一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置，包括編碼孔徑掩模、光轉(zhuǎn)換元件、光電探測(cè)器和電子信號(hào)采集處理器；所述編碼孔徑掩模，其每一孔徑允許紅外線到達(dá)所述光電探測(cè)器，而所述編碼孔徑掩模的剩余部分阻擋紅外線到達(dá)所述光電探測(cè)器；所述光轉(zhuǎn)換元件，設(shè)置于所述編碼孔徑掩模與所述光電探測(cè)器之間，以將所述紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光；所述光電探測(cè)器，將所述可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述電子信號(hào)采集處理器，將所述光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)采集并處理輸出。本發(fā)明同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高空間分辨率和快幀頻。
【專利說(shuō)明】-種基于編碼孔徑的紅外成像裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 自然界中，溫度高于絕對(duì)零度的一切物體，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射。這種紅外 輻射是基于任何物體自身的分子和原子在一般環(huán)境下會(huì)不停地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，同時(shí)輻射出紅 外線。物體分子和原子的運(yùn)動(dòng)越劇烈，輻射的射線能量越高，波長(zhǎng)越短。從宏觀上來(lái)講，即 物體的溫度越高，紅外輻射能量越高。探測(cè)并收集這些紅外輻射，就可以得到環(huán)境溫度分布 的熱圖像。
[0003] 紅外成像系統(tǒng)從成像方法主要分為兩大類：主動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)和被動(dòng)式紅外成 像系統(tǒng)。前者系統(tǒng)內(nèi)置紅外光源，利用不同物體對(duì)紅外輻射的不同反射來(lái)成像。后者是利 用物體自然發(fā)射的紅外輻射來(lái)成像。本發(fā)明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置屬于被動(dòng)式紅 外成像系統(tǒng)，即紅外熱成像系統(tǒng)。
[0004] 紅外熱成像的原理是物體輻射出的紅外線載有物體的溫度特征信息，這個(gè)信息可 以用來(lái)判別各種被測(cè)目標(biāo)的溫度高低，并得到環(huán)境的熱分布場(chǎng)。因此通過(guò)光電紅外探測(cè)器 將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，成像裝置就可以一一對(duì)應(yīng)地模擬出物體 表面溫度的空間位置分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號(hào)，傳至顯示屏幕上，就得 到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖，即紅外熱圖像。
[0005] 另外，編碼孔徑成像是一種公知的成像技術(shù)，主要應(yīng)用在放射性射線成像領(lǐng)域中， 如X射線和Y射線成像。編碼孔徑成像利用了和小孔成像相似的原理，只是編碼孔徑成像 使用的是孔徑陣列而非單一小孔徑。孔徑陣列上的每個(gè)孔徑將場(chǎng)景的圖像投影到探測(cè)器陣 列上，因此探測(cè)器陣列處獲得的圖案是一系列重疊的圖像。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理可以由該重疊的 圖像獲得原始場(chǎng)景的圖像。圖像重建的過(guò)程需要使用編碼孔徑陣列的知識(shí)。編碼孔徑成像 系統(tǒng)探測(cè)器陣列處所獲得的信號(hào)可以被描述為編碼陣列的編碼函數(shù)與場(chǎng)景的強(qiáng)度分布函 數(shù)的卷積加上某個(gè)噪聲。因此，通過(guò)對(duì)探測(cè)器陣列獲得的投影重疊圖像的去卷積可以恢復(fù) 場(chǎng)景圖像。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的紅外熱成像系統(tǒng)主要由四部分組成：光學(xué)系統(tǒng)部分、紅外探測(cè) 器部分、電子信號(hào)處理部分和圖像處理顯示部分。系統(tǒng)的主要工作原理是：被測(cè)環(huán)境的紅 外輻射經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)接收，其中的光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形投影到焦平面上的紅 外探測(cè)器陣列的各光敏單元上，紅外探測(cè)器是紅外輻射能的接收器，常用的材料是碲鎘汞 (HgCdTe)，它通過(guò)光電轉(zhuǎn)換作用，將接收的紅外輻射能量變?yōu)殡娦盘?hào)。再由探測(cè)器偏置與前 置放大的輸入電路輸出所需的放大信號(hào)，并傳輸?shù)阶x出電路。電子信號(hào)處理部分包括：前置 放大、主放、自動(dòng)增益控制、限制帶寬、檢波、鑒幅、多路傳輸和線性變換。讀出電路執(zhí)行稠密 的線陣或面陣紅外焦平面陣列的信號(hào)積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后 送入計(jì)算機(jī)作圖像處理。
[0007] 由于被測(cè)目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號(hào)非常弱，缺少可見(jiàn)光圖像那 種層次和立體感，因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對(duì)比度的控制、實(shí)際校正與彩色描繪等處理。 經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)送入到視頻信號(hào)形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，最后通過(guò) 電視屏或監(jiān)視器顯示被測(cè)目標(biāo)的紅外熱像圖。
