专利名称：一种基于光读出红外探测的红外成像设备及其方法
技术领域：
本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及基于光读出红外探测的红外成像设备及其方法。
背景技术：
当前，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。红外热像仪探测的红外线是物体自发辐射的，无需主动照明，也不受白天黑夜的影响，具有非接触、无干扰、探测距离远和隐蔽性的优势。此外，由于长波红外波长20倍于可见光波长，具有极强的穿透烟雾的能力，可在浓烟和浓雾环境中看清远处的景物。按照探测原理的不同，大致可将红外辐射探测装置的核心部件(即，探测器)分为两类，一类是量子型的红外辐射探测器和热型的红外辐射探测器。针对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。例如，对应于波长为8 14微米的红外光子，其能量约为0.leV，这与室温下(300K)的电子热运动产生的能量相当。因此，为有效抑制电子热噪声，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，以降低电子热运动的能量。然而，设置有制冷装置的量子型红外辐射探测装置比较笨重，而且价格极为昂贵。针对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。而当电流通过探测单元时，会在探测单元上产生附加的热量，带来读出误差。同时，为了让探测单元能有效地产生局部温升，探测单元与基底之间必须实现热隔离。为了读出热致物理量的变化，探测单元与基底之间必须通过导线相连。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也较难实现理想的热隔离。正是由于量子型的红外辐射探测装置和热型的红外辐射探测装置使用时所存在的缺陷或不足，基于光读出红外探测的红外成像设备已越来越受到设计者和使用者的青睐。光读出红外探测的原理是利用器件吸收红外线后发生某种物理性质的变化，然后用参考光探测其变化，从而得到红外辐射的强度。光读出红外探测器的输入和输出都是光信号，不需要电气引脚，也无功耗，不仅简化了探测器的设计和加工，更重要的是避开了电学噪声和电路发热引起的测量误差。然而，现有技术中的光读出红外热像仪的光路设计过于复杂，导致整个红外成像设备的体积庞大。并且，红外成像设备中各光学元件的定位也存在多种不稳定因素，导致基于光读出红外成像技术的热像仪可靠性不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光读出红外探测的红外成像设备及其方法。根据本发明的一个方面，提供一种基于光读出红外探测的红外成像设备，其中，所述红外成像设备包括:参考光源，用于提供参考光束，其被引向红外探测器件；红外探测器件，用于吸收待成像的物体所发出的红外光束，并且透射或反射所述参考光束；光读出装置，用于根据经由所述红外探测器件透射或反射后的所述参考光束，形成一图像。根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于光读出红外探测的红外成像方法，其中，该红外成像方法包括以下步骤:a将待成像的物体所发出的红外光束引向红外探测器件；b将参考光束引向所述红外探测器件；c所述红外探测器件吸收所述红外光束并透射或反射一部分所述参考光束；d根据经由所述红外探测器件透射或反射的所述参考光束形成一个图像。与现有技术相比，本发明的红外成像设备将待成像的物体所发出的红外光束引向红外探测器件并被所述红外探测器件所吸收，以使得该红外探测器件上的不同像素在吸收所入射的红外光束后，其相对于参考光束的透射率或反射率发生改变，进而根据透射或反射的部分参考光束，利用光读出装置形成一图像，从而把不可见的红外景象成功转化为参考光图像，优选地，当参考光为可见光时，可形成人眼可见的图像或者CCD等成像器件可探测到的图像。此外，本发明的红外成像设备还对红外光束和/或参考光束使用了光路折叠技术，以大大减小了整个红外成像设备的体积。此外，本发明的红外成像设备中的各光学元件均采用特定的夹具和工艺进行固定，可确保这些光学元件的光学中心处于同一直线，并稳定固定，从而提高了设备的精度和可靠性。
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1示出依据本发明的一个方面的基于光读出红外探测的红外成像设备的结构框图。图2a示出图1的红外成像设备的一优选实施例的光路示意图。图2b示出图1的红外成像设备的另一优选实施例的光路示意图。图3示出图1的红外成像设备的另一优选实施例的光路示意图。图4示出图1的红外成像设备的又一优选实施例的光路示意图。图5示出图1的红外成像设备的再一优选实施例的光路示意图。图6示出图1的红外成像设备采用定位夹具进行安装和定位的状态示意图。图7示出依据本发明的另一个方面的基于光读出红外探测的红外成像方法的流程框图。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。如前所述，由于物质内部原子或分子的振动，一切物体都会不停地向外辐射电磁波，并且电磁波的辐射波长和功率与该物体的表面材料和表面温度有关。