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。

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12bitCCD,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。

基于光学读出非制冷红外成像系统的无基底FPA等效电学模型

与传统的有基底FPA(焦平面阵列)相比,基于全镂空支撑框架结构的新型无基底FPA在热学特性上存在显著差异,传统的基于恒温基底假设的热学分析模型不再适用,因此,通过电学比拟方法,将无基底FPA的热响应特性等效为电学模型.通过该模型,进一步分析了无基底FPA在非真空环境下的热学性能,分析表明:该无基底FPA具有在大气压下优良的红外成像性能,其NETD(噪声等效温度差)值仅比真空环境下增加了数倍.

利用消杂散光的偏振光技术提高光学读出红外成像检测灵敏度

在基于刀口滤波技术的光学读出的非制冷红外成像技术中,光学元件的反射会在CCD靶面引入杂光光斑,使得检测到的光强信号中FPA的像所占比例降低,因此降低了光学检测灵敏度.采用偏振光学读出系统,即在光路中添加偏振片、四分之一波片,利用对透射光和反射光的偏振方向有选择的偏振分光棱镜代替原有分光棱镜,用偏振光原理消除光路中光学元件的反射杂散光,使FPA像在CCD靶面接收到的光强中所占比例大幅度增加,进而提高光学检测灵敏度.偏振光路检测实验结果显示,检测灵敏度比非偏光实验提高了约47%,与理论分析值一致.

全息光学元件在光学读出头中的应用

分析了全息光栅在光学读出头中的作用。给出了用于光头中的全息光栅的设计原理 ,推出了记录和再现公式 。

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。

光学读出热成像焦平面阵列的制作技术

光学读出热成像是一种新型的红外成像技术,它基于双材料效应和光学原理实现像转换与像增强,具有高性价比的潜在优势。光学读出热成像焦平面阵列由可动微镜阵列构成,其制作技术是光学读出热成像技术的重要研究内容之一。目前,国内外的研究者已发展了基于表面微机械、体微机械以及表面/体微机械工艺的3种制作技术,前两者各有优缺点,而基于表面/体硅微机械工艺的制作技术则兼顾了前两者的优点。

光学读出红外成像研究进展

介绍红外成像技术的发展与应用,着重评述中国科学技术大学近代力学系光测实验室从事光学读出非制冷红外成像技术课题的研究进展.提出了刀口滤波法测量微梁阵列FPA(focus planearray)变形的高灵敏光学检测法,将微梁单元的热致转角变形转变为像平面上微梁像的灰度变化,从而获得微梁阵列转角变形表示的FPA上的热像;针对提出的测量方法,设计制作出相应的无基底多回折间隔镀金腿变形放大FPA;在研制的原理样机上实现了室温物体红外成像;是国际上第三个实现新概念光学读出红外成像、国内第一个实现自主核心芯片非制冷红外成像及其系统研制的课题组,热成像指标已达到:温度分辨率100 mK,感热像素尺寸60μm,相关技术指标处于国际领先,研究工作已申请了12项发明专利,并有4项已获得授权.

光学读出红外成像中反光板变形对光学检测灵敏度的影响

在刀口滤波光学读出方法的基础上,讨论了反光板弯曲的情况下,刀口滤波方法的光学检测灵敏度与反光板长度之间的关系.分析表明,在反光板曲率半径一定的情况下,光学检测灵敏度首先随着反光板长度的增加而增大,达到最大值后随着反光板长度的增加而减小.对于不同曲率半径和长度的反光板,分析给出反光板长度L和曲率半径R在满足L2/R=λ(λ为照明光波长)时,光学检测灵敏度达到最大值.实验测量了已制作的像素尺寸分别为200μm,120μm和60μmFPA的光学检测灵敏度,其实验结果和理论分析一致.

光学读出红外成像及其FPA性能分析

针对已提出的光学读出非制冷红外成像系统,设计研制了一种单元尺寸分别是50 μm×50μm和60 μm×60 μm的新型双材料微悬臂梁红外焦平面阵列(FPA),进行了人体红外热成像实验,并对光学读出非制冷红外成像系统的温度-灰度响应曲线及噪声进行了测定.实验结果表明该微梁结构FPA构成的红外成像系统的噪声等效温度差(NETD)约100 mK.和课题组之前的研究结果(微梁单元尺寸120μm×120μm,NETD约300 mK)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.

灵敏度可调的光学读出非制冷热像元设计

设计了一种可见光反射型光学读出非制冷热像元结构。理论分析表明热像元的热-机械灵敏度达到0.043deg·K-1,在热像元面积比已有报道减小75%的情况下,热-机械灵敏度反而提高至少79%。通过改变弯折梁底层金膜的面积来调节热像元的灵敏度,使其可在2.36×10-6rad·m2·W-1和9.21×10-6rad·m2·W-1之间变化。ANSYS仿真结果和理论结果吻合较好,验证了设计的正确性。

基于MEMS工艺微悬臂梁阵列光学读出红外成像研究现状

非制冷红外成像技术由于其成本低可考性好而倍受关注。一种基于MEMS双材料梁阵列的新概念光学读出红外成像系统也于今年来被提出来。介绍了这种系统成像原理,影响参数及其研究现状,最后展望了其发展前景。

光学读出微悬臂梁阵列火焰检测系统

光学读出微悬臂梁对红外辐射具有很高的灵敏度与热响应速率,十分适用于火焰探测领域.当火焰所产生红外辐射入射到微悬臂梁阵列时,相应的微悬臂梁单元会发生形变,通过光学读出系统将这种变化成像在相机上,就能够获得火焰的图像信息.根据理论计算,微悬臂梁的像元尺寸为100μm×80μm时,热响应时间为20.5 ms.由于此系统不受可见光干扰,使用阈值法对图像进行处理后,能够得到清晰的火焰图像.实验表明:此系统可达到100帧/s的火焰图像处理速度,极大降低了火焰检测的响应时间,提高了火焰的检测速度.

基于MEMS技术的光学读出红外成像系统

提出了一种利用悬梁式热感应薄膜阵列、衍射光栅和图像重建技术来实现高灵敏光学读出红外成像的装置和方法。与传统的光学读出红外成像技术相比,该装置采用彩色CCD设计来提高系统灵敏度,具有结构简单、成本低廉的优越性,适用于对速度指标要求不高的应用领域。制备了试验结构并进行了红外测试,证明在人体红外信号作用下,悬臂自由端能产生较大幅度的偏转,随之彩色CCD读出了全可见光波长范围的颜色变化。经估算,系统的噪声等效温度差大大超过目前200mK的水平。

基于闪耀光栅的光学读出彩色红外成像研究

基于闪耀光栅的光学读出彩色红外成像根据闪耀光栅的高效分色原理工作。红外焦平面上的热量驱动红外热感应薄膜偏转,红外热感应薄膜有一个金属反射表面和一个吸热表面,具有闪耀光栅结构的红外热感应薄膜的金属反射面将照射到薄膜上的白色照射光分解成彩色光线,在特定衍射角度上放置CCD图像记录单元,即可记录不同转角对应的不同色彩,形成彩色红外图像.依据实验估算的NETD大约为39mK.

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.

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。

基于哈特曼波前传感器的非制冷红外成像光学读出系统

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统。该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像。在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60μm×60μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K。优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差。

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。