光—机械式非制冷红外成像研究

中国科学技术大学博士学位论文光—机械式非制冷红外成像研究作者姓名：史海涛学科专业：固体力学导师姓名：伍小平院士张青川教授完成时间：二○一○年五月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’sdegreeResearchofOptomechanicalUncooledInfraredImagingAuthor’sName：ShiHai-TaoSpeciality：SolidMechanicsSupervisor：Prof.WuXiao-PingProf.ZhangQing-ChuanFinishedtime:May2010中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：___________签字日期：_______________中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。□公开□保密（____年）作者签名：_______________导师签名：_______________签字日期：_______________签字日期：_______________摘要i摘要红外成像技术是军事、医学、气象、农业、工业等领域的一项关键技术，光—机械式非制冷红外成像技术成本低、理论极限温度分辨率高,因而是近年来研究的一个热点。然而原有关于光—机械式非制冷红外成像技术的热转换效率H、热机械响应率ST的理论模型对无基底FPA不再适用；并且原有光学读出响应率的理论与实验也有很大偏差。本文针对这些问题建立了新的、完全适用的理论模型，并根据理论分析结果对无基底FPA和光学滤波技术进行了优化和改进。有限元法虽然能精确计算出无基底FPA受辐射时温度场的分布，但是由于FPA一般具有数十万个像素，使得计算量非常大，时间周期长，不利于无基底FPA的优化设计，因此需要一个快捷方便的解析近似公式。本文在考虑框架热阻的基础上建立了无基底FPA的热阻模型。经合理简化，推导出无基底FPA的热转换效率H和热机械响应率ST的理论表达式。与有限元分析结果相比，H和ST偏保守，且误差在10%以内。推导出无基底FPA响应时间的理论表达式，为验证这个表达式，制作了拥有四个不同设计参数区域的无基底FPA，这四个区域响应时间的实验值与理论值相符。深入分析了大气环境中无基底FPA的红外成像性能，指出有基底理论无法解释无基底FPA在大气环境下也能实现室温物体红外成像的现象，建立了大气环境下无基底FPA的热阻模型，使这个现象得到圆满的解释。原有光学读出响应率理论与实验偏差的根源在于没有考虑反光板的残余变形，因此本文建立了变形反光板的光学读出响应率模型。理论分析和实验都表明反光板弯曲变形将严重降低光学读出响应率。为提高FPA的光学读出响应率，本文设计和制作了三种不同的结构(即:即薄金结构、加强筋结构和双层结构)来提高反光板平整度。实验证明：薄金结构使180μm反光板的曲率半径从5.3mm增加到25mm，光学读出响应率提高5.2倍；加强筋结构使反光板曲率半径提高4倍，光学读出响应率也相应提高15%；双层结构使反光板类似于工字梁，从而改善了反光板的平整度。为了减少工艺的盲目性、避免不必要的损失，本文对长度为L的反光板定义了其临界变形曲率半径Rc，当其曲率半径大于Rc时，则不需要提高其平整度。由于工艺的限制，在每个阶段反光板一般有一个确定的变形曲率半径，在这个一定曲率半径下，研究表明反光板相应地具有一个使光学读出响应率达到极大的最佳长度，根据这个结果，设计和制作了一种优化了反光板长度的无基底FPA，其性能测试结果与理论预测相符。由于实际使用的可见光光源是非单色的扩展光源，本文分析了光源的非单色摘要ii性和扩展宽度对光学读出响应率的影响。分析表明，LED光源非单色性的影响可以忽略；光学读出响应率随光源的增宽迅速减小，对长度为L的反光板定义了相应的临界半高宽Hc，当光源半高宽H≤Hc时，分析时可近似认为光源为单色点光源。在光强不超过CCD满量程的约束条件下，研究了刀口滤波位置对光学读出响应率的影响，建立了无量纲形式的理论模型。理论分析指出，对于完全平整的反光板刀口挡住3/4衍射谱时光学读出响应率达到最大；对于变形反光板，刀口的最佳滤波位置与变形曲率半径有关。与刀口衍射谱中心滤波法相比，通过改进刀口的滤波位置，对于平整反光板，光学读出响应率可以提高80%；而对于长55μm、曲率半径为6mm的反光板，理论和实验证明光学读出响应率可提高33%。对光学滤波读出技术首次建立了统一的读出响应率理论模型，该模型为以后优化设计性能更高的光学滤波器提供了理论基础。具体分析了刀口、狭缝、方孔和圆孔滤波法，并对这四种滤波方法的光源能量利用率、空间分辨率、动态响应范围进行了具体的讨论。结果表明：狭缝滤波法优于圆孔、方孔滤波法；狭缝滤波法与刀口滤波法相比，狭缝滤波法具有高的探测灵敏度，刀口中心滤波法具有高光源能量利用率、高分辨率、高动态响应范围，刀口最佳位置滤波法的性能处于这两者之间。最后，实验测定了不同滤波方法和不同CCD背景光强下的系统噪声，证明了增大CCD背景光强和改进滤波方法不仅能提系统的高光学读出响应率，而且能够有效降低系统的NETD。