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     

焦平面阵列反光板的优化设计与制作

光学读出红外热成像系统中,焦平面阵列(FPA)反光板的初始弯曲降低了系统的光学检测灵敏度。针对FPA的设计制作,提出了两种降低其反光板初始弯曲的优化设计方案:减薄反光板上金层厚度和制作带加强筋的反光板。在理论分析的基础上,设计制作了单元尺寸为200μm的反光板金层减薄FPA,其反光板曲率半径提高至原来金层未减薄FPA的4.71倍,系统光学检测灵敏度提高了5.2倍;单元尺寸为60μm的反光板带加强筋FPA,其反光板曲率半径提高至原来没有加强筋FPA的4.29倍,系统光学检测灵敏度提高了1.18倍。实验验证了理论分析的结果。     

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     

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     

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     

折射微透镜阵列的非成象光学特性研究

本文针对微透镜阵列与红外焦平面阵列集成的应用,对折射性微透镜阵列的非成象光学特性进行了研究和总结.采用系统性能评价因子来衡量微透镜的聚能效率,分析了系统参数对会聚效率的影响,并用标量衍射方法对几何光学分析结果进行了校验,为红外焦平面阵列微镜集成的设计和制作提供了理论依据.     

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     

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。     

实时激光三维成像焦平面阵列研究进展

研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管（APD）阵列和读出电路（ROIC）集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel×1 024 pixel,像元尺寸可降低到15μm。     

Optical readout method based on a narrow-strip filter for microcantilever array sensing

An effective optical readout approach based on a narrow-strip filter is presented to detect bends of a bimaterial microcantilever focal plane array, by which light intensity of the image plane (CCD image sensor plane) can be increased and its uniformity on the image plane effectively enhanced. It reduces the noise equivalent temperature difference of the microcantilever focal plane array IR imaging system and improves uniformity of the IR images. A comparative experiment is designed to verify effectiveness. The experimental results show that the proposed method has advantages of preferable effect.     

利用表面微结构提高波长上转换红外探测器效率

波长上转换红外探测器具有实现大面阵焦平面的优势, 但光提取效率是制约器件整体效率的关键因素之一. 本文主要研究利用表面微结构来提高波长上转换红外探测器的效率. 首先通过仿真计算研究了表面微结构参数对光提取效率的影响, 然后基于优化设计的参数, 采用聚苯乙烯纳米球掩膜刻蚀的方法制作了具有圆台型表面微结构的波长上转换红外探测器. 测试结果表明, 具有表面微结构的器件的光提取效率比无表面微结构的器件提高了130%. 本文制作表面微结构的方法可以实现波长上转换红外探测器件整体效率的提高.     

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。     

Infrared spectroscopy combined with imaging: A new developing analytical tool in health and plant science

Modern infrared (IR) spectroscopy and imaging has a wide range of applications in health and plant sciences. Initially, it was extensively used for the study of proteins, nucleotides, lipids and carbohydrates. With time, its use has extended to disease assessment to discriminate healthy and diseased samples on the basis of chemical changes. The application of an advanced focal plane array detector, which is able to scan a large area of samples in a short time, helps in investigating specific changes that could be correlated with different environmental stresses. An IR microscope connected with a synchrotron light source further enhances the lateral spatial resolution at diffraction limit because of the compact beam size. For example, synchrotron-based IR spectroscopy imaging in combination with multivariate statistical analysis has been proven to be a powerful non-destructive analytical tool to probe changes in plant cell wall composition/structure in response to biological processes and environmental stresses. New development of nano-Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) combined with scattering type scanning near-field optical microscopy breaks the diffraction limitation, which opens the new area of applications. This review focuses on a new area of diagnostic research as well as development of IR spectroscopy and imaging for biological specimens including compositional changes in plant cell wall.     

Diffractive Microlens Array Monolithic Integration with PtSi Focal Plane array

Diffractive microlens arrays can completely collect the light at the focal plane and concentrate it into a smaller spot size on the detector plane, the photodetector area can be substantially reduced. Increased gamma radiation hardening and noise reduction result from the decrease in photodetector sensitive area. The diffractive microlens arrays have been designed by considering the correlative optical and processing parameters for PtSi focal plane array. They have been fabricated on the backside of PtSi focal plane array chip by successive photolithography and Ar⁺ ion-beam-etching technique. The alignment of microlens array with PtSi focal plane array was completed by a backside aligner with IR light source. The practical processes and fabrication method are discussed. The performance parameters of PtSi FPA with diffractive microlens array are presented.     

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.     

太阳能槽式系统反射镜玻璃厚度对聚光特性的影响

针对太阳能槽式系统反射镜玻璃厚度对聚光特性的影响进行了理论、模拟和实验研究。研究结果表明,平行光下反射镜玻璃越厚,入射光线距光轴距离越远,ΔX、ΔY越大。对焦距为1200 mm,反射镜玻璃折射率为1.6的槽式系统进行了理论计算,玻璃厚度为1 mm的反射镜,当距光轴距离为200 mm和2000 mm时,ΔX为0.03 mm和1.69 mm,ΔY为0.19 mm和0.31 mm;当距光轴距离仍为2000 mm时,玻璃厚度为5 mm的反射镜,ΔX为8.41 mm,ΔY为1.55 mm。通过TracePro模拟以及实际实验测量,结果与理论计算相符。