文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
光-机械式非制冷红外成像研究光—机械式非制冷红外成像研究
姓名:史海涛
申请学位级别:博士
专业:固体力学
指导教师:伍小平;张青川
20100501
摘要
摘要
红外成像技术是军事、医学、气象、农业、工业等领域的一项关键技术,光
—机械式非制冷红外成像技术成本低、理论极限温度分辨率高, 因而是近年来研
究的一个热点。然而原有关于光—机械式非制冷红外成像技术的热转换效率 H、
热机械响应率 ST 的理论模型对无基底 FPA 不再适用;并且原有光学读出响应率
Θ的理论与实验也有很大偏差。本文针对这些问题建立了新的、完全适用的理论
模型,并根据理论分析结果对无基底 FPA 和光学滤波技术进行了优化和改进。
有限元法虽然能精确计算出无基底 FPA 受辐射时温度场的分布,但是由于
FPA 一般具有数十万个像素,使得计算量非常大,时间周期长,不利于无基底
FPA 的优化设计,因此需要一个快捷方便的解析近似公式。本文在考虑框架热阻
的基础上建立了无基底 FPA 的热阻模型。经合理简化,推导出无基底 FPA 的热
转换效率 H 和热机械响应率 ST 的理论表达式。与有限元分析结果相比, H和
ST 偏保守,且误差在 10%以内。推导出无基底 FPA 响应时间的理论表达式,为
验证这个表达式,制作了拥有四个不同设计参数区域的无基底 FPA,这四个区
域响应时间的实验值与理论值相符。深入分析了大气环境中无基底 FPA 的红外
成像性能,指出有基底理论无法解释无基底 FPA 在大气环境下也能实现室温物
体红外成像的现象,建立了大气环境下无基底 FPA 的热阻模型,使这个现象得
到圆满的解释。
原有光学读出响应率Θ理论与实验偏差的根源在于没有考虑反光板的残余
变形,因此本文建立了变形反光板的光学读出响应率模型。理论分析和实验都表
明反光板弯曲变形将严重降低光学读出响应率。为提高FPA的光学读出响应率,
本文设计和制作了三种不同的结构(即: 即薄金结构、加强筋结构和双层结构)来
提高反光板平整度。实验证明:薄金结构使180µ
加到25mm,;加强筋结构使反光板曲率半径提高4倍,
光学读出响应率也相应提高15%;双层结构使反光板类似于工字梁,从而改善了
反光板的平整度。为了减少工艺的盲目性、避免不必要的损失,本文对长度为L
的反光板定义了其临界变形曲率半径Rc,当其曲率半径大于Rc时,则不需要提高
其平整度。由于工艺的限制,在每个阶段反光板一般有一个确定的变形曲率半径,
在这个一定曲率半径下,研究表明反光板相应地具有一个使光学读出响应率达到
极大的最佳长度,根据这个结果,设计和制作了一种优化了反光板长度的无基底
FPA,其性能测试结果与理论预测相符。
由于实际使用的可见光光源是非单色的扩展光源,本文分析了光源的非单色
i
摘要
性和扩展宽度对光学读出响应率的影响。分析表明,LED 光源非单***的影响
可以忽略;光学读出响应率随光源的增宽迅速减小,对长度为 L 的反光板定义了
相应的临界半高宽 Hc,当光源半高宽 H≤ Hc 时,分析时可近似认为光源为单色
点光源。
D 满量程的约束条件下,研究了刀口滤波位置对光学读出
响应率的影响,建立了无量纲形式的理论模型。理论分析指出,对于完全平整的
反光板刀口挡住 3/4 衍射谱时光学读出响应率达到最大;对于变形反光板,刀口
的最佳滤波位置与变形曲率半径有关。与刀口衍射谱中心滤波法相比,通过改进
刀口的滤波位置,对于平整反光板,光学读出响应率可以提高 80%;而对于长
55µm、曲率半径为 6mm 的反光板,理论和实验证明光学读出响应率可提高 33%。
对光学滤波读出技术首次建立了统一的读出响应率理论模型,该模型为以后
优化设计性能更高的光学滤波器提供了理论基础。具体分析了刀口、狭缝、方孔
和圆孔滤波法,并对这四种滤波方法的光源能量利用率、空间分辨率、动态响应
范围进行了具体的讨论。结果表明:狭缝滤波法优于圆孔、方孔滤波法;狭缝滤
波法与刀口滤波法相比,狭缝滤波法具有高的探测灵敏度,刀口中心滤波法具有
高光源能量利用率、高分辨率、高动态响应范围,刀口最佳位置滤波法的性能处
于这两者之间。
最后,D 背景光强下的系统噪声,证明
D 背景光强和改进滤波方法不仅能提系统的高光学读出响应率,而且
D。
关键词:微悬臂梁,光学滤波读出,非制冷,红外成像,无基底,焦平面阵列
ii
Abstract