采用自参考的热光系统的制作方法

专利名称：采用自参考的热光系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及热光系统领域，例如用于热成像的系统。
背景技术：
在热成像系统领域中，已知可采用特定器件类型和结构以实现所需 功能。例如，己知可在热成像系统(例如通常用于军事应用)中采用热 敏器件阵列以及其他电路。由于在操作环境中通常具有低信噪比， 一些 系统采用制冷半导体传感器器件阵列来降低与环境热条件相关的噪声， 从而提高光学性能。然而，这种系统通常非常昂贵和复杂，因而其利用 限于军事和其他成本相对不敏感的应用中。
非制冷热成像系统也是已知的。这种非制冷系统通常采用微电子机
械系统(MEMS)技术来构建，以建立与常规CMOS读取器电气及机械 互联的隔热微结构阵列。所述CMOS读取器生成来自每个微结构元件的 信号并产生电子或者可视图像。这种非制冷系统生成高质量影像，但是 由于制造与常规CMOS读取器器件相集成的微结构器件的工艺复杂性， 仍然很昂贵。由于电气互联的导热性，其使用也降低了器件的性能。
使用光学读取器而非CMOS读取器是有利的，因为前者既不需要互 联CMOS器件，也不需要使用电气互联。然而，由于在光学探测热微结 构器件时产生的大光学背景信号，光学读取器通常具有低对比度。来自 光学读取器器件的信号还可能包含由于制造工艺和读取技术的变化所带 来的大量不均匀性。所有这些背景信号的净结果是动态范围减小且灵敏 度降低。
发表在Proceedings of the SPIE， 2005年第5783巻，第506-513页 上的由J. Zhao撰写的名为"High Sensitivity Photomechanical MW-LWIR Imaging using an Uncooled MEMS Microcantilever Array and OpticalReadout"的论文指出了一种双材料悬臂方法(随温度变形)的使用，以
及一种机械补偿方法，用于补偿薄膜中的制造差异以及环境温度。可以 看出双材料悬臂部分有两个分区， 一个是隔热的，另一个则不是，从而 在反射区域造成相反方向的弯曲。这将补偿到这样的程度，即能够使两 个分区在机械上表现相同。
发表在Journal of Microelectromechanical Systems, 2002年4月第11 巻第2期上的由Y. Zhao, M. Mao, R. Horowitz, A. Majumdar， J. Varesi， P. Norton禾卩J. Kitching撰写的名为"Optomechanical Uncooled Infrared Imaging System: Design, Mkrofabrication， and Performance"的论文指出了 一种基于双材料悬臂的方法，其中一些悬臂是金属化的，另一些则不是。 即使在环境条件下，不同元件已经处于明显不同的水平，因而造成了高 基线光学水平。这一效应很难控制，因为它依赖于组成该结构的薄膜中 的微小应力，此外还有来自环境温度的较大影响。作者的结论是他们无 法将衬底温度控制在优于20mK的范围内，因而限制了系统性能。
Bly等人的专利US 6,124,593指出了使用热机械法布里-珀罗滤波器
作为入射热辐射的读取器。Carr等人的专利US 6,766,882指出了基于像素的高温(pyro-)光学
材料的使用，所述材料根据由热辐射调整的温度，改变其对可见信号或 者NIR载流子信号的吸收。
Elliott等人的专利US 4,594,507指出了一种光学读取热成像系统。 在这种情况下，"断路器(ch叩per)"用于热辐射以便随时间调制热辐射， 然后使用电子读取系统，所述系统可以"锁定"到调制频率，从而从信 号+基线中单独提取信号。
Wagner等人的专利US 2007/0023661指出了在薄膜千涉滤波器中使
用热光材料，所述材料根据温度改变其透射和反射性能，同时指出了使 用这些器件在包括热成像的应用中测定温度。

发明内容
公开了降低光学读取热器件中不需要的背景和信号不均匀性(包括 由于制造变化和不均匀性造成的那些)的技术，若不加以解决，则会降低诸如CMOS或CCD传感器(transducer)之类的显示传感器的可用动 态范围。
