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     

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     

剪切干涉仪与哈特曼波前传感器的波前复原比较

对横向剪切干涉仪和哈特曼波前传感器的波前探测和复原进行了类比推导和仿真计算。结果表明,在相同输入波前、相同探测面元、相同拟合函数及阶数的情况下,横向剪切干涉仪的波前复原能力比哈特曼波前传感器强。主要原因是前者对波前的间接采样所包含的波前信息大于后者,并且前者比较容易增大对波前的采样。     

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     

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.     

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     

哈特曼波前传感器中采样点数的分析

随着哈特曼传感器测量口径的增大,采样点数对被测波前的空间分辨率、测量精度及动态范围的影响也随之增大,因此通过计算机仿真波前径向斜率拟合过程,分析出采样点数和斜率探测误差对测量精度和测量范围的影响。计算机仿真的波前斜率拟合所用泽尼克多项式达到121项,测量口径2m,测量精度要求λ/50,径向(半径)和切向最少采样点数分别为10点和21点。当径向和切向采样点数分别为40点和250点,斜率测量误差为0.045″时,所测波前的P-V值范围是0-4λ。     

增大夏克-哈特曼波前传感器动态范围的算法研究

为了保证夏克-哈特曼波前传感器具有高灵敏度的同时又具有较大的动态范围,提出了一种能够有效增大传感器动态范围的数据处理方法光斑归位法。该方法使不规则的光斑回归到各自原来的位置,形成一个规则的光斑阵列,找到光斑阵列中某个光斑与微透镜的匹配关系,进而找到所有的光斑与微透镜的匹配关系。该方法的优点在于光斑不需要被限制在子孔径内且在不增加硬件等其他辅助条件下能够有效地增大夏克-哈特曼波前传感器的动态范围。实验验证了光斑归位法的正确性和可行性,结果表明,光斑归位法是正确的且采用该方法的动态范围比传统算法的动态范围提高了25倍以上。     

凝视型长波红外折衍混合光学成像系统设计

设计了一套折衍混合凝视红外热成像光学系统.该系统工作波段为8~12 μm, F数为1,全视场达12°, 总长140 mm,两个透镜均采用锗材料。衍射器件制作在第二片透镜的凸面上，可以采用金刚石车削技术进行加工．该系统成像质量接近衍射限并且相对折射系统更好地校正了色差.     

An Optical Readout Method Based Uncooled Infrared Imaging System

This paper presents an optical readout method based uncooled infrared imaging system that contains an optical read-out section and a bi-material micro-cantilever arrays (BMCA) detector. The optical read-out section is based on incoherent light spatial filter technique. The read-out section converts the deflection angles of BMCA caused by absorption of infrared (IR) radiation to a visible image through optical filtering operation of the BMCA with a knife-edge filter. A spatial mathematical model is presented to describe the read-out method and its validity is proved. The IR image of a person’s hand obtained through the using of the 100 × 100 BMCA and the 12-bit A/D quantizer demonstrates the ability of the system to create image. The performance test shows that the average Noise-equivalent temperature difference (NETD) of the imaging system can arrive at about 183mK with some areas having a NETD as low as 78mK. Project supported by Natural Science Foundation of China (No.60576053), National Technology Research and Development Program of China (No.2007AA03Z333).     

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.     

哈特曼-夏克传感器在非球面加工中的应用

论述了哈特曼-夏克传感器的测量原理，对它的测量精度进行了标定。同时还介绍了哈特曼-夏克传感器的在光学车间实际测量大口径非球面系统的情况，表明哈特曼-夏克传感器是一种非常有效的光学车间检测手段。     

Optimized Optomechanical Micro-Cantilever Array for Uncooled Infrared Imaging

We present a new substrate-free bimaterial cantilever array made of SiN_x and Au for an uncooled micro-optomechanical infrared imaging device. Each cantilever element has an optimized deformation magnification structure. A160×160 array with a 120μm×120μm pitch is fabricated and an optical readout is used to collectively measure deflections of all microcantilevers in the array. Thermal images of room-temperature objects with higher spatial resolution have been obtained and the noise-equivalent temperature difference of the fabricated focal plane arrays is given statistically and is measured to be about 270mK.     