例如，常温或中温物体辐射的能量主要位于长波红外波段，该红外波段的光束无法被人眼所感知。正因如此，专业技术人员越来越关注红外成像仪的设计和研发，简单地说，使用红外成像仪能够像肉眼观察白天的景物一样，清晰地看见物体的形貌和表观温度。然而，现有的光读出红外探测器的光路设计过于复杂，导致整个红外成像设备的体积庞大。并且，红外成像设备中各光学元件的定位也存在多种不稳定因素，导致基于光读出红外成像技术的热像仪可靠性不高，振动和温度变化均可能导致各光学元件之间的相对位移。图1示出依据本发明的一个方面的基于光读出红外探测的红外成像设备的结构框图。参照图1，该红外成像设备包括参考光源102、红外探测器件104和光读出装置106。例如，所述红外探测器件104包括红外焦平面阵列。在所述红外成像设备中，参考光源102提供参考光束，该参考光束被引向红外探测器件104。待成像物体100发出红外光束，该红外光束也被引向红外探测器件104。然后，红外探测器件104吸收所述待成像的物体100所发出的红外光束，并且透射或反射所述参考光束。光读出装置106根据经由所述红外探测器件104透射或反射后的所述参考光束，形成一图像。在此，术语“形成一个图像”，包括参考光束经红外探测器件透射或反射后可被探测到，例如可以经过透镜或透镜组进行成像，也可以不经过透镜组，直接投射到CMOS或C⑶等图像传感器上，或经过某种处理，例如光学滤波或者反射等，最后投射到CMOS或CCD等图像传感器上。其中，参考光源包括可见光、紫外线、近红外线、X射线等能成像的光源。具体地，参考光源102提供参考光束，该参考光束被引向所述红外探测器件104。应当指出，本红外成像设备之所以需要参考光束，将人眼不可见的红外图像转化为参考光图像，尤其是，当参考光为可见光或近红外光时，可形成人眼可见或CCD等成像器件可探测的图像，这与所述红外探测器件104的光学特性密切相关。例如，红外探测器件104中的每个像素对于参考光束的透过率(或称为透射率)与像素的温度有关，当像素的温度升高时，该像素对参考光束的透过率增大/减�。坏毕袼氐奈露冉档褪保孟袼囟圆慰脊馐耐腹氏嘤Φ丶跣�/增大。以基于MEMS (微机电系统)的红外传感器为例，其包括一个封装结构，其通常包括第一、二封装基底，以及红外焦平面阵列。第一封装基底的制成材料或第二封装基底的制成材料是对红外线透明、对参考光透明或者对红外线和参考光均透明的材料。当工作时，参考光与红外线同时入射在该红外传感器阵列上，其中透射或反射的参考光被C⑶或CMOS成像芯片接收。由于入射到红外传感器不同像素处的红外线光强不同，使得不同像素处的温度不同，导致各个像素产生与入射于其的红外线光强相应的形变，从而使得在不同像素处透射或反射的参考光的光强发生相应的变化，该变化被CCD或CMOS芯片所检测并成像，从而检测出入射到各像素上的红外线光强。本领域技术人员应能理解上述基于MEMS的红外传感器仅为举例，本发明应能适用于其他类型的红外传感器。
当待成像物体100所发出的红外光束被引向所述红外探测器件104时，红外探测
器件104上的每个像素的温度与待成像物体100中每点的温度--对应。此时，一束均匀稳
定的参考光束引向所述红外探测器件104时，其被该红外探测器件104所吸收，从而使该红外探测器件104上的不同像素在吸收所入射的红外光束后，其相对于参考光束的透射率或反射率发生改变，当光读出装置106接收经由所述红外探测器件104透射后的参考光束后，就可形成一幅图像，并且该图像中每个点的明暗变化对应地反映出待成像物体100的温度分布。此外，当来自参考光源102的参考光束引向红外探测器件104时，在不考虑光能量损失或吸收的情形下，射向同一像素的参考光束的透射部分和反射部分的光能量之和基本保持恒定，由此可知，该红外探测器件104上的不同像素在吸收所入射的红外光束后，其相对于参考光束的透射率发生改变时，其对于参考光束的反射率也不同。在一具体实施例中，光读出装置106还可接收经由所述红外探 测器件104反射后的参考光束，形成一幅图像，并且该图像中每个点的明暗变化对应地反映出待成像物体100的表面温度分布。优选地，所述参考光束的波长在IOOnm到1600nm之间。亦即，所述参考光束不仅涵盖波长范围大约介于390nm 770nm的可见光,还包括波长范围大约介于IOOnm 390nm之间的紫外光，以及波长范围在770nm 1600nm之间的近红外光。本领域的技术人员应当理解上述参考光束的波长范围的实验数据仅为举例，其他现有的或今后可能出现的参考光源出射的参考光束波长如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。图2a示出图1的红外成像设备的一优选实施例的光路示意图。参照图2a，所述红外成像设备包括分光片203、红外探测器件205、光读出装置、参考光源217。其中，光读出装置包括光读出透镜组207和CM0S/CXD光探测器209，该光读出透镜组207包括一个或多个透镜，用于会聚经由所述红外探测器件205透射的参考光束，并将会聚后的参考光束引向CM0S/C⑶光探测器，以便形成图像，优选地，当参考光为可见光或近红外光时，可形成人眼可见或(XD/CM0S等成像器件可探测的图像。本领域的技术人员应当理解上述光读出透镜组207内也可包含反射光学元件。