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     

锗-硼硅玻璃局部加热低温封接温度场研究

在光学读出非制冷红外热像仪焦平面阵列(FPA,Focal Plane Array)真空封装结构中,硼硅玻璃和双面镀增透膜的锗片分别作为透可见光和透红外光的窗口材料.由于锗窗上增透膜不能承受高温(<250℃),同时FPA也不能承受高温(<100℃),因此封装过程须在低温下进行,并对锗窗上的增透膜及FPA进行保护.本文提出了一种用于锗-硼硅玻璃低温扩散焊接的局部加热方法.该方法从导热系数较大的锗窗外表面加热(200℃),而导热系数较小的硼硅玻璃窗口外表面维持低温(60℃).有限元模拟计算结果表明,该加热过程稳态情况下待焊接区域温度约200℃,满足低温焊接的温度要求.锗窗上温度(200℃)低于250℃,且FPA区域的温升在75℃以下.用实验方法对模拟结果进行了验证,实验结果同模拟结果一致,证明该方法能够有效地保护FPA及锗窗上的增透膜.     

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。     

基于无基底焦平面阵列的红外图像复原算法

与传统有基底焦平面阵列不同,无基底焦平面阵列的感热单元吸收的红外辐射以点扩散函数的形式向相邻单元进行热传导,该热力学特性虽然能够大幅提高红外探测性能,使红外目标在背景中更加凸显,但同时降低了系统对红外目标细节的分辨能力,使图像模糊。通过分析这种热扩散叠加效应对红外成像质量的影响,利用数字图像处理方法,提出了针对性的红外图像复原算法。仿真和实验均表明该算法能够有效增强红外图像细节轮廓,提升图像质量。     

Analysis of Optical Readout Sensitivity for Uncooled Infrared Detector

An optical readout uncooled infrared detector, employing a substrate-free focal plane array with pitch size 60μm, is established. The reflector deformation induced by the stress mismatching of the bi-layer structure is discussed and, in turn, a universal solution to determine both the optical readout sensitivity and the optimal filter position is found. By applying this solution, the optical readout sensitivity for the ideal plane reflector could theoretically increase by 80% as compared with the conventional operation, and the sensitivity loss caused by the reflector deformation can also be reduced to a reasonable level.     

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     

数字剪切散斑干涉法研究铝合金中Portevin-Le Chatelier带的离面变形行为

作为Portevin-Le Chatelier(PLC)带的重要特征之一,其离面变形仍缺乏实验研究.本文提出使用数字剪切散斑干涉法研究GB6061铝合金中PLC带的离面变形.通过图像相减得到的条纹图,实时观察了PLC带的几何形貌和传播过程,并获得了PLC带离面位移分布.在1/15 s内,PLC带的最大离面位移为245 nm,位置偏向于PLC带传播的前沿.在条纹图中,PLC带传播前沿的亮条纹始终较窄.此外,实验还观察到PLC带位置变更和倾角转向的演化过程.实验表明,数字剪切散斑干涉法具有高灵敏度和防震性,是研究PLC带离面变形简便有效的方法.     

无基底焦平面阵列结构优化设计及性能分析

基于光学读出非制冷红外成像技术,本文作者提出并成功设计制作了无基底焦平面阵列结构(Focal Plane Array,FPA),不仅简化了制作工艺,而且大幅提升了成像性能。但由于其为单层膜结构,固有频率值低,可能会引起热机械振动噪声(NETDTM),导致噪声等效温度差(NETD)上升。为解决这一问题,本文提出两种改进的加强梁结构,借助有限元简化模型和激光位移传感器,通过数值模拟和实验验证,证实这两种结构可以大幅度提高FPA固有频率值(分别从74Hz提升至835Hz和404Hz),NETDTM降低约两个数量级,从而实现了对FPA的优化设计。     

Electron Beam Lithographic Pixelated Micropolarizer Array for Real-Time Phase Measurement

Pixelated micropolarizer arrays （PMAs） have recently been used as key components to achieve real-time phase measurement. PMA fabrication by electron beam lithography and inductively coupled plasma-reactive ion etching is proposed in this work. A 320 × 240 aluminum PMA with 7.4 μm pitch is successfully fabricated by the proposed technique. The period of the grating is 140nm, and the polarization directions of each of the 2 × 2 units are 0°, 45°, 90°, and 135°. The scanning electron microscopy and optical microscopy results show that the PMA has a good surface characteristic and polarization performances. When the PMA is applied to phase-shifting interferometry, four fringe patterns of different polarization directions are obtained from only one single frame image, and then the object wave phase is calculated in real time.