红外热像成像仪

1.一种用于将不可见图像转化为可见图像的红外热像成像仪，由光源，微梁阵 列(11)，成像透镜(8)，光学接受器(9)和零部件组装用的支架组成，在微梁阵 列(11)前方设有红外透镜(13)，在来自微梁阵列(11)的衍射光的汇聚谱平面上 设有滤波单元(7)且成像透镜(8)位于滤波单元(7)之后，光源为点光源，其特征 在于所述的滤波单元为刀口形式的直线边界滤波单元。
2.根据权利要求1所述的红外热像成像仪，其特征在于微梁阵列(11)设置于真 空盒(10)内。
3.根据权利要求1所述的红外热像成像仪，其特征在于点光源由非点光源(1)， 光源滤波孔(3)和光源透镜(4)组成，光源滤波孔(3)位于光源透镜(4)的前 焦面上，在微梁阵列(11)与直线边界滤波单元(7)之间设有滤波透镜(6)且该滤 波透镜(6)的后焦平面位于直线边界滤波单元(7)所在的平面。
4.根据权利要求1所述的红外热像成像仪，其特征在于点光源由非点光源(1)、 光源滤波孔(3)和光源透镜(4)组成，光源滤波孔(3)位于非点光源(1)与光源透 镜(3)的前焦面之间。
5.根据权利要求3或4所述的红外热像成像仪，其特征在于在微梁阵列(11) 的下方设有半透半反射镜(5)，该半透半反射镜(5)接受源自光源透镜(4)的光束 (16)并将其反射至微梁阵列(11)，而经微梁阵列反射的衍射波(17)穿过半透半 反射镜(5)。

                         技术领域\n本发明属于将不可见光图像转换为可见光图像的红外热像成像仪，尤其是涉 及通过测量微梁阵列变形的转角，将红外辐射源在微梁阵列上所成的热图像，转 变为可见光学图像的红外热像成像仪。\n                         背景技术\n将不可见光图像转换为可见光图像的方法及装置已有多种，历来，转化红外 光的方法及装置一直是研究的热点。红外辐射探测装置用于将不可见的红外辐射 转化为可见的图像，它包括红外热像仪、红外测温仪等。按照探测原理的不同， 可以把红外辐射探测装置的核心部件一探测器-大致分为两类：量子型的红外辐 射探测器和热型的红外辐射探测器。\n量子型的红外辐射探测装置其核心部件是量子型的红外辐射探测器，它根据 光电效应将红外光子的能量转化为光电子的能量。对应于波长为8-14微米的红 外光子，其能量在0.1到0.4eV之间；这和室温下(300K)电子热运动产生的能 量相当。因此为了有效地抑制电子热噪声，目前所有量子型的红外辐射探测装置 都需要一套额外的制冷装置，将探测器的温度降到77K左右，以减小电子热运 动的能量。这不仅使量子型的红外辐射探测装置比较笨重，而且价格极为昂贵。\n热型的红外辐射探测装置其核心部件是热型的红外辐射探测器。传统的热型 红外辐射探测器将入射的红外光能量转化为探测器的热能，通过集成电路检测出 探测器的温升引发的热致可测物理量的变化，比如电阻率或电容的变化等。这些 热致可测物理量的变化是通过对探测单元输入电流来读出的。而当电流通过探测 器单元时，会在探测器单元上产生附加的热量，带来读出误差。同时为了让探测 器单元能有效地产生局部温升，探测器单元与基底之间必须实现热隔离。为了读 出热致物理参量的变化，探测器单元与基底之间不得不通过导线相连。而导线往 往也是热的良导体，因此传统的热型红外辐射探测器很难实现理想的热隔离。正 是这些矛盾，导致了传统的热型红外探测器的探测灵敏度比较低。另外这些热电 效应都极为微弱(例如在阻抗型的红外探测器中，被测物体上1K的温度变化所 引发的探测器电阻率的变化仅为0.02％。)，为了探测到这些微弱的电信号，集成 电路要有相当高的信噪比和很强的增益。