技术领域
[0001] 本
发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种基于编码孔径的红外成像装置。
背景技术
[0002] 自然界中，
温度高于
绝对零度的一切物体，总是在不断地发射红外
辐射。这种红外辐射是基于任何物体自身的分子和
原子在一般环境下会不停地无规则运动，同时辐射出红外线。物体分子和原子的运动越剧烈，辐射的射线
能量越高，
波长越短。从宏观上来讲，即物体的温度越高，红外辐射能量越高。探测并收集这些红外辐射，就可以得到
环境温度分布的热图像。
[0003] 红外成像系统从成像方法主要分为两大类：主动式红外成像系统和被动式红外成像系统。前者系统内置红外
光源，利用不同物体对红外辐射的不同反射来成像。后者是利用物体自然发射的红外辐射来成像。本发明的基于编码孔径的红外成像装置属于被动式红外成像系统，即红外热成像系统。
[0004] 红外热成像的原理是物体辐射出的红外线载有物体的温度特征信息，这个信息可以用来判别各种被测目标的温度高低，并得到环境的热分布场。因此通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率
信号转换成
电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间
位置分布，最后经系统处理，形成热图像
视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。
[0005] 另外，
编码孔径成像是一种公知的成像技术，主要应用在
放射性射线成像领域中，如
X射线和γ射线成像。编码孔径成像利用了和小孔成像相似的原理，只是编码孔径成像使用的是孔径阵列而非单一小孔径。孔径阵列上的每个孔径将场景的图像投影到探测器阵列上，因此探测器阵列处获得的图案是一系列重叠的图像。经过数学处理可以由该重叠的图像获得原始场景的图像。图像重建的过程需要使用编码孔径阵列的知识。编码孔径成像系统探测器阵列处所获得的信号可以被描述为编码阵列的编码函数与场景的强度分布函数的卷积加上某个噪声。因此，通过对探测器阵列获得的投影重叠图像的去卷积可以恢复场景图像。
[0006]
现有技术中，传统的红外热成像系统主要由四部分组成：光学系统部分、红外探测器部分、
电子信号处理部分和
图像处理显示部分。系统的主要工作原理是：被测环境的红外辐射经由光学系统接收，其中的
光谱滤波将红外辐射能量分布图形投影到焦平面上的红外探测器阵列的各光敏单元上，红外探测器是红外辐射能的接收器，常用的材料是碲镉汞(HgCdTe)，它通过光电转换作用，将接收的红外辐射能量变为电信号。再由探测器偏置与前置放大的输入
电路输出所需的放大信号，并传输到读出电路。电子信号处理部分包括：前置放大、主放、自动增益控制、限制带宽、检波、鉴幅、多路传输和线性变换。读出电路执行稠密的线阵或面阵红外焦平面阵列的信号积分、传输、处理和扫描输出，并进行
模数转换，最后送入计算机作图像处理。
[0007] 由于被测目标物体各部分的红外辐射的热像分布信号非常弱，缺少可见光图像那种层次和立体感，因而需进行一些图像
亮度与
对比度的控制、实际校正与彩色描绘等处理。经过处理的信号送入到视频信号形成部分进行D/A转换并形成标准的视频信号，最后通过电视屏或监视器显示被测目标的红外热像图。
[0008] 传统的红外热成像系统的光学系统采用透镜系统实现汇聚光束和光谱滤波的功能。光学系统包括物镜系统(透镜)和辅助光学系统(场镜、光锥、中继光学系统等)。采用
光学透镜的红外成像系统相对于采用光学透镜的可见光成像系统具有通光孔径和相对孔径大，工作波段宽，像差校正困难等问题。另外，由于透镜系统的尺寸限制，为了获取大范围的环境图像需要采用光机扫描的方法来
