專利名稱：不可見像的光學(xué)成像方法及光學(xué)成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于將不可見光圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像的方法和裝置。尤其是涉及通過測(cè)量微梁陣列變形的轉(zhuǎn)角，將紅外輻射源在微梁陣列上所成的熱圖像，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈱W(xué)圖像的光學(xué)測(cè)量方法和裝置。
背景技術(shù)：
將不可見光圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像的方法及裝置已有多種，歷來，轉(zhuǎn)化紅外光的方法及裝置一直是研究的熱點(diǎn)。紅外輻射探測(cè)裝置用于將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見的圖像，它包括紅外熱像儀、紅外測(cè)溫儀等。按照探測(cè)原理的不同，可以把紅外輻射探測(cè)裝置的核心部件—探測(cè)器—大致分為兩類量子型的紅外輻射探測(cè)器和熱型的紅外輻射探測(cè)器。
量子型的紅外輻射探測(cè)裝置其核心部件是量子型的紅外輻射探測(cè)器，它根據(jù)光電效應(yīng)將紅外光子的能量轉(zhuǎn)化為光電子的能量。對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)為8-14微米的紅外光子，其能量在0.1到0.4eV之間；這和室溫下(300K)電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)。因此為了有效地抑制電子熱噪聲，目前所有量子型的紅外輻射探測(cè)裝置都需要一套額外的制冷裝置，將探測(cè)器的溫度降到77K左右，以減小電子熱運(yùn)動(dòng)的能量。這不僅使量子型的紅外輻射探測(cè)裝置比較笨重，而且價(jià)格極為昂貴。
熱型的紅外輻射探測(cè)裝置其核心部件是熱型的紅外輻射探測(cè)器。傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測(cè)器將入射的紅外光能量轉(zhuǎn)化為探測(cè)器的熱能，通過集成電路檢測(cè)出探測(cè)器的溫升引發(fā)的熱致可測(cè)物理量的變化，比如電阻率或電容的變化等。這些熱致可測(cè)物理量的變化是通過對(duì)探測(cè)單元輸入電流來讀出的。而當(dāng)電流通過探測(cè)器單元時(shí)，會(huì)在探測(cè)器單元上產(chǎn)生附加的熱量，帶來讀出誤差。同時(shí)為了讓探測(cè)器單元能有效地產(chǎn)生局部溫升，探測(cè)器單元與基底之間必須實(shí)現(xiàn)熱隔離。為了讀出熱致物理參量的變化，探測(cè)器單元與基底之間不得不通過導(dǎo)線相連。而導(dǎo)線往往也是熱的良導(dǎo)體，因此傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測(cè)器很難實(shí)現(xiàn)理想的熱隔離。正是這些矛盾，導(dǎo)致了傳統(tǒng)的熱型紅外探測(cè)器的探測(cè)靈敏度比較低。另外這些熱電效應(yīng)都極為微弱(例如在阻抗型的紅外探測(cè)器中，被測(cè)物體上1K的溫度變化所引發(fā)的探測(cè)器電阻率的變化僅為0.02％。)，為了探測(cè)到這些微弱的電信號(hào)，集成電路要有相當(dāng)高的信噪比和很強(qiáng)的增益。這增加了探測(cè)器和讀出電路的設(shè)計(jì)和制作難度。
基于微懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)的熱型紅外輻射探測(cè)器，其敏感單元為雙材料微懸臂梁。入射的紅外光能被微懸臂梁的反光板吸收后，轉(zhuǎn)化為微梁上的溫升，進(jìn)而引發(fā)微梁產(chǎn)生熱變形。當(dāng)把微梁的多個(gè)單元按照所需要的形式排列為陣列(簡(jiǎn)稱微梁陣列)，就可反映多點(diǎn)入射的紅外輻射所產(chǎn)生的熱變形。通過光學(xué)讀出系統(tǒng)檢測(cè)出表征這種熱變形的參量，例如微梁的離面位移，就可以得到被測(cè)物體的溫度。這種基于微梁陣列的熱型紅外輻射探測(cè)器有許多優(yōu)點(diǎn)一方面，微梁可以在不需要制冷的條件下工作；另一方面，由于采用的是光學(xué)讀出方式，讀出系統(tǒng)不會(huì)在微梁上產(chǎn)生附加的熱量。而且，無需對(duì)微梁引出任何導(dǎo)線以及集成任何微信號(hào)處理電路，這種設(shè)計(jì)易于在微梁與基底之間實(shí)現(xiàn)良好的熱隔離，同時(shí)很容易增加微梁的數(shù)量，而不引入制作難度和成本。因此基于微梁結(jié)構(gòu)的紅外輻射探測(cè)器，有望開發(fā)出更高性能的熱型紅外輻射探測(cè)裝置。
