專利名稱：基于mems紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法
技術領域：
本發(fā)明是基于FPA非制冷紅外成像系統(tǒng)的ー種光學讀出方法。該讀出方法針對目前的讀出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于龐大且靈敏度低的問題，發(fā)明出一種新的光學讀出方法。這種方法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，設計自由度更大，并在一定程度上増加了系統(tǒng)探測的靈敏度。
■
背景技術：
無論是國內(nèi)還是國外，基于MEMS的新型光學讀出式FPA熱成像技術越來越受到重視。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 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，且不需要制冷設備。2.由于采用的是光學讀出方式，不存在電能轉(zhuǎn)熱能的現(xiàn)象，所以讀出系統(tǒng)不會在探測器上產(chǎn)生附加的熱能。3.不需要在像素間進行交叉布線和電子掃描束，容易増加探測器上像素的數(shù)量，不引入制作難度和成本，降低了制作的復雜度和生產(chǎn)成本。4.不需要探測單元間在腿部進行金屬連接，從而能夠在探測單元和基底之間實現(xiàn)良好的熱隔離，這樣使得每個像素的熱隔離能夠達到輻射極限。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)以上介紹的幾個優(yōu)點，現(xiàn)在國內(nèi)外都對新型光學讀出式非制冷紅外成像系統(tǒng)的性能和集成進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)角的光學讀出方法大多基于透射式的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，并會聚在焦面上的小孔附近。因為每個反射小単元的偏轉(zhuǎn)角度不同，會使這些光線在小孔板上的會聚位置不同，只有當會聚位置和小孔位置合適時，這些光線才能夠通過小孔及第ニ個成像透鏡。當這些光線通過第二個成像透鏡后，會成為平行光井在CCD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，且焦點的位置全部重疊，使CCD接收到的FPA上每個小単元的反射光經(jīng)過小孔后的光強相同，因此輸出圖像各個位置的灰度值相同。當環(huán)境中存在熱物體吋，由于各個小単元受熱不同而偏轉(zhuǎn)不同的角度，導致經(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，因此通過小孔的光強發(fā)生變化，最終導致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，還與LED的發(fā)光強度和CCD的靈敏度有夫。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等。總結(jié)起來，透射式的光學讀出方法存在以下幾方面的缺陷1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較大，不利于小型化和便攜。2.空間分辨率和探測靈敏度沒法同時提高，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)不一致以及光學器件產(chǎn)生的像差等)對成像的影響較大。4.位相互補式的濾波器很難實現(xiàn)且容易受到空氣擾動的影響。與透射式的光學讀出方法不同，反射式的光學讀出方法是利用反射的光學元件，并且使用和傳統(tǒng)濾波器位相互補的反射濾波器。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)濾波器互補的形式，也就是用圓點或方點的方法。使用透射式的4f系統(tǒng)很難實現(xiàn)使用圓點、方點作為濾波器，較難實現(xiàn)窄帶濾波器的形式，并且還容易受到空氣擾動的影響。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。
■
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)化為光強信號。本發(fā)明的目的是由以下技術方案來實現(xiàn)反射式的濾波器是在平面鏡上刻制一定半徑的圓點，圓點部位不反射光，圓點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。假設每個微懸臂梁單元的光學反射面可以簡化為規(guī)則的矩形板并且彼此間平行，這樣ー個個矩形板排列起來就形成了ニ維的光柵結(jié)構(gòu)。當用可見光照明時，每個矩形板單元在譜平面形成相同的衍射譜，但是由于每個矩形板受熱后偏轉(zhuǎn)的角度不同，每個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，環(huán)境中沒有紅外輻射物體時，焦平面陣列FPA的每個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，并以這個像作為基準。當環(huán)境中有紅外輻射物體時，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)生相應的偏轉(zhuǎn)，這時，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)化為光強信號。和傳統(tǒng)的方法相比，反射濾波器的設計自由度較大，這種方法不僅可以減小整個系統(tǒng)的尺寸，還可以提高檢測靈敏度，在一定程度上提高了光能利用率，而且系 統(tǒng)缺陷對成像的影響比使用傳統(tǒng)的4f光學讀出系統(tǒng)要小。
■
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光學讀出方法的原理示意圖其中1-點光源，2-準直系統(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為反射式光學讀出方法中用到的反射濾波器其中9-平面反射鏡，10-不透光圓點
