光-機(jī)械式非制冷紅外成像研究光—機(jī)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(xué)、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，光—機(jī)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(diǎn)。然而原有關(guān)于光—機(jī)械式非制冷紅外成像技術(shù)的熱轉(zhuǎn)換效率H、熱機(jī)械響應(yīng)率ST的理論模型對無基底FPA不再適用；并且原有光學(xué)讀出響應(yīng)率Θ的理論與實(shí)驗(yàn)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(xué)濾波技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。
　　 有限元

2、法雖然能精確計(jì)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(jì)算量非常大，時間周期長，不利于無基底FPA的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(chǔ)上建立了無基底FPA的熱阻模型。經(jīng)合理簡化，推導(dǎo)出無基底FPA的熱轉(zhuǎn)換效率H和熱機(jī)械響應(yīng)率ST的理論表達(dá)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(dǎo)出無基底FPA響應(yīng)時間的理論表達(dá)式，為驗(yàn)證這個表達(dá)式，制作了擁

3、有四個不同設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)域的無基底 FPA，這四個區(qū)域響應(yīng)時間的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(xué)讀出響應(yīng)率Θ理論與實(shí)驗(yàn)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(xué)讀出響應(yīng)率模型。理論分析和實(shí)驗(yàn)都表明反光板彎曲變形將

4、嚴(yán)重降低光學(xué)讀出響應(yīng)率。為提高FPA的光學(xué)讀出響應(yīng)率，本文設(shè)計(jì)和制作了三種不同的結(jié)構(gòu)(即：即薄金結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu))來提高反光板平整度。實(shí)驗(yàn)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(xué)讀出響應(yīng)率提高5.2倍；加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)使反光板曲率半徑提高4倍，光學(xué)讀出響應(yīng)率也相應(yīng)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(dāng)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(yīng)地具有一個使光學(xué)讀出響應(yīng)率達(dá)到極大的最佳長度，根據(jù)這個結(jié)果，設(shè)計(jì)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(yù)測相符。
　　 由于實(shí)際使用的可見光光源是非單色的擴(kuò)展光源，本文分析了光源的非單色性和擴(kuò)展寬度對光學(xué)讀出響應(yīng)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(xué)讀出響應(yīng)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(yīng)的臨界半高寬Hc，當(dāng)光源半高寬H≤Hc時，分析時可近似認(rèn)為光源為單色點(diǎn)光源。
　　 在光強(qiáng)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(xué)讀出響應(yīng)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(xué)讀出響應(yīng)率達(dá)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(jìn)刀口的濾波位置，對于平整反光板，光學(xué)讀出響應(yīng)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(shí)驗(yàn)證明光學(xué)讀出響應(yīng)率可提高33％。
　　 對光學(xué)濾波讀出技術(shù)首次建立了統(tǒng)一的讀出響應(yīng)率理論模型，該模型為以后優(yōu)化設(shè)計(jì)性能更高的光學(xué)濾波器提供了理論基礎(chǔ)。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(yīng)范圍進(jìn)行了具體的討論。結(jié)果表明：狹縫濾波法優(yōu)于