一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置，包括編碼孔徑掩模、光轉換元件、光電探測器和電子信號采集處理器；所述編碼孔徑掩模，其每一孔徑允許紅外線到達所述光電探測器，而所述編碼孔徑掩模的剩余部分阻擋紅外線到達所述光電探測器；所述光轉換元件，設置于所述編碼孔徑掩模與所述光電探測器之間，以將所述紅外光轉換為可見光；所述光電探測器，將所述可見光轉換為電信號；所述電子信號采集處理器，將所述光電探測器輸出的電信號采集并處理輸出。本發明同時實現大視場、高空間分辨率和快幀頻。
【專利說明】-種基于編碼孔徑的紅外成像裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及紅外成像【技術領域】，尤其涉及一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置。
【背景技術】
[0002] 自然界中，溫度高于絕對零度的一切物體，總是在不斷地發射紅外輻射。這種紅外 輻射是基于任何物體自身的分子和原子在一般環境下會不停地無規則運動，同時輻射出紅 外線。物體分子和原子的運動越劇烈，輻射的射線能量越高，波長越短。從宏觀上來講，即 物體的溫度越高，紅外輻射能量越高。探測并收集這些紅外輻射，就可以得到環境溫度分布 的熱圖像。
[0003] 紅外成像系統從成像方法主要分為兩大類：主動式紅外成像系統和被動式紅外成 像系統。前者系統內置紅外光源，利用不同物體對紅外輻射的不同反射來成像。后者是利 用物體自然發射的紅外輻射來成像。本發明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置屬于被動式紅 外成像系統，即紅外熱成像系統。
[0004] 紅外熱成像的原理是物體輻射出的紅外線載有物體的溫度特征信息，這個信息可 以用來判別各種被測目標的溫度高低，并得到環境的熱分布場。因此通過光電紅外探測器 將物體發熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置就可以一一對應地模擬出物體 表面溫度的空間位置分布，最后經系統處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得 到與物體表面熱分布相對應的熱像圖，即紅外熱圖像。
[0005] 另外，編碼孔徑成像是一種公知的成像技術，主要應用在放射性射線成像領域中， 如X射線和Y射線成像。編碼孔徑成像利用了和小孔成像相似的原理，只是編碼孔徑成像 使用的是孔徑陣列而非單一小孔徑。孔徑陣列上的每個孔徑將場景的圖像投影到探測器陣 列上，因此探測器陣列處獲得的圖案是一系列重疊的圖像。經過數學處理可以由該重疊的 圖像獲得原始場景的圖像。圖像重建的過程需要使用編碼孔徑陣列的知識。編碼孔徑成像 系統探測器陣列處所獲得的信號可以被描述為編碼陣列的編碼函數與場景的強度分布函 數的卷積加上某個噪聲。因此，通過對探測器陣列獲得的投影重疊圖像的去卷積可以恢復 場景圖像。
[0006] 現有技術中，傳統的紅外熱成像系統主要由四部分組成：光學系統部分、紅外探測 器部分、電子信號處理部分和圖像處理顯示部分。系統的主要工作原理是：被測環境的紅 外輻射經由光學系統接收，其中的光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形投影到焦平面上的紅 外探測器陣列的各光敏單元上，紅外探測器是紅外輻射能的接收器，常用的材料是碲鎘汞 (HgCdTe)，它通過光電轉換作用，將接收的紅外輻射能量變為電信號。再由探測器偏置與前 置放大的輸入電路輸出所需的放大信號，并傳輸到讀出電路。電子信號處理部分包括：前置 放大、主放、自動增益控制、限制帶寬、檢波、鑒幅、多路傳輸和線性變換。讀出電路執行稠密 的線陣或面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進行模數轉換，最后 送入計算機作圖像處理。
[0007] 由于被測目標物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱，缺少可見光圖像那 種層次和立體感，因而需進行一些圖像亮度與對比度的控制、實際校正與彩色描繪等處理。 經過處理的信號送入到視頻信號形成部分進行D/A轉換并形成標準的視頻信號，最后通過 電視屏或監視器顯示被測目標的紅外熱像圖。
