專利名稱：一種含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面陣列成像系統，尤其是一種利用光纖參比光路監控光源波動信號，用以修正紅外圖像的非制冷紅外焦平面陣列成像系統。
背景技術：
紅外熱成像技術越來越受到各行各業的重視。為克服傳統的紅外熱成像系統成本、體積、重量、功耗等問題的影響，近年來，基于MOEMS技術的光讀出式微懸臂梁焦平面陣列(focal plane array, FPA)熱成像系統，受到了廣大研究機構的重視。基于MOEMS技術的光讀出式微懸臂梁焦平面陣列(focal plane array，FPA)熱成像系統，是實現紅外光——熱機械變形——照射可見光的反射光強變化——還原圖像的過程。系統采用焦平面陣列器件FPA作為紅外圖像傳感器，焦平面陣列器件是一種微懸臂梁結構，微懸臂梁由兩種熱膨脹系數相差較大的材料構成，當微懸臂梁吸收紅外輻射后，梁的溫度上升，雙材料層之間會很快達到熱平衡，熱平衡后，由于兩種材料的熱膨脹系數差別較大，它們之間的應力將使梁產生彎曲，彎曲量與微懸臂梁吸收的熱量成正比。所以，外界的溫度場會導致微懸臂梁陣列產生相應的變形。微懸臂梁變形量的檢測主要有電讀出和光讀出兩種方式前者是通過檢測微懸臂梁彎曲處的電容或電阻等電學參數的變化情況， 來獲得懸臂梁的形變量，該方法外圍設備比較簡單，但是要在FPA上額外構造復雜電路，加大了 FPA的制造難度，并且電路本身的熱量會在一定程度上影響紅外圖像的質量；另一種叫做光讀出，在每一個微懸臂梁上，都有小反射鏡，用可見光照射微懸臂梁陣列，微懸臂梁陣列的反射鏡會將可見光反射，當每個微懸臂梁的變形量不同時，每個微懸臂梁攜帶的反射鏡對照射的可見光的反射效果也會不同，通過檢測反射光的變化量可獲得懸臂梁的變形量，再還原為紅外圖像。該方法需要配置的外圍設備比電讀出復雜，但不需要在FPA上構造讀出電路，避免了讀出電路產生的熱量對成像質量的影響。就目前國內外技術資料來看，光讀出遠遠未達到預期的成像效果。研究光讀出FPA 紅外成像系統光路的成像原理可以看出，影響系統穩定性、可靠性、靈敏度的因素很多，其原因有兩個方面，一方面是工藝、器件性能的制約，另一方面是系統整體設計水平。進一步提高光讀出非制冷紅外焦平面陣列成像系統性能，是的重要研究方向。
發明內容
本發明的目的是針對提高光讀出非制冷紅外焦平面陣列成像系統工作穩定性、可靠性和靈敏度的問題，提供一種含光纖參比光路的、可以有效消除光源電源紋波、光源老化對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性和靈敏度的技術。本發明的目的是由以下技術方案來實現①本發明的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面陣列成像系統，包括紅外成像光路、照明光路、光學讀出光路、光纖參比光路、圖像采集及處理裝置。紅外成像光路包含紅外成像鏡頭和紅外焦平面陣列傳感器，為成像提供紅外圖像；照明光路包含光源、準直鏡頭組和分束鏡組，為成像系統提供可見照明成像光束和光纖參比照明光束；光學讀出光路包含若干成像鏡頭組和濾波器，用于對被紅外成像光路空間調制以后的可見照明成像光束進行濾波、聚焦成像，圖像成像在圖像采集與處理系統9的CCD靶面上；光纖參比光路用以提供光源能量變化的參比信號；圖像采集和處理裝置對信號處理后輸出紅外圖像。②該系統的成像特點是紅外成像鏡頭將外界目標聚焦成像在紅外焦平面陣列器件，紅外焦平面陣列器件接收紅外成像光線，并且其陣列像元產生相應的變化；從光源發出的光，被擴束、準直以后，再被分成兩束，一束射向紅外成像光路并被空間調制以后進入光學讀出光路，成像于圖像采集與處理系統9的CXD表面，另一束經過聚焦進入光纖，從光纖出射以后射到圖像采集與處理系統9的CCD表面。圖像采集與處理系統9的CCD不同的區域分別接收光纖參比信號和光學讀出光路輸出的信號。