)致經(jīng)FPA反射的光束的方向不同，使得該光束通過第一個(gè)成像透鏡聚焦后焦點(diǎn)不重合，因此通過小孔的光強(qiáng)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致CCD上接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，得到灰度值不同的圖像輸出。這種方法的探測(cè)靈敏度不僅與探測(cè)目標(biāo)黑體的溫度有關(guān)，還與LED的發(fā)光強(qiáng)度和CCD的靈敏度有夫。該系統(tǒng)無需隔振，易實(shí)現(xiàn)陣列測(cè)量。但是該系統(tǒng)的空間分辨率和探測(cè)靈敏度無法同時(shí)提高，空間分辨率不夠且圖像不清晰等?？偨Y(jié)起來，透射式的光學(xué)讀出系統(tǒng)存在以下幾方面的缺陷I.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較大，不利于小型化和便攜。2.空間分辨率和探測(cè)靈敏度沒法同時(shí)提高，空間分辨率不夠且圖像不夠清晰。3.濾波器大多使用刀ロ、小孔或狹縫等，系統(tǒng)缺陷(比如FPA的制造缺陷，小單元初始的形態(tài)不一致以及光學(xué)器件產(chǎn)生的像差等)對(duì)成像的 影響較大。4.位相互補(bǔ)式的濾波器很難實(shí)現(xiàn)且容易受到空氣擾動(dòng)的影響。與透射式的光學(xué)讀出系統(tǒng)不同，反射式的光學(xué)讀出系統(tǒng)是利用反射的光學(xué)元件，并且使用和傳統(tǒng)濾波器位相互補(bǔ)的反射濾波器。與傳統(tǒng)的4f系統(tǒng)的濾波器(如小孔，狹縫等)相比，反射濾波器是與傳統(tǒng)濾波器互補(bǔ)的形式，也就是用圓點(diǎn)或方點(diǎn)的方法。使用透射式的4f系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)使用圓點(diǎn)、方點(diǎn)作為濾波器，較難實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器的形式，并且還容易受到空氣擾動(dòng)的影響。除此之外，傳統(tǒng)的小孔濾波的方式的不容易找到最佳濾波位置。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用反射式4f系統(tǒng)成像性能，使用反射濾波器，將微懸臂梁陣列的受熱轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)反射式的濾波器是在平面鏡上刻制一定半徑的圓點(diǎn)，圓點(diǎn)部位不反射光，圓點(diǎn)以外的部位可以反光，作為反射式4f系統(tǒng)衍射譜的濾波器。假設(shè)每個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧墓鈱W(xué)反射面可以簡(jiǎn)化為規(guī)則的矩形板并且彼此間平行，這樣ー個(gè)個(gè)矩形板排列起來就形成了ニ維的光柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)用可見光照明時(shí)，每個(gè)矩形板單元在譜平面形成相同的衍射譜，但是由于每個(gè)矩形板受熱后偏轉(zhuǎn)的角度不同，每個(gè)單元的衍射譜的位移也就不同。有些微懸臂梁的轉(zhuǎn)角偏大，導(dǎo)致光的衍射譜大部分移入反光區(qū)域，通過的光能増加；有些微懸臂梁的轉(zhuǎn)角偏小，光的衍射譜大部分仍在不反光的區(qū)域內(nèi)，通過的光能増加的程度較小(反之亦然)。初始狀態(tài)時(shí)，環(huán)境中沒有紅外輻射物體時(shí)，焦平面陣列FPA的每個(gè)小單元的反光板的初始角度一祥，平行光以一定的角度入射后，F(xiàn)PA的矩形板単元經(jīng)過反射4f系統(tǒng)，在譜平面形成相同的衍射譜，經(jīng)過反射濾波器的濾波及凹面鏡后，成像在CXD上，并以這個(gè)像作為基準(zhǔn)。當(dāng)環(huán)境中有紅外輻射物體時(shí)，物體經(jīng)過紅外透鏡成像在FPA上，F(xiàn)PA上的小單元發(fā)生相應(yīng)的不同的偏轉(zhuǎn)，平行光入射到FPA上之后，經(jīng)FPA反光板反射的光也發(fā)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，這時(shí)，光的衍射譜隨著小単元的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的位移。