[0008] 傳統的紅外熱成像系統的光學系統采用透鏡系統實現匯聚光束和光譜濾波的功 能。光學系統包括物鏡系統（透鏡）和輔助光學系統（場鏡、光錐、中繼光學系統等）。采 用光學透鏡的紅外成像系統相對于采用光學透鏡的可見光成像系統具有通光孔徑和相對 孔徑大，工作波段寬，像差校正困難等問題。另外，由于透鏡系統的尺寸限制，為了獲取大范 圍的環境圖像需要采用光機掃描的方法來覆蓋總視場。通常的光機掃描部件有擺動平面 鏡、旋轉反射鏡鼓、旋轉折射棱鏡、旋轉折射光模等。它們單獨或組合成為常用的幾種掃描 機構。根據多元探測器的排列方式及其與光機掃描的協調配合情況，又可將成像系統細分 為串掃型、并掃型、串并掃型三種。按掃描的體制，紅外熱成像系統可分為"光機掃描"、"電 掃描"（固態自掃描和電子束掃描均屬電掃描）和"光機掃描+電掃描"三種類型。
[0009] 現有技術的一種光機掃描紅外成像裝置的原理圖如圖1，該紅外成像裝置包括物 鏡3、擺動掃描鏡4、探測器陣列6、讀出電路7和視頻信號處理器8。現有技術的光機掃描成 像裝置，可將物平面1上的Y形物2,經過物鏡3和擺動掃描鏡4,在探測器陣列6上成像， 經過讀出電路7,生成圖像信號而由視頻信號處理器8進行處理。
[0010] 由以上可知，現有的紅外熱成像系統采用光學系統接收紅外輻射，很難同時實現 高靈敏度、大視場、高空間分辨率和快幀頻。另外存在像差校正困難，透鏡尺寸不能做得很 大等問題；
[0011] 而且，現有技術的紅外成像系統的成本往往主要是由紅外焦平面陣列決定的，紅 外探測器價格昂貴。另外為了獲得較好的圖像使用制冷紅外探測器，一般需要保持在低溫 (一般為77K)，制冷機的存在使系統體積龐大笨重。
[0012] 基于上述，需要開發一種能夠集成現有技術優點，又能克服傳統紅外成像系統缺 點的紅外成像裝置。
【發明內容】
[0013] 針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種低成本和低復雜度成像 器件結合構成的基于編碼孔徑的紅外成像裝置。
[0014] 為實現上述目的，本發明的技術方案如下：
[0015] 一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置，包括編碼孔徑掩模、光轉換元件、光電探測器 和電子信號采集處理器；
[0016] 所述編碼孔徑掩模，其每一孔徑允許紅外線到達所述光電探測器，而所述編碼孔 徑掩模的剩余部分阻擋紅外線到達所述光電探測器；
[0017] 所述光轉換元件，設置于所述編碼孔徑掩模與所述光電探測器之間，以將所述紅 外光轉換為可見光；
[0018] 所述光電探測器，將所述可見光轉換為電信號；
[0019] 所述電子信號采集處理器，將所述光電探測器輸出的電信號采集并處理輸出。
[0020] 本發明的有益效果在于：
[0021] 1)本發明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，采用編碼孔徑掩模替代現有紅外成像 系統的光學透鏡系統，具有無限的景深，不需要聚焦，不需要像差校正，通過解碼重建即可 得到熱圖像。
[0022] 2)本發明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，結構簡單，能夠選擇大單元尺寸和高 編碼數，可以實現大視場和高空間分辨率。
[0023] 3)本發明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，采用可見光探測器陣列的光電探測 器，可以有效降低紅外成像系統成本以及實現快幀頻成像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1為現有技術的光機掃描紅外成像裝置原理圖。
[0025] 圖2為本發明實施例的基于編碼孔徑的紅外成像裝置的結構示意圖。
[0026] 圖3為本發明實施例的基于編碼孔徑的紅外成像裝置的系統數據流程圖。