分光片203对所述待成像物体所发出的红外光束以及来自所述参考光源217的参考光束进行合并或分离，透射其中的一光束并反射另一光束，以将所述红外光束与所述参考光束引入或引出同一光学器件。例如，分光片203透射来自红外透镜组201的红外光束，并且反射来自参考光源217的参考光束，并且将所透射的红外光束和所反射的参考光束引入所述红外探测器件205，其中，红外透镜组201对所述待成像的物体所发出的红外光束进行会聚，并将会聚后的红外光束引向所述红外探测器件205或经由所述分光片203引向所述红外探测器件205。在一具体实施例中，所述红外成像设备还包括准直装置，该准直装置对所述参考光源217出射的参考光束进行准直处理，以得到均匀稳定的参考光束，然后再将经准直处理后的准直参考光束引向所述红外探测器件205或经由所述分光片203引向所述红外探测器件205。例如，该准直装置包括透镜组215和反射镜组213。该透镜组215会聚所述参考光源217出射的参考光束。反射镜组213对所述经透镜组215会聚后的参考光束进行折叠，以将折叠后的参考光束引向所述红外探测器件205或经由所述分光片203引向所述红外探测器件205。当采用参考光束的折叠处理方式后，从参考光源217到所述红外探测器件205之间的空间距离将大大缩短，因而可使红外成像设备的体积小型化。又如，该准直装置包括反射镜组213和透镜组211。该反射镜组对所述参考光源217出射的参考光束进行折叠。透镜组211设置于反射镜组213的后端，会聚所述经反射镜组213折叠后的参考光束，并将会聚后的参考光束入射至所述红外探测器件205或经由所述分光片203引向所述红外探测器件205。再如，该准直装置包括透镜组215、反射镜组213和透镜组211，亦即，透镜组215和透镜组211间隔设置于该准直装置中，在透镜组215和透镜组211之间插设有反射镜组213。透镜组215会聚所述参考光源217出射的参考光束。反射镜组213设置于透镜组215的后端，对所述经透镜组215会聚后的参考光束进行折叠。透镜组211，设置于反射镜组213的后端，会聚所述经反射镜组213折叠后的参考光束，并将会聚后的参考光束入射至所述红外探测器件205或经由分光片203引向所述红外探测器件205。在此，反射镜组213包括一个或多个反射镜，例如，该反射镜用棱镜实现。类似地，透镜组211或215均包括一个或多个透镜，并且这些透镜连续设置或间隔设置于该准直装置中，当采用连续设置方式时，多个透镜之间没有反射镜，连续地设置从而对参考光束进行会聚。在另一具体实施例中，所述准直装置包括反射镜组(图中未示)，通过所述反射镜组对所述参考光束进行会聚、发散或折叠处理，以将会聚、发散或折叠处理后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。在又一具体实施例中，所述准直装置包括透镜组(图中未示)，通过所述透镜组对所述参考光束进行会聚或发散处理，以将会聚或发散后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。本领域的技术人员应当理解上述采用反射镜组、透镜组或者反射镜组和透镜组的组合来实现参考光束的准直处理的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的采用反射镜组、透镜组或者反射镜组和透镜组的组合来实现参考光束的准直处理的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。优选地，当所述反射镜组213的一个或多个反射镜采用棱镜的一个面时，在该棱镜的至少一个面上镀有针对所述参考光束的高反射膜，以便将所述镀有高反射膜的面作为反射镜。可替换地，当所述反射镜组213的一个或多个反射镜采用棱镜的一个面时，还可将所述棱镜的全反射面构成所述反射镜组213的至少一个反射镜。
优选地，所述反射镜组213包括曲面，利用该曲面来会聚或发散参考光束。例如，当该曲面为凹面时，入射的参考光束利用凹面的会聚特性来会聚参考光束。又如，当该曲面为凸面时，入射的参考光束利用凸面的发散特性来发射参考光束。如前所述，红外探测器件205中的每个像素对于参考光束的透过率(或称为透射率)与像素的温度有关。当待成像物体所发出的红外光束被引向所述红外探测器件205时，
红外探测器件205上的每个像素的温度与待成像物体中每点的温度--对应。一束均匀
稳定的参考光束引向所述红外探测器件205时，该红外探测器件上的不同像素在吸收所入射的红外光束后，其相对于参考光束的透射率或反射率发生改变，当光读出透镜组207和CM0S/CCD光探测器209接收经由所述红外探测器件205透射或反射后的参考光束，即可形成人眼可见或CM0S/CCD等成像器件可探测的图像。需要指出的是，在图2中，所述待成像物体所发出的红外光束和所述参考光源217出射的参考光束均于所述红外探测器件205的同一侧引向所述红外探测器件，但本发明的红外成像设备并不只局限于此，例如，在其它实施例中，所述红外光束从红外探测器件205的左侧射入所述红外探测器件205，而所述参考光束从所述红外探测器件205的右侧射入所述红外探测器件205，这种可替换实施例同样也包含于本发明的保护范围，并以引用方式包含于此。图2b示出图1的红外成像设备的又一优选实施例的光路示意图，其原理与图2a类似，但更加简化。参照图2b，所述红外成像设备包括分光片203、红外探测器件205、光读出装置、参考光源217。