已有的微梁陣列結(jié)構(gòu)的紅外輻射探測(cè)技術(shù)，利用了光學(xué)干涉的精密檢測(cè)方法，用于提取微梁陣列的熱變形離面位移信息，光學(xué)干涉的測(cè)量方法雖然有較高的測(cè)量精度，用它已經(jīng)獲得了室溫物體的熱像，但是其抗振性能差，工程應(yīng)用上有許多困難。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種適應(yīng)于工程應(yīng)用的不可見像的光學(xué)成像方法及不可見像的光學(xué)成像裝置，它是通過檢測(cè)微梁的轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)的，既有很高的測(cè)量靈敏度，又有很好的抗振性能。
一種用于將不可見圖像轉(zhuǎn)化為可見圖像的不可見像的光學(xué)成像方法，用點(diǎn)光源的光照射兼有獲取熱像信號(hào)的微梁陣列，來自微梁陣列衍射光通過其匯聚譜平面上的直線邊界濾波單元濾波操作后，再經(jīng)成像透鏡由光學(xué)接收器接收。
一種用于實(shí)施上述方法的不可見像的光學(xué)成像裝置，由光源、兼有獲取熱像能力的微梁陣列11、成像透鏡8、光學(xué)接收器9和零部件組裝用的支架組成，在由來自微梁陣列11的衍射光的匯聚譜平面上設(shè)有直線邊界濾波單元7且成像透鏡8位于直線邊界濾波單元7之后，光源為點(diǎn)光源。
本發(fā)明提出的光學(xué)測(cè)量方法為用入射光照射微梁陣列，在微梁陣列的光學(xué)譜平面上用直線邊界的濾波單元對(duì)微梁陣列反射的衍射譜進(jìn)行濾波處理，再通過光學(xué)成像透鏡將微梁陣列成像在光學(xué)接收器上，使微梁陣列的微轉(zhuǎn)角變形信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W(xué)接收器上對(duì)應(yīng)的微梁陣列像的光強(qiáng)信號(hào)。
本發(fā)明提出的光學(xué)測(cè)量裝置為由光學(xué)照明子系統(tǒng)、光學(xué)濾波子系統(tǒng)、光學(xué)成像子系統(tǒng)以及測(cè)量對(duì)象微梁陣列的安放架組成，光學(xué)照明子系統(tǒng)位于光學(xué)濾波子系統(tǒng)的前級(jí)，并位于微梁陣列的入射方；光學(xué)濾波子系統(tǒng)位于光學(xué)照明子系統(tǒng)的后級(jí)，并位于微梁陣列的反射方；光學(xué)成像子系統(tǒng)位于光學(xué)濾波子系統(tǒng)的后級(jí)，對(duì)微梁陣列成像；其中尤其是光學(xué)濾波子系統(tǒng)為直線邊界濾波系統(tǒng)。
具體表現(xiàn)為直線邊界濾波系統(tǒng)由濾波透鏡和光學(xué)濾波單元組成，或直接由光學(xué)濾波單元組成；光學(xué)濾波單元是刀口、狹縫或矩形孔；光學(xué)濾波單元位于微梁陣列的光學(xué)譜平面上。
在上述方案基礎(chǔ)上，入射光的照明強(qiáng)度應(yīng)盡量達(dá)到光學(xué)接收器的飽和值。
本發(fā)明可以提出的紅外成像儀為將上述光學(xué)測(cè)量裝置與具有微梁陣列結(jié)構(gòu)的紅外輻射探測(cè)器相結(jié)合，即用紅外輻射探測(cè)器替換上述方案中測(cè)量對(duì)象微梁陣列的安放架。也就是說，本發(fā)明提出了一種將微梁陣列上每一單元的轉(zhuǎn)角變形信號(hào)，通過衍射譜濾波技術(shù)，轉(zhuǎn)換為光學(xué)接收器上微梁?jiǎn)卧鈴?qiáng)信號(hào)的光學(xué)測(cè)量方法。并將這一方法與雙材料微梁陣列結(jié)構(gòu)的紅外探測(cè)器結(jié)合，構(gòu)成紅外成像儀。
