双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列热变形的光学读出

针对双材料微梁阵列非制冷红外成像技术的光学读出系统,提出了在谱平面上进行刀口滤波将阵列转角转化为像平面上光强变化的高灵敏度测量技术,并对光学探测灵敏度进行了理论分析.利用该光学读出系统在实验中得到了120℃红外物体的热图像.通过对实验结果的分析和图像处理消除噪声技术,得到该系统在成像温度范围的噪声等效温度差(NETD)约为5K,并对系统噪声进行了讨论.     

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。     

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。     

光学读出非制冷红外成像的最新进展

针对以前红外成像中红外图像的噪声等效温度差（NETD）较大和空间分辨率不高的问题，本文在制作工艺改善的基础上，设计了一个单元尺寸分别是50μm×50μm和60μm×60μm的红外焦平面阵列（FPA），它是由0．5μm厚的SiNX和0．2μm厚的Au构成的双材料微悬臂梁阵列构成。微梁单元倾斜角的变化利用在谱平面刀口滤波的光学方法测量。FPA是利用基于体硅的表面微加工工艺制作的，利用制作的FPA的60μm×60μm单元区域和12bit CCD，得到了室温物体的热像。讨论了60μm×60μm单元区域的性能，给出了NETD在100mK左右。和以前的工作相比，红外图像的温度分辨率和空间分辨率都得到了明显改善。     

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。     

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。     

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.     

中国科大光力学工作进展

中国科学技术大学光力学实验室近年从事实验力学方法在红外成像、金属物理学以及生化传感等交叉领域的研究,为实验力学带来了新的研究内容,也为相关领域的研究开辟出独特的途径.本文拟对该小组近年来取得的研究进展作一个概述:1)提出微梁阵列FPA变形的高灵敏光学检测法,设计制作出相应的FPA,实现了新概念光学读出红外成像,热成像指标处于国际领先;2)提出用动态散斑研究合金材料锯齿形屈服剪切带,建立了溶质原子与位错交互作用的动态应变时效模型,再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹;3)提出用微梁传感研究大分子/蛋白质构象折叠,检测到构象转变过程中分子间力的相互作用信息和折叠动力学过程,为研究大分子折叠机理提供了一种新途径.     

中国科大光力学工作进展

中国科学技术大学光力学实验室近年从事实验力学方法在红外成像、金属物理学以及生化传感等交叉领域的研究，为实验力学带来了新的研究内容，也为相关领域的研究开辟出独特的途径。本文拟对该小组近年来取得的研究进展作一个概述：1）提出微梁阵列FPA变形的高灵敏光学检测法，设计制作出相应的FPA，实现了新概念光学读出红外成像，热成像指标处于国际领先；2）提出用动态散斑研究合金材料锯齿形屈服剪切带，建立了溶质原子与位错交互作用的动态应变时效模型，再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹；3）提出用微梁传感研究大分子／蛋白质构象折叠，检测到构象转变过程中分子间力的相互作用信息和折叠动力学过程，为研究大分子折叠机理提供了一种新途径。     

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。     

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。     

静电陀螺仪MUM小角度读取的相关技术研究

讨论了同步解调法实现静电陀螺仪质量不平衡调制（MUM，Mass-Unbalanced Modulation）小角度读取的原理，分析了影响读取分辨率的各种因素，并对其实施方案中的相关技术进行了探讨。研究表明，尽管MUM读取方案非常适用于实心转子静电陀螺仪，但前提是将其小角度读取的分辨率提高到可与光电方法相比的水平（角秒级）。要实现这一目标，首先要保证转子和电极的机械特性达到一定要求；在此基础上，还要在支承系统的结构、转子位移测量电路设计等方面进行精心设计。     

Performance analysis of the heterodyne schlieren system

The performance of the electronic heterodyne schlieren system is investigated. The sensitivity, spatial resolution, and dynamic range of the system are calculated. It is shown that these features are improved compared with the conventional intensity schlieren readout technique. Without changing the system setup, the sensitivity and accuracy of the system can be tripled by using the third harmonic of the heterodyne signal. In this case, the spatial resolution and the measurement range are reduced by a factor of three. The system is self-calibrated. For whole field measurements, the method is limited by the camera to milliseconds time scale. However, for selected points measurements fast variations, the order of tens of microseconds, can be measured. The system was evaluated experimentally by measuring the focal length of a weak lens and a multiscale phase plate.     

