30微米像素光学读出非制冷红外焦平面基础问题研究

红外成像是军民领域都迫切需求的高科技技术，但由于红外焦平面(FPA)芯片的进口受到配额和性能的双重限制、且价格昂贵，其应用受到极大的限制。不同于电学读出原理，光学读出非致冷红外成像技术由于不涉及微集成读出电路，大大降低了FPA芯片的制作成本和难度，并且其理论温度分辨率优于电学读出。通过多年预研，我们提出了高灵敏度检测微梁阵列热变形的刀口滤波光学读出方法，并据此提出了无基底多回折变形放大结构FPA，先后设计制作了200、120、60微米像素的FPA芯片，在构建的成像系统中获得了温度分辨率为100mK的室温物体热像。本项目是针对10微米波长的远红外波段，以成像聚焦衍射探测极限为目标，提高热像空间分辨率，分析30微米像素的无基底FPA的热转换效率、热机械响应和光学探测灵敏度及其深层效应和理论极限，探索制作30微米像素的FPA芯片，为其产业化作进一步的铺垫和下一代的技术储备。

分析了无基底焦平面阵列（FPA）的传热过程，考虑了框架传热及像素相互的影响，提出了一套新的热传递模型并进行了简化，给出了系统温度灰度响应与响应时间的解析公式，为逆向设计提供了依据，并大大减小了计算量。实验测得的灰度响应值和响应时间值均与解析模型计算结果吻合，验证了解析模型的正确性。.利用已经验证的解析模型，设计和制作了了35μm×40μm和30μm×40μm的SiNx/Au双材料FPA，其阵列布置采取单片FPA上相同像素不同设计混合布置的方式，区别在于框架的宽度和芯片有效反光区域的长度。热响应平均值大约在10gray/K，响应时间小于300ms。.无基底FPA的感热单元吸收的红外辐射以点扩散函数的形式向相邻单元传播，大幅提高了红外探测性能，但同时降低了对目标细节层次的分辨能力。通过将其等效为点扩散函数的线性叠加，提出了针对性的红外图像复原算法，有效增强红外图像细节轮廓，提升图像质量。另外，开展红外图像与可见光图像的图像增强融合研究。红外热图像的清晰度远不如可视图像，通过融合，抑制噪声，提高信噪比，增强图像的视觉效果。.FPA反光板的初始弯曲大大降低了系统的光学检测灵敏度。针对FPA的设计制作，两种降低其反光板初始弯曲的优化设计方案被提出：减薄反光板上金层厚度和制作带加强筋的反光板，并通过实验验证了设计方案的正确性。另外，研究了MEMS工艺过程中热处理方法对弯曲薄膜的矫正，并根据实验摸索出的退火工艺，制作了SiO2/Al双材料FPA，热隔离效果更好且热变形效率更高。.开展了蝰蛇科响尾蛇亚科红外成像仿生研究，分析了响尾蛇亚科毒蛇的颊窝无基底结构在红外测温上的优势，获得了无基底FPA的仿生学依据。同时，分析了颊窝进行红外成像时的反差再现能力，并模拟了颊窝红外成像的温升效果，结果显示，颊窝蛇能够感受到红外物体的大致轮廓，但无法分辨细节信息。.提出了偏振光学读出系统，利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，从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。开展了光源简化为点光源的误差分析，通过建立面光源模型，分析了圆形面光源的半径、反光板长度与光学检测灵敏度的关系，并给出了光源半径和反光板长度的最优化准则，测试结果与理论分析一致。