专利名称：基于mems红外成像系统的反射式光学读出方法
技术领域：
本发明是基于FPA非制冷红外成像系统的ー种光学读出方法。该读出方法针对目前的读出系统结构过于庞大且灵敏度低的问题，发明出一种新的光学读出方法。这种方法使用反射镜代替了原始的透镜成像，且使用了反射滤波器代替了传统的滤波器，使得系统更加紧凑，轻便，设计自由度更大，并在一定程度上増加了系统探测的灵敏度。
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背景技术：
无论是国内还是国外，基于MEMS的新型光学读出式FPA热成像技术越来越受到重视。光读出式非制冷红外成像系统与传统的电读出方式相比，总结起来有以下几方面优点 I.基于微悬臂梁的非制冷红外成像系统的核心敏感器件能够在室温下工作，且不需要制冷设备。2.由于采用的是光学读出方式，不存在电能转热能的现象，所以读出系统不会在探測器上产生附加的热能。3.不需要在像素间进行交叉布线和电子扫描束，容易増加探測器上像素的数量，不引入制作难度和成本，降低了制作的复杂度和生产成本。4.不需要探測单元间在腿部进行金属连接，从而能够在探测单元和基底之间实现良好的热隔离，这样使得每个像素的热隔离能够达到辐射极限。5.微悬臂梁阵列现在采用能够与Si制作エ艺兼容的微加工エ艺，因此很大程度上降低了开发和制作成本。根据以上介绍的几个优点，现在国内外都对新型光学读出式非制冷红外成像系统的性能和集成进行了广泛和深入的探究。目前，非制冷红外成像系统用于读出FPA微悬臂梁偏转角的光学读出方法大多基于透射式的4f系统，且使用刀ロ、小孔、狭缝、方孔等的滤波方式。以小孔滤波方法为例小孔滤波读出系统是通过红外透镜将红外线聚焦在FPA上，FPA在真空腔内，光源为可见光LED。LED发出的光经准直元件后成为平行光，该平行光照射在FPA上并经FPA反射。从FPA反射的光束通过第一个成像透镜成为会聚光，并会聚在焦面上的小孔附近。因为每个反射小単元的偏转角度不同，会使这些光线在小孔板上的会聚位置不同，只有当会聚位置和小孔位置合适时，这些光线才能够通过小孔及第ニ个成像透镜。当这些光线通过第二个成像透镜后，会成为平行光井在CCD上成像。当环境中没有红外热辐射物体时，各个悬臂梁小单元的偏转角度相同，因此准直后的平行光经FPA反射后具有相同的方向，通过第一个成像透镜后会聚焦在一起，且焦点的位置全部重叠，使CCD接收到的FPA上每个小単元的反射光经过小孔后的光强相同，因此输出图像各个位置的灰度值相同。当环境中存在热物体吋，由于各个小単元受热不同而偏转不同的角度，导致经FPA反射的光束的方向不同，使得该光束通过第一个成像透镜聚焦后焦点不重合，因此通过小孔的光强发生变化，最终导致CCD上接收到的光强发生变化，得到灰度值不同的图像输出。这种方法的探测灵敏度不仅与探测目标黑体的温度有关，还与LED的发光强度和CCD的灵敏度有夫。该方法无需隔振，易实现阵列測量。但是该方法的空间分辨率和探测灵敏度无法同时提高，空间分辨率不够且图像不清晰等。总结起来，透射式的光学读出方法存在以下几方面的缺陷1.系统结构尺寸较大，不利于小型化和便携。2.空间分辨率和探测灵敏度没法同时提高，空间分辨率不够且图像不够清晰。3.滤波器大多使用刀ロ、小孔或狭缝等，系统缺陷(比如FPA的制造缺陷，小单元初始的形态不一致以及光学器件产生的像差等)对成像的影响较大。4.位相互补式的滤波器很难实现且容易受到空气扰动的影响。与透射式的光学读出方法不同，反射式的光学读出方法是利用反射的光学元件，并且使用和传统滤波器位相互补的反射滤波器。与传统的4f系统的滤波器(如小孔，狭缝等)相比，反射滤波器是与传统滤波器互补的形式，也就是用圆点或方点的方法。使用透射式的4f系统很难实现使用圆点、方点作为滤波器，较难实现窄带滤波器的形式，并且还容易受到空气扰动的影响。除此之外，传统的小孔滤波的方式的不容易找到最佳滤波位置。
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发明内容