[0027] 圖4為本發明實施例的基于編碼孔徑的紅外成像裝置的編碼孔徑掩模的示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 以下根據本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本 發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發明的保護范圍。
[0029] 下面介紹本發明實施例的紅外成像裝置：
[0030] 如圖2所示，本實施例的紅外成像裝置，包括編碼孔徑掩模1、上轉換發光材料涂 層2、光導3、光電探測器4、電子信號采集處理器5以及數據處理與顯示裝置（圖中未示 出）。
[0031] 如圖3所示，本實施例的紅外成像裝置，其工作原理為，紅外線經過編碼孔徑掩模 1投影在上轉換發光材料涂層2上，上轉換材料涂層2將投影到其表面的紅外光轉換為可見 光，經由光導3傳輸到光電探測器4上，光電探測器4將可見光信號轉變為電信號輸出到電 子信號采集處理器5的讀出電路，最后輸出到數據處理與顯示裝置實現數據處理和圖像重 建，最終得到紅外熱圖像。
[0032] 數據處理與顯示裝置，通常由計算機實現，連接于電子信號采集處理器5的輸出 端。
[0033] 本實施例的紅外成像裝置，選用固定的編碼孔徑掩模。以掩模作為孔徑陣列的每 一個孔徑都允許紅外線從場景通過它到達光電探測器4,或者說是光電探測器陣列4。相應 地，掩模的剩余部分阻擋紅外線到達光電探測器陣列4。編碼孔徑中的孔徑意味著能否通過 紅外線，并不意味著物理開孔。另外，編碼孔徑掩模1，可以選用如圖4所示的43*41URA編 碼孔徑掩模，也可以選用59*59URA編碼孔徑掩模。
[0034] 現有技術的紅外成像系統使用的光學組件尺寸一般較小，因此不能實現大尺寸單 元。但是本發明實施例的紅外成像裝置，使用相對大的編碼孔徑掩模1時，并不會帶來技術 上的很大難度或者成本的明顯提高。另外，對于光電探測器4,也可采用大面積陣列可見光 探測器或將小面積可見光探測器拼接成大面積陣列。
[0035] 上轉換發光材料涂層2的作用是將紅外光轉換為可見光，這種材料又稱為反 Stokes材料。所謂的反Stokes效應是指利用稀土離子自身的能級特性，吸收多個低能量的 長波輻射，經多光子加和后發射出高能量的短波輻射的一種現象。上轉換發光材料主要應 用在激光技術、光纖通訊技術、纖維放大器、光信息存儲和顯示等領域。對于上轉換發光材 料2所使用的材質，例如為Yb 3+ :Cs3R2X9等摻稀土元素的固體化合物，其能將1. 5微米的紅 外光轉換至可見光區域。本發明中，上轉換發光材料涂層2也可以是其他形式的將紅外光 轉換為可見光的光轉換元件。
[0036] 光導3的作用是將上轉換發光材料涂層2所轉換的可見光匯聚到光電探測器4表 面，因此，光導3的入射面的面積大于出射面的面積。另外，本發明實施例的紅外成像裝置， 也可以不使用光導3,而直接將上轉換發光材料涂層2直接鍍在光電探測器4的外表面玻璃 上。
[0037] 對于光電探測器4,可見光的探測器陣列技術主要可以選用互補金屬氧化物 (CMOS)和電荷耦合器件（CCD)。兩種技術都很成熟，數百萬或千萬像素級陣列都是可用的， 價格低且穩定。其中CCD有很高的靈敏度和低噪聲，集成度很高（像素間距小于2微米）。
[0038] 對于計數率，與X射線和Y射線等放射性編碼孔徑成像具有低計數率的特性不 同，本發明實施例的紅外成像裝置，光電探測器4接收到的計數率較高，因此成像系統能在 較短的時間內累計一定計數并進行圖像重建。探測器陣列接收的計數可以看成是許多孔 徑投影的疊加。場景也可以看成是由很多點光源組成的。令〇(x，y)表示場景的光分布函 數，A (X，y)表示編碼孔徑函數（透光為1，不透光為0)，則記錄的編碼圖像P(x，y)可以表 不成：
[0039] P(x，y) = 0(x，y)※六"，y)+N(x，y)，其中，※為卷積運算符，N(x，y)為信號的無 關噪聲。
[0040] 從光電探測器4接收到的計數分布可以得到P(x，y)。對于編碼孔徑掩模1的不 同的編碼孔徑的排列有不同的解碼函數，對于固定的編碼孔徑掩模1有與之相對應的唯一 解碼函數G( X，y)，使A(X，y)※G(X， y)為δ脈沖函數。則重建圖像：
[0041] 0*(x，y) = P(x，y)※G(x，y) = 0(x，y)※[A(x，y)※G(x，y)]+N(x，y)※G(x，y)= 0(x, y)+N(x，y)※G(x, y)
