专利名称：一种含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统，尤其是一种红外调制成像、光学读出形式的高性能非制冷红外焦平面阵列成像系统。
背景技术：
红外热成像技术在军事和民用领域都有着非常广泛的应用，并且越来越受到各行各业的重视。但是传统的红外热成像系统由于其工艺、成本、体积、重量、功耗等问题，一支没有得到大规模的、普遍的使用。近年来，基于MOEMS技术的光读出式微悬臂梁焦平面阵列(focal plane array, FPA)热成像系统，采用焦平面阵列器件FPA作为红外图像传感器，大大降低了红外系统的体积、重量，为大规模、普遍使用红外成像系统提供了有力条件。焦平面阵列器件是一种微悬臂梁结构，微悬臂梁由两种热膨胀系数相差较大的材料构成，当微悬臂梁吸收红外辐射后，梁的温度上升，双材料层之间会很快达到热平衡，热平衡后，由于两种材料的热膨胀系数差别较大，它们之间的应力将使梁产生弯曲，弯曲量与微悬臂梁吸收的热量成正比。所以，外界的温度场会导致微悬臂梁阵列产生相应的变形，如果能够精确探测到微悬臂梁阵列中每个的微悬臂梁的变形量，则可以得到外界的温度场分布，换言之，可以得到红外图像。微悬臂梁变形量的检测主要有电读出和光读出两种方式。前者是通过检测微悬臂梁弯曲处的电容或电阻等电学参数的变化情况，来获得悬臂梁的形变量。该方法外围设备比较简单，但是要在FPA上额外构造复杂电路，加大了 FPA的制造难度，并且电路本身的热量会在一定程度上影响红外图像的质量。另一种叫做光读出，是实现红外光一热机械变形一照射可见光的反射光强变化一还原图像的过程。在每一个微悬臂梁上，都有小反射镜。用可见光照射微悬臂梁阵列，微悬臂梁阵列的反射镜会将可见光反射，当每个微悬臂梁的变形量不同时，每个微悬臂梁携带的反射镜对照射的可见光的反射效果也会不同，通过检测反射光的变化量可获得悬臂梁的变形量，再还原为红外图像。该方法需要配置的外围设备比电读出复杂，但不需要在FPA上构造读出电路，避免了读出电路产生的热量对成像质量的影响。理论上讲，光读出比电读出微悬臂梁FPA系统具有更低的背景噪声，更高的灵敏度，但是就目前国内外技术资料来看，光读出远远未达到预期的成像效果，甚至还低于电读出方式。研究光读出FPA红外成像系统光路的成像原理可以看出，影响系统稳定性、可靠性、灵敏度的因素很多，其原因有两个方面，一方面是工艺、器件性能的制约，另一方面是系统设计水平。是进一步提高光读出非制冷红外焦平面阵列成像系统性能的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的是针对提高光读出非制冷红外焦平面阵列成像系统工作稳定性、可靠性和灵敏度的问题，提供一种具有时间调制的、可以有效消除环境振动、环境温度与照度变化、红外焦平面阵列器件变形、光源电源纹波、光源老化、光机结构变形、CCD噪声对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度的技术。本发明的目的是由以下技术方案来实现①本发明的新型高性能非制冷红外焦平面阵列成像系统，包括红外调制成像光路、照明光路、光学读出光路、图像采集及处理装置。红外调制成像光路包含红外成像镜头、 光调制器和红外焦平面阵列传感器，为成像系统按一定的时间频率分时提供红外图像、背景和噪声信号的空间调制信号；照明光路包含光源、准直镜头组，为成像系统提供可见照明成像光束；光学读出光路包含若干成像镜头组和滤波器，用于对被红外调制成像光路空间调制以后的可见照明成像光束进行滤波、聚焦成像，图像成像在CCD靶面上；图像采集和处理装置对信号处理后输出红外图像。②该系统地成像特点是红外成像镜头对外界目标聚焦成像，位于该聚焦成像光路中的光调制器对红外成像光线进行时间调制后射向红外焦平面阵列器件，红外焦平面阵列器件接收经过时间调制以后的红外成像光线，并且其阵列像元产生相应的变化；从光源发出的光，被扩束、准直以后，射向红外调制成像光路并被空间调制以后进入光学读出光路，成像于CCD表面。由于红外调制成像光路提供的空间调制信号具有分时性，一部分时间是红外图像信号，另一部分时间是背景及系统噪声信号，所以CCD接收的图像信号也是按一定频率交替的红外图像信号、背景和系统噪声信号，且这两个信号具有光程完全相同的特点，时间上也基本同步。③该系统在图像处理过程中，用背景和系统噪声信号对红外图像信号不断地进行修正，从而达到消除环境振动、环境温度与照度变化、红外焦平面阵列器件变形、光源电源纹波、光源老化、光机结构变形、CCD噪声对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度的目的。有益效果采用本发明可以实现对红外图像的修正，扣除环境振动、环境温度与照度变化、红外焦平面阵列器件变形、光源电源纹波、光源老化、光机结构变形、CCD噪声对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度。较之早前的非制冷红外焦平面成像系统， 在同等条件下，其成像性能得到提高，并且对使用环境要求、系统器件要求也相应降低。
