光学读出微梁阵列红外成像性能分析与优化

系统响应率是光学读出微梁焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)红外成像的关键性能参数。在刀口滤波光学读出技术中,系统响应率的主要组成部分——光学读出灵敏度与微梁反光板的长度密切相关,并受到反光板弯曲变形的严重影响。由于残余应力在制作过程中不可避免地存在,微梁反光板都有弯曲变形,膜厚相同的反光板具有相同的变形曲率半径。本文利用傅里叶光学分析了反光板长度和弯曲变形对光学读出灵敏度的影响,构建并实验验证光学读出灵敏度理论模型。根据该模型,分析了系统响应率与反光板长度之间关系,理论分析与实验结果相符。结果表明,通过减薄SiNx厚度并使反光板处于该厚度下的最优长度,不仅能提高红外成像的系统响应率,而且能同时提高红外成像的空间分辨率。     

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列的设计与制作

本文给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件--微悬臂梁阵列的设计和制作,它是SiNx/Au双材料单层膜结构,简化制作工艺、可以直接在空气中成像.实验使用了设计制作的140 × 98微梁阵列和高信噪比的12-bit CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为5K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.     

光学读出室温物体红外成像

光学读出式红外成像系统是近年来提出的一种新型红外成像技术,它是基于探测双材料微悬臂梁吸收红外辐射后的变形。本文采用了谱平面刀口滤波方法,将双材料(SiNx/Au)微梁阵列接收热像后的转角变形转化为像平面上微梁阵列的像所对应的光强变化,并设计制作了无基底单层膜结构微梁阵列(100×100pixels,微梁尺寸200×200μm2,厚2μm)。用该阵列在光学读出系统中,获得了室温下人体的热图像。该系统在室温时(300K)噪声等效温度差(NETD)达到0.2K。     

基于MEMS和光学读出的非制冷红外成像技术

由于军事和商业应用的巨大潜力,红外成像技术至今仍是研究热点之一。针对本课题组提出的基于MEMS和光学读出的新型非制冷红外成像技术,本文一方面通过有限元仿真分析,详细讨论了新型无基底双材料微梁阵列FPA的热转换效率和热变形效率,另一方面通过光学理论分析,详细讨论了光学读出系统在极限操作下的光学测量灵敏度。理论和仿真分析显示,课题组提出的非制冷红外成像技术的NETD的理论极限与当前制冷型红外成像技术的典型指标相当,约为4mK。同时,本文对设计制作的FPA,在构建的系统上进行了红外实时成像实验和理论仿真分析,显示其系统级NETD已达到110mK。     

一种新型微梁阵列传感器设计及实现

微悬臂梁传感技术是微纳传感技术研究的热点,仪器装置的研究也从单悬臂梁向微梁阵列的方向发展.本文针对间距为250μm的商品化微梁阵列,提出了一种实现对其弯曲变形的读出系统光路.利用高精度位移平台调节激光器空间位置,使光束实现微距离上平行,并分别照射在阵列梁的相邻微梁上.用位置敏感探测器对两个微悬臂梁尖端反射的激光信号进行...     

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。     

光机械式红外探测器中镜面弯曲对探测灵敏度的影响

光学读出式红外成像技术是近年来研究的热点,本文讨论了镜面弯曲对光学检测灵敏度的影响.由双材料微悬臂梁组成的非致冷焦平面阵列通过体刻蚀工艺加工而成,由于残余应力的影响,制成的焦平面阵列将会发生弯曲,应力导致的镜面弯曲将会降低光学探测灵敏度.本文通过傅立叶光学模拟了镜面弯曲对光学探测灵敏度的影响,并通过实验验证了该模型.实验和模拟结果表明,在镜面曲率为0.1mm-1时,光学探测灵敏度将会降低到理想情况的40%.最后我们用这个模型评价了通过表面修饰来提高光学性能的效果.     

光机械式红外探测器中镜面弯曲对探测灵敏度的影响(英文)

光学读出式红外成像技术是近年来研究的热点,本文讨论了镜面弯曲对光学检测灵敏度的影响。由双材料微悬臂梁组成的非致冷焦平面阵列通过体刻蚀工艺加工而成,由于残余应力的影响,制成的焦平面阵列将会发生弯曲,应力导致的镜面弯曲将会降低光学探测灵敏度。本文通过傅立叶光学模拟了镜面弯曲对光学探测灵敏度的影响,并通过实验验证了该模型。实验和模拟结果表明,在镜面曲率为0 .1mm-1时,光学探测灵敏度将会降低到理想情况的40 %。最后我们用这个模型评价了通过表面修饰来提高光学性能的效果。     

基于MEMS的光力学红外成像

非制冷红外成像仪以其优良的性价比和高可靠性而倍受关注。近期 ,非制冷的热机械型红外成像仪有望发展成为新的低价格高性能的红外成像设备。本文提出了一种新型光学读出的红外探测仪。此红外探测仪的核心器件焦平面阵列 (FPA)由无硅基底结构的微悬臂梁阵列构成。每个微悬臂梁独立地把入射的红外热辐射转化为被光学系统探测的热变形。它不需要读出电路、真空腔和制冷装置 ,其理论上的噪声等效温度差接近致冷型红外成像系统 ,而制作成本和难度将大幅降低。制作的无硅基底单层膜结构的FPA ,其单元尺寸为 2 0 0 μm× 1 0 0 μm ,阵列大小为 1 5 0× 1 0 0像素数。实验制作的系统探测到温度为 5 0 0K左右的热物体像 ,热像采样频率为 1 2幅 /秒。     

光机械式红外探测器中镜面弯曲对探测灵敏度的影响

光学读出式红外成像技术是近年来研究的热点，本文讨论了镜面弯曲对光学检测灵敏度的影响。由双材料微悬臂梁组成的非致冷焦平面阵列通过体刻蚀工艺加工而成，由于残余应力的影响，制成的焦平面阵列将会发生弯曲，应力导致的镜面弯曲将会降低光学探测灵敏度。本文通过傅立叶光学模拟了镜面弯曲对光学探测灵敏度的影响，并通过实验验证了该模型。实验和模拟结果表明，在镜面曲率为0．1mm-1时，光学探测灵敏度将会降低到理想情况的40％。最后我们用这个模型评价了通过表面修饰来提高光学性能的效果。