这增加了探测器和读出电路的设计和制 作难度。\n基于微悬臂梁阵列结构的热型红外辐射探测器，其敏感单元为双材料微悬臂 梁。入射的红外光能被微悬臂梁的反光板吸收后，转化为微梁上的温升，进而引 发微梁产生热变形。当把微梁的多个单元按照所需要的形式排列为阵列(简称微 梁阵列)，就可反映多点入射的红外辐射所产生的热变形。通过光学读出系统检 测出表征这种热变形的参量，例如微梁的离面位移，就可以得到被测物体的温度。 这种基于微梁阵列的热型红外辐射探测器有许多优点：一方面，微梁可以在不需 要制冷的条件下工作；另一方面，由于采用的是光学读出方式，读出系统不会在 微梁上产生附加的热量。而且，无需对微梁引出任何导线以及集成任何微信号处 理电路，这种设计易于在微梁与基底之间实现良好的热隔离，同时很容易增加微 梁的数量，而不引入制作难度和成本。因此基于微梁结构的红外辐射探测器，有 望开发出更高性能的热型红外辐射探测装置。\n已有的微梁阵列结构的红外辐射探测技术利用了光学干涉的精密检测方法， 用于提取微梁阵列的热变形离面位移信息，光学干涉的测量方法虽然有较高的测 量精度，用它已经获得了室温物体的热像，但是其抗振性能差，工程应用上有许 多困难。\n                         技术内容\n本发明的目的在于提出一种适应于工程应用的不可见热像的红外热像成像 仪，它是通过检测微梁的转角来实现的，既有很高的测量灵敏度，又有很好的抗 振性能。\n一种用于将不可见图像转化为可见图像的红外热像成像仪，由光源，微梁阵 列11，成像透镜8，光学接受器9和零部件组装用的支架组成，在微梁阵列11 前方设有红外透镜13，在来自微梁阵列11的衍射光的汇聚谱平面上设有直线边 界滤波单元7且成像透镜8位于直线边界滤波单元7之后，光源为点光源。\n本发明提出的光学测量方法为：用入射光照射微梁阵列，在微梁阵列的光学 谱平面上用直线边界的滤波单元对微梁阵列反射的衍射谱进行滤波处理，再通过 光学成像透镜将微梁阵列成像在光学接收器上，使微梁阵列的微转角变形信号转 变为光学接收器上对应的微梁阵列像的光强信号，从而看到被测物体的温度分 布。\n本发明提出的光学测量装置为：由光学照明子系统、光学滤波子系统、光学 成像子系统以及测量对象微梁阵列的安放架组成，光学照明子系统位于光学滤波 子系统的前级，并位于微梁阵列的入射方；光学滤波子系统位于光学照明子系统 的后级，并位于微梁阵列的反射方；光学成像子系统位于光学滤波子系统的后级， 对微梁阵列成像；其中尤其是光学滤波子系统为直线边界滤波系统。\n具体表现为；直线边界滤波系统由滤波透镜和光学滤波单元组成，或直接由 光学滤波单元组成；光学滤波单元是刀口、狭缝或矩形孔；光学滤波单元位于微 梁阵列的光学谱平面上。\n在上述方案基础上，入射光的照明强度应尽量达到光学接收器的饱和值。 本发明提出的红外成像仪为：将上述光学测量装置与具有微梁阵列结构的红外辐 射探测器相结合，即用红外辐射探测器替换上述方案中测量对象微梁阵列的安放 架。\n也就是说，本发明提出了一种将微梁阵列上每一单元的转角变形信号，通过 衍射谱滤波技术，转换为光学接收器上微梁单元光强信号的光学测量方法。并将 这一方法与双材料微梁阵列结构的红外探测器结合，构成红外成像仪。\n本发明提出的转角检测方式技术方案的基本思路为：微梁变形时，可以用两 个量来表征这种变化，一个是已有技术中提到的离面位移，另一个是变形端的转 角。针对微梁变形时的转角，可以用一束光照射微梁，反射光线的偏转由光学滤 波单元后接收到的衍射谱能量表示，即检测微梁成像的光强，就可以检测出微梁 变形时的转角。