專利名稱：基于fpa非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(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紅外熱成像的一種菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)。該讀出系統(tǒng)針對目前成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于龐大和復(fù)雜的問題，發(fā)明出的一種光學(xué)讀出系統(tǒng)。此種系統(tǒng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)讀出系統(tǒng)進行成像，使得系統(tǒng)更加輕便，設(shè)計自由度更大，能夠減小光學(xué)讀出系統(tǒng)的像差，提高系統(tǒng)成像質(zhì)量以及探測靈敏度。
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背景技術(shù)：
目前，非制冷紅外成像技術(shù)光學(xué)讀出方法發(fā)展迅速，新型的光學(xué)讀出方法采用的焦平面陣列由雙材料微懸臂梁組成，通過紅外透鏡的紅外光被雙材料微懸臂梁探測單元吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，由于雙材料的熱致效應(yīng)，微懸臂梁發(fā)生形變，該形變可以通過各種光學(xué)方法讀出，從而得到被測熱物體的溫度分布及可見光圖像。由于采用的微懸臂梁陣列制作簡單，且不需要對每個單元設(shè)計并制作復(fù)雜的讀出電路，因此該方法基本解決了電學(xué)讀出方 法的諸多問題。相比于傳統(tǒng)的電學(xué)讀出方法，光學(xué)讀出方法能夠很好地實現(xiàn)探測單元與基底間的熱隔離，對等量的熱輻射具有更高的溫升。目前常用的光學(xué)讀出方法有原子顯微鏡(AFM)光學(xué)讀出方法、干涉式讀出方法、針孔濾波讀出方法、光學(xué)衍射讀出方法和改進的非相干空間濾波方法等等，下面簡單介紹這幾種光學(xué)讀出方法。一.四單元讀出系統(tǒng)“四單元讀出方法”是以標準原子力顯微鏡(AFM)原理為背景的讀出系統(tǒng)，該方法利用光點的移動檢測微懸臂梁受熱后的偏轉(zhuǎn)角，并利用特定的光學(xué)讀出系統(tǒng)獲得熱圖像。紅外輻射需通過一個機械斬光器，然后經(jīng)過紅外透鏡聚焦在微懸臂梁探測器上。機械斬光器能提高鎖相放大器的參考頻率，提高信噪比。利用激光照射微懸臂梁，再利用四單元位置敏感探測器(PSD)確定微懸臂梁的位置，并將信息存儲在計算機中，計算機利用存儲數(shù)據(jù)重構(gòu)一個8位的圖像陣列，灰度級為256。在重建的圖像中，形變量最小的微懸臂梁呈黑色，形變量最大的微懸臂梁呈白色。這種系統(tǒng)靈敏度高，但只采用一個微懸臂梁作為探測單元，需要掃描機構(gòu)按序掃描各個像元，因此該方法會導(dǎo)致光線間的互擾。另外，該方法對熱信號響應(yīng)時間較長，難以進行實時觀察，且測量面離焦平面非常近，很難對整個焦平面空間進行檢測。二 光學(xué)干涉讀出系統(tǒng)這種方法是基于邁克爾遜干涉原理的光學(xué)讀出方法。從FPA反射的光到達分光鏡后，一部分通過分光鏡傳播到反射面上，另一部分經(jīng)反射鏡的反射垂直向下射向被測面，被測面和反射鏡反射的光再次相遇發(fā)生干涉，經(jīng)成像透鏡在光電探測器上成像。當環(huán)境中加入熱輻射物體時，F(xiàn)PA上的微懸臂梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則從FPA反射的光束方向發(fā)生變化，導(dǎo)致在光電探測器上灰度值發(fā)生變化，通過幀間圖像的相減便獲得紅外熱圖像。這種方法檢測的是微懸臂梁受熱后產(chǎn)生的離面位移，光學(xué)分辨率為四分之一個波長。