[0008] 傳統(tǒng)的紅外熱成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)采用透鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)匯聚光束和光譜濾波的功 能。光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡系統(tǒng)（透鏡）和輔助光學(xué)系統(tǒng)（場(chǎng)鏡、光錐、中繼光學(xué)系統(tǒng)等）。采 用光學(xué)透鏡的紅外成像系統(tǒng)相對(duì)于采用光學(xué)透鏡的可見(jiàn)光成像系統(tǒng)具有通光孔徑和相對(duì) 孔徑大，工作波段寬，像差校正困難等問(wèn)題。另外，由于透鏡系統(tǒng)的尺寸限制，為了獲取大范 圍的環(huán)境圖像需要采用光機(jī)掃描的方法來(lái)覆蓋總視場(chǎng)。通常的光機(jī)掃描部件有擺動(dòng)平面 鏡、旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓、旋轉(zhuǎn)折射棱鏡、旋轉(zhuǎn)折射光模等。它們單獨(dú)或組合成為常用的幾種掃描 機(jī)構(gòu)。根據(jù)多元探測(cè)器的排列方式及其與光機(jī)掃描的協(xié)調(diào)配合情況，又可將成像系統(tǒng)細(xì)分 為串掃型、并掃型、串并掃型三種。按掃描的體制，紅外熱成像系統(tǒng)可分為"光機(jī)掃描"、"電 掃描"（固態(tài)自掃描和電子束掃描均屬電掃描）和"光機(jī)掃描+電掃描"三種類型。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)的一種光機(jī)掃描紅外成像裝置的原理圖如圖1，該紅外成像裝置包括物 鏡3、擺動(dòng)掃描鏡4、探測(cè)器陣列6、讀出電路7和視頻信號(hào)處理器8?，F(xiàn)有技術(shù)的光機(jī)掃描成 像裝置，可將物平面1上的Y形物2,經(jīng)過(guò)物鏡3和擺動(dòng)掃描鏡4,在探測(cè)器陣列6上成像， 經(jīng)過(guò)讀出電路7,生成圖像信號(hào)而由視頻信號(hào)處理器8進(jìn)行處理。
[0010] 由以上可知，現(xiàn)有的紅外熱成像系統(tǒng)采用光學(xué)系統(tǒng)接收紅外輻射，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn) 高靈敏度、大視場(chǎng)、高空間分辨率和快幀頻。另外存在像差校正困難，透鏡尺寸不能做得很 大等問(wèn)題；
[0011] 而且，現(xiàn)有技術(shù)的紅外成像系統(tǒng)的成本往往主要是由紅外焦平面陣列決定的，紅 外探測(cè)器價(jià)格昂貴。另外為了獲得較好的圖像使用制冷紅外探測(cè)器，一般需要保持在低溫 (一般為77K)，制冷機(jī)的存在使系統(tǒng)體積龐大笨重。
[0012] 基于上述，需要開(kāi)發(fā)一種能夠集成現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，又能克服傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)缺 點(diǎn)的紅外成像裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種低成本和低復(fù)雜度成像 器件結(jié)合構(gòu)成的基于編碼孔徑的紅外成像裝置。
[0014] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0015] 一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置，包括編碼孔徑掩模、光轉(zhuǎn)換元件、光電探測(cè)器 和電子信號(hào)采集處理器；
[0016] 所述編碼孔徑掩模，其每一孔徑允許紅外線到達(dá)所述光電探測(cè)器，而所述編碼孔 徑掩模的剩余部分阻擋紅外線到達(dá)所述光電探測(cè)器；
[0017] 所述光轉(zhuǎn)換元件，設(shè)置于所述編碼孔徑掩模與所述光電探測(cè)器之間，以將所述紅 外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光；
[0018] 所述光電探測(cè)器，將所述可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0019] 所述電子信號(hào)采集處理器，將所述光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)采集并處理輸出。
[0020] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0021] 1)本發(fā)明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，采用編碼孔徑掩模替代現(xiàn)有紅外成像 系統(tǒng)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，具有無(wú)限的景深，不需要聚焦，不需要像差校正，通過(guò)解碼重建即可 得到熱圖像。
[0022] 2)本發(fā)明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠選擇大單元尺寸和高 編碼數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和高空間分辨率。
