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。

Au掺杂碲镉汞长波探测器技术研究

昆明物理研究所多年来持续开展了对Au掺杂碲镉汞材料、器件结构设计、可重复的工艺开发等研究,突破了Au掺杂碲镉汞材料电学可控掺杂、器件暗电流控制等关键技术,将n-on-p型碲镉汞长波器件品质因子(R_(0)A)从31.3Ω·cm^(2)提升到了363Ω·cm^(2)(λ_(cutoff)=10.5μm@80 K),器件暗电流较本征汞空位n-on-p型器件降低了一个数量级以上。研制的非本征Au掺杂长波探测器经历了超过7年的时间贮存,性能无明显变化,显示了良好的长期稳定性。基于Au掺杂碲镉汞探测器技术,昆明物理研究所实现了256×256(30μm pitch)、640×512(25μm pitch)、640×512(15μm pitch)、1024×768(10μm pitch)等规格的长波探测器研制和批量能力,实现了非本征Au掺杂长波碲镉汞器件系列化发展。

红外成像探测系统作用距离分析方法研究

根据视频跟踪测量技术工程实践中 ,可靠跟踪测量对目标在探测器靶面上的成像尺寸、照度及对比度的要求 ,综合考虑背景辐射和目标成像弥散的影响 ,对原有红外探测系统作用距离计算公式进行了改进 ,给出了适用于红外焦平面成像探测系统的新的作用距离分析方法 ,并针对水平观测、非水平穿越大气层观测等应用条件推导了具体的计算公式 文中通过应用示例进行了比较分析 。

非制冷铁电混合式红外焦平面探测器

介绍了国内非制冷铁电混合式红外焦平面探测器的最新研究进展,给出器件所采用的铁电材料的基本物理和电学特性参数、器件的热隔离技术和相应参数、读出电路的基本结构和性能,详细讨论了影响性能的关键参数和工艺,最后对试验结果进行了分析.

InGaAs近红外线列焦面阵的研制进展

研制出光谱响应为0.9～1.7μm的256×1、512×1元InGaAs线列焦平面组件,和光谱响应延展至2.4μm的256×1元InGaAs线列焦平面组件。焦平面组件包括光敏芯片、读出电路、热电制冷器以及管壳封装。光敏芯片在InP/InGaAs/InP(p-i-n)双异质结外延材料上采用台面结构实现,并与128×1或512×1元CTIA结构的读出电路耦合。焦平面器件置于双列直插金属管壳中,采用平行缝焊的方式进行封装。介绍了高均匀性长线列InGaAs焦平面组件的关键技术和主要性能结果,为更长线列焦平面组件的研制提供了坚实的基础。

环境温度对红外图像非均匀性影响的研究

定量分析了SOFRADIR公司生产的320×240凝视型非制冷焦平面探测器关键偏置电压FID、VEBASAGE对焦平面探测器输出的影响.通过测试发现,焦平面驱动电路板所处系统内部环境温度在某一温度附近有振荡现象,理论上推导出了焦平面驱动电路所处系统内部环境温度在(-10℃,40℃)的缓慢漂移以及振荡均能使关键偏置电压产生毫伏级漂移的结论.结果表明,焦平面驱动电路所处系统内部环境温度变化严重影响了焦平面探测器输出的稳定性并改变了红外图像的非均匀性,为基于环境温度补偿的非均匀性校正算法研究提供了依据.

红外焦平面探测器杜瓦组件真空失效及其检测方法

杜瓦真空失效造成光电转换探测系统的核心部件故障,依据真空物理稀薄气体理论,分析探讨了真空失效考核方法。检测组件在工作状态下的降温时间是否符合用户要求,是确认真空失效最直接有效的方法。制冷机额定制冷功率与杜瓦最大无功功率之差,即设计允许最大热负载增加量。在特定时间区间内,利用液氮蒸发原理测量热负载增加量,达到扩展不确定度30 m W(k=3)时,可以认为杜瓦真空有用寿命不符合用户要求。用户定制15年真空有用寿命,则要求杜瓦漏气速率小于5×10-15Pa·m3/s,真空失效的气体压力大于1×10-2Pa。

非制冷铁电混合式焦平面探测器新研究

本文报道一种128×128元铁电非制冷混合式焦平面探测器,涉及该器件的混合式结构.分析了影响器件性能的关键因素,给出器件所采用的铁电材料的基本物理和电学特性参数,器件的热隔离技术和相应参数,读出电路的基本结构和性能.对实验数据所涉及的原理进行了讨论,最后给出了利用该器件得到的清晰红外热像.

