专利名称：窄带滤波光学读出方法
技术领域：
本发明专利涉及一种基于窄带滤波器的光学读出方法，该方法能够探测微悬臂梁的偏转量，主要应用于双材料微悬臂梁焦平面阵列式非制冷红外成像系统中，相比于目前同类型的红外成像系统普遍采用的针孔法和刀口滤波法，该方法能够提高像平面光强并改善滤波后像平面光强分布的均勻度，从而提高所成红外图像的质量。
背景技术：
随着微光机电系统(MOEMS)工艺的发展，近年来，采用双材料微悬臂梁阵列作为焦平面阵列(FPA)，并利用各种光学读出方式检测微悬臂梁阵列上吸收的热辐射，进而进行红外成像的技术开始受到广泛关注。这一技术利用热膨胀系数不同的双材料微悬臂梁受热偏转的原理，通过光学方法读出微悬臂梁产生的热变形。由于FPA结构简单，不需要在每一感热像素上集成高灵敏度的复杂读出电路，不但减少了功耗，而且大大降低了设计和制造的难度从而节省了成本。在光学读出式微悬臂红外成像系统中光学读出方法是一项关键技术。为了能够探测双材料微悬臂梁的受热偏转角度，必须对其进行光学读出。目前，普遍采用针孔法[1]和刀口滤波法[2]进行光学读出。但是，由于针孔较小，针孔法在实际应用中会限制光通量并导致像平面光强降低从而使重构出来的红外图像的有用信息减少。并且， 刀口滤波法虽然提高了灵敏度，但是因为在滤波平面遮挡了一半的光强使得像平面光强分布不均勻，经常会导致所得到红外物体的图像产生缺陷。
发明内容
为了克服现有双材料微悬臂梁红外成像系统所普遍采用的光学读出方法的不足， 本发明专利提供一种原理简单，可以改善像平面光强分布均勻性并提高像平面光强的光学读出方法。该方法就是窄带滤波光学读出方法。该方法所采用的技术方案是首先，将微悬臂梁FPA放置于真空腔内，用单色发光二极管(LED)经过准直扩束之后产生平行光照射微悬臂梁FPA反光面；其次，用两个傅立叶透镜Ll和L2搭建光学4f系统(两个透镜距离为它们的焦距之和)，使从FPA反射出来的光通过4f系统，在傅立叶透镜Ll的焦平面处形成了 FPA的谱；然后，找到零级谱的中心位置，将设计好的窄带(该窄带用于遮挡光的通过，其宽度同微悬臂梁单元吸收红外辐射发生偏转引起的谱的最大位移相关，通常为微米量级)放置于该位置进行滤波；双材料微悬臂梁吸收目标物体的红外辐射之后受热发生偏转，由于窄带滤波器的作用，使得通过的谱的强度随着微悬臂梁偏转角度的不同发生变化；接下来，傅立叶透镜L2将滤波后的谱转化为FPA的光强分布，并通过放置于L2成像面的图像传感器采集得到滤波后FPA的像；最后， 通过比较图像传感器采集到的FPA的初始图像和带有红外物体图像的差异，利用减背景的方法可以重构出红外图像。参考文献[1]Tohru Ishizuya, Noboru Amemiya, Keiichi Akagawa,"Optically ReadableRadiation-Displacement-Conversion Devices and Methods, and Image-Rendering Apparatus and Methods Employing Same，，，US Patent, No.6080988(2000).[2]Z. Duan, Q. Zhang, X. ffu, L. Pan, D. Chen, W. Wang, and Z. Guo, "Uncooled Optically Readable Bimaterial Micro-Cantilever Infrared Imaging Device,"Chin. Phys. Lett. 20,2130(2003).有益效果该方法的有益效果是，通过采用窄带滤波器进行空间滤波，可以提高滤波精度，简化光学读出系统结构；并且该方法能够改善像平面光强分布均勻性并提高像平面光强，从而提高微悬臂梁红外成像系统所成图像的质量。