該系統(tǒng)精度非常高，易于陣列成像，但是對抗震性要求也很高，需要采用共光路干涉光路，并且參與干涉的平面(參考平面和變形平面)需保持十分近的距離，但這會使光在兩個面上多次反射，使系統(tǒng)的信噪比很難提高。該光學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)范圍窄，為了滿足光強信號和微懸臂梁離面位移的單調(diào)關(guān)系，需要限制微懸臂梁的離面位移在半個波長以內(nèi)。三.針孔濾波讀出系統(tǒng)針孔濾波讀出系統(tǒng)通過紅外透鏡將紅外光聚焦在FPA上，F(xiàn)PA封裝在真空腔內(nèi)，光源為可見光LED。LED發(fā)出的光經(jīng)準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成像透鏡成為會聚光，并會聚在焦面上的針孔附近。因為每個反射小單元的偏轉(zhuǎn)角度不同，會使這些光線在針孔板上的會聚位置不同，只有當會聚位置與針孔位置對應(yīng)時，這些光線才能夠通過針孔及第二個成像透鏡。當這些光線通過第二個成像透鏡后，成為平行光并在C⑶上成像。當環(huán)境中沒有紅外熱輻射物體時，各個懸臂梁小單元的偏轉(zhuǎn)角度相同，因此準直后的平行光經(jīng)FPA反射后具有相同的方向，通過第一個成像透鏡后會聚焦在一起，各小單元焦點的位置全部重疊，使(XD接收到的FPA上每個小單元的反射光經(jīng)過針孔后的光強相同，因此輸出圖像各個位置的灰度值相同。當環(huán)境中存在熱物體時，由于各個小單元受熱不同而偏轉(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成像透鏡聚焦后焦點不重合，因此通過針孔的光強發(fā)生變化，最終導(dǎo)致CCD上接收到的光強發(fā)生變化，得到灰度值不同的圖像輸出。這種方法的探測靈敏度不僅與探測目標黑體的溫度有關(guān)，還與LED的發(fā)光強度和CCD的靈敏度有關(guān)。該方法無需隔振，易實現(xiàn)陣列測量。但是該方法的空間分辨率和探測靈敏度無法同時提高，空間分辨率不夠且圖像不清晰。四.光學(xué)衍射讀出系統(tǒng)光學(xué)衍射讀出系統(tǒng)采用的是光柵衍射型微懸臂梁陣列，該微懸臂梁主要包含紅外吸收面、叉指形梳齒結(jié)構(gòu)及懸臂梁支腿。叉指形梳齒結(jié)構(gòu)位于微懸臂梁的側(cè)面或末端，作為衍射光柵，其中一排梳齒和支腿相連，由于支腿是由熱導(dǎo)率小的半導(dǎo)體材料SiC或SiNx組成，因此這排梳齒受紅外輻射的影響十分小，并稱為固定梳齒。光柵的另一排梳齒和微懸臂梁的紅外吸收面相連，紅外吸收面是由熱膨脹系數(shù)低的SiC或SiNx和熱膨脹系數(shù)高的金屬Al或Au構(gòu)成，當微懸臂梁吸收紅外熱輻射時發(fā)生彎曲，使排梳齒相對于固定梳齒發(fā)生縱向及橫向的相對位移，因此稱排梳齒為可動梳齒。該系統(tǒng)的衍射主要來自于梳齒間的縱向相對位移。當焦平面受到準直激光的照射，光柵的縱向位移會引起衍射光強的變化，衍射光強與微懸臂梁的縱向位移相對應(yīng)。將經(jīng)過焦平面陣列的衍射光進行傅里葉變換，其中第一個透鏡做傅里葉正變換，將不同方向的衍射光通過透鏡后變?yōu)榻蛊矫嫔系囊幌盗泄铝⒌念l譜亮斑，僅讓+1級亮斑通過，+1級亮斑包含了整個焦平面陣列的信息。第二個透鏡進行傅里葉逆變換，重現(xiàn)紅外圖像。這種方法能避免電學(xué)讀出方法引線互聯(lián)和反射法的順序掃描問題，不需抗震。但是該方法的微懸臂梁制作工藝復(fù)雜，受光柵衍射周期的限制，目前只能做尺寸大于50iimX50iim的陣列，且陣列的紅外吸收面積較小,影響探測靈敏度。五.刀口濾波系統(tǒng)刀口濾波系統(tǒng)屬于部分相干光的光學(xué)衍射讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用部分相干光的優(yōu)點，能夠很好地抑制相干噪聲，能夠?qū)⑽矬w的光強分布直接作為輸入信號，能夠處理彩色圖像信息，有效地提高系統(tǒng)的信噪比。