线阵红外焦平面成像系统中失效元检测及补偿的计算机模拟研究

通过对线阵焦平面成像系统失效元产生及影响的分析 ,说明失效元补偿的意义 ;在借鉴国外技术的基础上 ,提出相应的自动检测及补偿方法 ,并通过计算机模拟对实际的热图像进行验证 ,结果证明该方法简洁可靠 。

积分时间和工作电压对焦平面探测器性能的影响

测试了采用某CTIA型读出电路的128元InSb焦平面探测器在不同积分时间和工作电压情况下的特性,分析了实验中遇到的一些现象,得到了使焦平面探测器综合性能较高的积分时间和工作电压的取值区间,为设计CTIA型读出电路提供了参考依据。

非制冷焦平面红外探测器的双波段成像理论

本文研究了热电型非制冷焦平面红外探测器在 4状态斩波调制下的信号响应 ,从理论上得到了响应信号的变化 ,数值模拟分析表明 ,响应信号的变化可以反映出景物入射辐射在双波段的差异 ,由此可望通过单一非制冷钛酸锶钡 (BaxSr1-xTiO3 ,BST)焦平面探测器 。

长波红外相机细分采样迭加像元传递函数分析

根据长波红外探测器的特点,阐述了细分采样迭加技术的应用目的和原理,在像元传递函数(PTF)的基础上分析细分采样和迭加对PTF的影响,给出了不同细分倍数m对应的细分采样迭加PTF。随着m的增加,推扫采样方式由单次瞬时采样(m=1)转变为全驻留时间积分采样(m趋于无穷大)。当细分倍数m>4时,PTF的变化已经不明显了。

红外焦平面阵列自适应数字化技术

针对红外焦平面阵列驱动电路固定A/D芯片模拟信号输入范围进行数字化、造成的红外图像细节分辨力低下的问题,提出了自适应的数字化技术,该技术消除了焦平面阵列的盲元干扰。根据进入焦平面的整体场景的灰度大小,设定适当的灰度阈值,计算出A/D转换芯片的偏置电压,自适应地调整模拟信号数字化范围,使焦平面的模拟输出数字化后最大限度地占据A/D芯片的数字位数。理论推导表明,该技术能够大幅度地提高红外图像的细节分辨力。

中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪

为提高成像光谱仪的工作波长范围,提出了基于双波段焦平面探测器（FPAs）的双衍射级次全共路Offner成像光谱仪结构。该结构中凸面光栅的一级衍射光和二级衍射光完全重叠共路传输,并可由焦平面处的双波段红外焦平面探测器IR FPAs实现级次的自然分离和同时探测。分析了该结构的工作原理和设计方法,基于几何光线追迹法仿真了谱线弯曲和色畸变特性,基于Huygens点扩散函数（PSF）仿真了光谱响应函数（SRF）并导出了光谱带宽。实验显示：双衍射级次共路Offner成像光谱仪的工作波段为3~6μm（二级衍射）和6~12μm（一级衍射）,谱线弯曲和色畸变均小于0.5个像元宽度,光谱带宽分别为13.2~14.3nm（二级衍射）和28.3~33.3nm（一级衍射）,两个工作波段内的衍射效率均大于或等于20%。整个系统结构简单紧凑、光谱范围宽,满足对地物或深空目标的中等分辨率的中远红外光谱探测需求。

红外探测器杜瓦结构的快启动优化

某型号红外探测器组件在工程应用中需要极短的制冷启动时间,红外焦平面探测器组件的启动时间与制冷器的制冷性能和杜瓦冷头的热学性能相关。本文在不改变J-T制冷器状态的条件下,通过对杜瓦结构的冷屏、框架、冷台等零件的热负载设计优化仿真优化设计,减小冷头热质量,提高导热效率,有效减少了组件的制冷启动时间。

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。

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。

红外成像寻的用双色凝视焦平面探测器设计的基本要求

文中讨论了红外成像寻的器用红外焦平面探测器的工作波段、阵列结构、规模、相对孔径等问题,提出双色凝视红外焦平面探测器设计的基本要求:(1)波长组合以相邻波段为宜;(2)双色FPA以叠层结构的凝视型为宜;(3)通过限制红外成像传感器的视场,将双色凝视FPA的规模控制在320×256以下为宜;(4)在探测元尺寸50μm×50μm时,中波/长波双色凝视FPA的F数以1～2.44为宜.

红外焦平面器件的研制与展望

从焦平面器件研制的角度出发，分析了焦平面技术的现状和发展趋势。认为红外焦平面的难点在于大规模、高均匀性、高性能的红外探测器阵列的制造，同时强调了材料、杜瓦瓶、致冷器、读出电路等关键技术在加速焦平面器件研制中所起的重要作用。

基于红外TFT-LCD的非机械式微扫描技术研究

提出了一种旨在提高非制冷红外焦平面空间分辨性能的非机械式微扫描方法,该方法利用在3～5μm和8～14μm中远红外波段有良好的光开关性能的红外液晶材料,制作成像素间距和规模与非制冷红外焦平面阵列相当的TFT-LCD矩阵。按行、列选择红外TFT-LCD矩阵的开与关,得到与二级机械式微扫描一致的同一场景的4幅微位移图像,通过插值重建获得采样频率提高到2倍的场景微扫描图像。分析了该方法的实现机理,给出了实际可行的微扫描系统方案,并采用该方法的思想对辐条状图案进行了微扫描仿真。与常规的机械式微扫描技术相比,该非机械式微扫描方法具有重量轻、机械复杂度低、稳定可靠、重复精度高的显著优点。