[0042] 綜上所述，本發明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，以低成本和低復雜度成像器 件結合構成一種新的紅外成像系統，同時實現大視場、高空間分辨率和快幀頻。而且本發明 的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，使用編碼孔徑掩模取代光學元件成像，不引入任何像差。 [〇〇43] 雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示 例性、而非限制性的術語。由于本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離本發明的精神或 實質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節，而應在所附權利要求所限定的精 神和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為所附 權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1. 一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置，其特征在于，該紅外成像裝置包括編碼孔徑掩 模、光轉換元件、光電探測器和電子信號采集處理器； 所述編碼孔徑掩模，其每一孔徑允許紅外線到達所述光電探測器，而所述編碼孔徑掩 模的剩余部分阻擋紅外線到達所述光電探測器； 所述光轉換元件，設置于所述編碼孔徑掩模與所述光電探測器之間，以將所述紅外光 轉換為可見光； 所述光電探測器，將所述可見光轉換為電信號； 所述電子信號采集處理器，將所述光電探測器輸出的電信號采集并處理輸出。
2. 根據權利要求1所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光轉換元件與所述光電探 測器之間設置有用于將可見光聚焦到所述光電探測器表面的光導。
3. 根據權利要求2所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光轉換元件為上轉換發光 材料涂層。
4. 根據權利要求1或3所述的紅外成像裝置，其特征在于，該紅外成像裝置還包括連接 于所述電子信號采集處理器輸出端的數據處理與顯示裝置，以對所述電子信號采集處理器 輸出的信號進行處理實現圖像重建。
5. 根據權利要求3所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述上轉換發光材料涂層鍍在 所述光電探測器的外表面玻璃上。
6. 根據權利要求5所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述上轉換發光材料涂層的上 轉換發光材料為摻稀土元素的固體化合物。
7. 根據權利要求6所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述上轉換發光材料為Yb3+ : Cs3R2X9。
8. 根據權利要求1或7所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述編碼孔徑掩模為 43*41URA編碼孔徑掩模或59*59URA編碼孔徑掩模。
9. 根據權利要求1所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光電探測器為大面積可見 光探測器或由小面積可見光探測器拼接成的大面積陣列可見光探測器。
10. 根據權利要求7或9所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光電探測器為互補金 屬氧化物光電探測器或電荷耦合器件光電探測器。
【文檔編號】G06T5/50GK104048765SQ201410258123
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】魏龍, 孫世峰, 帥磊, 李道武, 章志明, 王寶義, 秦秀波, 魏存峰, 唐浩輝, 李婷, 王英杰, 莊凱, 王曉明, 朱美玲, 姜小盼, 張譯文, 周魏, 馬創新 申請人:中國科學院高能物理研究所