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。     

光学读出微梁阵列红外成像及性能分析

在构建的光学读出微梁阵列(焦平面阵列FPA)非制冷红外成像系统中，实现了无硅基底FPA置于空气中对人体的热成像. 通过FPA在不同真空度环境条件下的成像结果进行比较，分析了热导和系统噪声值随气压变化的关系，以及对系统成像性能的影响，并对气体分子热运动自由程大于空气传热层特征尺度时的气体热传导模型进行了修正分析和实验验证. 实验结果表明：FPA置于空气中时，气体分子撞击微梁引起的微梁反光板无序振动产生的光学读出噪声成为系统噪声的主要来源. 当真空度小于1Pa时，总热导和光学读出噪声值的变化都趋于平缓；当真空度小于10^-2Pa时，空气热导的影响可忽略，总热导降低到微梁感热像素的辐射极限，光学读出噪声也降低到一极小值. 实验结果与理论分析相符合. 关键词： 非制冷红外成像 光学读出 双材料微梁阵列 热导     

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     

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.     

短波红外棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光学系统设计

提出了一种基于棱镜-光栅-棱镜分光器件的短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由离轴三反射式望远物镜、准直镜、棱镜-光栅-棱镜和会聚镜组成,光谱覆盖950～2 500 nm,空间视场达到22.5°.在实现宽视场、宽波段设计的同时,优化设计了棱镜-光栅-棱镜分光器件的各个参量.通过偏斜会聚镜光轴和棱镜-光栅-棱镜光轴在光谱维...     

光读出热成像焦平面阵列的光学与热学设计

针对提出的一种光读出热成像系统 ,对其焦平面阵列的光学和热学特性进行了详细的分析 ,主要涉及法布里珀罗微腔两个反射面的反射率、可动微镜的温度响应、噪声等效温差以及响应时间四个方面。理论分析表明 :当法布里珀罗微腔两个反射面的反射率为 0 .5时 ,能获得较大的输出反射光强和反衬度 ,并保证了输出反射光强尽可能地随微镜位移在 0～λ/ 4范围内呈线性变化 ;可动微镜的温度响应值可达 2 .0 5× 10 -4,噪声等效温差为19.5mK ,热响应时间为 1.5 4× 10 -3 s。     

红外焦平面探测器的读出电路

红外焦平面阵列是现代红外成像系统的关键元件 ,不论是混合式还是单片式红外焦平面阵列 ,都采用读出电路来实现信号的多路传输以减少阵列输出信号线的数目。论述了读出电路在焦平面信号传输中的作用 ;讨论了用于实现红外焦平面阵列读出电路的一些实施技术 ;提出了红外焦平面阵列读出电路今后的研究方向     

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。     

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     

非制冷铁电混合式焦平面探测器新研究

本文报道一种128×128元铁电非制冷混合式焦平面探测器，涉及该器件的混合式结构.分析了影响器件性能的关键因素，给出器件所采用的铁电材料的基本物理和电学特性参数，器件的热隔离技术和相应参数，读出电路的基本结构和性能.对实验数据所涉及的原理进行了讨论，最后给出了利用该器件得到的清晰红外热像.     

红外成像探测系统作用距离分析方法研究

根据视频跟踪测量技术工程实践中,可靠跟踪测量对目标在探测器靶面上的成像尺寸、照度及对比度的要求,综合考虑背景辐射和目标成像弥散的影响,对原有红外探测系统作用距离计算公式进行了改进,给出了适用于红外焦平面成像探测系统的新的作用距离分析方法,并针对水平观测、非水平穿越大气层观测等应用条件推导了具体的计算公式.文中通过应用示例进行了比较分析,得出了新分析方法比原分析方法具有更高可信度的结论.     

非制冷红外探测器读出电路的非均匀性研究

对于长线列的非制冷红外探测器组件, 不同探测元之间的非均匀性是衡量电路设计的关键指标. 为了实现长线列非制冷红外探测器的高性能读出, 本文设计了一种基于电流镜方式的非制冷红外探测器160线列读出电路, 电路由电流镜输入模块、电容负反馈互导放大器模块及相关双采样输出模块组成. 电路采用0.5 μm工艺制作完成. 通过合理设置电路中MOS管的参数和布局电流镜版图, 电路的非均匀性有了明显地改善. 通过测试, 电路的非均匀性小于1%, 器件总功耗约为100 mW, 并具有良好的低噪声特性, 输出噪声小于1 mV, 输出摆幅大于2 V. 该电路与160线列非制冷红外探测器互连后, 能较好地完成红外信号的读出, 在积分时间为20 μups的情况下, 器件的响应为0.294 mV/Ω, 整体性能良好. 该电路的研制对超长线列的非制冷红外冷探测器读出电路研制奠定了重要的技术基础.     

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.     

基于ANSYS的红外光学系统的有限元分析

红外光学系统作为空-空导弹的重要有机组成部分,要经历复杂的动力学环境。采用有限元分析方法对红外光学系统结构在工作状态下的变形、应力及固有频率进行了全面分析。验证了光学系统的结构是否满足光学像质要求和刚度要求,确定了面形变化的显著区域,并专门对其中的关键结构进行了详细分析,进而提出结构优化的途径。该方法对光学系统结构设计和分析具有现实意义,有助于进一步分析研究光学系统结构动力学。     

扫描型红外成像系统仿真及TOD曲线预测方法研究

针对实际三角形方向鉴别（TOD）阈值温差测试的数据量大、时间长,以及测试结果常具有不稳定和不确定性等问题,提出一种扫描型红外成像系统效应仿真。建立了红外成像系统性能预测仿真平台,并对靶标效应图进行人眼判定。根据人眼判定结果对神经网络进行了训练。由基于BP神经网络的TOD阈值温差预测方法判定仿真样条的方向,统计正确的判定概率,实现TOD曲线的预测。实验结果表明：该方法预测的TOD曲线与实际测量的TOD曲线具有很好的一致性。     

光学三维成像实验系统

建立光学投影层析三维成像系统,该系统包括光学成像、图像采集、断层重建及三维显示,重建算法为滤波反投影算法.实验结果表明:利用该系统得到的重建图像与样品的形状吻合,重建结果边缘清晰,伪迹较小.