关键词：微悬臂梁，光学滤波读出，非制冷，红外成像，无基底，焦平面阵列AbstractiiiAbstractInfrared(IR)imagingtechniqueplaysacriticalroleinmilitary,medical,meteoro-logic,agricultural,andindustrialapplications.Opto-mechanicaluncooledinfraredimgingtechniquebecomesahotspotofresearchbecauseofitsattractivefeatureslikelowcostandhightheoreticaltemperatureresolution.However,thetraditionaltheo-reticalmodelsofIRenergyconversionefficiencyHandthermo-mechanicalsensitiv-itySTarenotsuitableforsubstarte-freeFPA,andthetraditionaltheoryoftheopticalresponsivityΘdoesnotagreewithexperiments.Tosolvetheseproblems,newandabsolutelysuitabletheoreticalmodelsareestablishedinthisdissertation.Basedonthemodels,substrate-freeFPAandopticalfilteringreadouttechniqueareoptimizedandimproved.Whensubstrate-freeFPAisradiatedbyIRradiation,theaccuratetemperaturedis-tributionofsubstrate-freeFPAcanbecalculatedbyfiniteelementmethod(FEM).However,FPAusuallycontainsmorethan100,000pixels,sothecalculationwillbeverylargeandthecalculationtimewillbeverylong.ApparentlyFEMisunsuitableforoptimizationdesignofsubstrate-freeFPA.Soatheoreticalapproximateformulaisneeded.Athermalresistancemodelofsubstrate-freeFPAisestablishedinthisdis-sertationconsideringthesupportingframework’sthermalresisitance.Afterreasona-blysimplifyingthemodel,thetheoreticalexpressionsofHandSTarederived.Com-paredtoFEMresults,theerrorofthemodelislessthan10%.Thetheoreticalexpres-sionofthethermalresponsetimeofsubstrate-freeFPAisalsoobtained.Tovalidatetheexpression,asubstrate-freeFPAcontainedfourimagingareas(thedesignparam-etersoftheareasaredifferent)isfabricated.Theexperimentalresultsofthethermalresponsetimewellmatchthetheoreticalresults.Theimagingperformanceofthesub-state-freeFPAsituatedinatmosphereisdeeplyanalyzed.Analysisshowsthatthetra-ditionaltheorycannotexplainthephenomenonthatsubstrate-freeFPAcanobtainthethermalimageatroomtemperatureevensatiatedinatmosphere.Toexplainthisphe-nomenon,athermalresistancemodelofthesubstrate-freeFPAsituatedinatmosphereisestablished.Theerrorofthetraditionalopticalresponsivitytheoryresultsfromnotconsideringthemorror’sundesireddeformation.Inthisdissertation,atheoreticalopticalrespon-sivitymodelrelatedtodeformedmirrorisestablished.Theoreticalanalysisandex-perimentbothshowthatthebendingdeformationwillseriouslydegradetheopticalAbstractivresponsivity.Toreducethedeformationofmirror,threekindsofstructures,namelythin-metal-filmstructure,enhanced-beamsstructureandtwo-layersstructure,arede-signedandfabricated.Experimentsdemonstratethat:For180-μmmirror,thin-metal-filmstructureincreasesitsdeformationradiusfrom5.3mmto25mm,theopticalr