一种热光系统，例如可以用于热成像，包括光学元件阵列，每个光 学元件具有热响应光学特性，光学元件包括信号元件和参考元件，被配 置为提供(1)光学特性对环境条件的共模响应和(2)光学特性对光学 元件阵列上出现的热信号的差模响应。该系统还包括光学读取子系统， 被配置为(1)利用与光学特性对应的读取波长处的光能照射光学元件阵 列，以便生成带有共模和差别信号分量的复合光信号，所述共模和擦黑 魔信号分量分别对应于信号元件和参考元件的共模响应和差模响应，以 及(2)滤波复合光信号以生成实质上是差模图像分量的滤波光信号。


通过下面对本发明具体实施例的描述，可以理解本发明的前述和其 他目的、特征和优点，在附图中示出了这些实施例，其中不同视图中相 同的参考字符表示相同部件。附图不一定按比例绘制，重点在于说明本 发明各实施例的原理。
图1是根据本发明实施例的热光系统的方框图2是图1所示系统中光学元件阵列的共模响应和差模响应图3是图1所示系统中光学元件阵列的示意图4是可以与图3所示的阵列一起使用的掩模的示意图5是薄膜光学元件的示意截面图6是薄膜光学元件阵列的示意平面图7是根据本发明实施例的热成像系统的方框图8 (a)和图8 (b)是图6所示系统中复合图像分量的示意图9是图7所示系统中采用的空间傅立叶滤波器的图10 (a) -10(c)是图7所示系统中图像的强度-位置图11是另一个实施例的功能框图； 图12是另一个实施例的示意图； 图13示出了剪切模块的衍射实施例； 图14示意性示出了两个剪切波前；图15示出了剪切模块偏振剪切实施例； 图16示出了偏振束复制器的示例；
图n是差分干涉对比原理的示意图18示出了剪切模块的体光学实施例； 图19示出了空间载波条纹的使用；以及 图20示出了空间载波条纹的产生。
具体实施例方式
图l示出了一种热光系统，其中热信号10提供给光学元件阵列12， 在此也称作"阵列"12。光学读取子系统14为阵列12产生光学照明信号
(ILLUM) 16。阵列12响应热信号10和照明信号16，产生复合光信号
(COMP) 18，所述复合光信号在光学读取子系统14中滤波，产生滤波 光信号(FILTERED) 20 (也称作光输出信号)。在所示实施例中，滤波 光信号20提供给传感器子系统22，所述传感器子系统将滤波光信号20转 换为电子、光学或者其它模式，例如二维可见图像。
阵列10以光学调制器的形式运行，通过以热信号10为基础调制照明 信号16，产生复合图像18，从而将热信号10携带的信息结合到复合信号 18中。在下面所述的实施例中，照明信号16是二维近红外(NIR)光信 号，热信号10是从诸如热辐射体集合之类的外部源入射到系统上的二维 分布长波红外(LWIR)辐射。在该实施例中，传感器子系统22采用能够 将滤波信号20的NIR能量转换成电子信号的组件，例如电荷耦合器件
(CCD)或者等同元件。在其它实施例中，照明信号16可以是包括可见 光波长的其它波长，并且在某些情况下，可以省略单独的传感器子系统 22，例如通过使用直观光学系统。
图2是表示阵列12重要特性的线图。该图包括信号元件(SIGNAL) 和参考元件(REF)，它们被配置为提供共模(CM)热光响应以及差模
(DM)热光响应。本文的"热光响应"指能够对照明信号16进行某种 形式调制的光学特性。热光响应的类型取决于所采用元件的类型；下面 将描述元件和配置的具体实例。图2中的图示出了作为位置函数(方便起见用单轴表示；通常位置可以是零维、 一维、二维，甚至是三维)的参 考元件和信号元件各自的响应。参考元件被示出为具有空间响应，这是
由环境热条件或者阵列12上其它这样的公共输入条件造成。信号元件被
示出为具有略微不同的空间响应，所述响应是两个不同分量的总和(1) 对公共输入条件的CM响应，理想状态下与参考元件的响应完全相同；
以及(2)理想状态下完全是热信号10函数的DM响应。
回到图l，复合光信号18既包括CM信号分量，也包括DM信号分量， 它们分别由照明信号16与阵列12的CM响应和DM响应之间的相互作用 产生。光学读取系统14滤波或者以其他方式产生复合信号18，以提取DM 信号分量，所述分量代表热信号IO,以供传感器子系统22或者可选实施 例中的其它元件使用。
图3是阵列12的示意图，具体地是例如可以用于热成像应用的二维 阵列。在所示实施例中，阵列12具有光学元件24的二维排列，分为信号 元件S和散布其间的参考元件R。如上所述，希望信号元件S和参考元件R
被配置为提供对公共输入条件以及主要制造变化和不均匀性的共模响 应。因此信号元件S和参考元件在整体结构上可以相同，并可以是散布
的(如图所示)或者以其他方式排列以实现所需共模响应。
