專利名稱：推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像裝置，具體地說是一種超高分辨率大型紅外光電成像系統(tǒng)焦平面空間變換及處理系統(tǒng)，其優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，減小成像系統(tǒng)體積和質(zhì)量，尤其適合各種平臺上大型監(jiān)測、對空監(jiān)視和對地遙感光電成像系統(tǒng)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
紅外探測已成為大型監(jiān)測、對空監(jiān)視和對地遙感光電成像系統(tǒng)重要手段之一。在高分辨率、大視場紅外成像中，推掃作為一種先進技術(shù)得到了人們的關(guān)注。例如導彈預(yù)警衛(wèi)星要求采用6000長線陣列探測器完成一維成像，通過擺動掃描機構(gòu)實現(xiàn)另外一維成像，這樣的模式可以提供快速的區(qū)域覆蓋。在偵察中，希望以推掃的方式高效率的獲得地面景物圖象，推掃方式在高分辨率系統(tǒng)中的優(yōu)越性早在法國的SPOT系列得到了明確的證明。空間分辨率10米，刈幅寬度80km，則需要8000元的長波紅外探測器。所以近年來人們對紅外焦平面技術(shù)、長壽命的空間大冷量制冷技術(shù)投入了大量的研究，從不同的角度來解決預(yù)警和偵察中的技術(shù)難題。
超長線列探測器是超高分辨率紅外成像系統(tǒng)核心技術(shù)。法國Sofradir研制成功了性能優(yōu)越1500元中波紅外探測器。更長線列器件則未見報道。凝視型面陣焦平面由于近年熱像儀技術(shù)的大量應(yīng)用而獲得較大進展。法國Sofradir、中國北京11研究所、上海技術(shù)物理研究所都有產(chǎn)品。
另外，傳像束光纖近年有長足進展，在光譜儀器、醫(yī)療儀器、導彈告警接收器等方面都有應(yīng)用。中國北京玻璃研究院于1999年研制了用As-S芯包光纖制備1-6μm波段應(yīng)用的紅外光纖傳像束。
可見，采用性能可靠的小規(guī)模面陣器件，通過光纖傳像束進行成像變換，獲得超長線列紅外探測器具備基本條件。
發(fā)明內(nèi)容
如上所述，如何解決現(xiàn)有推帚式紅外光電成像系統(tǒng)對超長線列探測器及相應(yīng)制冷技術(shù)提出的難題，以滿足大型監(jiān)測系統(tǒng)和航天航空遙感系統(tǒng)對高分辨率成像系統(tǒng)要求，乃是本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題。為此本發(fā)明的目的是提供一種光纖傳像束變換光電成像系統(tǒng)，利用技術(shù)較為成熟的焦平面陣列(FPAs)實現(xiàn)成像，該成像系統(tǒng)不僅能滿足推帚式高分辨率成像系統(tǒng)對超長線列探測的要求，同時可以利用成熟的焦平面陣列(FPAs)制冷技術(shù)解決探測器制冷難題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題的構(gòu)思是采用一種特殊排列的紅外光纖傳像束，一端排成線列，一端排成面陣，通過直接或間接耦合的方式，實現(xiàn)超長線列探測向面陣探測器件的轉(zhuǎn)換。超長線列探測放置于掃描光學成像系統(tǒng)焦平面上，通過紅外光纖傳像束將超長線列探測變換為面陣FPAs探測，通過交錯密致排列的超長線列解決目前加工超長線列光纖傳像束的工藝困難，同時制冷問題轉(zhuǎn)化為面陣FPAs探測器制冷這一成熟技術(shù)問題，這樣，就能解決超長線列加工和制冷難題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下根據(jù)本發(fā)明的一種推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，包括一掃描成像紅外光學系統(tǒng)和一圖像處理部分，特點是還有一位于該掃描成像紅外光學系統(tǒng)的焦平面上的超長線列光纖陣和依次以光學后連接該掃描成像紅外光學系統(tǒng)并將在其焦平面上形成的圖像進行空間變換的一紅外光纖傳像束、一光纖面陣與一紅外焦平面陣列FPA以及后接所述紅外焦平面陣列FPA的一光電轉(zhuǎn)換傳輸接口，該傳輸接口連接該圖像處理部分。