图1是现有的光读出非制冷红外焦平面成像系统示意图；图2是本发明的新型高性能非制冷红外焦平面成像系统示意图；其中，附图标记说明如下图中1.红外成像镜头组；2.光调制器；3.红外焦平面阵列；4.光源；5.准直镜头组；6.光学读出光路；7.图像采集和处理装置。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例。1.系统组成本发明的新型高性能非制冷红外焦平面成像系统，由红外调制成像光路、照明光路、光学读出光路和图像采集与处理装置组成，具体如图2所示
红外调制成像光路由红外成像镜头组1、光调制器2和红外焦平面阵列3组成，红外镜头将外界目标的热图像聚焦成像，位于成像光路中的光调制器对红外成像光束进行时间调制，调制以后的光线在7上成像，7的像元阵列产生规律的变化；照明光路包含光源4和光源准直镜头组5，照明光路为整个系统提供可见、非干涉、平行的照明成像光束；光学读出光路6包含若干成像镜头和滤波器，用于对被红外调制镜头组空间调制以后的可见照明成像光束聚焦成像于图像采集和处理装置中的CCD表面；图像采集和处理装置7，对光学读出光路输出的信号按照一定的规律处理，并输出红外热图像。2.成像过程本发明的新型高性能双光束光读出非制冷红外焦平面成像系统，其成像过程如图 2所示外界目标的红外热图像通过红外镜头1进入本发明的新型高性能双光束光读出非制冷红外焦平面成像系统(箭头I所示)，并被位于成像光路中的光调制器2进行时间调制，然后成像于焦平面阵列3上(箭头II所示)，焦平面阵列3由于吸收了热，像元阵列的反射镜在悬臂梁的带动下会发生偏转。光源4发出的发散光，被准直镜头组5扩束、准直以后，射入红外调制成像光路 (箭头III所示)，被焦平面阵列3调制以后的照明成像光束，进入光学读出光路6(箭头IV 所示)，光学读出光路将其成像于信息采集与处理装置的CCD靶面上。由于红外调制成像光路提供的空间调制信号具有分时性，一部分时间是红外图像信号，另一部分时间是背景及系统噪声信号，所以CCD接收的图像信号也是按一定频率交替的红外图像信号、背景和系统噪声信号。3.用背景和系统噪声信号修正红外图像本发明的新型高性能非制冷红外焦平面成像系统，用背景和系统噪声信号修正红外图像如下(1)红外图像的获取附图1所示的光读出非制冷红外焦平面成像系统的红外图像采集过程为首先由系统对参考物体成像，此时默认为外界环境对焦平面阵列3无成像，则图像采集和处理装置7各像元获得一个能量EO ；然后系统对外界红外物体成像，外界图像经由红外镜头组1 成像于焦平面阵列3上，使焦平面阵列3的像元产生相应的角度偏转，导致图像采集和处理装置7的各像元获得的能量Ei与EO产程差异，二者的差即红外热图像，即红外热图像Ei。= E0-Ei........................... (1)其中E0= E · Il1 · η2 · η。........................... (2)Ei = E · Il1 · η2 · η........................... (3)E为光源4的发光强度，Il1为光源准直镜头组5的光传递效率，η 2为读出光路6 的光传递效率，η ο为焦平面阵列3的光传递效率，n为系统对红外物体成像以后焦平面阵列3的光传递效率；实质上，式⑵和式(3)中的E，Jl1, η2，η。，η都会随时间有一定的波动Ε会随光源老化、光源电源纹波而变化；η” η2会因为外界环境变化、结构变形产生变化；％会由于外界震动产生极大的变化，从而导致式(1)的计算结果失真。特别是当系统需要长时间工作时，系统输出的红外图像会失真，并且越来越�：鸾ナコ上衲芰�。(2)用背景和噪声信号修正红外图像图2所示的新型高性能非制冷红外焦平面成像系统，在图1的基础上增加了一个光调制器2，对红外成像光线进行时间调制。