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1、太原科技大学课程设计设计题目：光力学效应应用——非制冷红外成像系统姓名____学院（系）应用科学学院专业_光信息科学与技术学号指导教师______2010年12月15日16目录摘要………………………………………………………..…..3Abstract……………………………………………………….4第1章引言…………………………………………………..5第2章工作原理……………………………………………..6第3章FPA的制作………………………………………….8第4章结果分析与讨论…………………………………….10结论…………………………………………………………...13参考文献……………
2、………………………………………...1416摘 要应用光力学效应的非制冷红外焦平面阵列(FocalPlaneArray-FPA),配有可见光读出部分的红外成像系统,可以在8至14μm光谱区得到热物体成像。其核心部件是双材料悬臂梁结构的焦平面阵列。不同于利用其他效应的非制冷红外成像系统,此种成像系统可以方便的在室温下正常工作,而且省去了相当复杂的信号转换电路,降低了制备复杂程度和成本。采用MEMS表面硅工艺制备FPA,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理、光学读出系统、工艺制备难点,并得到了高温物体红外源的成像响应结果。关键词:光力学;MEMS;焦平面阵列;双材料悬臂梁16A
3、bstractAnoptomechanicaluncooledinfrared(IR)imagingsystemconsistingofafocal-planearray(FPA)basedonbi-materialcantilevers,withavisibleopticalreadoutsystem,mayreceiveanIRimaginginthespectralrangefrom8to14μm.Theuncooledmicro-optomechanicalIRimagingsystemcanbeavailablyoperatedatroomtemperature,with
4、outcomplicatedsignalreadoutcircuitsandfabricationcosts.Inthepapertheprincipleoftheuncooledinfraredimagingsystembasedonbi-materialcantileverpixels,theopticalreadoutsystemareilluminated,thenthefabricationprocessofFPAandsomeexperimentresultsareintroduced.Keywords:optomechanical;mems;focalplanearr
5、ay(FPA);bi-materialcantilever16第一章引 言任何高于绝对零度的物体都会辐射红外,通过对在8～14μm波谱区段的红外辐射谱的探测,并通过电学和光学等方法处理这些信号,就可形成与景物辐射分布对应的热图像。红外成像系统按照探测原理的不同,可以把传统的红外辐射探测器大致分为两类:量子型和非制冷热型[1-2]。目前所有量子型的红外辐射探测装置都配有制冷装置,使得其笨重,且价格昂贵。而非制冷热型红外成像仪检测探测器受热后电阻的变化、电容的变化等,像元下面都有读出电路相对应,但制作难度较大。鉴于以上原因,我们提出了应用光力学原理的、基于MEMS微悬臂梁结构的非制冷型
6、红外焦平面成像系统[3]。从原理上讲,与以往光量子型和其它热型的成像原理有根本的区别。它测量出一定程度的微小形变,并将这一系列的微小形变直接转换成光图像输出。工艺较简单,成本较低,系统调试易于实现。16第二章工作原理我们设计的应用光力学原理的、基于MEMS微悬臂梁结构的非制冷型红外焦平面成像系统主要由三部分组成:1)红外线集像部分;2)由微悬臂梁结构组成的焦平面阵列(focalplanearray2FPA),它通常置于一个真空腔内,两侧分别为透红外线窗口和透检测光窗口;3)光学检测部分。由微悬臂梁结构组成的红外焦平面成像阵列是该系统的核心技术,FPA由一系列成像像元组成面阵列,每一
7、个像元是由一个方形微镜面和一条或两条固支微悬臂梁组成。包括镜面和梁在内的整个像元由两种热膨胀系数差别很大的材料构成。当成像单元受到红外辐射照射时,入射的红外能量转化为像元镜面和微悬臂梁的温升,从而引起梁的变形,导致像元的转角发生变化。温升不同,每个像元的转角变化也不同,光学检测部分通过检测方形微镜面输出光谱的变化解读出悬臂梁的转角变化及分布,以光强图像的方式将被测物体的温度场显示出来。这个光学图像可以是通过光学系统聚焦在屏幕上的图像;也可以是利用其它光电转换器接收到的