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。图1是基于本发明的微悬臂梁红外成像系统原理简图。图2是窄带滤波器放置位置示意图。图中1.微悬臂梁焦平面阵列，2.真空腔，3.红外成像透镜，4.单色发光二极管， 5.半反半透镜，6.傅立叶透镜1，7.窄带滤波器，8.傅立叶透镜2，9.图像传感器，10.窄带， 11.微悬臂梁单元的谱强度分布曲线。
具体实施例方式第一步，如图1所示，将微悬臂梁FPA传感器⑴放置于带有红外透过窗口和可见光透过窗口的真空腔O)内，其中FPA的红外辐射吸收面靠近真空腔的红外透过窗口，可见光反射面对应真空腔的可见光透过窗口；第二步，真空腔前端的红外成像透镜(；3)将红外辐射成像于微悬臂梁FPA传感器 (1)上；单色发光二极管(4)发出的光经过准直扩束之后照射到半反半透镜(5)上，反射光照射到FPA的反光面上携带了 FPA的信息之后反射回半反半透镜(5)；第三步，傅立叶透镜Ll (6)和L2⑶构成光学4f系统，在4f系统中两个透镜距离为它们的焦距之和。反射回来的光透过半反半透镜(5)之后进入4f系统，在傅立叶透镜Ll 的焦平面处形成了 FPA的谱强度分布；第四步，如图2所示，在Ll的焦平面处找到FPA的零级谱的中心位置，将设计好的窄带滤波器(7)放置于该位置进行滤波。该窄带滤波器用于遮挡光的通过，其宽度同微悬臂梁单元吸收红外辐射发生偏转引起的谱的最大位移相关，通常为微米量级(如90μπι)；第五步，由于窄带滤波器的作用，使得通过的谱的强度随着微悬臂梁偏转角度的不同发生变化。根据阿贝二次成像理论，傅立叶透镜L2 (8)将经过滤波后的谱转化为FPA 的光强分布，并通过放置于L2成像面的图像传感器(9)采集到滤波后FPA的像；第六步，在红外物体的辐射下，微悬臂梁角度发生偏转，引起FPA零级谱位置的平移，此时零级谱的中心将会移出窄带滤波器的遮挡范围，使得通过的谱的强度增强。最后通过比较图像传感器采集到的FPA的初始图像和带有红外物体图像的差异，利用减背景的方法重构出红外图像。
权利要求
1.一种基于窄带空间滤波器的光学读出方法，该方法应用于双材料微悬臂梁焦平面阵列式非制冷红外成像系统中，其特征是选择一条宽度为微米量级的不透光窄带对微悬臂梁焦平面阵列(FPA)形成的谱进行滤波；其步骤如下首先将微悬臂梁FPA放置于真空腔内，用单色发光二极管(LED)经过准直扩束之后产生平行光照射微悬臂梁FPA反光面；然后，用两个傅立叶透镜Ll和L2搭建光学4f系统并保证两个透镜距离为它们的焦距之和， 使从FPA反射出来的光通过4f系统，在傅立叶透镜Ll的焦平面处形成了 FPA的谱；其次， 找到零级谱的中心位置，将设计好的窄带滤波器放置于该位置进行滤波；双材料微悬臂梁吸收目标物体的红外辐射之后受热发生偏转，由于窄带滤波器的作用，使得通过的谱的强度随着微悬臂梁偏转角度的不同发生变化；最后，傅立叶透镜L2将滤波后的谱转化为FPA 的光强分布，并通过放置于L2成像面的图像传感器采集得到滤波后FPA的像。
2.根据权利要求1所述的光学读出方法，其特征是该窄带用于遮挡光的通过，位于微悬臂梁FPA形成的谱平面上，并放置于FPA的零级谱的中心位置。
全文摘要
一种基于窄带空间滤波器的光学读出方法，主要应用于双材料微悬臂梁焦平面阵列式非制冷红外成像系统中。该方法巧妙利用微悬臂梁单元偏转前后的谱的位移特性，通过窄带进行空间滤波的方法探测微悬臂梁的偏转量。该方法能够提高像平面光强并改善滤波后像平面光强分布的均匀度，从而提高所成红外图像的质量。
文档编号G01J5/08GK102519602SQ20121000642
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者于晓梅, 刘小华, 惠梅, 武红, 董立泉, 褚旭红, 赵跃进, 龚诚 申请人:北京理工大学