本發(fā)明提出的轉(zhuǎn)角檢測(cè)方式技術(shù)方案的基本思路為微梁變形時(shí)，可以用兩個(gè)量來表征這種變化，一個(gè)是已有技術(shù)中提到的離面位移，另一個(gè)是變形端的轉(zhuǎn)角。針對(duì)微梁變形時(shí)的轉(zhuǎn)角，可以用一束光照射微梁，反射光線的偏轉(zhuǎn)由光學(xué)濾波單元后接收到的衍射譜能量表示，即檢測(cè)微梁成像的光強(qiáng)，就可以檢測(cè)出微梁變形時(shí)的轉(zhuǎn)角。
因此，采用光學(xué)照明子系統(tǒng)發(fā)出的光線照射微梁陣列，從微梁陣列上反射的衍射光線進(jìn)入光學(xué)濾波子系統(tǒng)，該衍射光線在微梁陣列的光學(xué)譜平面上匯聚成光學(xué)衍射譜，經(jīng)光學(xué)濾波后的衍射譜進(jìn)入光學(xué)成像子系統(tǒng)，形成可見光圖像。裝置中所采用的光學(xué)照明子系統(tǒng)由光源、光源濾波孔、光源透鏡共同構(gòu)成，光源位于光源濾波孔的前方，光源濾波孔位于光源透鏡的前焦平面、或前焦平面的前方。所述光源可以是普通白光、激光等，當(dāng)光源濾波孔正好位于光源透鏡的前焦平面時(shí)構(gòu)成平行光照明方案；當(dāng)光源濾波孔位于光源透鏡的前焦平面的前方時(shí)構(gòu)成匯聚光照明方案。光學(xué)濾波子系統(tǒng)由濾波透鏡和光學(xué)濾波單元組成(平行光照明時(shí))，此時(shí)，微梁陣列的光學(xué)譜平面就是濾波透鏡的后焦平面；或直接由光學(xué)濾波單元組成(匯聚光照明時(shí))，此時(shí)，微梁陣列的光學(xué)譜平面就是直接由衍射譜匯聚而成。光學(xué)成像子系統(tǒng)則與已有技術(shù)一樣由成像透鏡和光學(xué)接收器組成，所述光學(xué)接收器可以是人眼、電荷耦合器件(即CCD)或者其他光敏探測(cè)器件。
對(duì)于上述光學(xué)測(cè)量裝置，其探測(cè)靈敏度由下面的公式確定DR＝FI， (1)其中DR是光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度，F(xiàn)是表征光學(xué)濾波操作的函數(shù)，I是光學(xué)測(cè)量裝置的照明強(qiáng)度。
當(dāng)微梁?jiǎn)卧艿酵饨绺袘?yīng)后，它將產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。此時(shí)在微梁陣列的光學(xué)譜平面上，微梁?jiǎn)卧难苌渥V將產(chǎn)生一個(gè)平移。由于衍射譜的能量在微梁陣列的光學(xué)譜平面上不是均勻分布的，因此這個(gè)平移將導(dǎo)致透過光學(xué)濾波單元的光強(qiáng)產(chǎn)生變化。結(jié)果，光學(xué)接收器上可見光圖像的強(qiáng)度也會(huì)隨之變化，此變化就反映了微梁?jiǎn)卧霓D(zhuǎn)角。這就是說外界感應(yīng)可以通過可見光圖像的光強(qiáng)反映。公式(1)表明，合理的光學(xué)濾波操作可以優(yōu)化公式中的F，使F達(dá)到最大，從而使光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度達(dá)到最大。通過調(diào)節(jié)位于微梁陣列光學(xué)譜平面上的光學(xué)濾波單元的形狀和位置，就可以按照需要選擇應(yīng)使哪些級(jí)的衍射譜通過光學(xué)濾波單元，這樣就可以調(diào)節(jié)光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度。
作為選擇微梁衍射譜的光學(xué)濾波單元，本發(fā)明采用了直線邊界(簡(jiǎn)稱為直邊)形式的光學(xué)濾波單元，具體為刀口、狹縫或矩形孔，以優(yōu)化公式(1)中的F。光學(xué)濾波單元迎著微梁衍射譜移動(dòng)方向上的邊界定義了“通光”和“不通光”兩種狀態(tài)。當(dāng)微梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角后，其衍射譜從這個(gè)邊界定義的不通光區(qū)域運(yùn)動(dòng)到通光區(qū)域，或者相反；相應(yīng)地，光學(xué)接收器上接收到的微梁上反射的光能將增大或減少。衍射譜在這個(gè)邊界上的能量變化率(衍射譜的單位移動(dòng)量所帶來的光通量的變化，即探測(cè)靈敏度)取決于這個(gè)邊界的初始位置和形狀。本發(fā)明經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)分析得知，直邊的光學(xué)濾波單元可以獲得最大的能量變化率，所以刀口、狹縫或者矩形孔將是最佳的光學(xué)濾波單元。而且，由于衍射譜在濾波透鏡的后焦平面上各處的光強(qiáng)梯度是不同的，零級(jí)衍射峰的光強(qiáng)梯度最大，進(jìn)而光學(xué)濾波單元有效邊界的初始位置應(yīng)該位于零級(jí)衍射峰的附近，這樣光學(xué)測(cè)量裝置才能獲得最大的探測(cè)靈敏度。