其中，光读出装置还包括放置于红外探测器件205后的CMOS或CXD光探测器209，经由所述红外探测器件205透射的参考光束，直接投射至CMOS或CXD光探测器形成图像。红外探测器205与CMOS或CXD光探测器209之间的间隙控制在O IOmm之间，以减少参考光透过红外探测器件205之后的衍射，形成清晰的投影。此外准直装置包括出光口调节装置218，该出光口调节装置使得参考光源217经由一定光程到达红外探测器件，通常这个光程小于或等于40cm，并限制所述参考光源的出光口直径，通常这个直径小于10_，因此其出射的参考光束有较小扩散角，形成近似准直参考光束，得到比较均匀稳定的参考光束。图2b中的准直方案和光读出方案也可分开使用，例如，准直方案采用图2b中不加透镜的方案，即仅包括出光口调节装置218，而在红外探测器件205和CMOS或CXD光探测器209之间可采用透镜成像的方式；又如，准直方案还可采用透镜准直，而红外探测器件205可直接放置在CMOS或CCD探测器209之前，两者之间不加透镜。以此类推。图3示出图1的红外成像设备的另一优选实施例的光路示意图。参照图3，所述红外成像设备包括分光片303、红外探测器件305、光读出装置、参考光源317。其中，光读出装置包括光读出透镜组307和CM0S/CCD光探测器309，该光读出透镜组307包括一个或多个透镜，用于会聚经由所述红外探测器件305透射的参考光束，并将会聚后的参考光束引向CM0S/CXD光探测器309，以便形成人眼可见或CM0S/CXD等成像器件可探测的图像。在图3中，红外探测器件305和参考光源317分别与图2中的红外探测器件205和参考光源217相同或相类似，为描述方便起见，在此不再赘述。分光片303对所述待成像物体所发出的红外光束以及来自所述参考光源317的参考光束进行合并或分离，透射其中的一光束并反射另一光束，以将所述红外光束与所述参考光束引入或引出同一光学器件。与图2中的所述分光片203透射红外光束且反射参考光束不同，图3中的所述分光片303透射参考光束且反射红外光束。例如，分光片303透射来自参考光源317的参考光束，并且反射来自红外透镜组301的红外光束，从而将所反射的红外光束和所透射的参考光束引入所述红外探测器件305，其中，红外透镜组301对所述待成像的物体所发出的红外光束进行会聚，并将会聚后的透射红外光束引向所述红外探测器件305或经由所述分光片303引向所述红外探测器件305。优选地，所述红外成像设备还包括准直装置，该准直装置对所述参考光源317出射的参考光束进行准直处理，以得到均匀稳定的参考光束，然后再将经准直处理后的准直参考光束引向所述红外探测器件305或经由所述分光片303引向所述红外探测器件305。在一具体实施例中，该准直装置包括透镜组315和反射镜组313。该透镜组315会聚所述参考光源317出射的参考光束。反射镜组313对所述经透镜组315会聚后的参考光束进行折叠，以将折叠后的参考光束引向所述红外探测器件305或经由所述分光片303引向所述红外探测器件305。当采用参考光束的折叠处理方式后，从参考光源317到所述红外探测器件305之间的空间距离将大大缩短，因而可使红外成像设备的体积小型化。在另一具体实施例中，该准直装置包括反射镜组313和透镜组311。该反射镜组对所述参考光源317出射的参考光束进行折叠。透镜组311设置于反射镜组313的后端，会聚所述经反射镜组313折叠后的参考光束，并将会聚后的参考光束入射至所述红外探测器件305或经由所述分光片303引向所述红外探测器件305。在又一具体实施例中，该准直装置包括透镜组315、反射镜组313和透镜组311。透镜组315会聚所述参考光源317出射的参考光束。反射镜组313设置于透镜组315的后端，对所述经透镜组315会聚后的参考光束进行折叠。透镜组311设置于反射镜组313的后端，会聚所述经反射镜组313折叠后的参考光束，并将会聚后的参考光束入射至所述红外探测器件305或经由分光片303引向所述红外探测器件305。在此，反射镜组313包括一个或多个反射镜，例如，该反射镜用棱镜实现。类似地，透镜组311或315均包括一个或多个透镜，并且这些透镜连续设置或间隔设置于该准直装置中，当采用连续设置方式时，多个透镜之间没有反射镜，连续地设置从而对参考光束进行会聚。在另一具体实施例中，所述准直装置包括反射镜组(图中未示)，通过所述反射镜组对所述参考光束进行会聚、发散或折叠处理，以将会聚、发散或折叠处理后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。在又一具体实施例中，所述准直装置包括透镜组(图中未示)，通过所述透镜组对所述参考光束进行会聚或发散处理，以将会聚或发散后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。本领域的技术人员应当理解上述采用反射镜组、透镜组或者反射镜组和透镜组的组合来实现参考光束的准直处理的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的采用反射镜组、透镜组或者反射镜组和透镜组的组合来实现参考光束的准直处理的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。