[0023] 3)本發(fā)明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，采用可見(jiàn)光探測(cè)器陣列的光電探測(cè) 器，可以有效降低紅外成像系統(tǒng)成本以及實(shí)現(xiàn)快幀頻成像。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)的光機(jī)掃描紅外成像裝置原理圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的基于編碼孔徑的紅外成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的基于編碼孔徑的紅外成像裝置的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖。
[0027] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的基于編碼孔徑的紅外成像裝置的編碼孔徑掩模的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒?發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029] 下面介紹本發(fā)明實(shí)施例的紅外成像裝置：
[0030] 如圖2所示，本實(shí)施例的紅外成像裝置，包括編碼孔徑掩模1、上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂 層2、光導(dǎo)3、光電探測(cè)器4、電子信號(hào)采集處理器5以及數(shù)據(jù)處理與顯示裝置（圖中未示 出）。
[0031] 如圖3所示，本實(shí)施例的紅外成像裝置，其工作原理為，紅外線經(jīng)過(guò)編碼孔徑掩模 1投影在上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂層2上，上轉(zhuǎn)換材料涂層2將投影到其表面的紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn) 光，經(jīng)由光導(dǎo)3傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器4上，光電探測(cè)器4將可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出到電 子信號(hào)采集處理器5的讀出電路，最后輸出到數(shù)據(jù)處理與顯示裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和圖像重 建，最終得到紅外熱圖像。
[0032] 數(shù)據(jù)處理與顯示裝置，通常由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，連接于電子信號(hào)采集處理器5的輸出 端。
[0033] 本實(shí)施例的紅外成像裝置，選用固定的編碼孔徑掩模。以掩模作為孔徑陣列的每 一個(gè)孔徑都允許紅外線從場(chǎng)景通過(guò)它到達(dá)光電探測(cè)器4,或者說(shuō)是光電探測(cè)器陣列4。相應(yīng) 地，掩模的剩余部分阻擋紅外線到達(dá)光電探測(cè)器陣列4。編碼孔徑中的孔徑意味著能否通過(guò) 紅外線，并不意味著物理開(kāi)孔。另外，編碼孔徑掩模1，可以選用如圖4所示的43*41URA編 碼孔徑掩模，也可以選用59*59URA編碼孔徑掩模。
[0034] 現(xiàn)有技術(shù)的紅外成像系統(tǒng)使用的光學(xué)組件尺寸一般較小，因此不能實(shí)現(xiàn)大尺寸單 元。但是本發(fā)明實(shí)施例的紅外成像裝置，使用相對(duì)大的編碼孔徑掩模1時(shí)，并不會(huì)帶來(lái)技術(shù) 上的很大難度或者成本的明顯提高。另外，對(duì)于光電探測(cè)器4,也可采用大面積陣列可見(jiàn)光 探測(cè)器或?qū)⑿∶娣e可見(jiàn)光探測(cè)器拼接成大面積陣列。
[0035] 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂層2的作用是將紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，這種材料又稱為反 Stokes材料。所謂的反Stokes效應(yīng)是指利用稀土離子自身的能級(jí)特性，吸收多個(gè)低能量的 長(zhǎng)波輻射，經(jīng)多光子加和后發(fā)射出高能量的短波輻射的一種現(xiàn)象。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料主要應(yīng) 用在激光技術(shù)、光纖通訊技術(shù)、纖維放大器、光信息存儲(chǔ)和顯示等領(lǐng)域。對(duì)于上轉(zhuǎn)換發(fā)光材 料2所使用的材質(zhì)，例如為Yb 3+ :Cs3R2X9等摻稀土元素的固體化合物，其能將1. 5微米的紅 外光轉(zhuǎn)換至可見(jiàn)光區(qū)域。本發(fā)明中，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂層2也可以是其他形式的將紅外光 轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的光轉(zhuǎn)換元件。
[0036] 光導(dǎo)3的作用是將上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂層2所轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光匯聚到光電探測(cè)器4表 面，因此，光導(dǎo)3的入射面的面積大于出射面的面積。另外，本發(fā)明實(shí)施例的紅外成像裝置， 也可以不使用光導(dǎo)3,而直接將上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂層2直接鍍?cè)诠怆娞綔y(cè)器4的外表面玻璃 上。
[0037] 對(duì)于光電探測(cè)器4,可見(jiàn)光的探測(cè)器陣列技術(shù)主要可以選用互補(bǔ)金屬氧化物 (CMOS)和電荷耦合器件（CCD)。兩種技術(shù)都很成熟，數(shù)百萬(wàn)或千萬(wàn)像素級(jí)陣列都是可用的， 價(jià)格低且穩(wěn)定。其中CCD有很高的靈敏度和低噪聲，集成度很高（像素間距小于2微米）。