\n因此，采用光学照明子系统发出的光线照射微梁阵列，从微梁阵列上反射的 衍射光线进入光学滤波子系统，该衍射光线在微梁阵列的光学谱平面上汇聚成光 学衍射谱，经光学滤波后的衍射谱进入光学成像子系统，形成可见光图像。装置 中所采用的光学照明子系统由光源、光源滤波孔、光源透镜共同构成，光源位于 光源滤波孔的前方，光源滤波孔位于光源透镜的前焦平面、或前焦平面的前方。 所述光源可以是普通白光、激光等，当光源滤波孔正好位于光源透镜的前焦平面 时构成平行光照明方案；当光源滤波孔位于光源透镜的前焦平面的前方时构成汇 聚光照明方案。光学滤波子系统由滤波透镜和光学滤波单元组成(平行光照明 时)，此时，微梁阵列的光学谱平面就是滤波透镜的后焦平面；或直接由光学滤 波单元组成(汇聚光照明时)，此时，微梁阵列的光学谱平面就是直接由衍射谱 汇聚而成。光学成像子系统则与已有技术一样由成像透镜和光学接收器组成，所 述光学接收器可以是人眼、电荷耦合器件(即CCD)或者其他光敏探测器件。\n对于上述光学测量装置，其探测灵敏度由下面的公式确定：\n                      DR＝FI，                                (1)\n其中DR是光学测量装置的探测灵敏度，F是表征光学滤波操作的函数，I是 光学测量装置的照明强度。\n当微梁单元吸收红外辐射后，它将产生热致转角。此时在微梁阵列的光学谱 平面上，微梁单元的衍射谱将产生一个平移。由于衍射谱的能量在微梁阵列的光 学谱平面上不是均匀分布的，因此这个平移将导致透过光学滤波单元的光强产生 变化。结果，光学接收器上可见光图像的强度也会随之变化，此变化就反映了微 梁单元的转角。这就是说被测物体的温度可以通过可见光图像的光强反映。公式 (1)表明，合理的光学滤波操作可以优化公式中的F，使F达到最大，从而使 光学测量装置的探测灵敏度达到最大。通过调节位于微梁阵列光学谱平面上的光 学滤波单元的形状和位置，就可以按照需要选择应使哪些级的衍射谱通过光学滤 波单元，这样就可以调节光学测量装置的探测灵敏度。\n作为选择微梁衍射谱的光学滤波单元，本发明采用了直线边界(简称为直边)形 式的光学滤波单元，具体为刀口、狭缝或矩形孔，以优化公式(1)中的F。光学滤 波单元迎着微梁衍射谱移动方向上的边界定义了“通光”和“不通光”两种状态。当 微梁产生热致转角后，其衍射谱从这个边界定义的不通光区域运动到通光区 域，或者相反；相应地，光学接收器上接收到的微梁上反射的光能将增大或减少。 衍射谱在这个边界上的能量变化率(衍射谱的单位移动量所带来的光通量的变 化，即探测灵敏度)取决于这个边界的初始位置和形状。本发明经过多次实验分 析得知，直边的光学滤波单元可以获得最大的能量变化率，所以刀口、狭缝或者 矩形孔将是最佳的光学滤波单元。而且，由于衍射谱在滤波透镜的后焦平面上各 处的光强梯度是不同的，零级衍射峰的光强梯度最大，进而光学滤波单元有效边 界的初始位置应该位于零级衍射峰的附近，这样光学测量装置才能获得最大的探 测灵敏度。\n此外，由于本发明光学测量装置中的最小孔径为光学滤波单元，因此，为了 接收到清晰的图像，光学滤波单元的通光尺度应有一个下限。当光学滤波单元的 通光尺度小于此下限时，接收到的光学图像已不能正确地反映被测物体的温度分 布了。公式(2)给出了光学滤波单元的通光尺度的设计原则：\n                D＝λf/T≤d，                                  (2)\n其中D是光学滤波单元的Airy斑的半角宽，T是光学滤波单元的通光尺度，λ 是光学测量装置中照明光源的波长，f是光学成像子系统的焦距，d是光学接收 器敏感单元的最小尺度，如果是用电荷耦合器件(CCD)接收的话，d就是电荷 耦合器件(CCD)像素的有效大小。