通常，希望每个信号元件S靠近一个或者多个相关参考元件R，使它 们获得基本相同的局部输入条件(在此也称作公共输入条件)，即便这些 条件在阵列12上变化。以这种方式，参考元件R和信号元件S于是可以包
含局部共模输入信号，该局部共模输入信号不仅是由于环境温度的局部 差异，而且是由于元件设计、制造公差、读取照明和其它可以产生与由 热信号10导致的输入信号不同的输入信号的这种参数的局部差异而产生 的。
元件24示为圆形仅仅是为了描述的方便；也可以使用其它形状的信 号元件S和/或参考元件R。元件24可以是完全独立的物理元件，或者可以 以某种方式互联以提供所需程度的单独每元件响应。在一个实施例中， 至少参考元件R实际上是单个物理元件的分离区域，这具有例如可制造 性的优势。下面将讨论具体示例。在另一个实施例中，除了与热信号的界面外，参考元件R和信号元件S基本相同，从而产生基本相同的共模 信号。
图4示出了掩模26，所述掩模可以与例如图3所示的阵列12—起使 用，以产生所需的差模响应。掩模26包括不传热衬底28和透热开口30， 并定位用于拦截热信号IO。它可以对准阵列12放置，使得开口30与信号 元件S对准，而使参考元件R被不传热衬底28覆盖。通过这种结构，热信 号10可以到达信号元件S却不能到达参考元件R，得到所需的对热信号IO 的差模响应。可以理解，所示掩模26仅仅是可以用于产生差模响应的众 多元件和/或结构类型中的一种。根本地，无论使用哪种结构，都需要将 热信号10引导至信号元件S而远离参考元件R，或者将参考元件R热学接 地而保持信号元件S与地热隔离。该结构可以实现为独立元件，例如掩 模26，或者是光学元件24自身结构的一部分。
图5示出了应用薄膜技术的特定类型阵列12-1的截面图，在此称作 "薄膜阵列"12-1。薄膜阵列12-1可以具有例如图3所示的一般二维形式， 但是在可选实施例中可以是线性阵列或单个"像素"(具有CM和DM响 应)。可以理解，对于大多数实际二维阵列，薄膜阵列12-1的厚度比其表 面长度/高度/宽度薄一个或者多个数量级。因此，对于这种阵列，图5的 视图在水平方向上应该是失真的，以便显示相关细节。
具体地，薄膜阵列12-1包括平板衬底32，所述衬底的材料在照明信 号16的频率下是透明的，例如在NIR照明的情况下是玻璃或者熔融石英。 外表面(图5中最右边)可以涂覆防反射涂层。光学薄膜结构34,诸如 US 2007/0023661中描述的结构，在衬底32的内表面上形成。薄膜结构34 用作反射镜，其反射率(或者其它光学特性)是温度的函数，而温度又 受到热信号10的影响。薄膜结构34包括支撑体36，所述支撑体36在薄膜 结构34 (下面将参考图6进行描述)的光学元件39与衬底32之间保持间隔 38。附在薄膜结构34另一表面上的是输入界面层40，用于为薄膜结构34 的信号元件吸收热信号IO (例如LWIR辐射)。
图6示出了从热信号10的方向看去薄膜结构34的平面图。信号元件S 是薄膜结构34的岛状部分。信号元件通过间隙42与周围的参考区域R分离，并且通过隔热支撑臂44连至周围的参考区域R。可以看出，参考区 域R是一片连续薄膜材料的所有部分，使得材料中的不均匀性在信号元 件S和参考区域R中基本上相等地表现出来。可以利用层叠和刻蚀技术形
成薄膜结构34，这通常在本领域称作微电子机械系统(MEMS)技术。 在所示实施例中，信号元件S和参考区域R是在制造过程中同一处由相同 的一组材料层组成，其中牺牲材料位于阵列元件周围，且所述牺牲材料 随后通过化学刻蚀去除以形成间隙42。因此，信号元件S实际与参考区 域R相同，提供上述对环境热条件的共模响应。下面将描述包括薄膜结 构34的阵列12-1的操作。
图7示出了使用上述阵列12-1的热成像系统。光源，例如NIR激光器 46，产生射在透镜48上的发散NIR束，透镜48将光束准直并引导至阵列 12-1作为照明16 (图l)。从阵列12-1反射的光(即图1中的复合信号18) 由透镜48聚焦。在焦平面上放置滤波器50，其结构和操作将在下文描述。 在焦平面之外(光是发散的)，例如放置另一透镜52用于将光束准直并引 导至传感器子系统22。
图8示出了在透镜48焦平面上出现的光图案。图8 (a)示出了不存在 热信号10从而仅存在复合信号18的共模分量时出现的图案。在这种情况 下，阵列12-1的薄膜结构34实际上用作平面镜，其中信号元件S和参考区 域R仅以共模方式响应。来自阵列12-1的光聚焦于单个共模焦图像54。可 以理解，共模焦图像54具有相对高的强度，捕捉作为信号元件和参考元 件的"基线"热光响应(下面将更加详细地描述)。