优选地，当所述反射镜组313的一个或多个反射镜采用棱镜的一个面实现时，在该棱镜的至少一个面上镀有针对所述参考光束的高反射膜，以便将所述镀有高反射膜的面作为反射镜。可替换地，当所述反射镜组313的一个或多个反射镜采用棱镜的一个面时，还可将所述棱镜的全反射面构成所述反射镜组313的至少一个反射镜。优选地，所述反射镜组313包括曲面，利用该曲面来会聚或发散参考光束。例如，当该曲面为凹面时，入射的参考光束利用凹面的会聚特性来会聚参考光束。又如，当该曲面为凸面时，入射的参考光束利用凸面的发散特性来发射参考光束。图4示出图1的红外成像设备的又一优选实施例的光路示意图。参照图4，所述红外成像设备包括分光片403、红外探测器件405、光读出装置、参考光源417。其中，光读出装置包括CM0S/CXD光探测器409，用于将红外探测器件405透射后的参考光束经由分光片403引向CM0S/C⑶光探测器409，以便形成人眼可见或CM0S/C⑶等成像器件可探测的图像。在图4中，红外探测器件405和参考光源417分别与图3中的红外探测器件305和参考光源317相同或相类似，为描述方便起见，在此不再赘述。参照图4，所述待成像的物体所发出的红外光束位于所述红外探测器件405的一侦牝从所述参考光源417出射的参考光束位于所述红外探测器件405的另一侧，当所述参考光束沿与所述红外光束相对(例如完全相对或具有一定角度)的方向引向所述红外探测器件405时，分光片403透射所述待成像的物体所发出的红外光束，并且反射经所述红外探测器件405透射后的参考光束。CMOS/C⑶光探测器409根据从所述红外探测器件405透射并且经由分光片403反射的参考光束形成一个图像。其中，红外透镜组401对所述待成像的物体所发出的红外光束进行会聚，并将会聚后的透射红外光束经由所述分光片403引向所述红外探测器件405。优选地，所述红外成像设备还包括准直装置，该准直装置对所述参考光源417出射的参考光束进行准直处理，以得到均匀稳定的参考光束，然后再将经准直处理后的准直参考光束引向所述红外探测器件405。在一具体实施例中，该准直装置包括透镜组415，利用该透镜组415会聚所述参考光源417出射的参考光束。图5示出图1的红外成像设备的再一优选实施例的光路示意图。参照图5，所述红外成像设备包括分光片503、红外探测器件505、光读出装置、参考光源517。其中，光读出装置包括CM0S/CXD光探测器509，用于将红外探测器件505透射后的参考光束经由分光片503引向CM0S/C⑶光探测器509，以便形成人眼可见或CM0S/C⑶等成像器件可探测的图像。在图5中，红外探测器件505和参考光源517分别与图3中的红外探测器件305和参考光源317相同或相类似，为描述方便起见，在此不再赘述。参照图5，所述待成像的物体所发出的红外光束位于所述红外探测器件505的一侦牝从所述参考光源517出射的参考光束位于所述红外探测器件505的另一侧，当所述参考光束沿与所述红外光束相对(例如完全相对或具有一定角度)的方向引向所述红外探测器件505时，分光片503反射所述待成像的物体所发出的红外光束，并且透射经所述红外探测器件505透射后的参考光束。CM0S/CXD光探测器509根据从所述红外探测器件505透射并且经由分光片503透射的参考光束形成一个图像。其中，红外透镜组501对所述待成像的物体所发出的红外光束进行会聚，并将会聚后的透射红外光束经由所述分光片503引向所述红外探测器件505。优选地，所述红外成像设备还包括准直装置，该准直装置对所述参考光源517出射的参考光束进行准直处理，以得到均匀稳定的参考光束，然后再将经准直处理后的准直参考光束引向所述红外探测器件505。在一具体实施例中，该准直装置包括透镜组515，利用该透镜组515会聚所述参考光源517出射的参考光束。以上结合图1 图5详细描述了本发明的红外成像设备的光路示意图。然而，在光读出红外成像设备中的各光学元件的安装和定位也同样关键，例如，当透镜和反射镜的位置出现变动时，由参考光源出射的参考光束的稳定性将会受到影响，或读出光路的物像位置关系将会发生变化。为了说明本发明的红外成像设备的安装和定位特点，图6示出图1的红外成像设备采用定位夹具进行安装和定位的状态示意图。参照图6，所述红外成像设备还包括定位座和多个夹具，这些夹具设置在所述定位座上，利用定位座和夹具的配合定位红外成像设备中的各光学元件。例如，所述定位座和所述夹具采用相同材料制成，用来制作所述定位座和所述夹具的材料为铝或铝合金。在一具体实施例中，定位座具有多个凹槽，并且多个夹具中的每一夹具在靠近所述定位座的一端相应地具有一凸出部，通过所述定位座的凹槽和所述夹具的凸出部之间的配合来定位所述夹具，从而定位所述夹具中所安装的红外探测器件、参考光源、分光片、准直系统和/或光读出装置。在另一具体实施例中，定位座具有多个凸起，并且多个夹具中的每一夹具在靠近所述定位座的一端相应地具有一凹槽，通过所述定位座的凸起和所述夹具的凹槽之间的配合来定位所述夹具，从而定位所述夹具中所安装的红外探测器件、参考光源、分光片、准直装置和/或光读出装置。优选地，每一夹具中包括一个或多个光学元件。例如，在图6中，夹具I的内部安装有一透镜，而夹具2的内部安装有参考光源、透镜和反射镜。在其他实施例中，可将在夹具2的内部仅安装参考光源，并利用另外的夹具来安装透镜和反射镜。