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集成式光读出FPA红外成像系统设计

褚旭红 赵跃进 董立泉 刘明

褚旭红, 赵跃进, 董立泉, 刘明. 集成式光读出FPA红外成像系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(5): 588-595. doi: 10.3788/CO.20160905.0588
引用本文: 褚旭红, 赵跃进, 董立泉, 刘明. 集成式光读出FPA红外成像系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(5): 588-595. doi: 10.3788/CO.20160905.0588
CHU Xu-hong, ZHAO Yue-jin, DONG Li-quan, LIU Ming. Design of integrated optical readout IR FPA imaging system[J]. Chinese Optics, 2016, 9(5): 588-595. doi: 10.3788/CO.20160905.0588
Citation: CHU Xu-hong, ZHAO Yue-jin, DONG Li-quan, LIU Ming. Design of integrated optical readout IR FPA imaging system[J]. Chinese Optics, 2016, 9(5): 588-595. doi: 10.3788/CO.20160905.0588

集成式光读出FPA红外成像系统设计

doi: 10.3788/CO.20160905.0588
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 61301190

国家自然科学基金资助项目 61377109

详细信息
    作者简介:

    褚旭红(1976-), 女, 山西人, 博士后, 2006、2013年于北京理工大学分别获得硕士、博士学位, 主要从事MEMS的红外成像技术、波前编码技术、光电仪器等方面的研究.E-mail:chuxuhong001@bit.edu.cn

    通讯作者:

    赵跃进(1958-), 男, 北京人, 教授, 1986、1990年于北京理工大学分别获得硕士、博士学位, 现为北京理工大学光电学院教授, 主要从事MEMS技术、图像处理、THz成像技术、波前编码技术、光电仪器等方面的研究.E-mail:yjzhao@bit.edu.cn

  • 中图分类号: O43

Design of integrated optical readout IR FPA imaging system

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61301190

National Natural Science Foundation of China 61377109

More Information
  • 摘要: 本文对读出原理、像差要求、图谱质量进行深入研究,进而对读出技术进行深度整合与简化,实现光读出FPA红外成像系统小型化、轻量化、集成化。首先,从FPA的热-机械效应出发,介绍了光读出FPA红外成像系统的工作原理;然后,针对通常采用的光读出FPA红外成像系统体积大、重量大、结构复杂缺陷,提出了高集成度的新型光读出系统;接着,在分析讨论读出光路像差容限、特点的基础上,对以异形棱镜为核心元件的光读出系统进行了具体的光学仿真设计;最后,设计了集光、机、电、软技术的集成式光读出FPA红外成像系统。对系统样机测试结果表明:在确保成像性能的前提下,光读出FPA红外成像系统的体积减小到175mm×83mm×105mm。以异形棱镜为核心元件的光读出技术,在满足成像精度和灵敏度的前提下,可减小读出系统的复杂程度,有效降低了光读出FPA红外成像系统的体积和重量,从而促进光读出FPA成像系统的工业化应用。

     

  • 图 1  FPA红外成像系统

    Figure 1.  Principle schematic diagram of IR FPA imaging system

    图 2  FPA原理图

    Figure 2.  Principle schematic of FPA

    图 3  光读出系统

    Figure 3.  Sketch of optical readout system

    图 4  读出系统谱平面谱图

    Figure 4.  Flat spectrum of optical readout system

    图 5  集成式光读出系统

    Figure 5.  Sketch of integrated optical readout system

    图 6  照明光束不平行形引起的谱展宽

    Figure 6.  Spectrum extended width of under un-paralled light beam

    图 7  光学读出系统仿真

    Figure 7.  Simulations of optical readout system

    图 8  异形棱镜

    Figure 8.  Special-shaped prism

    图 9  光读出系统设计结果

    Figure 9.  Design result of optical readout system

    图 10  光读出系统设计图

    Figure 10.  Design model of optical readout system

    图 11  集成式光读出FPA红外成像系统

    Figure 11.  Integrated optical readout IRFPA imaging system

    图 12  电烙铁图像

    Figure 12.  Image of the iron

    表  1  主要器件参数

    Table  1.   Parameters of the main devices

    Characteristic Value
    光源 波长/nm 525~531
    FPA 像元数 256×256
    有效面积H×W/mm×mm 184×140
    单像元有效面积H×W/μm×μm 59×79
    CCD 有效像元数H×W 659×494
    有效面积/mm×mm 48.9×65.2
    单像元有效面积H×W/μm×μm 9×9
    下载: 导出CSV
  • [1] SCOTT R H, GREGORY S M.High sensitivity 25 and 50 pitch microcantilever IR imaging arrays[J].SPIE, 2007, 6542:65421F-7. http://adsabs.harvard.edu/abs/2007SPIE.6542E..1FH
    [2] KWON W, JONG E, CHI H.A high fill-factor uncooled infrared detector with thermo-mechanical bimaterial structure[J].SPIE, 2007, 6542:65421O-8. http://adsabs.harvard.edu/abs/2007SPIE.6542E..1OK
    [3] ZHAO J.High Sensitivity Photomechanical MW-LWIR imaging using an uncooled MEMS microcantilever array and optical readout[J].SPIE, 2005, 5783:506-514. doi: 10.1117/12.606485
    [4] TORUN H, UREY H.Uncooled thermo-mechanical detector array with optical readout[J].SPIE, 2005, 5957:59570O-8. https://www.researchgate.net/publication/225996132_Uncooled_thermo-mechanical_detector_array_with_optical_readout
    [5] ODEN P I, DATSKOS P G, THUNDAT T, et al.Uncooled thermal imaging using a piezoresistive microcantilever[J].Applied Physics Letters, 1996, 69(21):18. https://www.researchgate.net/publication/224435664_Uncooled_thermal_imaging_using_a_piezoresistive_microcantilever
    [6] 杨广立, 冯飞, 熊斌, 等.微机械光读出红外成像阵列器件机械特性对其性能的影响[J].光学精密工程, 2007, 15(5):699-705. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc200705013