刀口濾波方法的原理是假設(shè)懸臂梁的反光面是規(guī)則的矩形板，這些矩形板排列起來成為了二維光柵結(jié)構(gòu)。利用可見光對矩形板進行照明，每個矩形板會形成相同的衍射譜，然而當每個矩形板受熱不同會偏轉(zhuǎn)不同的角度，因此每個小單元的衍射譜會在譜平面上錯開一個小位移。刀口邊緣位于沒有熱物體時譜的中心處。當懸臂梁偏轉(zhuǎn)角偏大時，衍射光大部分進入不通光區(qū)域，透過刀口的光亮變??；而當懸臂梁偏轉(zhuǎn)微小角偏小時，衍射光的大部分仍在通光區(qū)域內(nèi)，透光的光量減小程度不大，因此微懸臂梁單元在C⑶像面上對應(yīng)區(qū)域的光強發(fā)生變化，通過處理可以的得到熱物體的可見光圖像。但是該方法容易受環(huán)境的影響，尤其是震動和空氣擾動。并且由于FPA制造工藝的限制，譜分散情況較為嚴重，從而降低了系統(tǒng)的探測靈敏度。綜上所述，傳統(tǒng)的光學(xué)讀出方法都能夠一定程度上提高系統(tǒng)的探測靈敏度，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較大，每個方法都有其自身的不足，對成像系統(tǒng)的工作環(huán)境要求較高，且成像質(zhì)量需進一步提聞。菲涅爾透鏡屬于二元光學(xué)中的一種，二元光學(xué)是光學(xué)與微電子技術(shù)相互滲透、交叉形成的學(xué)科。相比于傳統(tǒng)光學(xué)，二兀光學(xué)在實現(xiàn)光波變換上具有更多卓越的功能。其主要特點包括能夠得到任意要求的波前，高衍射效率，重量較輕；與傳統(tǒng)光學(xué)相結(jié)合能夠使系統(tǒng)更加簡潔，重量更輕，可在寬帶光下使用，增加光學(xué)設(shè)計和選擇光學(xué)材料的自由度，并且 系統(tǒng)的各種像差能夠得到更好地校正。二元光學(xué)元件既是分光元件，能夠?qū)θ肷涔獠ǖ南辔缓驼穹M行有效地調(diào)制，又是成像元件，其焦距隨波長的變化。利用二元光學(xué)元件的優(yōu)點與傳統(tǒng)光學(xué)元件的優(yōu)點進行成像透鏡的設(shè)計，能夠在提高成像質(zhì)量的同時，提高紅外熱成像系統(tǒng)的探測靈敏度，并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，便于攜帶。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用菲涅耳透鏡的成像性能，對經(jīng)過焦平面陣列反射的光進行調(diào)制成像。利用菲涅耳透鏡的成像及衍射性能，通過其表面的浮雕結(jié)構(gòu)對經(jīng)過焦平面陣列反射的光束的相位和振幅進行調(diào)制，并成像在光電接收器上，獲得焦平面陣列受熱偏轉(zhuǎn)前后的信息。菲涅耳透鏡作為一種特殊的光學(xué)器件，通過設(shè)計浮雕的位置、槽寬、槽深及槽形結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生任意波面，和傳統(tǒng)光學(xué)元件結(jié)合，增加了設(shè)計變量，能夠有效地減小系統(tǒng)的球差和軸外像差，并簡化光路，減小系統(tǒng)的尺寸和重量。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實現(xiàn)①在初始狀態(tài)，F(xiàn)PA上各個小單元具有相同的初始偏轉(zhuǎn)角度，由于外界環(huán)境中沒有熱輻射物體，各個小單元的偏轉(zhuǎn)角度不變。當準直光源發(fā)出的平行光照射在FPA上，通過各小單元反射的光束具有相同的方向，該反射光束通過菲涅爾成像透鏡后，在光電探測器CXD上成像，該像作為“基準”像。②當外界環(huán)境中加入紅外熱輻射物體時，紅外透鏡將熱輻射物體輻射的紅外線濾出，并照射到FPA的雙材料微懸臂梁上。雙材料微懸臂梁由于熱致效應(yīng)發(fā)生變形，使FPA小單元反光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，受熱不同，則小單元偏轉(zhuǎn)的角度不同。