优选地，所述分光片、所述红外探测器件、所述参考光源、所述准直装置或所述光读出装置用胶固定于所述夹具。优选地，所述每一夹具还包括调节装置(图中未示)，该调节装置用来调节所述夹具中对应的光学组件的高度，以便所述多个夹具中各自的光学组件的光学中心对准于同一光轴。此外，为了提高所述红外成像设备的图像质量，在其他实施例中，还可将包含光路的夹具内表面处理成黑色，或者在包含光路的至少一个夹具内使用消光螺纹。图7示出依据本发明的另一个方面的基于光读出红外探测的红外成像方法的流程框图。其中，用于实现光读出红外探测的红外成像设备包括参考光源、红外探测器件和光读出装置。在所述红外成像设备中，参考光源提供参考光束，该参考光束被引向红外探测器件。待成像物体发出红外光束，该红外光束也被引向红外探测器件。然后，红外探测器件吸收所述待成像的物体所发出的红外光束，并且透射或反射所述参考光束。光读出装置根据经由所述红外探测器件透射或反射后的所述参考光束，形成一图像。参照图7，在该红外成像方法中，首先，执行步骤SI，将待成像的物体所发出的红外光束引向所述红外探测器件。例如，所述红外成像设备利用红外透镜组，对所述待成像的物体所发出的红外光束先进行会聚，然后再将会聚后的红外光束引向所述红外探测器件。然后，执行步骤S2，将所述参考光束引向所述红外探测器件。例如，由参考光源出射一均匀稳定的参考光束，然后所述参考光束直接射入所述红外探测器件。需要指出的是，步骤SI和步骤S2分别将所述红外光束和所述参考光束引向所述红外探测器件，步骤之间并无明确的先后顺序，在此，采用步骤SI将红外光束引向所述红外探测器件而采用步骤S2将参考光束引向所述红外探测器件仅为示意性的举例。接着，在步骤S3中，所述红外探测器件吸收所述红外光束并透射或反射一部分所述参考光束。具体地，所述红外探测器件吸收所述红外光束，以便使诸如红外焦平面阵列的所述红外探测器件上的每个像素的温度对应于所述待成像物体的每一点的温度。由于不同像素在吸收所入射的红外光束后，其相对于参考光束的透射率或反射率发生改变，因而所述红外探测器件对于参考光束的透射部分和反射部分的比例也是不同的。最后，在步骤S4中，根据经由所述红外探测器件透射或反射的所述参考光束形成一个图像。例如，所述红外成像设备的光读出装置根据经由所述红外探测器件透射的参考光束形成一图像。又如，所述红外成像设备的光读出装置根据经由所述红外探测器件反射的参考光束形成一图像。优选地，所述步骤SI还包括将待成像的物体所发出的红外光束经由分光片引向该红外探测器件，以及所述步骤S2包括将所述参考光束经由所述分光片引向所述红外探测器件，其中，所述分光片对所述待成像的物体所发出的红外光束以及所述参考光束进行合并或分离，透射其中的一光束并反射另一光束，以将所述红外光束与所述参考光束引入所述红外探测器件。例如，分光片透射所述红外光束和反射所述参考光束，并且将所透射的红外光束和所反射的参考光束引入所述红外探测器件。又如，分光片透射所述参考光束和反射所述红外光束，并且将所透射的参考光束和所反射的红外光束引入所述红外探测器件。优选地，所述步骤S2还包括将所述参考光束经由分光片沿与所述红外光束相对的方向引向所述红外探测器件。例如，所述待成像物体所发出的红外光束从所述红外探测器件的左侧射入所述红外探测器件，而所述参考光源出射的参考光束从所述红外探测器件的右侧射入所述红外探测器件，从而所述参考光束引向所述红外探测器件的方向与所述红外光束引向所述红外探测器件的方向相对。又如，所述待成像物体所发出的红外光束从所述红外探测器件的上侧射入所述红外探测器件，而所述参考光源出射的参考光束从所述红外探测器件的下侧射入所述红外探测器件，从而所述参考光束引向所述红外探测器件的方向与所述红外光束引向所述红外探测器件的方向相对。更优选地，该方法还包括步骤S5 (图中未示)，在步骤S5中，所述光读出装置根据所述红外探测器件反射的参考光束形成一个图像；或者根据所述红外探测器件透射的参考光束形成一个图像。优选地，该方法还包括步骤S6(图中未示)，在步骤S6中，利用所提供的诸如发光二极管的参考光源出射的所述参考光束进行准直处理，以获得准直参考光束，然后在步骤S2中，将所述准直参考光束引向所述红外探测器件。例如，所述步骤S6还包括:使所述参考光源出射的参考光束通过第一透镜组进行会聚，然后使所述经第一透镜组会聚后的参考光束通过第一反射镜组进行折叠，并将折叠后的参考光束引向所述分光片或所述红外探测器方向。又如，所述步骤S6还包括使所述参考光源出射的参考光束通过第二反射镜组进行折叠，以将经由所述第二反射镜组折叠后的参考光束引向所述分光片或所述红外探测器方向，然后使所述经由第二反射镜组折叠后的参考光束通过第二透镜组进行会聚，并将会聚后的参考光束入射至所述分光片或红外探测器方向。再如，所述步骤S6还包括使所述参考光源出射的参考光束通过第三透镜组进行会聚，然后使所述经由第三透镜组会聚后的参考光束通过第三反射镜组进行折叠，最后使所述经由第三反射镜组折叠后的参考光束通过第四透镜组进行会聚，并将会聚后的参考光束入射至所述分光片或红外探测器方向。在一具体实施例中，上述步骤S6还包括:对所述参考光束进行会聚、发散或折叠处理，以将会聚、发散或折叠处理后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。在另一具体实施例中，上述步骤S6还包括:对所述参考光束进行会聚或发散处理，以将会聚或发散后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。本领域的技术人员应当理解上述对所述参考光束进行准直处理的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的对所述参考光束进行准直处理的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此夕卜，显然“包括” 一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
