《30微米像素光學讀出非製冷紅外焦平面基礎問題研究》是依託中國科學技術大學，由張青川擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：30微米像素光學讀出非製冷紅外焦平面基礎問題研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張青川
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
紅外成像是軍民領域都迫切需求的高科技技術，但由於紅外焦平面(FPA)晶片的進口受到配額和性能的雙重限制、且價格昂貴，其套用受到極大的限制。不同於電學讀出原理，光學讀出非致冷紅外成像技術由於不涉及微集成讀出電路，大大降低了FPA晶片的製作成本和難度，並且其理論溫度解析度優於電學讀出。通過多年預研，我們提出了高靈敏度檢測微梁陣列熱變形的刀口濾波光學讀出方法，並據此提出了無基底多回折變形放大結構FPA，先後設計製作了200、120、60微米像素的FPA晶片，在構建的成像系統中獲得了溫度解析度為100mK的室溫物體熱像。本項目是針對10微米波長的遠紅外波段，以成像聚焦衍射探測極限為目標，提高熱像空間解析度，分析30微米像素的無基底FPA的熱轉換效率、熱機械回響和光學探測靈敏度及其深層效應和理論極限，探索製作30微米像素的FPA晶片，為其產業化作進一步的鋪墊和下一代的技術儲備。
結題摘要
分析了無基底焦平面陣列（FPA）的傳熱過程，考慮了框架傳熱及像素相互的影響，提出了一套新的熱傳遞模型並進行了簡化，給出了系統溫度灰度回響與回響時間的解析公式，為逆向設計提供了依據，並大大減小了計算量。實驗測得的灰度回響值和回響時間值均與解析模型計算結果吻合，驗證了解析模型的正確性。 利用已經驗證的解析模型，設計和製作了了35μm×40μm和30μm×40μm的SiNx/Au雙材料FPA，其陣列布置採取單片FPA上相同像素不同設計混合布置的方式，區別在於框架的寬度和晶片有效反光區域的長度。熱回響平均值大約在10gray/K，回響時間小於300ms。 無基底FPA的感熱單元吸收的紅外輻射以點擴散函式的形式向相鄰單元傳播，大幅提高了紅外探測性能，但同時降低了對目標細節層次的分辨能力。通過將其等效為點擴散函式的線性疊加，提出了針對性的紅外圖像復原算法，有效增強紅外圖像細節輪廓，提升圖像質量。另外，開展紅外圖像與可見光圖像的圖像增強融合研究。紅外熱圖像的清晰度遠不如可視圖像，通過融合，抑制噪聲，提高信噪比，增強圖像的視覺效果。 FPA反光板的初始彎曲大大降低了系統的光學檢測靈敏度。針對FPA的設計製作，兩種降低其反光板初始彎曲的最佳化設計方案被提出：減薄反光板上金層厚度和製作帶加強筋的反光板，並通過實驗驗證了設計方案的正確性。另外，研究了MEMS工藝過程中熱處理方法對彎曲薄膜的矯正，並根據實驗摸索出的退火工藝，製作了SiO2/Al雙材料FPA，熱隔離效果更好且熱變形效率更高。 開展了蝰蛇科響尾蛇亞科紅外成像仿生研究，分析了響尾蛇亞科毒蛇的頰窩無基底結構在紅外測溫上的優勢，獲得了無基底FPA的仿生學依據。同時，分析了頰窩進行紅外成像時的反差再現能力，並模擬了頰窩紅外成像的溫升效果，結果顯示，頰窩蛇能夠感受到紅外物體的大致輪廓，但無法分辨細節信息。 提出了偏振光學讀出系統，利用偏振光原理消除光路中光學元件的反射雜散光，使FPA像在CCD靶面接收到的光強中所占比例大幅度增加，從而提高光學檢測靈敏度。偏振光路檢測實驗結果顯示,檢測靈敏度比非偏光實驗提高了約47%，與理論分析值一致。開展了光源簡化為點光源的誤差分析，通過建立面光源模型，分析了圓形面光源的半徑、反光板長度與光學檢測靈敏度的關係，並給出了光源半徑和反光板長度的最最佳化準則，測試結果與理論分析一致。