\n公式(2)表明，只有当光学滤波单元的Airy斑的半角宽小于光学接收器敏 感单元的最小尺度时，得到的可见光图像才能正确地反映被测物体的温度分布。 这样的分析表明，在直边的光学滤波单元中，刀口形式的光学滤波单元将是最佳 的选择，因为它的通光尺度是半平面，光学滤波单元的Airy斑的半角宽最窄， 接收到的图像受光学混叠的影响比较小，图像也最清晰。从实际应用的角度看， 当通光尺度大到一定的程度后，光学混叠已经非常小了，因此还可以选择狭缝和 矩形孔作为光学滤波单元。\n当采用直边形式的滤波单元时，探测灵敏度可以更加具体的表示为：\n$D_R=\frac{\lambda }{2\mathrm{NL}},---\left(3\right)$\n其中λ为光学测量装置的照明波长，N为光学接收器的量化级数，L为微梁反光 面在其偏转方向上的长度。这里光学接收器的量化级数N和公式(1)中的照明 强度I时同一个概念，公式(3)表明，提高光学接收器的量化级数N也将有效 的提高探测灵敏度。\n由于微梁衍射谱的宽度是由微梁单元中的反光板的几何尺度决定的，当提高照明 强度后，衍射谱的峰宽不会发生变化，而幅值将随之提高。换句话说，微梁产生 相同的转角将导致更大的光强变化，这将提高光学探测灵敏度。因为照明强度与 光学测量装置的探测灵敏度成正比关系，所以增加入射光的光强将有效地增加光 学测量装置的探测灵敏度。值得注意的是，这里提到的光学测量装置的照明 强度是光源和光学接收器综合的结果，它可以直接通过调节光源的亮度实现，还 可以通过调节光学接收器的增益来实现，也可以两者同时调节。调节范围是使照 明强度尽量达到光学接收器的饱和值。\n本发明有以下几个方面的优点：\n1.在基于衍射谱滤波技术的实时光学测量装置中，提出了直线边界(例如 刀口、狭缝和矩形孔)的光学滤波技术，在保证光学测量装置的探测灵 敏度的同时，使光学测量装置具有很高的空间分辨率和数据的可靠性。\n2.确认了照明强度(光学接收器的量化级数)与探测灵敏度的关系，探测 灵敏度的提高可以通过简单的调节照明强度加以实现。\n3.光学测量装置采用非干涉测量方式，光学抗振性能高，适合工程应用。\n而且，作为一种普适光学检测方法，本发明提出的衍射谱滤波技术不单单适 用于微梁结构红外成像探测器的光学测量装置。只要是涉及测量微梁阵列转角信 号，都可以用本发明的方法和装置将转角信号转化为光强信号，以光学图像方式 直观的将转角信息显示出来。同时，对于单个微探测器的转角信号，比如单个微 悬臂梁的转角信号，本发明的方法和装置同样适用。\n                         附图说明\n图1是结合微梁阵列的红外辐射探测器，说明衍射谱滤波技术的基本实现方 案。\n图2是光学照明子系统的实现方案例(图1中光源的放大图)。\n图3是光学滤波单元(刀口形式)及其滤波原理。\n图4是照明强度对光学测量装置探测灵敏度的影响。\n图5是衍射谱滤波技术实现方案2：汇聚光线照明方案。\n图6是微梁结构示意图。\n                       具体实施方案\n实施例  一种用于将不可见图像转化为可见图像的红外热像成像仪，由光源，微 梁阵列11，成像透镜8，光学接受器9和零部件组装用的支架组成，在微梁阵列 11前方设有红外透镜13，在来自微梁阵列11的衍射光的汇聚谱平面上设有直线 边界滤波单元7且成像透镜8位于直线边界滤波单元7之后，光源为点光源，上 述微梁阵列11设置于真空盒10内，上述点光源可以采取如下具体技术措施来实 现：(1)点光源由非点光源1，光源滤波孔3和光源透镜4组成，光源滤波孔3 位于光源透镜4的前焦面上，在微梁阵列11与直线边界滤波单元7之间设有滤 波透镜6且该滤波透镜6的后焦平面位于直线边界滤波单元7所在的平面。