图8 (b)示出了当非零热信号10存在时出现的一组图案。在这种情 况下，薄膜结构34的信号元件S具有与周围参考区域R不同的反射率，这 一差异造成从阵列12-1反射的复合信号18的衍射效应。仍然有共模焦图 像或分量54，同时还有若干差模图像或分量56，它们由与阵列12-1单个 元件S的间隔相对应数量的间隔隔开。图8 (b)中的图案可以看作是由 阵列12-1产生的复合图像18的空间傅立叶变换。
图9示出了滤波器50。它是材料薄片，所述材料在激光器46的NIR波 长下透明，带有中心NIR不透明区域58，用于在允许差模分量56通过的同时阻止共模分量54。其他类型的空间图案也可用于这种滤波，例如在 单个第一衍射级上通过的滤波器。单个第一衍射级通过滤波器有利于从 不同空间频率的阵列特征中减少不需要的信号。
图10示出了在此描述的自参考方法的益处。图10 (a)示出了光学元 件24的单个元件的响应，包括对环境热条件和制造不均匀性的基线响应 以及对热信号10的信号响应。如图所示，在阵列12-1中，信号响应的幅 度通常比基线响应的幅度小得多。这可以看作是低对比度信号，即热信 号的最高温度和最低温度部分之差相对于基线信号的大小非常小。传感 器子系统22在强度测量方面能力有限，可以用接近图IO (a)顶部的垂直 线表示，因而大部分测量能力只是用于捕捉基线而不是目标信号。如果 该信号转换成可视图像，它应该主要是均匀的白色，带有仅微弱勾画热 信号10所表示的热图像的小变化。此外，基线信号产生噪声，导致信噪
比降低，并因此降低了图像质量和对热信号io的灵敏度。
图10 (b)示出了当例如以上述方式去除复合信号18共模分量时的 结果。在这种情况下，信号响应的幅度相对于剩下的基线大得多，提高 了信噪比和对比度。通过增加照明信号16的强度或者传感器子系统22的 曝光还可以进一步提高信噪比。这在图IO (c)中示出，提高了信号幅以 利用更大比例的显示能力。这提高了性能，即便在传感器子系统22中存 在散粒噪声。散粒噪声随捕获光子数量的平方根而增加，而信号是线性 增加，因而曝光提高4倍将使信噪比提高2倍。与图IO (c)信号对应的可 见图像将更为清楚地呈现热信号iO所表示的热图像。
图ll是一种执行光学读取方法的功能框图，所述方法是以上针对图 7-9所描述的方法的替代方法。在这种方法中，阵列12调制照明16的相位，
因而复合信号18的共模和差模分量是相位分量。将复合信号18施加到剪 切模块(SHEAR) 64，其输出提供给传感器子系统(XDUCER) 22。为 清楚起见，该方法仅在一维示出。在该实施例中，阵列12可以看作"相 位物体"，即是这样的一种物体，其主要改变透射通过物体或从物体反射 的光的光学相位，典型地在该物体上具有某些空间变化。加在波前上的 任何光强变化都被认为是附带的。例如以上图5中所示的薄膜结构可以用作相位物体。
剪切模块64在透射或反射时同样操作，接受复合信号18作为单个波 前或者光束，产生一对复制波前，所述复制波前彼此横向位移("剪切")
预定距离D。选择距离D使得来自阵列12的任何给定信号元件S的光与来 自对应参考元件或区域R (参见上述图3)的光重合(即位于一处)。这 对重合光束传播离开剪切模块64，射在传感器22上。传感器子系统22被 设计为具有一个或者多个光敏像素，所述像素与对应于给定信号元件S 的每对射入光束对准。因为光源部分相干，每个像素检测到的强度是来 自信号元件S的光与来自参考区域R的光之间的相干干涉。在不存在热信 号10的环境条件下，干涉理想地是100%，因而传感器子系统22没有输出 (这对应于共模信号分量)。热信号10的存在使干涉低于100%，因而传 感器子系统22具有对应输出(这对应于差模信号分量)。当利用的光学特 性是折射时，信号元件S的折射率基于对热输入的响应而变化，使干涉
强度根据公知的升余弦公式改变。
如下所述，有多种方法来实现剪切模块64。例如，衍射光学元件可 以用于产生两个主阶(primary order)。可选地，诸如方解石块之类的偏 振组件可以利用微分干涉对比技术(或其变体)产生图像。在另一种方 法中，大多数双光束干涉计可以对准用来引入延迟很小或者没有延迟的 剪切，因而是合适的。在另一个实施例中，可以使用剪切以及两个相干 光束之间的线性相位差；后一个实施例在传感器子系统22看到的干涉图 案上引入了空间载波频率(即干涉条纹图案)。