此外，由于本發(fā)明光學(xué)測(cè)量裝置中的最小孔徑為光學(xué)濾波單元，因此，為了接收到清晰的圖像，光學(xué)濾波單元的通光尺度應(yīng)有一個(gè)下限。當(dāng)光學(xué)濾波單元的通光尺度小于此下限時(shí)，接收到的光學(xué)圖像已不能正確地反映外界感應(yīng)的分布了。公式(2)給出了光學(xué)濾波單元的通光尺度的設(shè)計(jì)原則D＝λF/T≤d， (2)其中D是光學(xué)濾波單元的Airy斑的半角寬，T是光學(xué)濾波單元的通光尺度，λ是光學(xué)測(cè)量裝置中照明光源的波長(zhǎng)，f是光學(xué)成像子系統(tǒng)的焦距，d是光學(xué)接收器敏感單元的最小尺度，如果是用電荷耦合器件(CCD)接收的話，d就是電荷耦合器件(CCD)像素的有效大小。
公式(2)表明，只有當(dāng)光學(xué)濾波單元的Airy斑的半角寬小于光學(xué)接收器敏感單元的最小尺度時(shí)，得到的可見光圖像才能正確地反映外界感應(yīng)分布。這樣的分析表明，在直邊的光學(xué)濾波單元中，刀口形式的光學(xué)濾波單元將是最佳的選擇，因?yàn)樗耐ü獬叨仁前肫矫?，光學(xué)濾波單元的Airy斑的半角寬最窄，接收到的圖像受光學(xué)混疊的影響比較小，圖像也最清晰。從實(shí)際應(yīng)用的角度看，當(dāng)通光尺度大到一定的程度后，光學(xué)混疊已經(jīng)非常小了，因此還可以選擇狹縫和矩形孔作為光學(xué)濾波單元。
當(dāng)采用直邊形式的濾波單元時(shí)，探測(cè)靈敏度可以更加具體的表示為DR=λ2NL,---(3)]]>其中λ為光學(xué)測(cè)量裝置的照明波長(zhǎng)，N為光學(xué)接收器的量化級(jí)數(shù)，L為微梁反光面在其偏轉(zhuǎn)方向上的長(zhǎng)度。這里光學(xué)接收器的量化級(jí)數(shù)N和公式(1)中的照明強(qiáng)度I時(shí)同一個(gè)概念，公式(3)表明，提高光學(xué)接收器的量化級(jí)數(shù)N也將有效的提高探測(cè)靈敏度。
由于微梁衍射譜的寬度是由微梁?jiǎn)卧械姆垂獍宓膸缀纬叨葲Q定的，當(dāng)提高照明強(qiáng)度后，衍射譜的峰寬不會(huì)發(fā)生變化，而幅值將隨之提高。換句話說，微梁產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)角將導(dǎo)致更大的光強(qiáng)變化，這將提高光學(xué)探測(cè)靈敏度。因?yàn)檎彰鲝?qiáng)度與光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度成正比關(guān)系，所以增加入射光的光強(qiáng)將有效地增加光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度。值得注意的是，這里提到的光學(xué)測(cè)量裝置的照明強(qiáng)度是光源和光學(xué)接收器綜合的結(jié)果，它可以直接通過調(diào)節(jié)光源的亮度實(shí)現(xiàn)，還可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)接收器的增益來實(shí)現(xiàn)，也可以兩者同時(shí)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)范圍是使照明強(qiáng)度盡量達(dá)到光學(xué)接收器的飽和值。
本發(fā)明有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)1.在基于衍射譜濾波技術(shù)的實(shí)時(shí)光學(xué)測(cè)量裝置中，提出了直線邊界(例如刀口、狹縫和矩形孔)的光學(xué)濾波技術(shù)，在保證光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度的同時(shí)，使光學(xué)測(cè)量裝置具有很高的空間分辨率和數(shù)據(jù)的可靠性。