权利要求
1.一种基于光读出红外探测的红外成像设备，其中，所述红外成像设备包括: 参考光源，用于提供参考光束，其被引向红外探测器件； 红外探测器件，用于吸收待成像的物体所发出的红外光束，并且透射或反射所述参考光束； 光读出装置，用于根据经由所述红外探测器件透射或反射后的所述参考光束，形成一图像。
2.根据权利要求1所述的红外成像设备，其中，还包括分光片，用于对所述待成像的物体所发出的红外光束以及所述参考光束进行合并或分离，透射其中的一光束并反射另一光束，以将所述红外光束与所述参考光束引入或引出同一光学器件。
3.根据权利要求1或2所述的红外成像设备，其中，还包括红外透镜组，用于对所述待成像的物体所发出的红外光束进行会聚，并将经会聚后的红外光束引向所述红外探测器件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的红外成像设备，其中，所述光读出装置包括光读出透镜组与CMOS或CXD光探测器，经由所述红外探测器件透射的参考光束，通过所述光读出透镜组之后在该CMOS或CXD光探测器成像。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的红外成像设备，其中，所述光读出装置包括放置于所述红外探测器件后的CMOS或CCD光探测器，经由所述红外探测器件透射的参考光束，直接投射到该CMOS或CCD光探测器形成图像，其中，所述红外探测器件与该CMOS或CCD光探测器之间的间隙小于10mm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像设备，其中，还包括准直装置，用于对所述参考光源出射的参考光束进行准直处理，并将经准直处理后的准直参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。
7.根据权利要求6所述的红外成像设备，其中，所述准直装置包括出光口调节装置，该出光口调节装置将所述参考光源的出光口直径限制在10_内，并使得所述参考光源至所述红外探测器件的光程小于或等于40cm。
8.根据权利要求6或7所述的红外成像设备，其中，所述准直装置还包括反射镜组，通过所述反射镜组对所述参考光束进行会聚、发散或折叠处理，以将会聚、发散或折叠处理后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的红外成像设备，其中，所述准直装置还包括透镜组，通过所述透镜组对所述参考光束进行会聚或发散处理，以将会聚或发散后的参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。
10.根据权利要求9所述的红外成像设备，其中，所述透镜组包括一个或多个透镜，并且所述一个或多个透镜连续设置或间隔设置于所述准直装置中。
11.根据权利要求8至10中任意一项所述的红外成像设备，其中，所述反射镜组包括一个或多个反射镜，并且所述一个或多个反射镜连续设置或间隔设置于所述准直装置中。
12.根据权利要求8至11中任意一项所述的红外成像设备，其中，所述反射镜组中的至少一反射镜为棱镜的一个面。
13.根据权利要求12所述的红外成像设备，其中，在所述棱镜的至少一个面上镀有针对所述参考光束的高反射膜，以将所述镀高反射膜的面构成所述反射镜组中的一个反射镜。
14.根据权利要求12所述的红外成像设备，其中，将所述棱镜的全反射面构成所述反射镜组中的一个反射镜。
15.根据权利要求8至14中任意一项所述的红外成像设备，其中，所述反射镜组包括曲面，用于会聚或发散光束。
16.根据权利要求1至15中任意一项所述的红外成像设备，其中，还包括: 定位座，具有多个凹槽/凸起； 多个夹具，设置于所述定位座上，并且每一夹具内分别用于安装所述分光片、所述红外探测器件、所述参考光源、所述准直装置或所述光读出装置； 其中，所述多个夹具中的每一夹具靠近所述定位座的一端相应地具有一凸出部/凹槽，通过所述凹槽/凸起与相应的所述凸出部/凹槽之间的配合来定位所述夹具。
17.根据权利要求16所述的红外成像设备，其中，所述分光片、所述红外探测器件、所述参考光源、所述准直装置或所述光读出装置用胶固定于所述夹具。
18.根据权利要求16或17所述的红外成像设备，其中，所述每一夹具还包括调节装置，用于调节所述夹具中对应光学组件的高度，以便所述多个夹具中各自的光学组件的光学中心对准于同一光轴上。
19.根据权利要求16至18中任意一项所述的红外成像设备，其中，在包含光路的夹具内表面处理成黑色。
20.根据权利要求16至19中任意一项所述的红外成像设备，其中，在包含光路的至少一个夹具内使用消光螺纹。