■
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進ー步描述如圖I所示，當外界沒有紅外輻射物體時，焦平面陣列的小単元都處在同一個狀態(tài)。這時，點光源I發(fā)射出的光經(jīng)過準直系統(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，對焦平面陣列FPA成像。以這個像為基準圖像。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。當外界放置了紅外物體時，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上對應的小単元的懸臂梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此時，經(jīng)過準直透鏡2后的平行光照射到FPA上，平行光中照射到發(fā)生偏轉(zhuǎn)的相應的小単元后也會偏轉(zhuǎn)ー定的角度，再次經(jīng)過由凹面鏡4、平面反射鏡5、反射濾波器6，此時，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采集到得是ー個有紅外物體信息的一幅圖像，將這幅圖像與原圖像進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上刻制一個不反光的圓點10，用來對衍射譜進行濾波。當環(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)生相應的偏移，有些微懸臂梁的轉(zhuǎn)角偏大，導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10，設計為方點、窄帶或任意形狀以滿足系統(tǒng)的需求。
權利要求
1.一種基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法，其特征在于該方法在MEMS紅外成像系統(tǒng)中實現(xiàn)，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、光電探測器及顯示器組成，紅外透鏡將紅外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前表面反射后到達凹面反射鏡，凹面反射鏡對FPA受熱變形偏轉(zhuǎn)光場進行傅里葉變換，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器上，顯示器顯示FPA受熱偏轉(zhuǎn)后的光場信息。
2.如權利要求I所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法，其特征在于反射式光學讀出方法采用反射濾波器對頻譜的濾波形式和傳統(tǒng)的透射式濾波器的濾波形式正好位相互補。
3.如權利要求2所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法，其特征在于透射濾波器將頻譜的高頻部位全部遮擋，而反射式光學讀出方法采用的反射濾波器在頻譜的位置只遮擋了大部分小単元頻譜的低頻部分，因此系統(tǒng)缺陷(比如FPA的制造缺陷，小單元初始的形態(tài)不一致以及光學器件產(chǎn)生的像差等)產(chǎn)生的頻譜被全部濾除，這樣系統(tǒng)缺陷對成像效果影響更小。
4.如權利要求I所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法，其特征在于反射式光學讀出方法完全用了反射器件，不會產(chǎn)生色差，因此對光源的要求降低，光源的影響減小。
5.如權利要求I所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法,其特征在于反射式光學讀出方法的入射光是軸外光線，與傳統(tǒng)透射式讀出方法相比，在光路的設計上不需使用分光棱鏡，很大程度上減少了光能損失。
6.如權利要求I所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法,其特征在于傳統(tǒng)的光學讀出方法是共軸透射系統(tǒng)，傳統(tǒng)讀出方法中的透射元件多個面都會產(chǎn)生部分反射光，反射到FPA，再由FPA反射回，產(chǎn)生多重像和像的模糊；反射式的光學讀出方法是離軸反射系統(tǒng)，從FPA反射出的光全部通過凹面反射鏡成像，成像質(zhì)量較透射式讀出方法更好，而 且提高了光能利用率。
7.如權利要求書I所述的基于MEMS紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法，其特征在干入射平行光和FPA之間有一定的角度，該讀出方法中凹面鏡的離軸角度和FPA出射光的角度相同，就可以使紅外物體成的像和原物體比例相同，不會變形。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于MEMS非制冷紅外成像系統(tǒng)的反射式光學讀出方法。當背景環(huán)境中沒有紅外物體時，F(xiàn)PA微懸臂梁沒有發(fā)生彎曲，這時經(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，以這個像作為基準像。當環(huán)境中有紅外物體時，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。這幅圖像和基準像做差運算就可以得到有紅外輻射物體的像。這種方法折疊了光路，減小了光學讀出系統(tǒng)的尺寸，并達到了改善成像質(zhì)量、提高探測靈敏度的目的。
文檔編號G01J5/10GK102661800SQ20121016141
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權日2012年5月23日
發(fā)明者惠梅, 王文娟, 趙躍進 申請人:北京理工大學