本发明的目的是利用反射式4f系统成像性能，使用反射滤波器，将微悬臂梁阵列的受热转角转化为光强信号。本发明的目的是由以下技术方案来实现反射式的滤波器是在平面镜上刻制一定半径的圆点，圆点部位不反射光，圆点以外的部位可以反光，作为反射式4f系统衍射谱的滤波器。假设每个微悬臂梁单元的光学反射面可以简化为规则的矩形板并且彼此间平行，这样ー个个矩形板排列起来就形成了ニ维的光栅结构。当用可见光照明时，每个矩形板单元在谱平面形成相同的衍射谱，但是由于每个矩形板受热后偏转的角度不同，每个单元的衍射谱的位移也就不同。有些微悬臂梁的转角偏大，导致光的衍射谱大部分移入反光区域，通过的光能増加；有些微悬臂梁的转角偏小，光的衍射谱大部分仍在不反光的区域内，通过的光能増加的程度较小(反之亦然)。初始状态时，环境中没有红外辐射物体时，焦平面阵列FPA的每个小单元的反光板的初始角度一祥，平行光以一定的角度入射后，FPA的矩形板単元经过反射4f系统，在谱平面形成相同的衍射谱，经过反射滤波器的滤波及凹面镜后，成像在CXD上，并以这个像作为基准。当环境中有红外辐射物体时，物体经过红外透镜成像在FPA上，FPA上的小单元发生相应的不同的偏转，平行光入射到FPA上之后，经FPA反光板反射的光也发生相应的偏转，这时，光的衍射谱随着小単元的偏转产生一定的位移。再次经过反射滤波器的滤波及凹面镜成像后，成像在CCD上，两次成像的亮度差异就可以得到红外辐射物体的红外热图像。■有益效果采用本发明可以取代传统的透镜成像，采用反射元件凹面反射镜和反射滤波器将微悬臂梁阵列的受热转角转化为光强信号。和传统的方法相比，反射滤波器的设计自由度较大，这种方法不仅可以减小整个系统的尺寸，还可以提高检测灵敏度，在一定程度上提高了光能利用率，而且系 统缺陷对成像的影响比使用传统的4f光学读出系统要小。
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图I为基于本发明的以基于MEMS的非制冷红外热成像系统的反射式4f光学读出方法的原理示意图其中1-点光源，2-准直系统，3-焦平面阵列，4-凹面镜，5-反射镜，6-反射滤波器，7-凹面镜，8-光电接收器图2为反射式光学读出方法中用到的反射滤波器其中9-平面反射镜，10-不透光圆点
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具体实施例方式下面结合附图对本发明做进ー步描述如图I所示，当外界没有红外辐射物体时，焦平面阵列的小単元都处在同一个状态。这时，点光源I发射出的光经过准直系统2的调制，变为平行光射出。平行光照射到3 焦平面阵列FPA上，焦平面阵列FPA小单元中的反光板将平行光反射出。经焦平面阵列FPA反射回的光经过由凹面镜4、在凹面镜的焦面上形成衍射斑，也就是物体的频谱，形成的频谱经过反射滤波器6进行滤波，滤波后的频谱再经过凹面镜7的一次傅里叶逆变换的过程，对焦平面阵列FPA成像。以这个像为基准图像。其中平面反射镜5起到了折叠光路，减小系统尺寸的作用。当外界放置了红外物体时，红外物体发出的光经过红外透镜后成像在3焦平面阵列FPA上，3焦平面阵列FPA上对应的小単元的悬臂梁发生偏转。此时，经过准直透镜2后的平行光照射到FPA上，平行光中照射到发生偏转的相应的小単元后也会偏转ー定的角度，再次经过由凹面镜4、平面反射镜5、反射滤波器6，此时，光的衍射谱大部分移入反光区域，通过的光能増加，再经过凹面镜7成像，CXD采集到得是ー个有红外物体信息的一幅图像，将这幅图像与原图像进行做差就可以得到红外物体的热像。如图2所示的为反射式读出方式的滤波器。是在平面反射镜9上刻制一个不反光的圆点10，用来对衍射谱进行滤波。当环境中没有红外物体是，微悬臂梁的衍射谱大部分被不反光的圆孔吸收掉，衍射谱的小部分经过圆孔之外的反射面反射。当外界放置了红外物体吋，部分微悬臂梁根据吸收的热量分别偏转不同的角度，各自的衍射谱发生相应的偏移，有些微悬臂梁的转角偏大，导致光的衍射谱大部分移入反光区域，通过的光能増加程度较大；有些微悬臂梁的转角偏小，光的衍射谱偏离出反光区域较少，通过的光能増加的程度也较小。这样CCD就可以捕捉到不同的亮度的变化，增加红外成像系统的灵敏度。另外，反射式的滤波器也可以根据需要将不透光的圆点10，设计为方点、窄带或任意形状以满足系统的需求。
