双材料微梁阵列室温物体红外成像

针对近年出现的新概念光学读出双材料微梁阵列红外成像技术，提出了具有热变形放大效果的无硅基底回折腿间隔镀金的微梁单元结构,并建立了其热机械模型，在模型分析基础上，成功的设计制作了100×100像素的焦平面阵列(focal plane array,FPA).在构建的红外成像系统中，实现了对室温物体——人体的热成像，噪声等效温度差约为200mK.实验结果与热机械模型的分析一致. 关键词： 非制冷红外成像 光学读出 双材料微梁阵列     

无基底焦平面阵列的红外成像性能分析

利用提出的光学读出非制冷红外成像系统,先后制作了单元尺寸各不相同的单层膜无基底焦平面阵列(focal plane array,FPA),获得了室温物体的热图像.分析发现,当FPA的单元尺寸从200μm逐渐减小到60μm时,基于恒温基底模型的理论响应与实验结果的偏差逐渐增大.通过有限元分析方法,模拟分析了不同尺寸的微梁单元在无基底FPA中的热学行为,发现了当单元尺寸逐渐减小时恒温基底模型偏差逐渐增大的原因,即无基底FPA的支撑框架不满足恒温基底条件,受热辐射后支撑框架的温升从基底上抬高了单元的温升.论文还分 关键词： 光学读出 非制冷红外成像 焦平面阵列 无基底     

基于无基底焦平面阵列红外热像仪的理论模型分析

基于双材料微悬臂梁热变形原理的光学读出非制冷红外探测阵列经历了从有基底结构向无基底结构的发展过渡,无基底阵列的红外成像结果和有限元模型分析均表明无基底阵列不满足恒温基底条件.本文结合电学比拟的方法,提出了一种新的基于无基底焦平面阵列(focal plane Array,FPA)的热传递分析的理论模型.分析采用整体考虑的思路,避开了无基底FPA阵列各单元热传递互相影响所产生的复杂热分布分析,并考虑了框架对热量的吸收与传递.理论模型采用外边框与环境等温的边界条件,虽不及有限元方法对边界条件的处理灵活,但也已取 关键词： 光学读出 无基底 非制冷红外成像 焦平面阵列     

一种用于非制冷红外热成像系统的图像增强方法

在基于微悬臂梁的光学读出红外成像系统中,获得的红外图像有明显噪声,甚至有连续噪点组成孔洞,让目标难以辨识出来,因此提出基于特征模板卷积的红外图像增强方法。利用Hough变换根据微悬臂梁结构的特点,获得特征卷积模板的尺寸信息,根据成像系统特点建立卷积模板。让模板在图像内逐点卷积,建立评价参数阈值消除图像内噪声。进行均值滤波来填补噪声点及FPA单元的间隔,获得增强后的红外图像。实验结果表明,方法不仅能够有效增强光学读出红外成像系统的成像质量,对于普通存在噪声的图像也有良好的噪声消除效果。     

基于法布里-珀罗微腔阵列的光读出红外热成像器件设计与制作

提出了一种新颖的基于硅基法布里珀罗微腔阵列的光读出红外热成像器件 ,该器件利用光学读出技术将红外图像直接转化为可见光图像 ,其焦平面阵列 (FPA)是一个基于微机电系统 (MEMS)制作的法布里珀罗微腔阵列。阐明了器件的工作原理 ;完成了可动微镜结构、热机械、可见光读出部分设计。理论分析表明 ,对Al/SiO2 双材料体系而言 ,SiO2 厚度应大于 0 .3μm ,其最佳厚度比为 0 .5 98,相应的最大热 机械灵敏度可达 10 -8m/K。采用体硅微机电系统技术 ,实验制作出了 5 0× 5 0焦平面阵列。     

光学读出红外成像中面光源影响下的光学检测灵敏度研究

在光学读出红外成像的理论分析中, 通常将具有一定实际尺寸的非相干面光源简化为理想点光源, 导致了分析误差. 本文建立了面光源模型, 通过夫琅禾费衍射理论, 研究了面光源影响下的光学检测灵敏度, 发现了光学检测灵敏度随光源半径和焦平面阵列反光板长度的变化关系, 提出了面光源影响下的光源尺寸和反光板长度的优化设计准则. 针对理论分析, 进行了实验验证, 测试结果与理论分析一致. 关键词： 面光源 光学读出 焦平面阵列 非制冷红外成像     

集成式光读出FPA红外成像系统设计

本文对读出原理、像差要求、图谱质量进行深入研究,进而对读出技术进行深度整合与简化,实现光读出FPA红外成像系统小型化、轻量化、集成化。首先,从FPA的热-机械效应出发,介绍了光读出FPA红外成像系统的工作原理;然后,针对通常采用的光读出FPA红外成像系统体积大、重量大、结构复杂缺陷,提出了高集成度的新型光读出系统;接着,在分析讨论读出光路像差容限、特点的基础上,对以异形棱镜为核心元件的光读出系统进行了具体的光学仿真设计;最后,设计了集光、机、电、软技术的集成式光读出FPA红外成像系统。对系统样机测试结果表明:在确保成像性能的前提下,光读出FPA红外成像系统的体积减小到175 mm×83 mm×105 mm。以异形棱镜为核心元件的光读出技术,在满足成像精度和灵敏度的前提下,可减小读出系统的复杂程度,有效降低了光读出FPA红外成像系统的体积和重量,从而促进光读出FPA成像系统的工业化应用。     

基于哈特曼波前传感器的非制冷红外成像光学读出系统

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统.该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像.在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60 μm×60 μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K.优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差.     