图12是用于实现图11所示方法的装置的示意图。如图所示，成像系 统68包括光源模块60、剪切模块64和图像传感器子系统22。可见或近红 外(NIR)辐射光源72发光，典型地为已知数值孔径的锥体。光源72在
空间及时间上部分相干(也就是光源具有小发射孔径和窄发射波带)。优 选地，光源72是半导体激光器或LED。
发散的光锥通过准直器76转换成一般准直光束74，所述准直器典型 地是折射透镜。在穿过分束器78之后，准直光束射在阵列12上，该阵列 12用图3所示的信号元件S和参考元件或区域R配置。如图所示，为清楚起见，阵列12可以通过例如热图像信号在背后照明，从而每个信号元件 S的局部折射率由于热图像在该局部区中的光功率而改变。参考区域R与 热图像热隔离，因而具有与环境条件相关的局部折射率。
优选地，准直光束74透入阵列12并被阵列反射，在该行进期间准直 光束74的局部区域由阵列72调制。尽管图12描述的是反射结构，光学领 域普通技术人员可以想到阵列12透射的等同系统。传播离开阵列12的调 制光束再次射在分束器78上。至少部分调制光束作为光束80由分束器引 导至剪切模块64。
在图13所示的一个实施例中，剪切模块64包括聚焦元件82、衍射光 学元件(DOE) 84和重新准直光学元件86。如图所示，该剪切模块实施 例通过将入射类准直光束80聚焦于DOE 84的平面上来进行操作。在优选 实施例中，DOE84是唯相(phase-only)、 50:50占空比衍射光栅，其中峰 谷相位延迟在窄带源72的中心波长处基本上是半波。已知这种光栅具有 强的l阶衍射，且零阶或非衍射阶的能量基本上为零。射在该光栅上的单 个名义对轴(on-axis)聚焦光束80转换成至少两个出射、发散光束88A 和88B，分别在+/-1阶方向上传播(即，以入/p的角度传播，其中入是源72 的中心波长，p是DOE 84的周期)。发散光束88A和88B到达重新准直光 学元件86，转换成初始入射光束80的横向位移复制光束。横向位移D正 好是衍射角和重新准直元件86焦距乘积的两倍。
在图13中入射光束80被图示为带有单个方形"凸起"，表示由单个 信号元件S造成的相位调制。如图所示，设计光栅周期和重新准直元件 焦距，使得D大于或者等于单个元件S在位移方向上的宽度。在该距离下， 来自单个元件S的凸起完全位移至从相邻参考区域R反射的名义平坦波 前上。D还必须小于或者等于参考元件R的宽度。
再次参考图12，离开剪切模块64的两个重叠光束传播至传感器子系 统22。传感器子系统22至少对于成像的每一信号元件S包括一个光敏探 测器元件。优选地，传感器子系统22包括探测器阵列90，所述阵列包括 许多独立元件，典型地每个元件小于信号元件S，从而无需自定义探测 器阵列或者仔细对准。优选地，探测器阵列90是CMOS阵列。可选地，该阵列是CCD、扫描光电二极管阵列或者对由源72发出的波长敏感的其 他阵列探测器。
在一些实施例中，传感器子系统22还包括一个或者多个中继成像光 学器件。这些光学器件使比例(scale)和像平面位置与具体的探测器阵 列90或者所需封装设计相匹配。根据光学领域的公知原理来设计和选择 中继光学器件。
如图14所示，在一个实施例中，仅在第一干涉区域92检测图像，其 中所述区域定义为光束88A中的特定信号元件S (例如信号元件S1)与光 束88B中的相邻参考区域R重叠的位置。在另一个实施例中，在第一干涉 区域92和第二干涉区域94检测图像，其中所述第二区域是光束88B中的 信号元件S1和光束88A中的相邻参考区域R重叠的位置。注意，上述两个 参考区域R相对于所述信号元件S彼此相对。
在任一实施例中，根据公知的干涉公式，检测到的信号与来自信号 元件S的光和来自参考区域R的光之间的相位差有关。正如所公知的，探 测器上的强度I为
/"+cas(A) 公式i
其中A是相位差。典型地，该强度作为成像方法的结果显示。优选地， 该图像的显示仅包括来自如下探测器元件的信号，在所述探测器元件上 来自信号元件S的光进行成像。注意，由于余弦函数的固有多值性 (ambiguity),这种读取方法的范围限于兀弧度。在典型系统中，会向信 号或参考元件添加相位偏置，使得不至于在所需操作范围上出现反转(多 值)。在多数情况下，添加大约兀弧度的相位偏移是有用的，使得在只有 共模响应的情况下滤波信号20的功率为低(或者无)，以便为小微分信号
产生最大的对比度。
再次参考图]2，来自传感器子系统22的信号传送至电子处理器96，
其中根据预定算法对提取的图像或者信息进行处理或修改。
