專利名稱：窄帶濾波光學讀出方法
技術領域：
本發明專利涉及一種基于窄帶濾波器的光學讀出方法，該方法能夠探測微懸臂梁的偏轉量，主要應用于雙材料微懸臂梁焦平面陣列式非制冷紅外成像系統中，相比于目前同類型的紅外成像系統普遍采用的針孔法和刀口濾波法，該方法能夠提高像平面光強并改善濾波后像平面光強分布的均勻度，從而提高所成紅外圖像的質量。
背景技術：
隨著微光機電系統(MOEMS)工藝的發展，近年來，采用雙材料微懸臂梁陣列作為焦平面陣列(FPA)，并利用各種光學讀出方式檢測微懸臂梁陣列上吸收的熱輻射，進而進行紅外成像的技術開始受到廣泛關注。這一技術利用熱膨脹系數不同的雙材料微懸臂梁受熱偏轉的原理，通過光學方法讀出微懸臂梁產生的熱變形。由于FPA結構簡單，不需要在每一感熱像素上集成高靈敏度的復雜讀出電路，不但減少了功耗，而且大大降低了設計和制造的難度從而節省了成本。在光學讀出式微懸臂紅外成像系統中光學讀出方法是一項關鍵技術。為了能夠探測雙材料微懸臂梁的受熱偏轉角度，必須對其進行光學讀出。目前，普遍采用針孔法[1]和刀口濾波法[2]進行光學讀出。但是，由于針孔較小，針孔法在實際應用中會限制光通量并導致像平面光強降低從而使重構出來的紅外圖像的有用信息減少。并且， 刀口濾波法雖然提高了靈敏度，但是因為在濾波平面遮擋了一半的光強使得像平面光強分布不均勻，經常會導致所得到紅外物體的圖像產生缺陷。

發明內容
為了克服現有雙材料微懸臂梁紅外成像系統所普遍采用的光學讀出方法的不足， 本發明專利提供一種原理簡單，可以改善像平面光強分布均勻性并提高像平面光強的光學讀出方法。該方法就是窄帶濾波光學讀出方法。該方法所采用的技術方案是首先，將微懸臂梁FPA放置于真空腔內，用單色發光二極管(LED)經過準直擴束之后產生平行光照射微懸臂梁FPA反光面；其次，用兩個傅立葉透鏡Ll和L2搭建光學4f系統(兩個透鏡距離為它們的焦距之和)，使從FPA反射出來的光通過4f系統，在傅立葉透鏡Ll的焦平面處形成了 FPA的譜；然后，找到零級譜的中心位置，將設計好的窄帶(該窄帶用于遮擋光的通過，其寬度同微懸臂梁單元吸收紅外輻射發生偏轉引起的譜的最大位移相關，通常為微米量級)放置于該位置進行濾波；雙材料微懸臂梁吸收目標物體的紅外輻射之后受熱發生偏轉，由于窄帶濾波器的作用，使得通過的譜的強度隨著微懸臂梁偏轉角度的不同發生變化；接下來，傅立葉透鏡L2將濾波后的譜轉化為FPA的光強分布，并通過放置于L2成像面的圖像傳感器采集得到濾波后FPA的像；最后， 通過比較圖像傳感器采集到的FPA的初始圖像和帶有紅外物體圖像的差異，利用減背景的方法可以重構出紅外圖像。參考文獻[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).有益效果該方法的有益效果是，通過采用窄帶濾波器進行空間濾波，可以提高濾波精度，簡化光學讀出系統結構；并且該方法能夠改善像平面光強分布均勻性并提高像平面光強，從而提高微懸臂梁紅外成像系統所成圖像的質量。


下面結合附圖和實施方式對本發明進一步說明。圖1是基于本發明的微懸臂梁紅外成像系統原理簡圖。圖2是窄帶濾波器放置位置示意圖。圖中1.微懸臂梁焦平面陣列，2.真空腔，3.紅外成像透鏡，4.單色發光二極管， 5.半反半透鏡，6.傅立葉透鏡1，7.窄帶濾波器，8.傅立葉透鏡2，9.圖像傳感器，10.窄帶， 11.微懸臂梁單元的譜強度分布曲線。