图像采集和处理装置7分时接收红外图像h 和背景与噪声图像Eo，且这两类信号按一定的时间频率交替出现，即t时刻出现，则t+Ι时刻出现&，t+2时刻出现Eo……由于t和t+i时刻的间隔At非常小，Ε，ηι; η2, η0, η 的变化也将非常�。踔量梢院雎圆患疲裕绻凑誆(t+1) = Eot-Es (t+1) ........................ G)计算的结果输出红外图像，则可以在很大程度上克服由于E，Ii1, η2, η0, η随时间变化引起的图像失真甚至失去成像能力的困难，也就是说本成像系统能够较好的扣除环境振动、环境温度与照度变化、红外焦平面阵列器件变形、光源电源纹波、光源老化、光机结构变形、CCD噪声对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度。
权利要求
1.一种含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统，包括红外调制成像光路、 照明光路、光学读出光路、图像采集及处理装置，其特征在于采用红外调制成像光路中的光调制器对成像红外光进行时间调制在不同调制状态下，图像采集及处理装置采集到的图像对应不同信号源，具有不同的意义，在图像处理时，利用不同信号对红外图像进行修正， 从而消除环境振动、环境温度与照度变化、红外焦平面阵列器件变形、光源电源纹波、光源老化、光机结构变形、CCD噪声对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度。
2.根据权利要求1所述的含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统，其特征在于红外调制成像光路包含红外成像镜头、光调制组件、红外焦平面阵列，照明光路包含光源、准直镜组，光学读出光路包含成像镜头组和滤波器。
3.根据权利要求1所述的含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统，其特征在于所述进入红外调制成像光路中的红外成像光束，被光调制组件进行时间调制，使得红外调制成像光路的输出具有分时性，一部分时间是红外图像，另一部分时间是探测系统背景噪声信号。
4.根据权利要求1所述的一种含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统，其特征在于从光源发出的发散光经准直镜组扩束、准直后，进入红外调制成像光路。
5.根据权利要求4所述的新型高性能非制冷红外焦平面成像系统，其特征在于探测红外图像的光路，与探测系统背景噪声的光路完全一致，成像像素也完全一致。
6.根据权利要求5所述的新型高性能非制冷红外焦平面成像系统，其特征在于图像采集和处理装置分时采集红外图像信号和背景噪声信号，分时频率由光调制器的调制周期决定。
7.根据权利要求6所述的新型高性能非制冷红外焦平面成像系统，其特征在于图像采集和处理装置利用背景噪声信号，对红外图像信号进行修正，以消除环境振动、环境温度与照度变化、红外焦平面阵列器件变形、光源电源纹波、光源老化、光机结构变形、CCD噪声对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度。
全文摘要
本发明提供一种含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统，包括红外调制成像光路1、2和3、照明光路4和5，光学读出光路6，和图像采集及处理系统7。1对外界目标聚焦并经2时间调制后成像于3，3产生相应变化；4发出的光经5准直后射向3，并被3空间调制后经6聚焦成像于7，7输出红外热图像。本发明的核心在于在非制冷红外焦平面阵列成像系统光路中设置了时间调制装置2，使7交替接收红外图像信号和背景及系统噪声信号；7利用背景噪声信号对红外图像信号进行修正，从而消除振动、环境照度变化、红外焦平面阵列器件变形、光源变化、光机结构变形、CCD噪声对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度。
文档编号G01J5/06GK102279053SQ20111008940
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者于晓梅, 刘小华, 惠梅, 朱慧时, 武红, 董立泉, 褚旭红, 赵跃进, 龚诚 申请人:北京理工大学
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