2.確認(rèn)了照明強(qiáng)度(光學(xué)接收器的量化級(jí)數(shù))與探測(cè)靈敏度的關(guān)系，探測(cè)靈敏度的提高可以通過簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度加以實(shí)現(xiàn)。
3.光學(xué)測(cè)量裝置采用非干涉測(cè)量方式，光學(xué)抗振性能高，適合工程應(yīng)用。
而且，作為一種普適光學(xué)檢測(cè)方法，本發(fā)明提出的衍射譜濾波技術(shù)不僅適用于微梁結(jié)構(gòu)紅外成像探測(cè)器的光學(xué)測(cè)量裝置，而且涉及測(cè)量微梁陣列轉(zhuǎn)角信號(hào)，都可以用本發(fā)明的方法和裝置將轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)，以光學(xué)圖像方式直觀的將轉(zhuǎn)角信息顯示出來。同時(shí)，對(duì)于單個(gè)微探測(cè)器的轉(zhuǎn)角信號(hào)，比如單個(gè)微懸臂梁的轉(zhuǎn)角信號(hào)，本發(fā)明的方法和裝置同樣適用。


圖1是結(jié)合微梁陣列的紅外輻射探測(cè)器，說明衍射譜濾波技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)方案。
圖2是光學(xué)照明子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案例(圖1中光源的放大圖)。
圖3是光學(xué)濾波單元(刀口形式)及其濾波原理。
圖4是照明強(qiáng)度對(duì)光學(xué)測(cè)量裝置探測(cè)靈敏度的影響。
圖5是衍射譜濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案2匯聚光線照明方案。
圖6是微梁結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方案實(shí)施例1一種用于將不可見圖像轉(zhuǎn)化為可見圖像的不可見像的光學(xué)成像方法，用點(diǎn)光源的光照射兼有獲取不可見像信號(hào)的微梁陣列，來自微梁陣列衍射光通過其匯聚譜平面上的直線邊界濾波單元濾波操作后，再經(jīng)成像透鏡由光學(xué)接收器接收，上述點(diǎn)光源可以采取如下的具體實(shí)施方案一、在非點(diǎn)光源前方放置光源透鏡，使光通過設(shè)在光源透鏡之前焦面上的光源濾波孔后形成點(diǎn)光源，再經(jīng)光源透鏡形成平行光并照射到微梁陣列，來自微梁陣列的衍射光通過濾波透鏡匯聚于直線邊界濾波單元。二、在非點(diǎn)光源前方設(shè)置光源透鏡并使光通過位于光源透鏡前焦面與非點(diǎn)光源之間的光源濾波孔以及光源透鏡，形成匯聚光，在本實(shí)施例中來自光源透鏡的光經(jīng)過半透半反射鏡反射至微梁陣列實(shí)施例2一種用于實(shí)施上述方法的不可見像的光學(xué)成像裝置，由光源、兼有獲取不可見像能力的微梁陣列11、成像透鏡8、光學(xué)接收器9和零部件組裝用的支架組成，在由來自微梁陣列11的衍射光的匯聚譜平面上設(shè)有直線邊界濾波單元7且成像透鏡8位于直線邊界濾波單元7之后，光源為點(diǎn)光源，上述點(diǎn)光源可以采取如下的具體實(shí)施方案一、點(diǎn)光源由非點(diǎn)光源1，光源濾波孔3和光源透鏡4組成，光源濾波孔3位于光源透鏡4的前焦面上，在微梁陣列11與直線邊界濾波單元7之間設(shè)有濾波透鏡6且該濾波透鏡6的后焦平面位于直線邊界濾波單元7所在的平面。二、點(diǎn)光源也可由非點(diǎn)光源1、光源濾波孔3和光源透鏡4組成，光源濾波孔3位于非點(diǎn)光源1與光源透鏡3的前焦面之間，在微梁陣列11的下方設(shè)有半透半反射鏡5，該半透半反射鏡5接受源自光源透鏡4的光束16并將其反射至微梁陣列11，而經(jīng)微梁陣列反射的衍射波17穿過半透半反射鏡5。
下面的附圖，結(jié)合具有雙材料微懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)，以紅外輻射探測(cè)器的光學(xué)測(cè)量裝置為例，提供了對(duì)衍射譜濾波技術(shù)詳細(xì)說明。附圖同時(shí)對(duì)此光學(xué)測(cè)量裝置提供了本發(fā)明的各種實(shí)施例。