覆盖总视场。通常的光机扫描部件有摆动平面镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜、旋转折射光模等。它们单独或组合成为常用的几种扫描机构。根据多元探测器的排列方式及其与光机扫描的协调配合情况，又可将成像系统细分为串扫型、并扫型、串并扫型三种。按扫描的体制，红外热成像系统可分为“光机扫描”、“电扫描”(固态自扫描和电子束扫描均属电扫描)和“光机扫描+电扫描”三种类型。
[0009] 现有技术的一种光机扫描红外成像装置的原理图如图1，该红外成像装置包括物镜3、摆动扫描镜4、探测器阵列6、读出电路7和视频信号处理器8。现有技术的光机扫描成像装置，可将物平面1上的Y形物2，经过物镜3和摆动扫描镜4，在探测器阵列6上成像，经过读出电路7，生成图像信号而由视频信号处理器8进行处理。
[0010] 由以上可知，现有的红外热成像系统采用光学系统接收红外辐射，很难同时实现高灵敏度、大视场、高空间
分辨率和快
帧频。另外存在像差校正困难，透镜尺寸不能做得很大等问题；
[0011] 而且，现有技术的红外成像系统的成本往往主要是由红外焦平面阵列决定的，红外探测器价格昂贵。另外为了获得较好的图像使用制冷红外探测器，一般需要保持在低温(一般为77K)，制冷机的存在使系统体积庞大笨重。
[0012] 基于上述，需要开发一种能够集成现有技术优点，又能克服传统红外成像系统缺点的红外成像装置。
发明内容
[0013] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低成本和低复杂度成像器件结合构成的基于编码孔径的红外成像装置。
[0014] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0015] 一种基于编码孔径的红外成像装置，包括编码孔径掩模、光转换元件、光电探测器和电子信号采集处理器；
[0016] 所述编码孔径掩模，其每一孔径允许红外线到达所述光电探测器，而所述编码孔径掩模的剩余部分阻挡红外线到达所述光电探测器；
[0017] 所述光转换元件，设置于所述编码孔径掩模与所述光电探测器之间，以将所述红外光转换为可见光；
[0018] 所述光电探测器，将所述可见光转换为电信号；
[0019] 所述电子信号采集处理器，将所述光电探测器输出的电信号采集并处理输出。
[0020] 本发明的有益效果在于：
[0021] 1)本发明的基于编码孔径的红外成像装置，采用编码孔径掩模替代现有红外成像系统的光学透镜系统，具有无限的景深，不需要聚焦，不需要像差校正，通过解码重建即可得到热图像。
[0022] 2)本发明的基于编码孔径的红外成像装置，结构简单，能够选择大单元尺寸和高编码数，可以实现大视场和高空间分辨率。
[0023] 3)本发明的基于编码孔径的红外成像装置，采用可见
光探测器阵列的光电探测器，可以有效降低红外成像系统成本以及实现快帧频成像。
附图说明
[0024] 图1为现有技术的光机扫描红外成像装置原理图。
[0025] 图2为本发明
实施例的基于编码孔径的红外成像装置的结构示意图。
[0026] 图3为本发明实施例的基于编码孔径的红外成像装置的系统数据
流程图。
[0027] 图4为本发明实施例的基于编码孔径的红外成像装置的编码孔径掩模的示意图。
具体实施方式
[0028] 以下根据本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0029] 下面介绍本发明实施例的红外成像装置：
[0030] 如图2所示，本实施例的红外成像装置，包括编码孔径掩模1、上转换发光材料涂层2、光导3、光电探测器4、电子信号采集处理器5以及
数据处理与显示装置(图中未示出)。
[0031] 如图3所示，本实施例的红外成像装置，其工作原理为，红外线经过编码孔径掩模1投影在上转换发光材料涂层2上，上转换材料涂层2将投影到其表面的红外光转换为可见光，经由光导3传输到光电探测器4上，光电探测器4将可见