(2)点 光源由非点光源1、光源滤波孔3和光源透镜4组成，光源滤波孔3位于非点光 源1与光源透镜3的前焦面之间，在本实施例中，在微梁阵列11的下方设有半 透半反射镜5，该半透半反射镜5接受源自光源透镜4的光束16并将其反射至 微梁阵列11，而经微梁阵列反射的衍射波17穿过半透半反射镜5。\n下面的附图，结合具有双材料微悬臂梁阵列结构，以红外辐射探测器的光学 测量装置为例，提供了对衍射谱滤波技术详细说明。附图同时对此光学测量装置 提供了本发明的各种实施例。\n图1给出了红外成像仪的系统概图(对于光学测量装置，测量对象微梁阵列 的安放架即处于图中红外辐射探测器的位置，微梁阵列则作为测量对象置于安放 架上)。图1中的光源滤波孔3放置在光源1的后方(图中的右方)，尽量靠近光 源以获取光源的最大能量。光源1上每一点发出的光线中均有能够到达光源滤波 孔3的通光部分2并通过通光部分2的光线。当通光部分2正好位于光源透镜4 的前焦点时，这些穿过通光部分2的光线被光源透镜4准直为平行光束16。平 行光束16被半透半反镜5反射的光线照射在微梁阵列11上，并被微梁阵列11 反射。从微梁阵列11返回的衍射光线17透过半透半反镜5，被滤波透镜6汇聚 在其后焦平面上，形成微梁阵列11的光学衍射谱18。光学滤波单元7放置在滤 波透镜6的后焦平面上，并预先设置有通光区域以及不通光区域。衍射谱18只 有落在光学滤波单元7通光区域的部分才能经成像透镜8到达光学接收器9，并 在光学接收器9上形成可见光图像19，落在光学滤波单元7不通光区域的部分 被挡住，不能到达光学接收器9。当被测物体14靠近红外成像仪时，被测物体 14的红外辐射光15被红外透镜13收集，经过微梁阵列的硅衬底12后，在微梁 阵列11上形成红外光图像。微梁阵列11吸收红外光能后，产生一个角度偏转。 相应地，从微梁阵列11上的反射部分返回的衍射光17整体也产生一个偏转，表 现在滤波透镜6后焦平面上就是一个衍射谱18的平移。衍射谱18的平移使它原 来落在光学滤波单元7通光区域的一部分光线移入了光学滤波单元7的不通光区 域(或者相反)，而被光学滤波单元7的不通光部分挡住(或者能够通过光学滤 波单元7)。因此能够通过光学滤波单元7的光线将减少(或增多)，到达光学接 收器9的光能减少(或增多)。反映在光学接收器9上就是可见光图像19光强的 减弱(或增强)。换句话说，接收到的可见光光强的变化就反映了被测物体的红 外辐射。图1中的微梁阵列被封装在真空盒10内，以便对微梁阵列进行温度控 制，并保护微梁阵列(此为已有技术)。在图示的例中，虽然光学滤波单元7用 刀口实现，但正如上面的分析可知，光学滤波单元7也可以通过狭缝或者矩形孔 来实现。只是当光学滤波单元7用刀口实现时，接收到的可见光图像空间分辨率 最高。事实上，当狭缝或者矩形孔的通光区域达到一定的尺度后(可利用公式(2) 的设计原则来计算狭缝或者矩形孔的大小)，空间分辨率基本不受通光区域大小 的影响了。至于物理上如何实现光学滤波单元7，可以用机械的方法制作刀口、 狭缝和矩形孔。各部件的典型参数为：光源1用普通白光、激光等；光源滤波孔 3的通光部分2的孔径为0.02～1mm；光源透镜4的焦距为50～100mm(或更小)； 滤波透镜6的焦距50～100mm(透镜数值孔径F#＝1，或更小)；刀口7可以采用 不透光材料制作的刀片，刀刃处应尽量薄，达到微米量级；成像透镜8的焦距 50～100mm(透镜数值孔径F#＝1，或更小)。\n图2给出了图1中照明光的实现方式。1为光源。