集成光学角速度传感器系统方案的研究

本文研究了谐振型和干涉型两类集成光学角速度传器（Ｒ－ ＩＯＲＳ 和Ｉ－ ＩＯＲＳ） 的系统方案,设计了两种Ｒ－ ＩＯＲＳ 的光纤仿真实验装置：反射式和透射式,并介绍了对它们的实验研究结果。文中还提出了一种再入式Ｉ－ ＩＯＲＳ的系统方案,并进行了理论分析。     

Absolute phase measurement in extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors using multiple path-match conditions

This paper describes the use of the first and second optical return paths in a moderate-to-high finesse Fabry-Perot sensor to measure the absolute phase in extrinsic Fabry-Perot interferometry (EFPI) sensors. A path-matched differential interferometry (PMDI) using a highfinesse EFPI sensors, a low-finesse Fabry-Perot readout interferometer and a broadband light source consisting of amplified spontaneous emission (ASE) from an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) is used to illustrate the idea. The first and second multiple paths in the Fabry-Perot readout sensor are used to provide two distinct path-match conditions from the same scanning Fabry-Perot readout interferometer. The difference in fringe numbers between the centers of two orders of interference fringe packets formed by the distinct path-match conditions makes possible a simple method of measuring the cavity length of EFPI sensors, which in turn can be used to measure absolute phase and the corresponding strain. Sensor cavity length measurement using the multiple return paths in the high-finesse Fabry-Perot sensor is correlated to that measurement using the modulation transfer function found using an optical spectrum analyzer; the multiple return path technique is then used to make strain measurements on a cantilever beam. Comparisons with resistance strain gage measurements are favorable. Characterization tests indicate that the proposed technique has a cavity length measurement resolution on the order of 1.1 μm, which translates to a strain resolution of 28 με for a 4-cm gage length sensor.     

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.     

Grating holographic interferometry

A holographic interferometric technique, combining an image hologram with a grating approach, is proposed for three-dimensional deformation measurements on opaque planar object surfaces. In this technique, the holographic plate is brought close to the object surface, onto which a high-frequency crossed-line diffraction grating has been replicated. The grating surface produces multiple object waves rather than the usual diffusely reflected object waves. The double-exposed single holograms can be reconstructed at multiple off-axis angles. Four independent high-contrast fringe patterns are extracted simultaneously. Displacement vectors over the entire measurement area are separated in three orthogonal directions. The resultant displacements are presented as three-dimensional meshed plots and topographic contour maps. The optical system for both recording and reconstruction of the holograms has been simplified compared to conventional holographic interferometry. Experimental errors associated with fringe readout and system geometry are reduced because of the sharp images and the well-defined spatial orientation in the reconstruction system.     

基于体视显微镜的测量系统标定研究

微观三维变形测量系统在工程上有广泛的应用。本文构建了体视显微镜双相机微观图像采集与测量系统,可以实现对微小物体形貌、位移、变形的全场测量。微观三维变形的测量精度与成像系统的畸变模型存在密切的关系。本文采用了考虑多种不确定情况的畸变模型,能很好地表达体视显微镜测量系统的成像误差,并设计了点阵式标定模板和精密的平动平台,实现了基于Tsai标定的自动标定算法。实验表明,体视显微镜测量系统可以在各种放大倍数下稳定工作,标定的精度得到很大的提高,并给出了在不同放大倍数下对规则圆柱体的形貌和直径的测量结果。