Infrared Optical Characterization of PLT Thin Films for Applications in Uncooled Infrared Detectors

Lanthanum-modified lead titanate (PLT) thin films have been grown directly on Pt/Ti/SiO₂/Si (100) and LaNiO₃/Si (100) substrates by a modified sol-gel method. X-ray diffraction analysis shows that the PLT thin films are polycrystalline. The infrared optical properties of the thin films were investigated using infrared spectroscopic ellipsometry (IRSE) in the spectral range of 2.5–12.5 m. By fitting the measured ellipsometric parameter (tan and cos) data with a three phase model (air/PLT/Pt) for the PLT thin films on Pt/Ti/SiO₂/Si (100) and a four phase model (air/PLT/LNO/Si) for the PLT thin films on LaNiO₃/Si (100) substrates, and a derived classical dispersion relation for the thin films, the optical constants and thicknesses of the thin films have been simultaneously obtained. The refractive index and extinction coefficient of the PLT thin films on Pt/Ti/SiO₂/Si (100) substrates are slightly larger than those on LaNiO₃/Si (100) substrates. Given the infrared semitransparent metal of Nickel currently used, the absorption of the Ni/PLT/Pt and Ni/PLT/LNO/Si multilayer thin films in this study is very large around 3.0 m and 5.7 m wavelength range and decrease to 15% or 20% in the 8–12.5 m wavelength region.     

A New CMOS Read-out IC for Uncooled Microbolometer Infrared Image Sensor

An uncooled microbolometer image sensor, used in an IR image sensor, is made by a micro electro mechanical systems (MEMS) process, so the value of the microbolometer resistor has a process variation. Also, the reference resistor, which is used to connect to the microbolometer, is fabricated by a standard CMOS process, and the difference between the values of the microbolometer resistor and the reference resistor generates an unwanted output signal for the same input from the sensor array. In order to minimize this problem, a new CMOS read-out integrated circuit (ROIC) was designed. Instead of a single input mode, a differential input mode scheme and a simple method to compensate the resistor value are proposed. Using results from a computer simulation, it is observed that the output characteristic of the ROIC was improved and the effect of the process variation was decreased without using complex compensation circuits. Based on the simulation results, a prototype device including an ROIC that was fabricated by a standard 0.25um CMOS process and a microbolometer with a 16 x 16 sensor array was fabricated and characterized.     

光纤传感器在兵器系统中的应用

简述美国、法国、西德等国军用光纤传感器目前的研制计划及市场情况,重点介绍光纤陀螺和光纤水听器的基本结构及其在兵器系统中的应用前景,最后论述了光纤传感器的发展动向。     

基于二元光学的红外成像光谱仪离轴系统设计

对Lyons采用二元光学元件的红外成像光谱仪的设计理论进行了分析，为消除其二元光学元件作为透射式成像元件导致的焦距随波长的变化而变化的缺陷.提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案，并从军事目标的红外热探测的基本要求出发，给出了具体的设计实例.设计结果表明，系统具有设计精巧、结构简单、光能接收率高、消像差特性好、对材料的要求低以及满意的红外焦平面凝视阵列探测器的配准精度和探测精度.     

高分辨率制冷型中波广角红外成像系统的光学设计

设计了一个F数为2,工作波段为3.7～4.8μm,全视场2ω=111.2°的高分辨率制冷型中波广角红外成像光学系统。该系统采用二次成像构型,通过Si、Ge、ZnSe三种材料六片式对称布局,利用折/衍混合器件及非球面,实现了光学被动消热差设计,使系统在-55℃至+80℃的宽温范围内,在空间频率为33lp/mm处的光学传递函数(MTF)均大于0.4,系统在15μm的像素尺寸内,能量集中度大于70%;采用f-θ设计,使成像系统对不同视场具有相同的角分辨率;通过引入光阑像差和控制像方视场角,使像面具有较好的均匀性,边缘视场最低相对照度为中心视场的90.9%,且具有近100%的冷光阑效率,同时,系统具有较好的冷反射抑制效果,该光学系统适用于像素为15μm,分辨率为640pixel×512pixel的中波制冷探测器。