101、102和103是光源上 独立发光点。以103发光点为例，从103发出的光线中，1032能通过光源滤波 孔3的通光孔2，1031被挡住。101和102的情况与103一样，总有一部分光能 够通过通光孔2。光源滤波孔3放在透镜4的前焦平面上，因此通过光源滤波孔 3的通光孔2的光线经光源透镜4后变为互相平行的光线1601(来源于发光点 101)、1602(来源于发光点102)和1603(来源于发光点103)。用这些平行光 束作为入射光，照明微梁红外辐射探测阵列。\n图3给出了图1中滤波透镜6后焦平面上光学滤波单元7和衍射谱18的相 对位置关系。图3-1表示的是微梁未受热时，光学滤波单元7和衍射谱18的相 对位置关系；图3-2表示的是微梁受热产生偏转后，光学滤波单元7和衍射谱18 的相对位置关系。在图3中，光学滤波单元的不通光区域由光学滤波单元7表示， 定义的滤波边界由701表示。1801，1802和1803分别表示衍射谱18的0级、1 级和2级。图3中没有画出更高级次的衍射光，是因为光能在更高的衍射级次上 已经相当弱，对光学滤波已经没有太大的影响。微梁未受热时，光学滤波单元7 的初始位置位于衍射谱18的零级，即衍射谱光强梯度最大的位置(见图3-1所 示)。微梁受热后，其衍射谱的移动见图3-2所示。由于衍射谱的平移，其部分 衍射光已经移出了通光区域进入不通光区域，相应地，光学接收器9上接收到的 光强将变弱。由于各微梁单元受热不同，所以转角也不同，其衍射谱的平移量也 不相同，每个微梁单元的衍射谱通过光学滤波单元7通光区域光量变化也就不 同，反映在光学接收器9上就是光强随转角变化，此时接收器上接收到的强度图 像就是受被测物体的温度调制的可见光图像。也就是说，“看到”了被测物体的温 度分布。事实上，光学滤波单元不仅可以用图示中的刀口实现，也可以用狭缝或 者矩形孔来实现。\n图4给出了照明强度对光学测量装置探测灵敏度的影响。由于照明强度的增 加将提高微梁衍射谱的衍射峰高，而不会影响微梁衍射谱的几何尺寸，在这种情 况下，通过光学滤波单元的光量将随照明光强的增加而增加。换句话说，在微梁 产生相同的偏转角的情况下，增加照明光强将产生更大的光强梯度变化，因此光 学测量装置的探测灵敏度上升。图4中的1901是当照明光强增加到原来照明光 强(对应1902所示的灵敏度曲线)2倍时的灵敏度曲线。与1902所示的灵敏度 曲线相比，照明光强加倍后，光学测量装置的探测灵敏度也加倍。在实际的运用 中，调节范围是使入射光的照明强度应尽量达到光学接收器的饱和值，当用数字 量化照明光强后，比如用8-bit光学接收器时，其初始照明强度的灰度级应接近 255；用12-bit的光学接收器时，其初始照明强度的灰度级应接近4095；以此类 推，光学接收器的量化级数越高，相应地，光学测量装置的灵敏度也越高。\n图5给出了红外成像仪的另一实施例“汇聚光照明方案”的结构说明图。其 实施思路与基本的光学测量装置相同。但是从照明子系统出射的光线不是平行 光，而是汇聚光线。会聚光线可以通过把光源滤波孔3放置在光源透镜4前焦平 面前方(图中前焦平面偏左一点)的位置实现。光源滤波孔3偏离光源透镜4前 焦点的距离直接影响到光学测量装置的放大倍数。由于是用汇聚光线照明，光学 滤波子系统的滤波透镜6可以省去。衍射光线汇聚的平面就是微梁阵列的光学谱 平面，将光学滤波单元7放在这个平面上即可。光源滤波孔3距离光源透镜4前 焦点越近，光学测量装置的放大倍率越小；光源滤波孔距离光源透镜4前焦点越 远，光学测量装置的放大倍率越大(光源滤波孔3相对于光源透镜4前焦点的距 离可以通过光学平移台来调节)。相比于图1，这种方案由于省去了滤波透镜6， 因此更加简单。