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《中国科学技术大学》 2010年
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基于MEMS技术的光学读出非制冷红外成像系统研究

程腾  
【摘要】: 目前,红外成像技术已在军事、工业、商业等广泛的领域发挥了重要的应用,其中,非制冷红外成像技术因其体积小、成本低、性能高而备受关注。本文在课题组已有工作基础上,对基于MEMS技术的新型光学读出非制冷红外成像系统进行了深入的研究,主要在无基底FPA的仿真分析和结构设计、光学读出方法的优化、红外成像系统的小型化和工程化等方面进行学习和研究,取得的主要成果如下: (1)在无基底FPA的仿真分析方面,通过有限元方法,开发了像素数为80×80的无基底FPA和有基底FPA的三维有限元仿真分析平台,并通过ANSYS软件分析热应力问题时的间接法,详细分析了它们在热学性能、热机械性能上的差异。分析发现: (a)在热学性能方面,由于支撑框架的热导大幅度减小,无基底FPA具有和有基底FPA完全不同的热学特性。一方面,支撑框架等效于一段与热隔离梁串联的热阻,它有效降低了感热单元的总热导,提高了感热单元的温升效果,另一方面,支撑框架通过热扩散使相邻单元产生了“预温升”现象,它通过线性叠加大幅度提高了感热单元的温升。这些特性使得无基底FPA的能量转换效率大幅度提高,甚至有数量级的提升。 (b)在热机械性能方面,由于无基底FPA的支撑框架是变温结构,各感热单元的双材料变形梁的温升几乎相等,因此,其热变形效率与有基底FPA相比,最大可提高约33%。 根据上述有限元分析结果,修正了基于恒温基底假设的物理模型,具体涉及感热单元的总热导和热变形效率公式。 (2)在无基底FPA的结构设计方面,设计了增强型的支撑框架。它可在保持感热单元热学性能的基础上有效提高支撑框架的结构性能,从而解决在大阵列的无基底FPA(≥1024×1024)中,支撑框架的Z向刚度比较薄弱的问题。 (3)在光学读出方法的优化方面,根据傅里叶光学的近场夫琅和费衍射理论,建立了反光板弯曲时的光学检测灵敏度的理论分析模型,发现系统的光学检测灵敏度是关于反光板板长、曲率半径和刀口滤波器位置的函数。通过建立的理论分析模型,提出了一种针对弯曲反光板的光学优化方法。它可以最大化地提高系统的光学检测灵敏度,将由反光板弯曲引起的灵敏度损失降低到最小程度。 (4)在红外成像系统的小型化和工程化方面,通过FPGA+DSP架构,设计并实现了第一代小型化的图像采集处理系统,并组装了光学读出非制冷红外成像系统的原理样机,虽然其成像效果与放置在防震台上的实验系统有明显差距,但仍获得了室温物体的红外图像。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN219

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