图15示出了另一实施例，其中剪切模块64B使用偏振敏感组件，以 实现波前的位移。从阵列12返回的调制波前被引导穿过偏振束复制器98， 产生所需的剪切复制光束88A和88B。由于这两个光束正交偏振，它们穿过偏振器100，所述偏振器的轴与两个光束传输至传感器子系统22之前的 偏振方向基本上成45度角。
可以用多种方法制造偏振束复制器98。在一个实施例中，复制器98 是一块方解石。图16示出了商用"束位移器(BeamDisplacer)"，OptoSigma 零件编号066-5550。尽管被商家称为束位移器，实际上这种简单的方解 石元件将o光和e光分离为正交偏振的两个横向位移光束，这在光学领域 是公知的，即它产生入射光束的两个剪切复制光束。"束位移器"在如下 两个条件下产生强度相同的两个光束输入非偏振以及输入与位移器的 指定轴成45度角偏振。看起来，优选地用偏振光进行操作。
返回至图15，在所示实施例中，使用偏振分束器102替代图12中的 分束器78，该分束器被定位为透射纸面内偏振的光。1/4波片104位于偏 振器102和阵列12之间。通常，1/4波片用于将线偏振光转换成圆偏振光。 根据公知的物理光学理论，从阵列12反射的圆偏振光改变了 "手性 (handedness):当该反射光返回穿过1/4波片104时又转换成线偏振光， 但是偏振面从原始位置旋转了90度，即反射光到达分束器102时偏振面与 纸面垂直。所述光由分束器102反射并被引导至剪切模块64B。
如前所述，剪切模块64B包括偏振光束复制器模块98和线偏振器
100。光束复制器模块98取决于光的偏振状态对光的影响不同。通常，相
对于光束复制器的物理轴定义两个正交偏振状态寻常光和非常光。基 于采用的具体设计(例如Wollaston棱镜、Nomarski棱镜、Glan-Thompson
棱镜)，寻常光和非常光在横向、角向、或者在横向及角向分离。当然， 采用适当的纵向(fore and aft)光学器件，任何角向分离都可以转换成 纯横向分离。
在一种简单设计中，使用如图16所示的方解石块。该实施例适用于 部分相干(空间与时间)源，其中波前的两个分离部分将发生干涉。对 于扩展源(例如不是部分相干)，使用如图17示意性示出的Nomarski结构。
在后一个结构中，单一波前由剪切模块分成两个位移光束，穿过相位物 体，然后由第二剪切模块"去剪切"。所述去剪切动作重组波前的两个副 本，允许观察到干涉。图18示出了剪切模块的第三实施例。已知除非进行仔细的对准，大
多数双光束干涉计(Mach-Zehnder、 Twyman-Green等)将在两个输出光 束之间引入横向位移。通常，在这些干涉计中避免剪切，因为剪切使得 相位误差在照明光束中可见。然而，在该实施例中需要横向剪切。在双 光束干涉计中引入剪切在光学测试领域是公知的，因而在此无需赘述。
上述所有实施例在传感器子系统22的表面产生基本上相同的干涉 图案。这些图案体现了根据上述公式l将相位差转换成强度差。如干涉测 量其他应用中所证实的，通过将光学相位差转换成空间条纹("载波") 的位置变化，可以实现相位差的极其精确的测量。例如，这种原理已经 用于光学测试(透镜质量)领域很多年了。
图19示出了上述原理。当两个干涉波前之间存在倾斜(tilt)时产生 空间载波条纹。载波条纹的位置(例如由条纹的峰值强度表示)由干涉 光束之间的相位差决定。通过在两个横向剪切波前之间增加净波前倾斜， 可以在剪切模块64中产生空间载波。这种倾斜可以合并在三个前述实施 例中的任一实施例中。为清楚起见，图20示出了向剪切模块64C的双光 束干涉计实施例增加载波频率所需的简单对准变化。
必须注意，空间载波方法的使用需要在每个信号元件s增加探测器
以及更为复杂的电子处理。在其最基本的形式中， 一个信号元件S的图
像中的输出强度为
/ oc 1 + COS(、x + A) 公式2
其中kx是载波条纹的空间频率，x是空间变量。将处理系统设计为从 该余弦强度变化中提取A。
如所公知的，需要该条纹中至少3个样本值来估计相位差。为了更 方便的处理，从每个条纹获取4个样本(即每l/4周提取一个)。在本领域 4元处理是公知的。
光学仪器设计领域的普通技术人员应该注意，为清楚起见，以上对 实施例的描述省略了实际仪器中所需的各种公知光瞳(pupil)中继 (relay)光学器件。例如，典型地这些光学器件用于将阵列12的表面成 像在传感器子系统22的表面上。尽管具体地示出和描述了本发明的各种实施例，但是本领域普通技 术人员应该理解，在不背离所附权利要求中限定的本发明精神和范围的 情况下，可以在形式和细节上做出许多变化。