因此，準直光源發(fā)出的平行光照射在FPA各個小單元后，其反射光具有不同的方向，該反射光束通過菲涅爾成像透鏡最終在光電探測器CCD上成像，該像與“基準”像做差，便可得到紅外熱輻射物體的可見光圖像?！鲇幸嫘Ч捎帽景l(fā)明取代了傳統(tǒng)的光學(xué)讀出系統(tǒng)進行成像。利用衍射元件菲涅耳透鏡對FPA進行調(diào)制并成像，有效地減小了各種像差，提高了光學(xué)讀出系統(tǒng)成像質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的探測靈敏度，減小了系統(tǒng)的軸向尺寸和重量，使紅外熱成像系統(tǒng)便于攜帶?！?br>

圖I為基于本發(fā)明的焦平面陣列熱成像菲涅耳透鏡讀出系統(tǒng)原理示意2為菲涅耳透鏡的掃描電鏡圖I-點光源，2-準直透鏡，3-焦平面陣列，4-菲涅耳透鏡，5-光電接收器■
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述如圖I所示，當外界沒有紅外輻射物體時，焦平面陣列3上的小單元都具有相同的初始偏轉(zhuǎn)角。點光源I發(fā)射出的光經(jīng)準直透鏡2后變?yōu)槠叫泄馍涑?，平行光照射到焦平面陣?上，并被焦平面陣列3上的小單元反光板反射，該反射光束經(jīng)過菲涅耳透鏡4進行相位和振幅調(diào)制并成像在光電接收器5上，光電接收器5采集一幀圖像作為“基準”像。當對紅外物體成像時，紅外物體發(fā)出的光經(jīng)過紅外透鏡后成像在焦平面陣列3上，焦平面陣列3上 對應(yīng)的小單元的懸臂梁受熱發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過準直透鏡2發(fā)出的平行光照射到焦平面陣列3上，由于焦平面陣列3各個小單元受熱量不同，使各個小單元偏轉(zhuǎn)不同的角度，導(dǎo)致從焦平面陣列3上各個小單元反射的光束具有不同的方向，該反射光經(jīng)過菲涅耳透鏡后成像在光電接收器5上。此時，光電接收器采集到具有紅外物體信息的一幅圖像，將這幅圖像與“基準”像做差就得到紅外物體的可見光圖像。將菲涅耳透鏡設(shè)計為一面是具有浮雕結(jié)構(gòu)的衍射表面，另一面是折射表面，即非球面，通過設(shè)置浮雕結(jié)構(gòu)的位置、槽寬、槽深及槽形結(jié)構(gòu)對光束相位和振幅的調(diào)制使離軸像差得到有效的矯正，并且通過非球面系數(shù)的設(shè)置校正系統(tǒng)的球差，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。另夕卜，由于菲涅耳透鏡可以減小軸外像差，因此可以進一步縮短菲涅耳透鏡4和焦平面陣列3之間的距離，減小讀出光路的軸向尺寸。將不同波長的光源用于菲涅耳透鏡讀出系統(tǒng)時，菲涅耳透鏡的焦距發(fā)生變化，像的距離也會發(fā)生變化。菲涅耳透鏡的波長與焦距成反比，可以通過增加光源的波長來減小菲涅耳透鏡的焦距，能夠進一步減小系統(tǒng)的尺寸，實際使用時采用較大的光源波長進行光學(xué)讀出。調(diào)整焦平面陣列和光電接收器5的物像距離，并滿足物像共軛關(guān)系，在保證成像質(zhì)量的同時使光電接收器5到焦平面陣列的距離最短，從而使系統(tǒng)的光路尺寸最小。
權(quán)利要求
1.一種基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于 該系統(tǒng)為MEMS紅外熱成像系統(tǒng)，系統(tǒng)由照明光路、焦平面陣列微懸臂梁FPA、紅外透鏡、菲涅爾透鏡、光電探測器及顯示器組成。
2.如權(quán)利要求I所述的基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于紅外透鏡將熱輻射目標共軛成像在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前表面反射后到達菲涅爾透鏡，經(jīng)過菲涅耳透鏡多相位階數(shù)浮雕結(jié)構(gòu)的衍射，成像在光電探測器上，顯示器顯示焦平面陣列受熱偏轉(zhuǎn)前后的光場信息。
