[发明专利]利用光纤束进行调制的光学读出方法

说明书

技术领域

本发明是一种光学读出式红外焦平面阵列热成像系统的光学读出处理技术，利用该技术可以代替刀口或者小孔对系统进行滤波，简化了系统的结构；并且对环境中的杂散光有显著的抑制作用，令后续的图像处理过程可以获得更好的效果，提高图像质量。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断进步，非制冷型红外热成像系统取得了飞速发展，逐步形成了以下几种读出方法：①电学读出方法：将红外辐射能转变为焦平面上探测单元的热能，局部的温度变化引起焦平面探测单元的可测物理参量变化，例如电阻抗变化，再用流入探测单元阵列的电信号来读出温度变化，从而给出热图像。采用电学读出方法的非制冷焦平面阵列红外热成像系统的优点是无需配备制冷装置，且焦平面阵列工艺与IC工艺兼容，已逐渐取代传统的制冷型系统，成为当今热成像系统的主流。缺点是它除了微读出阵列电路的制作难度外，其探测单元与基板的导线连接，降低了探测单元的绝热效果，而且让电流流过探测单元本身会起加热作用，影响单元的温度测量精度，另外，基板与探测单元之间的悬支间隙使得空气层的热传导作用不可忽略，因而要求FPA必须置于高真空度(0.01Pa)的真空腔中，从而增加了技术上的难度。②光学读出方法：将红外辐射能转变为焦平面上探测单元的热能，温度变化导致焦平面探测单元的转角或离面位移发生变化，通过光学读出系统检测探测单元输出光谱的变化来解读出焦平面探测单元的转角或离面位移的变化和分布，从而给出红外辐射物体的热图像。相比于电学读出方式，其优点是背景噪声低，结构简单和造价低，近年来开始受到关注。国际上陆续有多家机构投入到对此项课题的研究当中，其中主要包括美国橡树岭国家实验室、加州大学伯克利分校、Sarcon/Sarnoff微系统公司、多谱成像公司、Agiltron公司，日本的Nikon公司，北京理工大学、北京大学、中国科学院微电子所以及中国科学技术大学等。美国Agiltron公司制造的高速光学读出焦平面阵列，其探测噪声等效温差已经达到120mK，阵列尺寸280x240，输出可达1000帧每秒。但目前此项技术还不够成熟，离商业化还有一定的距离，尚停留在实验研究阶段。

焦平面阵列的光学读出技术，主要是将焦平面阵列表面单元在红外热作用下的微小形变转变为可直接用肉眼观察的图像的技术。焦平面阵列热变形主要是基于双材料梁受热变形的机理，阵列单元的尺度约在几十微米量级，每个单元内部都包含着一个或若干个的双材料复合悬臂梁，构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差悬殊，为了便于可见光探测，在双材料梁结构上会固定高反射率的材料制成的反射面或反射体，在红外线的热作用下悬臂梁会发生微小的弯曲，带动反射面偏转而改变入射光的相位。

光纤束中光纤是有规律的相关排列的，每根光纤在入射端和出射端的几何位置完全一致，可以高保真地传递高清晰度的图像，是性能优越的光电成像和图像传输元件。光纤束中的每根纤维可以独立传送一个像素，具有良好的光学绝缘性能，传光时可以不受周围纤维的影响。

发明内容

本发明的目的是利用光纤束的传像特性，对经焦平面阵列单元反射的光线进行调制，读出焦平面阵列受热后单元偏转的信息；滤除系统杂散光，抑制噪声。

本发明的目的是由以下技术方案来实现：①环境中不存在红外辐射物体时，焦平面阵列每个单元均不发生偏转，准直光以特定角度进入到光纤束中，经过多次全反射照射到焦平面阵列上，经焦平面阵列反射后，部分反射光再次进入到光纤束中，光学接收器接收此部分光能，并作为基准。②环境中有物体发出红外辐射时，焦平面阵列由于双材料效应发生偏转，照射在焦平面阵列上的光线的反射角就会发生变化，这样光纤束前端面出射光线的角度就会随着其后端面入射光线角度的变化而改变，光学接收器上接收到的光能会增大或减小，与基准“相减”后可以得到辐射物体的热图像。

有益效果

采用本发明可以替代现有的刀口或者小孔滤波元件进行滤波，简化系统结构；利用光纤的传光特性，减小环境中杂散光对系统成像的影响，抑制噪声，改善输出图像质量；利用光纤束，可以进行远距离传输，避免信号的电磁干扰。

附图说明

图1为基于本发明的以焦平面阵列为核心的热成像系统原理示意图，

图2为光纤束的端面形式，

图3为环境中没有辐射源和有辐射源两种情况下光线在光纤束中的传输对比，其中(a)为环境中没有红外辐射源的情况，(b)为环境中存在红外辐射源的情况，