具體實施例方式第一步，如圖1所示，將微懸臂梁FPA傳感器⑴放置于帶有紅外透過窗口和可見光透過窗口的真空腔O)內，其中FPA的紅外輻射吸收面靠近真空腔的紅外透過窗口，可見光反射面對應真空腔的可見光透過窗口；第二步，真空腔前端的紅外成像透鏡(；3)將紅外輻射成像于微懸臂梁FPA傳感器 (1)上；單色發光二極管(4)發出的光經過準直擴束之后照射到半反半透鏡(5)上，反射光照射到FPA的反光面上攜帶了 FPA的信息之后反射回半反半透鏡(5)；第三步，傅立葉透鏡Ll (6)和L2⑶構成光學4f系統，在4f系統中兩個透鏡距離為它們的焦距之和。反射回來的光透過半反半透鏡(5)之后進入4f系統，在傅立葉透鏡Ll 的焦平面處形成了 FPA的譜強度分布；第四步，如圖2所示，在Ll的焦平面處找到FPA的零級譜的中心位置，將設計好的窄帶濾波器(7)放置于該位置進行濾波。該窄帶濾波器用于遮擋光的通過，其寬度同微懸臂梁單元吸收紅外輻射發生偏轉引起的譜的最大位移相關，通常為微米量級(如90μπι)；第五步，由于窄帶濾波器的作用，使得通過的譜的強度隨著微懸臂梁偏轉角度的不同發生變化。根據阿貝二次成像理論，傅立葉透鏡L2 (8)將經過濾波后的譜轉化為FPA 的光強分布，并通過放置于L2成像面的圖像傳感器(9)采集到濾波后FPA的像；第六步，在紅外物體的輻射下，微懸臂梁角度發生偏轉，引起FPA零級譜位置的平移，此時零級譜的中心將會移出窄帶濾波器的遮擋范圍，使得通過的譜的強度增強。最后通過比較圖像傳感器采集到的FPA的初始圖像和帶有紅外物體圖像的差異，利用減背景的方法重構出紅外圖像。
權利要求
1.一種基于窄帶空間濾波器的光學讀出方法，該方法應用于雙材料微懸臂梁焦平面陣列式非制冷紅外成像系統中，其特征是選擇一條寬度為微米量級的不透光窄帶對微懸臂梁焦平面陣列(FPA)形成的譜進行濾波；其步驟如下首先將微懸臂梁FPA放置于真空腔內，用單色發光二極管(LED)經過準直擴束之后產生平行光照射微懸臂梁FPA反光面；然后，用兩個傅立葉透鏡Ll和L2搭建光學4f系統并保證兩個透鏡距離為它們的焦距之和， 使從FPA反射出來的光通過4f系統，在傅立葉透鏡Ll的焦平面處形成了 FPA的譜；其次， 找到零級譜的中心位置，將設計好的窄帶濾波器放置于該位置進行濾波；雙材料微懸臂梁吸收目標物體的紅外輻射之后受熱發生偏轉，由于窄帶濾波器的作用，使得通過的譜的強度隨著微懸臂梁偏轉角度的不同發生變化；最后，傅立葉透鏡L2將濾波后的譜轉化為FPA 的光強分布，并通過放置于L2成像面的圖像傳感器采集得到濾波后FPA的像。
2.根據權利要求1所述的光學讀出方法，其特征是該窄帶用于遮擋光的通過，位于微懸臂梁FPA形成的譜平面上，并放置于FPA的零級譜的中心位置。
全文摘要
一種基于窄帶空間濾波器的光學讀出方法，主要應用于雙材料微懸臂梁焦平面陣列式非制冷紅外成像系統中。該方法巧妙利用微懸臂梁單元偏轉前后的譜的位移特性，通過窄帶進行空間濾波的方法探測微懸臂梁的偏轉量。該方法能夠提高像平面光強并改善濾波后像平面光強分布的均勻度，從而提高所成紅外圖像的質量。
文檔編號G01J5/08GK102519602SQ20121000642
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者于曉梅, 劉小華, 惠梅, 武紅, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進, 龔誠 申請人:北京理工大學