圖1給出了紅外成像儀的系統(tǒng)概圖(對(duì)于光學(xué)測(cè)量裝置，測(cè)量對(duì)象微梁陣列的安放架即處于圖中紅外輻射探測(cè)器的位置，微梁陣列則作為測(cè)量對(duì)象置于安放架上)。圖1中的光源濾波孔3放置在光源1的后方(圖中的右方)，盡量靠近光源以獲取光源的最大能量。光源1上每一點(diǎn)發(fā)出的光線中均有能夠到達(dá)光源濾波孔3的通光部分2并通過通光部分2的光線。當(dāng)通光部分2正好位于光源透鏡4的前焦點(diǎn)時(shí)，這些穿過通光部分2的光線被光源透鏡4準(zhǔn)直為平行光束16。平行光束16被半透半反鏡5反射的光線照射在微梁陣列11上，并被微梁陣列11反射。從微梁陣列11返回的衍射光線17透過半透半反鏡5，被濾波透鏡6匯聚在其后焦平面上，形成微梁陣列11的光學(xué)衍射譜18。光學(xué)濾波單元7放置在濾波透鏡6的后焦平面上，并預(yù)先設(shè)置有通光區(qū)域以及不通光區(qū)域。衍射譜18只有落在光學(xué)濾波單元7通光區(qū)域的部分才能經(jīng)成像透鏡8到達(dá)光學(xué)接收器9，并在光學(xué)接收器9上形成可見光圖像19，落在光學(xué)濾波單元7不通光區(qū)域的部分被擋住，不能到達(dá)光學(xué)接收器9。當(dāng)被測(cè)物體14靠近紅外成像儀時(shí)，被測(cè)物體14的紅外輻射光15被紅外透鏡13收集，經(jīng)過微梁陣列的硅襯底12后，在微梁陣列11上形成紅外光圖像。微梁陣列11吸收紅外光能后，產(chǎn)生一個(gè)角度偏轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，從微梁陣列11上的反射部分返回的衍射光17整體也產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)在濾波透鏡6后焦平面上就是一個(gè)衍射譜18的平移。衍射譜18的平移使它原來落在光學(xué)濾波單元7通光區(qū)域的一部分光線移入了光學(xué)濾波單元7的不通光區(qū)域(或者相反)，而被光學(xué)濾波單元7的不通光部分擋住(或者能夠通過光學(xué)濾波單元7)。因此能夠通過光學(xué)濾波單元7的光線將減少(或增多)，到達(dá)光學(xué)接收器9的光能減少(或增多)。反映在光學(xué)接收器9上就是可見光圖像19光強(qiáng)的減弱(或增強(qiáng))。換句話說，接收到的可見光光強(qiáng)的變化就反映了被測(cè)物體的紅外輻射。圖1中的微梁陣列被封裝在真空盒10內(nèi)，以便對(duì)微梁陣列進(jìn)行溫度控制，并保護(hù)微梁陣列。在圖示的例中，雖然光學(xué)濾波單元7用刀口實(shí)現(xiàn)，但正如上面的分析可知，光學(xué)濾波單元7也可以通過狹縫或者矩形孔來實(shí)現(xiàn)。只是當(dāng)光學(xué)濾波單元7用刀口實(shí)現(xiàn)時(shí)，接收到的可見光圖像空間分辨率最高。事實(shí)上，當(dāng)狹縫或者矩形孔的通光區(qū)域達(dá)到一定的尺度后(可利用公式(2)的設(shè)計(jì)原則來計(jì)算狹縫或者矩形孔的大小)，空間分辨率基本不受通光區(qū)域大小的影響了。至于物理上如何實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波單元7，可以用機(jī)械的方法制作刀口、狹縫和矩形孔。各部件的典型參數(shù)為光源1用普通白光、激光等；光源濾波孔3的通光部分2的孔徑為0.02～1mm；光源透鏡4的焦距為50～100mm(或更小)；濾波透鏡6的焦距50～100mm(透鏡數(shù)值孔徑F#＝1，或更小)；刀口7可以采用不透光材料制作的刀片，刀刃處應(yīng)盡量薄，達(dá)到微米量級(jí)；成像透鏡8的焦距50～100mm(透鏡數(shù)值孔徑F#＝1，或更小)。
圖2給出了圖1中照明光的實(shí)現(xiàn)方式。1為光源。101、102和103是光源上獨(dú)立發(fā)光點(diǎn)。以103發(fā)光點(diǎn)為例，從103發(fā)出的光線中，1032能通過光源濾波孔3的通光孔2，1031被擋住。101和102的情況與103一樣，總有一部分光能夠通過通光孔2。光源濾波孔3放在透鏡4的前焦平面上，因此通過光源濾波孔3的通光孔2的光線經(jīng)光源透鏡4后變?yōu)榛ハ嗥叫械墓饩€1601(來源于發(fā)光點(diǎn)101)、1602(來源于發(fā)光點(diǎn)102)和1603(來源于發(fā)光點(diǎn)103)。用這些平行光束作為入射光，照明微梁陣列。