[0038] 對(duì)于計(jì)數(shù)率，與X射線和Y射線等放射性編碼孔徑成像具有低計(jì)數(shù)率的特性不 同，本發(fā)明實(shí)施例的紅外成像裝置，光電探測(cè)器4接收到的計(jì)數(shù)率較高，因此成像系統(tǒng)能在 較短的時(shí)間內(nèi)累計(jì)一定計(jì)數(shù)并進(jìn)行圖像重建。探測(cè)器陣列接收的計(jì)數(shù)可以看成是許多孔 徑投影的疊加。場(chǎng)景也可以看成是由很多點(diǎn)光源組成的。令〇(x，y)表示場(chǎng)景的光分布函 數(shù)，A (X，y)表示編碼孔徑函數(shù)（透光為1，不透光為0)，則記錄的編碼圖像P(x，y)可以表 不成：
[0039] P(x，y) = 0(x，y)※六"，y)+N(x，y)，其中，※為卷積運(yùn)算符，N(x，y)為信號(hào)的無(wú) 關(guān)噪聲。
[0040] 從光電探測(cè)器4接收到的計(jì)數(shù)分布可以得到P(x，y)。對(duì)于編碼孔徑掩模1的不 同的編碼孔徑的排列有不同的解碼函數(shù)，對(duì)于固定的編碼孔徑掩模1有與之相對(duì)應(yīng)的唯一 解碼函數(shù)G( X，y)，使A(X，y)※G(X， y)為δ脈沖函數(shù)。則重建圖像：
[0041] 0*(x，y) = P(x，y)※G(x，y) = 0(x，y)※[A(x，y)※G(x，y)]+N(x，y)※G(x，y)= 0(x, y)+N(x，y)※G(x, y)
[0042] 綜上所述，本發(fā)明的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，以低成本和低復(fù)雜度成像器 件結(jié)合構(gòu)成一種新的紅外成像系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高空間分辨率和快幀頻。而且本發(fā)明 的基于編碼孔徑的紅外成像裝置，使用編碼孔徑掩模取代光學(xué)元件成像，不引入任何像差。 [〇〇43] 雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語(yǔ)是說(shuō)明和示 例性、而非限制性的術(shù)語(yǔ)。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離本發(fā)明的精神或 實(shí)質(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在所附權(quán)利要求所限定的精 神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為所附 權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于編碼孔徑的紅外成像裝置，其特征在于，該紅外成像裝置包括編碼孔徑掩 模、光轉(zhuǎn)換元件、光電探測(cè)器和電子信號(hào)采集處理器； 所述編碼孔徑掩模，其每一孔徑允許紅外線到達(dá)所述光電探測(cè)器，而所述編碼孔徑掩 模的剩余部分阻擋紅外線到達(dá)所述光電探測(cè)器； 所述光轉(zhuǎn)換元件，設(shè)置于所述編碼孔徑掩模與所述光電探測(cè)器之間，以將所述紅外光 轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光； 所述光電探測(cè)器，將所述可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 所述電子信號(hào)采集處理器，將所述光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)采集并處理輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光轉(zhuǎn)換元件與所述光電探 測(cè)器之間設(shè)置有用于將可見(jiàn)光聚焦到所述光電探測(cè)器表面的光導(dǎo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光轉(zhuǎn)換元件為上轉(zhuǎn)換發(fā)光 材料涂層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的紅外成像裝置，其特征在于，該紅外成像裝置還包括連接 于所述電子信號(hào)采集處理器輸出端的數(shù)據(jù)處理與顯示裝置，以對(duì)所述電子信號(hào)采集處理器 輸出的信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)圖像重建。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂層鍍?cè)?所述光電探測(cè)器的外表面玻璃上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料涂層的上 轉(zhuǎn)換發(fā)光材料為摻稀土元素的固體化合物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料為Yb3+ : Cs3R2X9。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述編碼孔徑掩模為 43*41URA編碼孔徑掩?；?9*59URA編碼孔徑掩模。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光電探測(cè)器為大面積可見(jiàn) 光探測(cè)器或由小面積可見(jiàn)光探測(cè)器拼接成的大面積陣列可見(jiàn)光探測(cè)器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的紅外成像裝置，其特征在于，所述光電探測(cè)器為互補(bǔ)金 屬氧化物光電探測(cè)器或電荷耦合器件光電探測(cè)器。
【文檔編號(hào)】G06T5/50GK104048765SQ201410258123
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】魏龍, 孫世峰, 帥磊, 李道武, 章志明, 王寶義, 秦秀波, 魏存峰, 唐浩輝, 李婷, 王英杰, 莊凱, 王曉明, 朱美玲, 姜小盼, 張譯文, 周魏, 馬創(chuàng)新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所