    YANG G L, FENG F, XIONG B, et al.Effect of mechanical characteristic of an micro-mechanical optically readable infrared imaging array device on its performance[J].Opt.Precision Eng., 2007, 15(5):699-705.(in Chinese) http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc200705013
    [7] GONG C, ZHAO Y, DONG L Q, et al.All-optical background subtraction readout method for bimaterial cantilever array sensing[J].Optics Express, 2015, 23(16):20576-205811. doi: 10.1364/OE.23.020576
    [8] FENG Y, ZHAO Y J, LIU M, et al.Image quality improvement by the structured light illumination method in an optical readout cantilever array infrared imaging system[J].Optics Letters, 2015, 8(6):1390-1393. https://www.researchgate.net/profile/Ming_Liu81/publication/274400194_Image_quality_improvement_by_the_structured_light_illumination_method_in_an_optical_readout_cantilever_array_infrared_imaging_system/links/575523af08ae02ac12811b23.pdf?origin=publication_detail
    [9] 张志刚, 毛亮, 程腾, 等.利用消杂散光的偏振光技术提高光学读出红外成像检测灵敏度[J].红外与毫米波学报, 2013, 32(4):331-336. doi: 10.3724/SP.J.1010.2013.00331

    ZHANG ZH G, MAO L, CHENG T, et al.A technology for eliminating stray light optical readout of FPA[J].Infrared Millim.Waves, 2013, 32(4):331-336.(in Chinese) doi: 10.3724/SP.J.1010.2013.00331
    [10] KONG Y M, LIU R W, JIAO B B, et al.The thermal-mechanical performance of the uncooled infrared optical-readout bi-material FPA[J].Microsystem Technologies, 2015, 7(21):1495-1500. http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2792915
    [11] WANG M, TAKASHIRO T, TANAKA S.Infrared thermal detector array using Eu(TTA)3-based temperature sensitive paint for optical readable thermal imaging device[J].J.Micromechanics and Microengineering, 2015, 20(9):035012. http://adsabs.harvard.edu/abs/2015JMiMi..25c5012W
    [12] 刘明.微悬臂梁焦平面阵列光学读出技术研究[D].北京:北京理工大学, 2008.

    LIU M.Optical readout of micro-cantilever focal plane array[D].Beijing:Graduate Beijing Institute of Technology, 2008.(in Chinese)
    [13] LAI J, PERAZZO T, SHI Z, et al.Optimization and performance of high-resolution micro-optomechanical thermal sensors[J].Sensors and Actuators A, 1997, 58:113-119. doi: 10.1016/S0924-4247(96)01401-X
    [14] 徐乐, 张春雷, 代雷, 等.高精度非回转对称非球面加工方法研究[J].中国光学, 2016, 9(3):364-370. doi: 10.3788/co.

    XU L, ZHANG CH L, DAI L, et al.Research on manufacturing method of non-rotationally symmetrical aspheric surface with high accuracy[J].Chinese Optics, 2016, 9(3):364-370.(in Chinese) doi: 10.3788/co.
    [15] GARRARD K, DOW T, SOHN A, et al.Design tools for freeform optics[J].SPIE, 2005, 5784:587410-587411. http://www.researchgate.net/profile/Kenneth_Garrard/publication/228664045_Design_tools_for_freeform_optics/links/543c7d4d0cf20af5cfbf633b.pdf?origin=publication_detail
    [16] JIANG X, SCOTT P, WHITEHOUSE D.Freeform surface characterization-a fresh sreategy[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2007, 56(1):553-556. doi: 10.1016/j.cirp.2007.05.132
    [17] ROGERS J R.A comparison of anamorphic, keystone, and Zernike surface types for aberration correction[J].SPIE, 2010, 7652:76520B-76528B. https://www.researchgate.net/publication/228910543_A_Comparison_of_Anamorphic_Keystone_and_Zernike_Surface_Types_for_Aberration_Correction
    [18] 程德文.自由曲面光学系统设计方法及其在头盔显示技术中的应用研究[D].北京:北京理工大学, 2011.

    CHENG D W.Study on design methods of free-form imaging systems and their application in head-mounted displays[D].Beijing:Graduate Beijing Institute of Technology, 2011.(in Chinese)
    [19] 王之江.光学设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1994.

    WANG ZH J.Optical Design Manual[M].Beijing:China Machine Press, 1994.(in Chinese)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-18
  • 修回日期:  2016-06-14
  • 刊出日期:  2016-10-01

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