所述的超長線列光纖陣為入射光端六角形密致排列的紅外光纖傳像束或入射光端交錯密致排列的紅外光纖傳像束；所述的光纖面陣由六角形密致排列的多排紅外光纖的橫截面構(gòu)成，或由正方形小方陣排列方式排列成方陣的多排紅外光纖的橫截面構(gòu)成；進一步所述光纖面陣經(jīng)一成像耦合器與該紅外焦平面陣列FPA成光學耦合連接，所述成像耦合器為透鏡成像耦合器；或所述光纖面陣與所述紅外焦平面陣列FPA成直接光子耦合或由一成像耦合器成光學連接耦合，所述光學耦合器為透鏡成像耦合器分項可取的是，所述透鏡成像耦合器為變焦透鏡成像耦合器。
本發(fā)明的優(yōu)點是1、由于采用紅外光纖傳像束和相應(yīng)圖像處理技術(shù)，將大型紅外成像系統(tǒng)對超長線列探測器及其相關(guān)制冷技術(shù)研制開發(fā)要求轉(zhuǎn)換為應(yīng)用目前成熟的紅外焦平面陣列技術(shù)和計算機圖像處理技術(shù)，有利于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，適合應(yīng)用于各種平臺上大型監(jiān)測、對空監(jiān)視和對地遙感光電成像系統(tǒng)；2、紅外光纖傳像束采用線面轉(zhuǎn)換的異型光纖傳像束，完成圖像超長線列探測到面陣探測的空間變換，易于實施；3、紅外光纖傳像束輸出可以通過直接耦合或透鏡成像耦合方式成像到紅外焦平面陣列FPA上，結(jié)構(gòu)簡明；4、只需要根據(jù)紅外焦平面陣列FPA要求采取相應(yīng)的制冷技術(shù)，解決了制作超長線列探測器的制冷難題；5、從紅外焦平面陣列FPA上輸出圖像，經(jīng)過圖像處理部分進行相應(yīng)處理和空間逆變換，恢復(fù)掃描光學成像系統(tǒng)焦平面處的刈幅圖像，然后經(jīng)過連續(xù)獲得的時間序列刈幅圖像融合成最終圖像；6、圖像取自掃描成像光學系統(tǒng)焦平面，因而可以應(yīng)用于寬視場和窄視場光電成像系統(tǒng)；
7、紅外光纖傳像束超長線列光纖陣由六角形密致排列的多排光纖組成，有利于進一步提高系統(tǒng)分辨率和可靠性，改善系統(tǒng)信噪比等性能；8、由六角形密致排列的多排光纖組成的超長線列光纖陣，通過采取交錯排列方式，可以簡化光纖加工工藝，縮短系統(tǒng)研制開發(fā)周期；9、采用直接耦合方式時，對準誤差可以為光纖的包層厚度，滿足這一理想耦合條件將具有很高的耦合效率；10、采用透鏡成像耦合方式可以克服直接耦合方式對加工工藝的苛刻要求，只要透鏡成像耦合器能夠?qū)⑤敵龉饫w面陣成像在分辨率等于或高于輸出光纖面陣分辨率的FPA上，可以得到較為理想的成像效果。
11、采用可變焦透鏡成像耦合器，可以使光電成像系統(tǒng)適應(yīng)不同分辨率和焦平面尺寸的紅外焦平面陣列FPA，增強系統(tǒng)的靈活性。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是本發(fā)明的紅外光纖傳像束光電成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的紅外光纖傳像束結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的紅外光纖傳像束入射光端密致排列圖；圖4是本發(fā)明的紅外光纖傳像束入射光端交錯排列圖；圖5是本發(fā)明的紅外光纖傳像束輸出端方陣排列與耦合示意圖；圖6是本發(fā)明的透鏡成像耦合示意圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)圖1-圖6給出本發(fā)明一個較好實施例。但它不是用來限制本發(fā)明，而是用來更好的說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功能特點。
在圖1中，超長線列光纖陣2放在掃描成像紅外光學系統(tǒng)1的焦平面上，并將焦平面圖像經(jīng)過紅外光纖傳像束3進行空間變換后輸出到光纖面陣4，經(jīng)過成像耦合器5在紅外焦平面陣列FPA6上成像，所形成的圖像經(jīng)過傳輸接口7傳送到圖像處理部分8進行相應(yīng)圖像處理。
圖2所示的紅外光纖傳像束結(jié)構(gòu)圖中，超長線列光纖陣2可以選用圖3所示紅外光纖傳像束入射光端六角形密致排列方式或者圖4所示紅外光纖傳像束入射光端交錯密致排列方式。本實施例中，超長線列光纖陣2是由六角形密致排列的多排光纖組成，這種技術(shù)將有利于進一步提高系統(tǒng)分辨率和可靠性，改善系統(tǒng)信噪比等性能。
圖2所示的紅外光纖傳像束結(jié)構(gòu)圖中，輸出光纖面陣4可以選用圖3所示的密致排列方式或者選用圖5所示的正方形小方陣排列方式排列成方陣。
