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     

基于无基底焦平面阵列的红外图像复原算法

与传统有基底焦平面阵列不同,无基底焦平面阵列的感热单元吸收的红外辐射以点扩散函数的形式向相邻单元进行热传导,该热力学特性虽然能够大幅提高红外探测性能,使红外目标在背景中更加凸显,但同时降低了系统对红外目标细节的分辨能力,使图像模糊。通过分析这种热扩散叠加效应对红外成像质量的影响,利用数字图像处理方法,提出了针对性的红外图像复原算法。仿真和实验均表明该算法能够有效增强红外图像细节轮廓,提升图像质量。     

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。     

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。     

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     

Thermal and mechanical characterizations of asubstrate-free focal plane array

We propose a substrate-free focal plane array (FPA) in this paper. The solid substrate is completely removed, and the microcantilevers extend from a supporting frame. Using finite element analysis, the thermal and mechanical characterizations of the substrate-free FPA are presented. Because of the large decrease in thermal conductance, the supporting frame is temperature dependent, which brings out a unique feature: the lower the thermal conductance of the supporting frame is, the higher the energy conversion efficiency in the substrate-free FPA will be. The results from the finite element analyses are consistent with our measurements: two types of substrate-free FPAs with pixel sizes of 200× 200 and 60× 60~μ m² are implemented in the proposed infrared detector. The noise equivalent temperature difference (NETD) values are experimentally measured to be 520 and 300~mK respectively. Further refinements are considered in various aspects, and the substrate-free FPA with a pixel size of 30× 30~μ m² has a potential of achieving an NETD value of 10~mK.     

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。