再次經(jīng)過反射濾波器的濾波及凹面鏡成像后，成像在CCD上，兩次成像的亮度差異就可以得到紅外輻射物體的紅外熱圖像?！鲇幸嫘Ч捎帽景l(fā)明可以取代傳統(tǒng)的透鏡成像，采用反射元件凹面反射鏡和反射濾波器將微懸臂梁陣列的受熱轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)。和傳統(tǒng)的方法相比，反射濾波器的設(shè)計(jì)自由度較大，這種方法不僅可以減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，還可以提高檢測(cè)靈敏度，在一定程度上提高了光能利用率，而且系統(tǒng)缺陷對(duì)成像的影響比使用傳統(tǒng)的4f光學(xué)讀出系統(tǒng)要小。
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圖I為基于本發(fā)明的以基于MEMS的非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的反射式4f光學(xué)讀出系統(tǒng)的原理示意圖其中1-點(diǎn)光源，2-準(zhǔn)直系統(tǒng)，3-焦平面陣列，4-凹面鏡，5-反射鏡，6-反射濾波器，7-凹面鏡，8-光電接收器圖2為反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)中用到的反射濾波器其中9-平面反射鏡，10-不透光圓點(diǎn)
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具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步描述如圖I所示，當(dāng)外界沒有紅外輻射物體時(shí)，焦平面陣列的小単元都處在同一個(gè)狀態(tài)。這時(shí)，點(diǎn)光源I發(fā)射出的光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)2的調(diào)制，變?yōu)槠叫泄馍涑?。平行光照射?焦平面陣列FPA上，焦平面陣列FPA小單元中的反光板將平行光反射出。經(jīng)焦平面陣列FPA 反射回的光經(jīng)過由凹面鏡4、在凹面鏡的焦面上形成衍射斑，也就是物體的頻譜，形成的頻譜經(jīng)過反射濾波器6進(jìn)行濾波，濾波后的頻譜再經(jīng)過凹面鏡7的一次傅里葉逆變換的過程，對(duì)焦平面陣列FPA成像。以這個(gè)像為基準(zhǔn)圖像。其中平面反射鏡5起到了折疊光路，減小系統(tǒng)尺寸的作用。當(dāng)外界放置了紅外物體時(shí)，紅外物體發(fā)出的光經(jīng)過紅外透鏡后成像在3焦平面陣列FPA上，3焦平面陣列FPA上對(duì)應(yīng)的小単元的懸臂梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此時(shí)，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2后的平行光照射到FPA上，平行光中照射到發(fā)生偏轉(zhuǎn)的相應(yīng)的小単元后也會(huì)偏轉(zhuǎn)一定的角度，再次經(jīng)過由凹面鏡4、平面反射鏡5、反射濾波器6，此時(shí)，光的衍射譜大部分移入反光區(qū)域，通過的光能増加，再經(jīng)過凹面鏡7成像，CXD采集到得是一個(gè)有紅外物體信息的一幅圖像，將這幅圖像與原圖像進(jìn)行做差就可以得到紅外物體的熱像。如圖2所示的為反射式讀出方式的濾波器。是在平面反射鏡9上刻制一個(gè)不反光的圓點(diǎn)10，用來對(duì)衍射譜進(jìn)行濾波。當(dāng)環(huán)境中沒有紅外物體是，微懸臂梁的衍射譜大部分被不反光的圓孔吸收掉，衍射譜的小部分經(jīng)過圓孔之外的反射面反射。當(dāng)外界放置了紅外物體吋，部分微懸臂梁根據(jù)吸收的熱量分別偏轉(zhuǎn)不同的角度，各自的衍射譜發(fā)生相應(yīng)的偏移，有些微懸臂梁的轉(zhuǎn)角偏大，導(dǎo)致光的衍射譜大部分移入反光區(qū)域，通過的光能増加程度較大；有些微懸臂梁的轉(zhuǎn)角偏小，光的衍射譜偏離出反光區(qū)域較少，通過的光能増加的程度也較小。這樣CCD就可以捕捉到不同的亮度的變化，增加紅外成像系統(tǒng)的靈敏度。另外，反射式的濾波器也可以根據(jù)需要將不透光的圓點(diǎn)10，設(shè)計(jì)為方點(diǎn)、窄帶或任意形狀以滿足系統(tǒng)的需求。