圖5所示的正方形小方陣排列方式與紅外焦平面陣列FPA6的像元9一一對應(yīng)，可以構(gòu)成直接耦合方式。如果每個像元能夠全部接收對應(yīng)光纖纖芯11出射的全部光能，則為理想耦合，即使光纖包層10超出FPA像元9也不構(gòu)成影響，因此，對準誤差可以為光纖的包層厚度，超過包層厚度的對準誤差將帶來額外的光能損失和圖像失真。
圖6所示透鏡成像耦合方式可以克服圖5所示直接耦合方式對加工工藝的苛刻要求，對密致排列方式或者正方形小方陣排列方式排列的輸出光纖面陣4均能成像到FPA6上，雖然這種耦合方式帶來的能量損失比圖5所示直接耦合方式要大一些，其最大優(yōu)點就是只要透鏡成像耦合器5能夠?qū)⑤敵龉饫w面陣4成像在分辨率等于或高于輸出光纖面陣4分辨率的FPA上，就可以得到較為理想的成像效果。
輸出光纖面陣4直接耦合或通過成像耦合器5到紅外焦平面陣列FPA6上輸出圖像，經(jīng)過圖像處理部分8進行相應(yīng)處理和空間逆變換，恢復(fù)掃描光學成像系統(tǒng)焦平面2處的刈幅圖像，然后經(jīng)過連續(xù)獲得的時間序列刈幅圖像融合成最終圖像。
上述的透鏡成像耦合器進一步可取用變焦透鏡成像耦合器。
權(quán)利要求
1.一種推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，包括一紅外光學成像系統(tǒng)(1)和一圖像處理部分(8)，其特征在于，還有一位于該掃描成像紅外光學系統(tǒng)(1)的焦平面上的超長線列光纖陣(2)、和依次連接該紅外光學成像系統(tǒng)(1)并將在其焦平面形成的圖像作空間變換的一紅外光纖傳像束(3)、一光纖面陣(4)與一紅外焦平面陣列FPA(6)，以及后接該紅外焦平面陣列FPA(6)的一光電轉(zhuǎn)換傳輸接口(7)，該傳輸接口(7)連接該系統(tǒng)的圖像處理部分(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述超長線列光纖陣(2)為入射光端六角形密致排列的紅外光纖傳像束或入射光端交錯密致排列的紅外光纖傳像束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖面陣(4)由六角形密致排列的多排紅外光纖的橫截面構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖面陣(4)由正方形小方陣排列成方陣的多排紅外光纖的橫截面構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖面陣(4)經(jīng)一成像器(5)與該紅外焦平面陣列FPA(6)成光學耦合連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述成像器(5)為透鏡成像耦合器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖面陣(4)經(jīng)一成像耦合器(5)與該紅外焦平面陣列FPA(6)成光學耦合連接或直接光學耦合連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述成像耦合器(5)為透鏡成像耦合器。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡成像耦合器為變焦透鏡成像耦合器。
全文摘要
一種推帚式超高分辨率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)，通過采用紅外光纖傳像束和相應(yīng)圖像處理技術(shù)，將大型紅外光電成像系統(tǒng)對超長線列探測器及其相關(guān)制冷技術(shù)研制開發(fā)要求轉(zhuǎn)換為應(yīng)用目前成熟的紅外焦平面陣列技術(shù)和計算機圖像處理技術(shù)，可獲得更高的分辨率和優(yōu)良的性能，有利于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，減小光電成像系統(tǒng)體積和重量，適合各種平臺上大型監(jiān)測、對空監(jiān)視和對地遙感光電成像系統(tǒng)的應(yīng)用。本發(fā)明系統(tǒng)包括依次成光學連接的超長線列光纖陣、掃描成像光學紅外系統(tǒng)、紅外光纖傳像束、光纖面陣成像耦合器和紅外焦平面陣列FPA，以及光電轉(zhuǎn)換傳輸接口，后接該系統(tǒng)的圖像處理部分。
文檔編號G02B6/32GK1624509SQ20041008945
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者方中華, 孫勝利, 陳桂林 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所