非制冷紅外成像無(wú)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(shè)計(jì)制作了一種集成化的光學(xué)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(jī)械響應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)入射紅外輻射，建立了基于非相干光空間濾波技術(shù)的高靈敏度光學(xué)讀出系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)微懸臂梁陣列(FPA)的熱致轉(zhuǎn)角，并選擇使用高信噪比的CCD面陣組件讀出光學(xué)信號(hào)進(jìn)行熱像重建，對(duì)圖像進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)顯示。這一系統(tǒng)使用的改進(jìn)設(shè)計(jì)的無(wú)硅基底FPA具有提高溫升和變形放大的結(jié)構(gòu)，配合縮小尺寸設(shè)計(jì)的光學(xué)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(wú)基底FPA消除了懸臂梁?jiǎn)卧凸杌字g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(dǎo)。本文針對(duì)無(wú)基底FPA的這一特點(diǎn)，建立模型分析了無(wú)基底FPA像素單元熱導(dǎo)和系統(tǒng)噪聲值隨氣壓變化的關(guān)系，以及其對(duì)系統(tǒng)成像性能的影響，并使用無(wú)基底FPA在不同真空度條件下對(duì)室溫物體(人體)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型分析。本文所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型分析是相吻合的

3、。這一分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)像素單元熱導(dǎo)具有一定影響，具體表現(xiàn)為：無(wú)基底FPA的像素單元熱導(dǎo)值在環(huán)境氣壓小于10<'-1>Pa和大于10<'2>Pa時(shí)分別達(dá)到最小值和最大值，但與傳統(tǒng)有基底FPA相比，無(wú)基底FPA在常壓下的熱導(dǎo)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(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，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(jié)果的對(duì)比顯示：通過優(yōu)化FPA結(jié)構(gòu)，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(shí)際應(yīng)用的便攜式紅外成像儀。通過優(yōu)化FPA的結(jié)構(gòu)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(dá)到商用水平，因而本文工作中也對(duì)該紅外成像儀進(jìn)行了大量商品化研究和工程實(shí)踐，針對(duì)不同尺寸的FPA優(yōu)化設(shè)計(jì)了FPA的真空封裝，通過