非制冷紅外成像無基底FPA的氣壓依賴特性及系統(tǒng)性能優(yōu)化.pdf

1、本課題組設計制作了一種集成化的光學讀出非制冷紅外成像系統(tǒng)。這一系統(tǒng)利用雙材料微懸臂梁陣列的熱．機械響應原理來檢測入射紅外輻射，建立了基于非相干光空間濾波技術的高靈敏度光學讀出系統(tǒng)來檢測微懸臂梁陣列(FPA)的熱致轉角，并選擇使用高信噪比的CCD面陣組件讀出光學信號進行熱像重建，對圖像進行處理后實時顯示。這一系統(tǒng)使用的改進設計的無硅基底FPA具有提高溫升和變形放大的結構，配合縮小尺寸設計的光學讀出裝置和高信噪比的CCD面陣組件，可以穩(wěn)定獲

2、得室溫下人體的熱圖像。 本文中研究了該成像系統(tǒng)的靈敏度和噪聲情況。與有基底FPA相比，無基底FPA消除了懸臂梁單元和硅基底之間約2μm的空氣間隙，避免了高溫度梯度引起的較大的空氣熱導。本文針對無基底FPA的這一特點，建立模型分析了無基底FPA像素單元熱導和系統(tǒng)噪聲值隨氣壓變化的關系，以及其對系統(tǒng)成像性能的影響，并使用無基底FPA在不同真空度條件下對室溫物體(人體)進行成像實驗來驗證模型分析。本文所得的實驗結果與模型分析是相吻合的

3、。這一分析和實驗結果顯示：系統(tǒng)噪聲基本不隨環(huán)境氣壓而變化，但環(huán)境氣壓對像素單元熱導具有一定影響，具體表現(xiàn)為：無基底FPA的像素單元熱導值在環(huán)境氣壓小于10<'-1>Pa和大于10<'2>Pa時分別達到最小值和最大值，但與傳統(tǒng)有基底FPA相比，無基底FPA在常壓下的熱導減小了1000倍，因而其在空氣中也可以獲得室溫物體的熱像。本文使用單元尺寸為200×200μm和120x120μm的進行成像實驗，在空氣中和在不同真空度下都獲得了室溫物體(

4、人體)的紅外熱像。這兩種不同單元尺寸FPA成像結果的對比顯示：通過優(yōu)化FPA結構，縮小像素單元尺寸，可以提高溫度分辨率和空間分辨率，加大紅外成像系統(tǒng)的工作距離。 基于以上的工作，制作了可實際應用的便攜式紅外成像儀。通過優(yōu)化FPA的結構參數(shù)和縮小FPA單元尺寸，該紅外成像儀的溫度分辨率和空間分辨率都已基本達到商用水平，因而本文工作中也對該紅外成像儀進行了大量商品化研究和工程實踐，針對不同尺寸的FPA優(yōu)化設計了FPA的真空封裝，通過