1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
尺寸小、成本低和寿命长的非制冷热红外成像光谱仪对探测高温目标有巨大潜力，但其严重的内部噪声会降低检测灵敏度。非制冷热红外成像光谱仪主要的噪声包括探测器噪声、光机元件表面散射杂光引起的噪声、光栅非工作级次产生的杂光噪声和光机元件自身的背景辐射噪声。推导了包含上述噪声的噪声等效温差（NETD）公式，以Offner型热红外成像光谱仪为例，分析NETD与系统F数和机械元件内表面光学属性等主要影响因素之间的关系，研究了光机表面抛亮处理在抑制光谱仪内部背景辐射噪声方面的能力。最后，采用像元间线性关系法扣除了剩余的噪声，使探测信号与目标本身信号基本一致。
仪器 非制冷红外成像光谱仪 内部热辐射 杂散辐射抑制 噪声等效温差 表面抛亮 光学学报
2022, 42(15): 1512006
1 北京空间机电研究所， 北京 100094
2 北京理工大学 光电学院， 北京 100081
在基于微悬臂梁的光学读出红外成像系统中，获得的红外图像有明显噪声，甚至有连续噪点组成孔洞，让目标难以辨识出来,因此提出基于特征模板卷积的红外图像增强方法。利用Hough变换根据微悬臂梁结构的特点，获得特征卷积模板的尺寸信息，根据成像系统特点建立卷积模板。让模板在图像内逐点卷积，建立评价参数阈值消除图像内噪声。进行均值滤波来填补噪声点及FPA单元的间隔，获得增强后的红外图像。实验结果表明，方法不仅能够有效增强光学读出红外成像系统的成像质量，对于普通存在噪声的图像也有良好的噪声消除效果。
应用光学 非制冷红外成像 红外图像增强 模板卷积 applied optics uncooled infrared imaging infrared image enhancement mask convolution
1 深圳信息职业技术学院, 广东 深圳 518172
2 巴贝智慧科技有限公司, 浙江 嵊州 312400
介绍一种超低像素非制冷红外焦平面成像技术,该技术利用32×32或64×64红外焦平面阵列,在10～20米距离内,120°角的扇形立体空间范围内,对不同的动态发热源进行热成像处理,利用处理后的图像及占空比用于安防、汽车、空调、节能及物联网等领域,该技术打破了常规红外热成像仪的使用模式,大大降低了它的价格与体积,拓展了使用范围及产业化的领域。
热成像 非制冷红外成像 焦面平阵列 智慧眼 thermal imaging uncooled infrared imaging focal plane array smart eyes
1 中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
2 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
与传统的有基底FPA(焦平面阵列)相比, 基于全镂空支撑框架结构的新型无基底FPA在热学特性上存在显著差异, 传统的基于恒温基底假设的热学分析模型不再适用, 因此, 通过电学比拟方法, 将无基底FPA的热响应特性等效为电学模型.通过该模型, 进一步分析了无基底FPA在非真空环境下的热学性能, 分析表明: 该无基底FPA具有在大气压下优良的红外成像性能, 其NETD(噪声等效温度差)值仅比真空环境下增加了数倍.
非制冷红外成像 等效电学模型 电学比拟 光学读出 焦平面阵列 uncooled infrared imaging equivalent circuit model electrics and holistic approach optical readout focal plane array
中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽 合肥230027
在基于刀口滤波技术的光学读出的非制冷红外成像技术中，光学元件的反射会在CCD靶面引入杂光光斑，使得检测到的光强信号中FPA的像所占比例降低，因此降低了光学检测灵敏度.采用偏振光学读出系统，即在光路中添加偏振片、四分之一波片，利用对透射光和反射光的偏振方向有选择的偏振分光棱镜代替原有分光棱镜，用偏振光原理消除光路中光学元件的反射杂散光，使FPA像在CCD靶面接收到的光强中所占比例大幅度增加，进而提高光学检测灵敏度.偏振光路检测实验结果显示,检测灵敏度比非偏光实验提高了约47%，与理论分析值一致.
光学读出 非制冷红外成像 偏振光 四分之一波片 optical readout uncooled infrared imaging polarized light quarter wave plate
1 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为与设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
2 北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094
3 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
光学读出红外热成像系统中，焦平面阵列（FPA）反光板的初始弯曲降低了系统的光学检测灵敏度。针对FPA的设计制作，提出了两种降低其反光板初始弯曲的优化设计方案：减薄反光板上金层厚度和制作带加强筋的反光板。在理论分析的基础上，设计制作了单元尺寸为200 μm的反光板金层减薄FPA，其反光板曲率半径提高至原来金层未减薄FPA的4.71倍，系统光学检测灵敏度提高了5.2倍；单元尺寸为60 μm的反光板带加强筋FPA，其反光板曲率半径提高至原来没有加强筋FPA的4.29倍，系统光学检测灵敏度提高了1.18倍。实验验证了理论分析的结果。
成像系统 焦平面阵列 非制冷红外成像 薄膜 微梁
1 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
2 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
不同于传统的非制冷红外成像技术，提出了基于微电子机械系统(MEMS)的新概念光学读出非制冷红外成像技术。它的光学读出系统基于空间刀口滤波原理，具有高灵敏度、高分辨率和高抗震性等优点，但同时也受到了反光板的弯曲变形、粗糙度等复杂因素的影响。在大量实验数据的基础上，利用夫琅禾费近场衍射理论，建立了复杂因素下光学灵敏度的理论分析模型，详细分析了刀口滤波位置、反光板的长度、曲率半径、粗糙度、LED光源的强度以及扩展宽度等对光学灵敏度的影响，并提出了通过极限操作使系统的光学灵敏度最大化的光学优化方法。
成像系统 光学读出 非制冷红外成像 焦平面阵列 无基底
根据实验室设计的单层微测辐射热计所采用的Si3N4和SiO2双层膜复合支撑结构工艺，分别利用力学的等效截面方法和复合材料热导公式，从理论上推导了微桥桥腿正应力和热导的解析表达式.分析在其它因素不变的情况下，仅调整Si3N4和SiO2两者厚度比值(m)对微测辐射热计力学和热学性质的影响,并用ANSYS有限元仿真的方法验证了理论推导.
非制冷红外成像 支撑层 微测辐射热计 微桥结构 厚度比 uncooled infrared imaging support membranes microbolometer microbridge structure thickness ratio
1 中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
2 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
在刀口滤波光学读出方法的基础上, 讨论了反光板弯曲的情况下, 刀口滤波方法的光学检测灵敏度与反光板 长度之间的关系.分析表明, 在反光板曲率半径一定的情况下, 光学检测灵敏度首先随着反光板长度的增加而增 大, 达到最大值后随着反光板长度的增加而减小.对于不同曲率半径和长度的反光板, 分析给出反光板长度 L 和曲 率半径 R 在满足 L 2 /R=λ ( λ 为照明光波长)时, 光学检测灵敏度达到最大值.实验测量了已制作的像素尺寸分别 为200μm, 120μm和60μmFPA的光学检测灵敏度, 其实验结果和理论分析一致.
非制冷红外成像 双材料微悬臂梁 光学读出 焦平面阵列 uncooled infrared imaging bi-microcantilever optical readout FPA
1 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
3 中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统。该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像。在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60 μm×60 μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K。优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差。
光学器件 哈特曼波前传感器 光学读出 非制冷红外成像
