基于MEMS的非制冷红外成像系统高速成像的分析及研究.pdf

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1、基于MEMS的非制冷红外成像系统高速成像的分析及研究李雪岩2015年6月中图分类号：TN215UDC分类号：535-1基于MEMS的非制冷红外成像系统高速成像的分析及研究作者姓名李雪岩学院名称光电学院指导教师刘小华副教授答辩委员会主席赵跃进教授申请学位工程硕士学科专业仪器仪表工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月TheresearchonhighframerateimagingbasedonMEMSuncooledinfraredimagingsystemCandidateName：Xueya

2、nLiSchoolorDepartment:SchoolofOpto-ElectronicsFacultyMentor:AssociateProf.XiaohuaLiuChair,ThesisCommittee：Prof.YuejinZhaoDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：InstrumenScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声

3、明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要近年来，基于MEMS的光学读出式非制冷红外成像系统在国内外红外成像领域中成为了一个新的研究热点。这种红外成像系统具有不需制冷、无

4、需扫描，体积小、重量轻、功耗低，分辨率高等优点，是目前非制冷红外探测器的重要发展方向之一。但国内外对于该成像系统的研究都集中在系统成像质量上，而对于系统的响应时间和成像的帧频问题目前并未有相关报道，FPA（focalplanearray）帧频提高的研究将是今后的一个重要研究方向。光读出式微悬臂梁FPA红外成像系统的响应时间即是本文的研究重点。影响FPA成像速度的主要有两个因素，一方面是通过合理的设计和提高FPA的制作工艺，使得FPA的本征响应速度得到提高，另一方面是分析外界环境对FPA响应速度的影响，通过改变

5、成像环境，来提高系统成像速度。本文从系统的响应时间入手，主要研究了如下内容：1)分析了玻璃衬底结构的FPA的响应时间大小，并结合该结构的FPA热响应时间的概念，分析了影响FPA响应速度的主要因素——热容和热导。讨论了FPA热响应时间与成像系统环境压强和温度之间的关系。2)应用脉冲响应测试法，设计实验测量FPA的热响应时间与系统环境压强和温度的关系。通过与计算值的对比，验证给出的理论模型。3)应用实验室现有设备对不同的动态热目标进行高速成像，提高成像帧频，最终得到该系统可实现的帧频极限，从而达到高帧频成像的目的

6、。4)分别用可见光和非制冷焦平面阵列成像系统对同一热物体进行成像，采集到不同情况下的视频图像，从而证明了FPA红外成像系统可以捕捉更多的信息。基于以上几点的研究工作，充分证明光读出式双材料微悬臂梁红外焦平面阵列可以达到更高成像速度，这为进一步增强红外探测器的性能奠定了基础。关键词:红外焦平面阵列；MEMS；光学读出；高帧频；I北京理工大学硕士学位论文AbstractRecentyears,uncooledinfraredimagingsystemusingopticalreadoutmethodbasedon

7、MEMShasbecomeanewhotspotindomesticandexternalinfraredimagingfield.Thisinfraredimagingsystemhasadvantagessuchasuncooled,noscan,lightweight,lowpowerconsumptionandhighresolution.Alsoithasbeenoneofthemostimportantdevelopingdirectionsininfrareddetectingfield.Atp

8、resent,thedomesticandinternationalresearchontheimagingsystemfocusontheimagingqualityofthesystem,buttherearenorelevantreportsabouttheframefrequencyandresponsetimeoftheimagingsystems.Studiesofincreasingt