权利要求
1.一种基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出方法，其特征在于该方法在MEMS红外成像系统中实现，系统由照明光路、焦平面阵列微悬臂梁FPA、红外透镜、凹面反射镜、反射滤波器、光电探测器及显示器组成，红外透镜将红外热辐射目标共轭成像在FPA后表面上，使FPA小单元发生受热变形偏转，照明光路出射的平行光经FPA前表面反射后到达凹面反射镜，凹面反射镜对FPA受热变形偏转光场进行傅里叶变换，傅里叶频谱由反射滤波器滤波，再经过另一片凹面反射镜的逆傅里叶变换成像在光电探测器上，显示器显示FPA受热偏转后的光场信息。
2.如权利要求I所述的基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出方法，其特征在于反射式光学读出方法采用反射滤波器对频谱的滤波形式和传统的透射式滤波器的滤波形式正好位相互补。
3.如权利要求2所述的基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出方法，其特征在于透射滤波器将频谱的高频部位全部遮挡，而反射式光学读出方法采用的反射滤波器在频谱的位置只遮挡了大部分小単元频谱的低频部分，因此系统缺陷(比如FPA的制造缺陷，小单元初始的形态不一致以及光学器件产生的像差等)产生的频谱被全部滤除，这样系统缺陷对成像效果影响更小。
4.如权利要求I所述的基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出方法，其特征在于反射式光学读出方法完全用了反射器件，不会产生色差，因此对光源的要求降低，光源的影响减小。
5.如权利要求I所述的基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出方法,其特征在于反射式光学读出方法的入射光是轴外光线，与传统透射式读出方法相比，在光路的设计上不需使用分光棱镜，很大程度上減少了光能损失。
6.如权利要求I所述的基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出方法,其特征在于传统的光学读出方法是共轴透射系统，传统读出方法中的透射元件多个面都会产生部分反射光，反射到FPA，再由FPA反射回，产生多重像和像的模糊；反射式的光学读出方法是离轴反射系统，从FPA反射出的光全部通过凹面反射镜成像，成像质量较透射式读出方法更好，而 且提高了光能利用率。
7.如权利要求书I所述的基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出方法，其特征在干入射平行光和FPA之间有一定的角度，该读出方法中凹面镜的离轴角度和FPA出射光的角度相同，就可以使红外物体成的像和原物体比例相同，不会变形。
全文摘要
本发明是一种基于MEMS非制冷红外成像系统的反射式光学读出方法。当背景环境中没有红外物体时，FPA微悬臂梁没有发生弯曲，这时经过FPA反射回的光线经过凹面镜发生一次傅里叶变换，形成的频谱经过反射滤波器的滤波，再经过另一片凹面镜的逆傅里叶变换成像在CCD上，以这个像作为基准像。当环境中有红外物体时，焦平面阵列中的微悬臂梁受热弯曲，FPA反射回的光发生变化，通过凹面镜后的频谱发生一定的位移，再经过反射滤波器的滤波和凹面镜的逆傅里叶变换，成像在CCD上。这幅图像和基准像做差运算就可以得到有红外辐射物体的像。这种方法折叠了光路，减小了光学读出系统的尺寸，并达到了改善成像质量、提高探测灵敏度的目的。
文档编号G01J5/10GK102661800SQ20121016141
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者惠梅, 王文娟, 赵跃进 申请人:北京理工大学