圖3給出了圖1中濾波透鏡6后焦平面上光學(xué)濾波單元7和衍射譜18的相對(duì)位置關(guān)系。圖3-1表示的是微梁未受熱時(shí)，光學(xué)濾波單元7和衍射譜18的相對(duì)位置關(guān)系；圖3-2表示的是微梁受熱產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)后，光學(xué)濾波單元7和衍射譜1 8的相對(duì)位置關(guān)系。在圖3中，光學(xué)濾波單元的不通光區(qū)域由光學(xué)濾波單元7表示，定義的濾波邊界由701表示。1801，1802和1803分別表示衍射譜18的0級(jí)、1級(jí)和2級(jí)。圖3中沒有畫出更高級(jí)次的衍射光，是因?yàn)楣饽茉诟叩难苌浼?jí)次上已經(jīng)相當(dāng)弱，對(duì)光學(xué)濾波已經(jīng)沒有太大的影響。微梁未受熱時(shí)，光學(xué)濾波單元7的初始位置位于衍射譜18的零級(jí)，即衍射譜光強(qiáng)梯度最大的位置(見圖3-1所示)。微梁受熱后，其衍射譜的移動(dòng)見圖3-2所示。由于衍射譜的平移，其部分衍射光已經(jīng)移出了通光區(qū)域進(jìn)入不通光區(qū)域，相應(yīng)地，光學(xué)接收器9上接收到的光強(qiáng)將變?nèi)?。由于各微梁?jiǎn)卧軣岵煌赞D(zhuǎn)角也不同，其衍射譜的平移量也不相同，每個(gè)微梁?jiǎn)卧难苌渥V通過光學(xué)濾波單元7通光區(qū)域光量變化也就不同，反映在光學(xué)接收器9上就是光強(qiáng)隨轉(zhuǎn)角變化，此時(shí)接收器上接收到的強(qiáng)度圖像就是受被測(cè)物體的溫度調(diào)制的可見光圖像。也就是說，“看到”了被測(cè)物體的溫度分布。事實(shí)上，光學(xué)濾波單元不僅可以用圖示中的刀口實(shí)現(xiàn)，也可以用狹縫或者矩形孔來實(shí)現(xiàn)。
圖4給出了照明強(qiáng)度對(duì)光學(xué)測(cè)量裝置探測(cè)靈敏度的影響。由于照明強(qiáng)度的增加將提高微梁衍射譜的衍射峰高，而不會(huì)影響微梁衍射譜的幾何尺寸，在這種情況下，通過光學(xué)濾波單元的光量將隨照明光強(qiáng)的增加而增加。換句話說，在微梁產(chǎn)生相同的偏轉(zhuǎn)角的情況下，增加照明光強(qiáng)將產(chǎn)生更大的光強(qiáng)梯度變化，因此光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度上升。圖4中的1901是當(dāng)照明光強(qiáng)增加到原來照明光強(qiáng)(對(duì)應(yīng)1902所示的靈敏度曲線)2倍時(shí)的靈敏度曲線。與1902所示的靈敏度曲線相比，照明光強(qiáng)加倍后，光學(xué)測(cè)量裝置的探測(cè)靈敏度也加倍。在實(shí)際的運(yùn)用中，調(diào)節(jié)范圍是使入射光的照明強(qiáng)度應(yīng)盡量達(dá)到光學(xué)接收器的飽和值，當(dāng)用數(shù)字量化照明光強(qiáng)后，比如用8-bit光學(xué)接收器時(shí)，其初始照明強(qiáng)度的灰度級(jí)應(yīng)接近255；用12-bit的光學(xué)接收器時(shí)，其初始照明強(qiáng)度的灰度級(jí)應(yīng)接近4095；以此類推，光學(xué)接收器的量化級(jí)數(shù)越高，相應(yīng)地，光學(xué)測(cè)量裝置的靈敏度也越高。
圖5給出了紅外成像儀的另一實(shí)施例“匯聚光照明方案”的結(jié)構(gòu)說明圖。其實(shí)施思路與基本的光學(xué)測(cè)量裝置相同。但是從照明子系統(tǒng)出射的光線不是平行光，而是匯聚光線。會(huì)聚光線可以通過把光源濾波孔3放置在光源透鏡4前焦平面前方(圖中前焦平面偏左一點(diǎn))的位置實(shí)現(xiàn)。光源濾波孔3偏離光源透鏡4前焦點(diǎn)的距離直接影響到光學(xué)測(cè)量裝置的放大倍數(shù)。由于是用匯聚光線照明，光學(xué)濾波子系統(tǒng)的濾波透鏡6可以省去。衍射光線匯聚的平面就是微梁陣列的光學(xué)譜平面，將光學(xué)濾波單元7放在這個(gè)平面上即可。光源濾波孔3距離光源透鏡4前焦點(diǎn)越近，光學(xué)測(cè)量裝置的放大倍率越??；光源濾波孔距離光源透鏡4前焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，光學(xué)測(cè)量裝置的放大倍率越大(光源濾波孔3相對(duì)于光源透鏡4前焦點(diǎn)的距離可以通過光學(xué)平移臺(tái)來調(diào)節(jié))。相比于圖1，這種方案由于省去了濾波透鏡6，因此更加簡(jiǎn)單。
