專利名稱：基于全息波前補償技術的光學讀出方法
技術領域：
本發明涉及光學讀出式紅外焦平面陣列熱成像系統的光學讀出處理技術， 利用該技術可以顯著的克服焦平面陣列制造過程中的不均勻性所帶來的像面各 像素光機械響應不一致的問題，令后續的圖像處理過程獲得更好的處理效果， 提高圖像質量和容許制造更大規模的陣列而保持像面陣列響應的靈敏度和一致 性。
背景技術：
近年來采用電學讀出方式的非制冷焦平面陣列紅外熱成像系統獲得了很大 的發展，取代傳統的制冷型系統成為當今熱成像系統的主流，而此時光學讀出 式焦平面陣列相比于電學讀出方式，由于其具有背景噪聲低，結構簡單和造價 低的優點開始受到關注，國際上陸續有多家機構投入到對此項課題的研究當中，
其中主要包括美國的Nikon公司，Berkeley大學，Agiltron公司，以及中國科學 院微電子所和中國科學技術大學。美國Agiltron公司制造的高速光學讀出焦平面 陣列，其探測噪聲等效溫差已經達到120mK，陣列尺寸280x240，輸出可達1000 幀每秒。雖然如此，此項技術目前還不成熟，離商業化還有一定的距離，僅停 留在實驗研究階段。
焦平面陣列的光學讀出技術，主要是將焦平面陣列表面單元在紅外熱作用 下的微小形變轉變為可直接用肉眼觀察的圖像的技術。焦平面陣列熱變形主要 是基于雙材料梁受熱變形的機理，陣列單元的尺度約在幾十微米量級，每個單 元內部都包含著一個或若干個的雙材料復合懸臂梁，構成懸臂梁的兩種材料熱膨脹系數相差懸殊，為了便于可見光探測，在雙材料梁結構上會固定高反射率 的材料制成的反射面或反射體，在紅外線的熱作用下懸臂梁會發生微小的彎曲， 帶動反射面偏轉而改變入射光的相位。
光學濾波的核心是利用光學頻譜處理的思想，將單元的微小形變轉化為圖 像明暗程度的變化。這首先要求單元反射體的姿態角度具有較好的一致性，這 樣各個單元的譜才能在濾波平面上基本重合在一起而可以采用同一個濾波器并 行處理而具有一致的靈敏度，然而由于制造工藝的限制，實際焦平面陣列的姿 態角度并不一致，導致圖像上各單元的溫度響應不一致，甚至一些像素單元由
于姿態角度偏離太大而完全沒有響應；其次要求單元的反射面要盡可能的平整， 這樣才能在濾波平面上形成能量集中的譜，具有較高的探測靈敏度，而實際焦 平面陣列存在著單元反射面彎曲的問題，彎曲的單元反射面使對應單元的譜在 濾波平面上的能量散開，嚴重影響探測靈敏度。

發明內容
本發明的目的是采用全息技術改進光學讀出光路來補償和克服上述的焦平 面陣列初始形狀缺陷，從而改善輸出圖像質量。
本發明的目的是由以下技術方案來實現主要的過程分為兩步，首先是記 錄過程，以全息記錄介質來記錄被理想形式(包括但不限于點光源或準直平行光 源)的相干光源照射的焦平面陣列反射出來的含有初始形狀缺陷信息的帶有畸變 的波前，或者以計算全息方式制造含有形狀缺陷信息的紀錄介質；其次是再現 過程，采用全息再現光路以記錄介質為媒介再現一個與原畸變波前相位相反傳 播方向相反的補償波前，并將該波前準確的入射到焦平面陣列上。有益效果
采用本發明可以補償由于焦平面陣列形狀缺陷所造成的光學濾波效果不一 致的情況和濾波靈敏度較差的情況。再現過程中，由于相位互補的作用，焦平 面陣列的反射光將接近于記錄時的理想的光學輸出模式，使得光學濾波過程可 以對各單元都達到或接近理想形狀下的靈敏度。


圖1為本發明的光學讀出焦平面陣列為核心的熱成像系統，
圖2為本發明的一個實際采用的全息記錄過程， 圖3為與圖2對應的采用反射方式的再現過程，