例如，在可选实施例中热光系统可以采用如下阵列12，所述阵列使 用具有热光响应的其他类型元件和器件。可选的薄膜元件可以对照明信 号16进行相位调制，或者通过根据温度改变其吸收特性来进行调制，例
如美国专利US 6,766,882中示出的器件中的热縮膜。阵列12可以采用悬 臂反射镜，所述反射镜利用MEMS技术制造且被配置为对入射热信号IO 具有所需的差模响应。也可以使用其他类型的热驱动器件。
尽管在公开的实施例中热信号10被描述为入射辐射，例如来自待成 像场景的LWIR辐射，在可选实施例中它可以是由某些装置产生的热控制 信号，例如由发热电阻阵列产生，而该系统的功能是在该控制下产生可 视或者其他显示(例如热信号是所生成的代表待显示图像的信号)。其他 可能的源包括局部化学反应以及传导/对流加热或者冷却模式。热信号io 不需要是二维的，在可选实施例中可以是一维甚至零维的(即，仅表示 单个位置处的温度)。
还应认识到，可采用其他形式的光学读取子系统14来产生滤波信号 20的差分信号，包括在阵列12中结合使用其他类型的光学元件。例如如
果使用相位调制元件，那么将使用能够检测复合图像相位调制(以及分 离相位调制CM和DM分量)的光学读取子系统。
权利要求
1. 一种装置，包括光学元件阵列，每个光学元件具有热响应光学特性，所述光学元件包括信号元件和参考元件，被配置为提供(1)光学特性对公共输入条件的共模响应以及(2)光学特性对光学元件阵列上出现的热信号的差模响应；以及光学读取子系统，被配置为(1)利用与光学特性相对应的读取波长处的光能照射光学元件阵列，以便生成带有共模和差模信号分量的复合光信号，所述共模和差模信号分量分别对应于信号元件和参考元件的共模响应和差模响应，以及(2)从复合光信号产生输出光信号，所述输出光信号实质上是差模图像分量。
2. 根据权利要求l中所述的装置，其中使用傅立叶滤波器产生所述 输出光信号。
3. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述输出光信号通过将共模 信号和差模信号空间组合而产生。
4. 根据权利要求3中所述的装置，其中所述空间组合使用正交偏振分量和偏振滤波器。
5. 根据权利要求3中所述的装置，其中所述空间组合使用衍射光恤微。
6. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述光学元件具有热光特性。
7. 根据权利要求6中所述的装置，其中所述热光光学元件使用吸收 随温度变化的高温光学元件。
8. 根据权利要求6中所述的装置，其中所述热光光学元件使用薄膜 干涉滤波器，所述滤波器至少有一层的折射率随温度变化。
9. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述复合光信号的相位是热 信号的函数。10.根据权利要求9中所述的装置，其中所述输出信号照 射传感器子系统，所述传感器子系统的电输出实质上表示差模响应。
10. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述信号元件通过光学吸 收加热。
11. 根据权利要求10中所述的装置，其中所述光学吸收位于第一波 长，而读取波长位于不同于第一波长的第二波长。
12. 根据权利要求11中所述的装置，其中所述第一波长处于热红外 光谱，而第二波长处于可见光谱或者近红外光谱。
13. 根据权利要求10中所述的装置，其中使用热源来调制元件温度 以产生显示。
14. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述信号元件通过电子方 式加热。
15. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述信号元件通过化学/ 生化方式加热。
16. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述信号元件通过传导方 式加热。
17. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述信号元件通过对流方 式加热。
18. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述光学元件阵列是二维的。
19. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述信号元件与参考元件 交错排列。
20. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述参考元件包括单一材 料的参考区域，以及所述信号元件包括材料与所述单一材料分离的元件。
21. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述公共输入条件是不存 在热信号时光学元件阵列的温度。
22. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述公共输入条件对于空 间相邻的信号元件和参考元件实质上相同。
23. 根据权利要求1中所述的装置，装置还包括传感器，用于将输 出光信号转换成用以显示的电信号。
24. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述热响应光学特性是透射。
25. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述热响应光学特性是反射。
26. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述热响应光学特性是折射率。
27. 根据权利要求1中所述的装置，其中所述热响应光学特性是偏振。
28. —种装置，包括光学元件阵列，每个光学元件具有热响应光学特性，所述光学元件 包括信号元件和参考元件，被配置为提供(1)光学特性对公共输入条件的共模响应以及(2)光学特性对光学元件阵列上出现的热信号的差模响 应；以及光学读取子系统，被配置为利用与光学特性相对应的读取波长处的 光能照射光学元件阵列，以便生成带有共模和差别信号分量的复合光信 号，所述共模和差模信号分量分别对应于参考元件和信号元件的共模响 应和差模响应，从而生成输出光信号，其中所述输出光信号实质上不随公共输入条件的变化而变化。
29. 根据权利要求28中所述的装置，其中使用傅立叶滤波器产生所 述输出光信号。
30. 根据权利要求28中所述的装置，其中所述输出光信号由共模和 差模光信号的光学干涉产生。
31. —种装置，包括光学元件阵列，每个光学元件具有热响应光学特性，所述光学元件 包括信号元件和参考元件，被配置为提供光学特性对共模信号和热信号 的信号元件响应以及光学特性对共模信号的参考元件响应；以及光学读取子系统，被配置为(O利用与光学特性相对应的读取波 长处的光能照射光学元件阵列，以便从信号元件响应和参考元件响应生 成复合光信号，(2)通过光学方式从复合光信号中去除共模信号，以及 (3)产生输出光信号。
32. —种装置，包括光学元件阵列，每个光学元件具有热响应光学特性，所述光学元件包括信号元件和参考元件，被配置为提供光学特性对共模信号和热信号 的信号元件响应以及光学特性对共模信号的参考元件响应；以及光学读取子系统，被配置为(1)利用与光学特性相对应的读取波 长处的光能照射光学元件阵列，以便从信号元件响应和参考元件响应分别生成信号光信号和参考光信号，以及(2)从信号光信号和参考光信号 的光学干涉产生输出光信号，所述输出光信号实质上表示热信号。
33. 根据权利要求32中所述的装置，其中所述信号元件与参考元件 交错排列。
34. 根据权利要求33中所述的装置，其中所述光学读取系统还被配置为位移信号光信号或参考光信号。
35. 根据权利要求34中所述的装置，其中所述光学读取系统依赖偏振。
36. 根据权利要求34中所述的装置，其中所述光学读取系统依赖衍射。
全文摘要
一种热光系统，例如可以用于热成像，包括光学元件阵列，每个光学元件具有热响应光学特性，光学元件包括信号元件和参考元件，被配置为提供(1)光学特性对环境温度的共模响应和(2)光学特性对光学元件阵列上出现的热信号的差模响应。该系统还包括光学读取子系统，被配置为(1)利用与光学特性对应的读取波长处的光能照射光学元件阵列，以便生成带有共模和差模信号分量的复合光信号，所述共模和差模信号分量分别对应于信号元件和参考元件的共模响应和差模响应，以及(2)滤波复合光信号以生成实质上是差模图像分量的滤波光信号。
文档编号H04N5/33GK101427561SQ200780014214
公开日2009年5月6日 申请日期2007年2月21日 优先权日2006年2月21日
发明者布鲁斯·A·霍维茨, 布鲁斯·M·拉达尔, 马赛厄斯·瓦格纳 申请人:红移系统有限公司