③該系統在圖像處理過程中，用光纖參比信號對紅外圖像信號不斷地進行修正， 從而達到光源電源紋波、光源老化對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性和靈敏度的目的。有益效果采用本發明可以實現對紅外圖像的修正，扣除光源電源紋波、光源老化、對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性和靈敏度。較之早前的非制冷紅外焦平面成像系統，在同等條件下，其成像性能得到提高，并且對使用環境要求、系統器件要求也相應降低。
圖1是一般的光讀出非制冷紅外焦平面成像系統示意圖；圖2是本發明的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統示意圖；其中，附圖標記說明如下圖中1.紅外成像鏡頭組；2.紅外焦平面陣列；3.光源； 4.準直鏡頭組；5.分光鏡組；6.光學讀出光路；7.聚焦鏡組；8.光纖；9.圖像采集和處理
直ο
具體實施例方式下面將詳細描述本發明的具體實施例。1.系統組成本發明的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統，由紅外成像光路、照明光路、光學讀出光路、光纖參比光路和圖像采集與處理裝置組成，具體如圖2所示紅外成像光路由紅外成像鏡頭組1和紅外焦平面陣列2組成，紅外鏡頭將外界熱圖像聚焦成像于7上，7的像元陣列產生規律的變化；照明光路包含光源3、光源準直鏡頭組4和分光鏡組5組成，照明光路為整個系統提供可見、非干涉、平行的照明成像光束；光學讀出光路6包含若干成像鏡頭和濾波器，用于對被紅外焦平面陣列3調制以后的可見照明成像光束聚焦成像于圖像采集與處理系統9的CCD表面；光纖參比光路包含聚焦鏡組7和光纖8，用于對可見照明光束聚焦，傳遞到圖像采集與處理系統9的CXD表面；圖像采集和處理裝置9，對光學讀出光路輸出的信號按照一定的規律處理，并輸出紅外熱圖像。2.成像過程本發明的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統，其成像過程如圖2所示外界目標的紅外熱圖像通過紅外鏡頭1進入本發明的含光纖參比光路的非制冷雙光束光讀出非制冷紅外焦平面成像系統，成像于焦平面陣列2上(箭頭I所示)，焦平面陣列2由于吸收了熱，像元陣列的反射鏡在懸臂梁的帶動下會發生偏轉。光源3發出的發散光，被準直鏡頭組4擴束、準直以后，進入分束鏡組5 (箭頭II所示)，從分束鏡組出射的光被分成兩束一束射入紅外成像光路(箭頭III所示)，被焦平面陣列2調制以后的照明成像光束，進入光學讀出光路6 (箭頭IV所示)，光學讀出光路將其成像于信息采集與處理裝置9的CXD靶面上；另一束經聚焦鏡組7會聚以后進入光纖8 (箭頭V所示)，從光纖8出射的光束射入信息采集與處理裝置9的CXD靶面。CXD靶面不同區域分別接收經過外界熱象調制的照明成像光束，和來自光纖的參比光束。3.用背景和系統噪聲信號修正紅外圖像本發明的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統，用光纖參比光路的信號修正紅外圖像如下(1)紅外圖像的獲取附圖1所示的光讀出非制冷紅外焦平面成像系統的紅外圖像采集過程為首先系統對參考物成像，默認此時外界環境對焦平面陣列2的像元無影響，則圖像采集和處理裝置9各像元獲得一個能量仏；然后系統對外界紅外物體成像，外界圖像由紅外鏡頭組1成像于焦平面陣列2上，使焦平面陣列2的像元產生相應的角度偏轉，導致圖像采集和處理裝置9的各像元獲得的能量&與產生差異，二者的差即紅外熱圖像，即紅外熱圖像Eitl = ^1-Ei...........................(1)其中疋 = E · Il1 · η2 · η。 ...........................