權(quán)利要求
1.一種用于將不可見圖像轉(zhuǎn)化為可見圖像的不可見像的光學(xué)成像方法，其特征在于用點(diǎn)光源的光照射兼有獲取熱像信號(hào)的微梁陣列，來自微梁陣列衍射光通過其匯聚譜平面上的直線邊界濾波單元濾波操作后，再經(jīng)成像透鏡由光學(xué)接收器接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不可見像的光學(xué)成像方法，其特征在于在非點(diǎn)光源前方放置光源透鏡，使光通過設(shè)在光源透鏡之前焦面上的光源濾波孔后形成點(diǎn)光源，再經(jīng)光源透鏡形成平行光并照射到微梁陣列，來自微梁陣列的衍射光通過濾波透鏡匯聚于直線邊界濾波單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不可見像的光學(xué)成像方法，其特征在于在非點(diǎn)光源前方設(shè)置光源透鏡并使光通過位于光源透鏡前焦面與非點(diǎn)光源之間的光源濾波孔以及光源透鏡，形成匯聚光。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的不可見像的光學(xué)成像方法，其特征在于來自光源透鏡的光經(jīng)過半透半反射鏡反射至微梁陣列。
5.一種用于實(shí)施權(quán)利要求1的不可見像的光學(xué)成像裝置，由光源、兼有獲取不可見像能力的微梁陣列(11)、成像透鏡(8)、光學(xué)接收器(9)和零部件組裝用的支架組成，其特征在于在由來自微梁陣列(11)的衍射光的匯聚譜平面上設(shè)有直線邊界濾波單元(7)且成像透鏡(8)位于直線邊界濾波單元(7)之后，光源為點(diǎn)光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不可見像光學(xué)成像裝置，其特征在于點(diǎn)光源由非點(diǎn)光源(1)，光源濾波孔(3)和光源透鏡(4)組成，光源濾波孔(3)位于光源透鏡(4)的前焦面上，在微梁陣列(11)與直線邊界濾波單元(7)之間設(shè)有濾波透鏡(6)且該濾波透鏡(6)的后焦平面位于直線邊界濾波單元(7)所在的平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不可見像光學(xué)成像裝置，其特征在于點(diǎn)光源由非點(diǎn)光源(1)、光源濾波孔(3)和光源透鏡(4)組成，光源濾波孔(3)位于非點(diǎn)光源(1)與光源透鏡(3)的前焦面之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的不可見像光學(xué)成像裝置，其特征在于在微梁陣列(11)的下方設(shè)有半透半反射鏡(5)，該半透半反射鏡(5)接受源自光源透鏡(4)的光束(16)并將其反射至微梁陣列(11)，而經(jīng)微梁陣列反射的衍射波(17)穿過半透半反射鏡(5)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種適應(yīng)于工程應(yīng)用的不可見像的光學(xué)成像方法及光學(xué)成像裝置，它是通過檢測(cè)微梁的轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)的，既有很高的測(cè)量靈敏度，又有很好的抗振性能。上述不可見像的光學(xué)成像方法是用點(diǎn)光源的光照射兼有獲取熱像信號(hào)的微梁陣列，來自微梁陣列衍射光通過其匯聚譜平面上的直線邊界濾波單元濾波操作后，再經(jīng)成像透鏡由光學(xué)接收器接收。用于實(shí)施上述方法的不可見像的光學(xué)成像裝置是由光源、兼有獲取熱像能力的微梁陣列、成像透鏡、光學(xué)接收器和零部件組裝用的支架組成，在由來自微梁陣列的衍射光的匯聚譜平面上設(shè)有直線邊界濾波單元且成像透鏡位于直線邊界濾波單元之后，光源為點(diǎn)光源。
文檔編號(hào)G01D5/54GK1474162SQ03132258
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2003年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者段志輝, 張青川, 伍小平, 潘亮 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)