光机械式非制冷红外成像研究光—机械式非制冷红外成像研究

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1、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光—机械式非制冷红外成像研究姓名：史海涛申请学位级别：博士专业：固体力学指导教师：伍小平;张青川20100501摘要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

2、，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

3、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iiAbstractAbstractInfrared(IR)imagingtechniqueplaysacriticalroleinmilitary,medical,meteoro-logic,agricultural,andindustrialapplications.Opto-mechanical

4、uncooledinfraredimgingtechniquebecomesahotspotofresearchbecauseofitsattractivefeatureslikelowcostandhightheoreticaltemperatureresolution.However,thetraditionaltheo-reticalmodelsofIRenergyconversionefficiencyHandthermo-mechanicalsensitiv-itySTarenotsuitableforsubstarte-freeFPA,andthetraditionalthe

5、oryoftheopticalresponsivityΘdoesnotagreewithexperiments.Tosolvetheseproblems,newandabsolutelysuitabletheoreticalmodelsareestablishedinthisdissertation.Basedonthemodels,substrate-freeFPAandopticalfilteringreadouttechniqueareoptimizedandimproved.Whensubstrate-freeFPAisradiatedbyIRradiation,theaccur

6、atetemperaturedis-tributionofsubstrate-freeFPAcanbecalculatedbyfiniteelementmethod(FEM).However,FPAusuallycontainsmorethan100,000pixels,sothecalculationwillbeverylargeandthecalculationtimewillbeverylong.ApparentlyFEMisunsuitableforoptimizationdesignofsubstrate-freeFPA.Soatheoreticalapproximatefor

7、mulaisneeded.Athermalresistancemodelofsubstrate-freeFPAisestablishedinthisdis-sertationconsideringthesupportingframework’sthermalresisitance.Afterreasona-blysimplifyingthemodel,thetheoreticalexpressionsofHandSTarederiv