3.如權(quán)利要求2所述的基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于菲涅耳透鏡讀出方法利用的是衍射成像，對位相和振幅都有調(diào)制作用，經(jīng)過菲涅爾透鏡前的光波是平面波，經(jīng)過菲涅爾透鏡的位相調(diào)制后，波形可變?yōu)槿我獠妗?br> 4.如權(quán)利要求3所述的基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于折射光學(xué)系統(tǒng)中，只能通過改變曲面的曲率或使用不同的光學(xué)材料校正像差，而菲涅爾透鏡則可以通過改變透鏡的位置，槽寬與槽深以及槽型結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生任意波面，大大增加了設(shè)計變量，起到精準成像的目的，可以提高探測靈敏度和成像質(zhì)量。
5.如權(quán)利要求3所述的基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于因為菲涅耳透鏡波帶半徑的奇數(shù)序或偶數(shù)序各自發(fā)出的次波到達參考點的光程差為波長的整數(shù)倍，所以光波經(jīng)過衍射到達該點時引起的光振動的位相相同，光強加強，達到衍射成像的目的。
6.如權(quán)利要求5所述的基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于菲涅耳透鏡是一種二元光學(xué)衍射元件，是一種純相位衍射元件，為得到高的衍射效率，可做成多相位階數(shù)的浮雕結(jié)構(gòu)，利用亞波長結(jié)構(gòu)及連續(xù)相位面型，可以達到接近100%的衍射效率。
7.如權(quán)利要求6所述的基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于菲涅爾透鏡使用亞波長結(jié)構(gòu)得到寬帶、大視場、消反射和偏振等特性，因此，菲涅爾透鏡可以放置在離FPA很近的位置，實現(xiàn)光學(xué)讀出系統(tǒng)的小型化。
8.如權(quán)利要求2所述的基于FPA非制冷紅外熱成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，其特征在于采用單片菲涅爾透鏡衍射成像，取代傳統(tǒng)光學(xué)讀出方法的多片透鏡成像系統(tǒng)，減小了光學(xué)讀出系統(tǒng)的體積和重量。
全文摘要
本發(fā)明是基于FPA非制冷紅外成像的菲涅耳透鏡光學(xué)讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用菲涅爾透鏡對從焦平面陣列反射的光束的相位和振幅進行調(diào)制而改善系統(tǒng)的成像性能。當環(huán)境中無熱輻射物體時，從FPA反射的光束經(jīng)菲涅耳透鏡成像，作為“基準”像；當加入熱物體時，F(xiàn)PA上的微懸臂梁受熱偏轉(zhuǎn)，從FPA反射的光束位相發(fā)生變化，菲涅耳透鏡對反射光束進行位相和振幅調(diào)制，使在光電探測器上像的強度變化，經(jīng)圖像處理后得到熱物體的可見光圖像。該系統(tǒng)利用菲涅耳透鏡設(shè)計自由度大、材料廣泛、輕薄等特點，與傳統(tǒng)光學(xué)元件組合，達到改善成像質(zhì)量，減小光學(xué)讀出系統(tǒng)尺寸和系統(tǒng)重量的目的。
文檔編號G01J5/08GK102798472SQ20121016140
公開日2012年11月28日 申請日期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, 龔誠, 趙躍進 申請人:北京理工大學(xué)