光-機械式非制冷紅外成像研究光—機械式非制冷紅外成像研究.pdf

1、紅外成像技術(shù)是軍事、醫(yī)學、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領域的一項關(guān)鍵技術(shù)，光—機械式非制冷紅外成像技術(shù)成本低、理論極限溫度分辨率高，因而是近年來研究的一個熱點。然而原有關(guān)于光—機械式非制冷紅外成像技術(shù)的熱轉(zhuǎn)換效率H、熱機械響應率ST的理論模型對無基底FPA不再適用；并且原有光學讀出響應率Θ的理論與實驗也有很大偏差。本文針對這些問題建立了新的、完全適用的理論模型，并根據(jù)理論分析結(jié)果對無基底FPA和光學濾波技術(shù)進行了優(yōu)化和改進。
　　 有限元

2、法雖然能精確計算出無基底FPA受輻射時溫度場的分布，但是由于FPA一般具有數(shù)十萬個像素，使得計算量非常大，時間周期長，不利于無基底FPA的優(yōu)化設計，因此需要一個快捷方便的解析近似公式。本文在考慮框架熱阻的基礎上建立了無基底FPA的熱阻模型。經(jīng)合理簡化，推導出無基底FPA的熱轉(zhuǎn)換效率H和熱機械響應率ST的理論表達式。與有限元分析結(jié)果相比，H和ST偏保守，且誤差在10％以內(nèi)。推導出無基底FPA響應時間的理論表達式，為驗證這個表達式，制作了擁

3、有四個不同設計參數(shù)區(qū)域的無基底 FPA，這四個區(qū)域響應時間的實驗值與理論值相符。深入分析了大氣環(huán)境中無基底FPA的紅外成像性能，指出有基底理論無法解釋無基底FPA在大氣環(huán)境下也能實現(xiàn)室溫物體紅外成像的現(xiàn)象，建立了大氣環(huán)境下無基底FPA的熱阻模型，使這個現(xiàn)象得到圓滿的解釋。
　　 原有光學讀出響應率Θ理論與實驗偏差的根源在于沒有考慮反光板的殘余變形，因此本文建立了變形反光板的光學讀出響應率模型。理論分析和實驗都表明反光板彎曲變形將

4、嚴重降低光學讀出響應率。為提高FPA的光學讀出響應率，本文設計和制作了三種不同的結(jié)構(gòu)(即：即薄金結(jié)構(gòu)、加強筋結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu))來提高反光板平整度。實驗證明：薄金結(jié)構(gòu)使180μm反光板的曲率半徑從5.3mm增加到25mm，光學讀出響應率提高5.2倍；加強筋結(jié)構(gòu)使反光板曲率半徑提高4倍，光學讀出響應率也相應提高15％；雙層結(jié)構(gòu)使反光板類似于工字梁，從而改善了反光板的平整度。為了減少工藝的盲目性、避免不必要的損失，本文對長度為L的反光板定義了其

5、臨界變形曲率半徑Rc，當其曲率半徑大于Rc時，則不需要提高其平整度。由于工藝的限制，在每個階段反光板一般有一個確定的變形曲率半徑，在這個一定曲率半徑下，研究表明反光板相應地具有一個使光學讀出響應率達到極大的最佳長度，根據(jù)這個結(jié)果，設計和制作了一種優(yōu)化了反光板長度的無基底FPA，其性能測試結(jié)果與理論預測相符。
　　 由于實際使用的可見光光源是非單色的擴展光源，本文分析了光源的非單色性和擴展寬度對光學讀出響應率的影響。分析表明，LE

6、D光源非單色性的影響可以忽略；光學讀出響應率隨光源的增寬迅速減小，對長度為L的反光板定義了相應的臨界半高寬Hc，當光源半高寬H≤Hc時，分析時可近似認為光源為單色點光源。
　　 在光強不超過CCD滿量程的約束條件下，研究了刀口濾波位置對光學讀出響應率的影響，建立了無量綱形式的理論模型。理論分析指出，對于完全平整的反光板刀口擋住3/4衍射譜時光學讀出響應率達到最大；對于變形反光板，刀口的最佳濾波位置與變形曲率半徑有關(guān)。與刀口衍射譜

7、中心濾波法相比，通過改進刀口的濾波位置，對于平整反光板，光學讀出響應率可以提高80％；而對于長55μm、曲率半徑為6mm的反光板，理論和實驗證明光學讀出響應率可提高33％。
　　 對光學濾波讀出技術(shù)首次建立了統(tǒng)一的讀出響應率理論模型，該模型為以后優(yōu)化設計性能更高的光學濾波器提供了理論基礎。具體分析了刀口、狹縫、方孔和圓孔濾波法，并對這四種濾波方法的光源能量利用率、空間分辨率、動態(tài)響應范圍進行了具體的討論。結(jié)果表明：狹縫濾波法優(yōu)于