其中l-光源，2-半反半透鏡，3-外界入射紅外線，4-紅外透鏡，5-焦平面 陣列，6、 8-傅立葉透鏡，7-濾波器，9-相機，10-數字圖像處理器，11-顯示器， 12-相干光源，13-聚焦鏡頭及針孔組件，14-準直透鏡，15-參考光，16-全息記錄 介質，17-物光，18-聚焦鏡頭及針孔組件，19-記錄光，20-再現光，21-再現波前。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步描述
圖2和圖3采用了無透鏡的反射再現全息，可以在物光17及再現波前21 中對應的相同位置處插入變換透鏡使系統成為有透鏡變換的全息，也可以改變 記錄與再現的形式在記錄過程中采用反射光路而在再現過程采用透射形式的光 路。在圖2和圖3中所采用的參考光15、入射陣列的記錄光19和再現光14均 為準直光束，但是在保證記錄光19與再現光14為共軛光束的情況下，也可以 使用其它形式的光束，例如球面波、柱面波和拋物面波等或上述形式多個波的疊加組合。所采用的全息記錄介質可以記錄任意的波前形式，因此也可以實現 一些光學元件的功能，如準直透鏡，因此可以通過記錄過程將透鏡光學元件而 在再現過程中省略該元件從而起到簡化光學系統的目的。采用物理記錄方式可 以獲得很高細節分辨率的再現波前，然而為了提高再現過程的光能利用率有可
能采用計算全息來生成所需的波前，圖2的記錄過程將由一個焦平面陣列表面 形貌探測的過程所取代，在獲得實際陣列形貌數據以后可以通過計算手段得到 全息介質上的干涉圖樣生成計算全息或二元光學元件用于再現過程。在記錄與 再現過程中不僅可以采用可見光波，也可以采用其它種類的波，如紫外光和電 子束等，從而在獲得更高的探測靈敏度的情況下保持像面響應的一致性。
相干光源1發出的光經過準直以后經過半反半透鏡2照射在焦平面陣列5 上，陣列的反射光又經過傅立葉變換透鏡6在濾波器平面上匯聚，得到焦平面 陣列圖形的空間頻譜，通過適當設計的濾波器7，該空間頻譜又被傅立葉透鏡8 成像在像機9上，像機9產生的連續視頻流經過數字圖像處理器10的處理以后 被顯示器11顯示出來。通常正常工作之前首先完全遮擋住外界通過紅外透鏡4 進入到系統中的紅外線3，由數字圖像處理器10采集一幀圖像并保存下來作為 背景，然后去掉遮擋，外界紅外線3經過紅外透鏡4照射在焦平面陣列5上， 令陣列單元發生形變，該形變改變了反射出光的相位，像機9上則由于光學濾 波器7的作用而得到了明暗改變的圖像，數字圖像處理器IO將當前采集的圖像 與先前保存的背景圖像相減以后輸出顯示，即得到了肉眼可見的紅外圖像。
將聚焦鏡頭及針孔組件18置于頻譜平面，由相干光源12產生的相干光入 射，由聚焦鏡頭及針孔組件18發出的光經過傅立葉透鏡6以后形成準直記錄光 19穿過半反半透鏡2入射焦平面陣列5，由陣列5反射的光波前由于陣列單元 姿態角度不一致而帶有畸變，該反射光被半反半透鏡反射后照射到全息記錄介質16上，為全息記錄所需的物光17，由相干光源12分光得到的另一束光被聚 焦鏡頭及針孔組件13和透鏡14準直以后也入射到記錄介質16上，形成全息記 錄的參考光15，物光17與參考光15相干涉得到記錄介質16上的干涉場，被記 錄下來。
經過記錄過程的記錄介質16被復原安置在原位置上，相干光源12產生的 相干光經過聚焦鏡頭及針孔組件13和透鏡14準直以后按照記錄過程中參考光 15的相反方向入射到記錄介質16上，作為再現光20。再現光20被記錄介質16 反射以后再現出與記錄過程中的物光共軛的再現波前21，根據光路可逆的原理， 再現波前21被半反半透鏡2反射以后入射到焦平面陣列5上，再由焦平面陣列 5反射出來，將沿著原記錄光19路徑反向匯聚到記錄過程中的聚焦鏡頭及針孔 組件18的針孔位置處，將記錄過程中的聚焦鏡頭及針孔組件18和相干光源12 如圖置換成原濾波光路的7、 8、 9、 10、 11就可以在畸變波前被補償的狀態下 工作了。