21.根据权利要求16至20中任意一项所述的红外成像设备，其中，所述定位座和所述夹具采用相同材料制成。
22.根据权利要求21所述的红外成像设备，其中，用来制作所述定位座和所述夹具的材料为招或招合金。
23.根据权利要求1至22中任意一项所述的红外成像设备，其中，所述红外探测器件包括红外焦平面阵列。
24.根据权利要求1至23中任意一项所述的红外成像设备，其中，所述参考光束的波长在IOOnm到1600nm之间。
25.一种基于光读出红外探测的红外成像方法，其中，该红外成像方法包括以下步骤: a将待成像的物体所发出的红外光束引向红外探测器件； b将参考光束引向所述红外探测器件； c所述红外探测器件吸收所述红外光束并透射或反射一部分所述参考光束； d根据经由所述红外探测器件透射或反射的所述参考光束形成一个图像。
26.根据权利要求25所述的红外成像方法，其中，所述步骤a包括: -将待成像的物体所发出的红外光束经由分光片引向该红外探测器件。
27.根据权利要求26所述的红外成像方法，其中，所述步骤b还包括: -将所述参考光束经由所述分光片引向所述红外探测器件； 其中，所述分光片用于对所述待成像的物体所发出的红外光束以及所述参考光束进行合并或分离，透射其中的一光束并反射另一光束，以将所述红外光束与所述参考光束引入所述红外探测器件。
28.根据权利要求27所述的红外成像方法，其中，所述步骤d还包括: -根据所述红外探测器件反射的参考光束形成一个图像。
29.根据权利要求27所述的红外成像方法，其中，所述步骤d还包括: -根据所述红外探测器件透射的参考光束形成一个图像。
30.根据权利要求26所述的红外成像方法，其中，所述步骤b还包括: -将所述参考光束沿与所述红外光束相对的方向引向所述红外探测器件； 其中，所述分光片用于对所述待成像的物体所发出的红外光束以及经所述红外探测器件透射后的参考光束进行分离，透射其中的一光束并反射另一光束。
31.根据权利要求30所述的红外成像方法，其中，所述步骤d还包括: -根据从所述红外探测器件透射并且经由所述分光片反射的参考光束形成一个图像。
32.根据权利要求30所述的红外成像方法，其中，所述步骤d还包括: -根据从所述红外探测器件透射并且经由所述分光片透射的参考光束形成一个图像。
33.根据权利要求25至32中任一项所述的红外成像方法，其中，还包括: -使所述待成像的物体发出的红外光束通过红外透镜组进行会聚； 其中，所述步骤a还包括:` -将经由所述红外透镜组会聚后的红外光束引向所述分光片； -将经由所述分光片的红外光束引向所述红外探测器。
34.根据权利要求25至33中任意一项所述的红外成像方法，其中，该方法还包括: -利用一参考光源来提供所述参考光束； fl对所述参考光源出射的所述参考光束进行准直处理，以获得准直参考光束； 其中，所述步骤b还包括: -将所述准直参考光束引向所述红外探测器。
35.根据权利要求34所述的红外成像方法，其中，所述步骤fl还包括: -对所述参考光束进行会聚、发散或折叠处理，以将会聚、发散或折叠处理后的所述参考光束引向所述红外探测器件或经由所述分光片引向所述红外探测器件。
36.根据权利要求35所述的红外成像方法，其中，所述方法还包括: -提供一个或多个透镜，其中，所述一个或多个透镜连续设置或间隔设置； 其中，所述步骤fl还包括: -利用所述一个或多个透镜对所述参考光束进行会聚或发散处理。
37.根据权利要求35或36所述的红外成像方法，其中，所述方法还包括: -提供一个或多个反射镜，其中，所述一个或多个反射镜连续设置或间隔设置； 其中，所述步骤fl还包括: -利用所述一个或多个反射镜对所述参考光束进行会聚、发散或折叠处理。
38.根据权利要求37所述的红外成像方法，其中，所述一个或多个反射镜中的至少一反射镜为棱镜的一个面。
39.根据权利要求25至38中任意一项所述的红外成像方法，其中，该红外成像器件包括红外焦平面阵列。
40.根据权利要求25至39中任意一项所述的红外成像方法，其中，所述参考光束的波长位于IOOnm到1600nm之间。
41.根据权利要求34至40中任意一项所述的红外成像方法，其中，所述参考光源为发光二极 管。
全文摘要
本发明提供一种基于光读出红外探测的红外成像设备及其方法。该红外成像设备包括参考光源，用于提供参考光束；红外探测器件，用于吸收待成像的物体所发出的红外光束，透射或反射所述参考光束；光读出装置，用于根据经由所述红外探测器件透射或反射后的所述参考光束，形成一图像。与现有技术相比，本发明将红外光束引向红外探测器件并被其吸收，以使得该红外探测器件上的不同像素在吸收入射的红外光束后，其相对于参考光束的透射率或反射率发生改变，进而利用光读出装置形成一图像，从而把不可见的红外景象成功转化为参考光图像。此外，所述红外成像设备还对红外光束和/或参考光束使用了光路折叠技术，以大大减小了整个红外成像设备的体积。
文档编号G01J5/20GK103185639SQ20121057280
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月25日 优先权日2011年12月27日
发明者吴建华, 沈憧棐, 陈学枝 申请人:上海巨哥电子科技有限公司
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