光信号转变为电信号输出到电子信号采集处理器5的读出电路，最后输出到数据处理与显示装置实现数据处理和图像重建，最终得到红外热图像。
[0032] 数据处理与显示装置，通常由计算机实现，连接于电子信号采集处理器5的输出端。
[0033] 本实施例的红外成像装置，选用固定的编码孔径掩模。以掩模作为孔径阵列的每一个孔径都允许红外线从场景通过它到达光电探测器4，或者说是光电探测器阵列4。相应地，掩模的剩余部分阻挡红外线到达光电探测器阵列4。编码孔径中的孔径意味着能否通过红外线，并不意味着物理开孔。另外，编码孔径掩模1，可以选用如图4所示的43*41URA编码孔径掩模，也可以选用59*59URA编码孔径掩模。
[0034] 现有技术的红外成像系统使用的光学组件尺寸一般较小，因此不能实现大尺寸单元。但是本发明实施例的红外成像装置，使用相对大的编码孔径掩模1时，并不会带来技术上的很大难度或者成本的明显提高。另外，对于光电探测器4，也可采用大面积阵列可见光探测器或将小面积可见光探测器拼接成大面积阵列。
[0035] 上转换发光材料涂层2的作用是将红外光转换为可见光，这种材料又称为反Stokes材料。所谓的反Stokes效应是指利用稀土离子自身的能级特性，吸收多个低能量的长波辐射，经多
光子加和后发射出高能量的短波辐射的一种现象。上转换发光材料主要应用在激光技术、光纤通讯技术、
纤维放大器、光信息存储和显示等领域。对于上转换发光材3+
料2所使用的材质，例如为Yb ：Cs3R2X9等掺稀土元素的固体化合物，其能将1.5微米的红外光转换至可见光区域。本发明中，上转换发光材料涂层2也可以是其他形式的将红外光转换为可见光的光转换元件。
[0036] 光导3的作用是将上转换发光材料涂层2所转换的可见光汇聚到光电探测器4表面，因此，光导3的入射面的面积大于出射面的面积。另外，本发明实施例的红外成像装置，也可以不使用光导3，而直接将上转换发光材料涂层2直接
镀在光电探测器4的外表面玻璃上。
[0037] 对于光电探测器4，可见光的探测器阵列技术主要可以选用互补金属
氧化物(CMOS)和电荷
耦合器件(CCD)。两种技术都很成熟，数百万或千万
像素级阵列都是可用的，价格低且稳定。其中CCD有很高的灵敏度和低噪声，集成度很高(像素间距小于2微米)。
[0038] 对于计数率，与X射线和γ射线等放射性编码孔径成像具有低计数率的特性不同，本发明实施例的红外成像装置，光电探测器4接收到的计数率较高，因此成像系统能在较短的时间内累计一定计数并进行图像重建。探测器阵列接收的计数可以看成是许多孔径投影的
叠加。场景也可以看成是由很多点光源组成的。令O(x，y)表示场景的光分布函数，A(x，y)表示编码孔径函数(透光为1，不透光为0)，则记录的编码图像P(x，y)可以表示成：
[0039] P(x，y)＝O(x，y)※A(x，y)+N(x，y)，其中，※为卷积运算符，N(x，y)为信号的无关噪声。
[0040] 从光电探测器4接收到的计数分布可以得到P(x，y)。对于编码孔径掩模1的不同的编码孔径的排列有不同的解码函数，对于固定的编码孔径掩模1有与之相对应的唯一解码函数G(x，y)，使A(x，y)※G(x，y)为δ脉冲函数。则重建图像：
[0041] O*(x，y)＝P(x，y)※G(x，y)＝O(x，y)※[A(x，y)※G(x，y)]+N(x，y)※G(x，y)＝O(x，y)+N(x，y)※G(x，y)
[0042] 综上所述，本发明的基于编码孔径的红外成像装置，以低成本和低复杂度成像器件结合构成一种新的红外成像系统，同时实现大视场、高空间分辨率和快帧频。而且本发明的基于编码孔径的红外成像装置，使用编码孔径掩模取代光学元件成像，不引入任何像差。
[0043] 虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在所附
权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为所附权利要求所涵盖。