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng),其特征在于該系統(tǒng)由照明光路、焦平面陣列微懸臂梁FPA、紅外透鏡、凹面反射鏡、反射濾波器、光電探測(cè)器及顯示器組成，紅外透鏡將紅外熱輻射目標(biāo)共軛成像在FPA后表面上，使FPA小單元發(fā)生受熱變形偏轉(zhuǎn)，照明光路出射的平行光經(jīng)FPA前表面反射后到達(dá)凹面反射鏡，凹面反射鏡對(duì)FPA受熱變形偏轉(zhuǎn)光場(chǎng)進(jìn)行傅里葉變換，傅里葉頻譜由反射濾波器濾波，再經(jīng)過另一片凹面反射鏡的逆傅里葉變換成像在光電探測(cè)器上，顯示器顯示FPA受熱偏轉(zhuǎn)后的光場(chǎng)信息。
2.如權(quán)利要求I所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)以凹面反射鏡和反射濾波器取代傳統(tǒng)讀出光路中的凸透鏡和透射濾波器，在讀出光路中完全使用反射光學(xué)元件讀取焦平面陣列微懸臂梁FPA的受熱變形偏轉(zhuǎn) 信息。
3.如權(quán)利要求2所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于凹面反射鏡在背面做輕量化的設(shè)計(jì)和處理，鉆(或者是鑄造)孔以達(dá)到輕量化的目的，有利于減小整個(gè)讀出系統(tǒng)的重量。
4.如權(quán)利要求2所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于反射式濾波器是在平面反射鏡上刻制相應(yīng)的圖形以實(shí)現(xiàn)位相濾波，比如圓點(diǎn)、方點(diǎn)、窄帶等形狀，而傳統(tǒng)的透射式濾波器不能實(shí)現(xiàn)圓點(diǎn)、方點(diǎn)等位相互補(bǔ)式的濾波，且透射式的窄帶濾波器也較容易受到空氣流動(dòng)或震動(dòng)的影響。
5.如權(quán)利要求4所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng),其特征在于反射式濾波器加工制造容易，反射式濾波器可以按照設(shè)計(jì)需要加工為任意形狀，比透射式的更容易實(shí)現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求2所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng),其特征在于反射式讀出系統(tǒng)中的反射光學(xué)元件的布置采用了折疊光路，有利于整個(gè)系統(tǒng)的小型化。
7.如權(quán)利要求2所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)完全使用了反射器件，因此對(duì)光源的亮度及不均勻性的要求降低，將光源的影響減至最小。
8.如權(quán)利要求2所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)是離軸反射系統(tǒng)，從FPA反射出的光全部通過凹面反射鏡成像，成像質(zhì)量較透射式讀出系統(tǒng)更好，提高了光能利用率。
全文摘要
本發(fā)明是一種MEMS非制冷紅外成像反射式光學(xué)讀出系統(tǒng)。當(dāng)背景環(huán)境中沒有紅外物體時(shí)，F(xiàn)PA微懸臂梁沒有發(fā)生彎曲，這時(shí)經(jīng)過FPA反射回的光線經(jīng)過凹面鏡發(fā)生一次傅里葉變換，形成的頻譜經(jīng)過反射濾波器的濾波，再經(jīng)過另一片凹面鏡的逆傅里葉變換成像在CCD上，以這個(gè)像作為基準(zhǔn)像。當(dāng)環(huán)境中有紅外物體時(shí)，焦平面陣列中的微懸臂梁受熱彎曲，F(xiàn)PA反射回的光發(fā)生變化，通過凹面鏡后的頻譜發(fā)生一定的位移，再經(jīng)過反射濾波器的濾波和凹面鏡的逆傅里葉變換，成像在CCD上。這幅圖像和基準(zhǔn)像做差運(yùn)算就可以得到有紅外輻射物體的像。這種系統(tǒng)折疊了光路，減小了光學(xué)讀出系統(tǒng)的尺寸，并達(dá)到了改善成像質(zhì)量、提高探測(cè)靈敏度的目的。
文檔編號(hào)G01J5/08GK102680107SQ20121016137
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者惠梅, 王文娟, 趙躍進(jìn), 龔誠(chéng) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)