[发明专利]一种含时间调制装置的非制冷红外焦平面阵列成像系统

说明书

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--热机械变形--照射可见光的反射光强变化--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