微悬臂梁FPA红外成像系统实时图像去噪算法研究

基于MEMS热传感效应的红外成像有着独特的优势。利用双材料微悬臂梁制作了MEMS IR FPA,并构建了红外成像系统。针对基于双材料微悬臂梁FPA红外成像系统中的图像噪声,提出了离散量和平均灰度的红外图像实时处理算法,解决了灰度阈值分割法在去除噪声的同时滤除掉目标物体像素、使红外图像细节丢失且灰度级减少的问题,在目标物体像素损失较小的情况下,去除了目标物体周围的随机噪声及背景噪声,提高了信噪比。     

光学读出非制冷红外成像技术的光学灵敏度分析

不同于传统的非制冷红外成像技术,提出了基于微电子机械系统(MEMS)的新概念光学读出非制冷红外成像技术。它的光学读出系统基于空间刀口滤波原理,具有高灵敏度、高分辨率和高抗震性等优点,但同时也受到了反光板的弯曲变形、粗糙度等复杂因素的影响。在大量实验数据的基础上,利用夫琅禾费近场衍射理论,建立了复杂因素下光学灵敏度的理论分析模型,详细分析了刀口滤波位置、反光板的长度、曲率半径、粗糙度、LED光源的强度以及扩展宽度等对光学灵敏度的影响,并提出了通过极限操作使系统的光学灵敏度最大化的光学优化方法。     

A novel opto-mechanical uncooled infrared detector

This paper presents a novel opto-mechanical uncooled infrared detector that has successfully been fabricated. The detector is composed of a bi-material micro-cantilever array released from the Si substrate, whose reflector retains its shape even with changes in temperature. In comparison with the generally used sacrificial layer cantilever, the loss of incident IR energy caused by the reflection from and absorption by the silicon substrate is eliminated in this substrate-free structure. Moreover, the freestanding structure of the detector makes it easy to fabricate. The revised reflector in this structure has no distortion during its activity that keeps the sensitivity of the detector from being passivated. We present an infrared (IR) image of a person’s hand to demonstrate the ability of the structure to create images. The performance test showed that the noise-equivalent temperature difference of the imaging system can reach about 175 mK.     

环境温度对红外图像非均匀性影响的研究

定量分析了SOFRADIR公司生产的320×240凝视型非制冷焦平面探测器关键偏置电压FID、VEBASAGE对焦平面探测器输出的影响.通过测试发现,焦平面驱动电路板所处系统内部环境温度在某一温度附近有振荡现象,理论上推导出了焦平面驱动电路所处系统内部环境温度在（－10℃,40℃）的缓慢漂移以及振荡均能使关键偏置电压产生毫伏级漂移的结论.结果表明,焦平面驱动电路所处系统内部环境温度变化严重影响了焦平面探测器输出的稳定性并改变了红外图像的非均匀性,为基于环境温度补偿的非均匀性校正算法研究提供了依据.     

An effective thermal conductance tuning mechanism for uncooled microbolometers

With the increasing demand on infrared (IR) detectors for imaging harsh environment processes, widening the application range of uncooled microbolometer arrays has become an important research area. An efficient way of increasing this range is tuning the thermal conductance of the microbolometer array using electrostatic actuation, which is usually achieved by directly applying an actuation voltage to the substrate. However, this method does not allow pixel-by-pixel actuation, limiting the tunability. In this paper, we present a new method of actuation which uses the micromirror located below the microbolometer as the actuation terminal. We demonstrate that using micromirror actuation, the thermal conductance can be tuned by a factor of three. An analytical model to calculate the thermal conductance of this new type of microbolometer is presented. Results of the model are compared to finite element simulations and experimental measurements on a test structure fabricated for this purpose, showing good agreement. The new tuning mechanism provides a fairly linear thermal conductance tunability, thus making it a promising thermal conductance controlling mechanism for adaptive IR detectors.     

320×240长波非致冷微测辐射热计红外热象仪的研制

介绍了基于微测辐射热计320×240长波非致冷红外热象仪的研制,详细说明了其电气系统的设计方法及技术关键,并对其光学系统进行了简要说明.采用高象质的双反射光学系统以减少象差;红外探测器采用320×240长波非致冷集成微测辐射热计红外焦平面阵列(FPA);电气系统采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)完成红外焦平面阵列的驱动,应用数字信号处理(DSP)技术实现红外焦平面阵列的非均匀性校正、图象增强及红外图象实时显示等.     

An approach for the performance analysis of an uncooled infrared bolometer imager

As an approach for analyzing an uncooled infrared bolometer imager, a method is introduced which supposes that a thermal system is built into the infrared radiation detection mechanism. In this analysis, the bi-directional radiation energy flows between two thermal elements are considered and a radiation thermal conductance between them is defined. Based on the values of the radiation thermal conductances and conventional material thermal conductance, an equivalent thermal circuit for a bolometer detector element is extracted. Calculations were carried out using software written in visual C++. The analysis shows a Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of 50 mK is obtained as a typical value, assuming that no additional noise other than temperature fluctuation noise exists, and that the NETD becomes better as the system time constant built into the equivalent thermal circuit increases.     

Pixels array matching for optical readout microcantilever array sensing system

An approach based on pixels array matching is proposed for optical readout bimaterial microcantilever focal plane array (FPA) sensing system, by which the CCD's pixel array can match the low resolution FPA properly. Compared with the old method, it has the following three advantages: (1) reduces the impact on the infrared imaging quality due to the bending deformation of the microcantilever pixels; (2) decreases the background noise and lower the infrared imaging system's noise equivalent temperature difference; (3) increases the imaging system's frame rate. A microcantilever FPA infrared imaging system with a programmable smart camera was developed to demonstrate the effectiveness of the approach. In addition, the approach can be applied to a similar optical readout micro-array sensing system whose resolution is lower than the CCD.