采用全息材料記錄由焦平面反射出的帶有畸變的波前，該過程重要的是要 確定由焦平面反射出的光的能量集中的方向，必須將記錄材料置于反射能量的 主方向上，并盡可能的覆蓋所有陣列單元反射的主方向。合理安排全息記錄介 質(例如全息干板)所放置的方向，應該避免再現過程中的零級衍射光對波前再現 的干擾。全息介質與焦平面陣列之間的相對位置要嚴格固定，保證在處理全過 程中不發生相對位移影響再現波前與陣列的匹配精度。再現波長應盡可能與原 波長接近以減小像差。全息再現過程需要增加輔助裝置對焦平面陣列或入射準 直光束的空間角度進行微調，以使得再現的波前與焦平面陣列準確重合。再現 過程應采用高穩定性的相干光源，這樣可以保證輸出圖像背景亮度穩定。再現 過程受到氣流擾動影響較大，為減少氣流影響應采取一定的密封措施。
權利要求
1. 一種基于全息波前補償技術的光學讀出方法，其特征在于該方法分為全息手段記錄和再現兩個過程，記錄過程用于記錄陣列反射產生的畸變波前；再現過程復現出與畸變波前相位相反傳播方向相反的補償波前用于陣列照明。
2、 如權利要求1所述的基于全息波前補償技術的光學讀出方法，其特征在于 全息手段記錄和再現既包括反射再現全息也包括透射再現全息，既包括無透鏡 變換的全息也包括帶有變換透鏡的全息。
3、 如權利要求1所述的基于全息波前補償技術的光學讀出方法，其特征在于 全息手段中所采用的全息記錄過程所制作的波前補償裝置，將光路中的其它光 學元件與波前補償部分結合而成，同時起到補償作用和其它光學元件的作用。
4、 如權利要求1所述基于全息波前補償技術的光學讀出方法，其特征在于全 息記錄和再現所采用的光束可以是非準直的光束，例如球面光束和拋物面光束， 或由上述非準直光束疊加構成光束形式進行記錄和再現。
5、 如權利1所述的基于全息波前補償技術的光學讀出方法，其特征在于記錄 過程，其記錄方式不僅限于采用光學記錄方式，也針對陣列形貌數據采用專門 設計的具有陣列波前補償功能的計算全息光學元件及二元光學元件。
6、 如權利要求1所述的基于全息波前補償技術的光學讀出方法，其特征在于 全息記錄和再現所采用的光束不僅限于可見光束，也可采用其它波長的波(例 如紫外光或者電子束)的全息記錄和再現。
全文摘要
本發明為基于全息波前補償技術的光學讀出方法，屬于全息技術在光學讀出式紅外焦平面熱成像技術領域的應用，針對光學讀出式紅外焦平面陣列各成像單元初始姿態不一致帶來單元熱探測靈敏度不一致的問題，采用全息補償照明技術的新型相干照明方案，可以解決該問題，并消除部分盲元，改善輸出圖像的質量。主要過程是利用全息光學手段首先在記錄過程中記錄球面波(或平面波)入射被陣列反射產生畸變的波前，然后在再現過程中再現一個與原畸變波前相位相反傳播方向相反的補償波前，根據光路可逆原理，采用該補償波前作為陣列照明光源，精確控制照明的角度和方位，則陣列反射光可以形成規整的球面波(或平面波)，便于后續探測。
文檔編號G03H1/04GK101430537SQ200810188139
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者明 劉, 劉小華, 梅 惠, 紅 武, 董立泉, 趙躍進, 誠 龔 申請人:北京理工大學