(2)Ei = E · Il1 ‘ η 2 · η...........................(3)E為光源2的發光強度，Il1為光源準直鏡頭組4的光傳遞效率，η 2為讀出光路6 的光傳遞效率，η ο為焦平面陣列2的光傳遞效率，n為系統對紅外物體成像以后焦平面陣列2的光傳遞效率；實質上，式(2)和式(3)中的E會隨光源老化、光源電源紋波而變化，從而導致式(1)的計算結果失真。(2)光纖參比光路的信號修正紅外圖像圖2所示的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統，在圖1的基礎上增加了一個分束鏡組5，從照明成像光束中截取一定比例的光能量，監控光源發射能量的變化。 圖像采集和處理裝置9分區域接收紅外圖像h和光纖參比光路的信號Eg，如果按照
權利要求
1.一種含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面陣列成像系統，包括紅外成像光路、照明光路、光學讀出光路、光纖參比光路，圖像采集與處理系統，其特征在于光纖參比光路對照明光源的波動進行監控，并將光源波動信息提供給圖像采集及處理裝置，在圖像處理時，利用該監控信息對紅外圖像進行修正，從而消除光源波動、光源老化、光源電源紋波對系統成像質量的影響，提高成像系統工作可靠性。
2.根據權利要求1所述的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面陣列成像系統，其特征在于紅外成像光路包含紅外成像鏡頭和紅外焦平面陣列，照明光路包含光源、準直鏡組、分光組件，光學讀出光路包含成像鏡頭組和濾波器，光纖參比光路包含聚光鏡組和光纖。
3.根據權利要求1所述的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面陣列成像系統，其特征在于所述照明光束被分成兩束后，一束射向紅外焦平面陣列，經帶有外界紅外圖像的紅外焦平面陣列調制以后，再通過光學讀出光路，成像于圖像采集與處理系統；另一束被聚光鏡組聚焦進入光纖參比光路，成像于圖像采集與處理系統。
4.根據權利要求3所述的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統，其特征在于圖像采集和處理裝置中的CXD分區采集紅外圖像信號和光纖監控的光源波動信號。
5.根據權利要求3和4所述的含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面成像系統，其特征在于圖像采集和處理裝置利用光纖監控的光源波動信號，對紅外圖像信號進行修正，以消除光源波動、光源老化、光源電源紋波對系統成像質量的影響，提高成像系統工作可靠性。
全文摘要
本發明提供一種含光纖參比光路的非制冷紅外焦平面陣列成像系統，包括紅外成像光路1和2、照明光路3、4和5，光學讀出光路6，光纖參比光路7和8，圖像采集及處理系統9。1將外界目標成像于2，使2產生相應變化；3發出的光經4準直后被5分成兩束一束射向2，被2空間調制后由6聚焦成像于9，另一束被7聚焦并穿過8后成像于9。9對6和8的信號處理后輸出紅外熱圖像。本發明的核心在于在非制冷紅外焦平面陣列成像系統光路中增加光纖參比光路，使9同時接收紅外圖像信號和光源波動信號；9利用光源波動信號對紅外圖像信號進行修正，從而消除光源波動、光源老化、光源電源紋波對系統成像質量的影響，提高系統工作可靠性。
文檔編號G01J5/08GK102252762SQ201110089409
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月11日 優先權日2011年4月11日
發明者于曉梅, 劉小華, 惠梅, 武紅, 董立泉, 褚旭紅, 賈倩, 趙躍進, 龔誠 申請人:北京理工大學