无基底焦平面阵列的红外成像性能分析

程腾; 张青川; 陈大鹏; 伍小平; 史海涛; 高杰

doi:10.7498/aps.58.852

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摘要
利用提出的光学读出非制冷红外成像系统，先后制作了单元尺寸各不相同的单层膜无基底焦平面阵列(focal plane array，FPA)，获得了室温物体的热图像.分析发现，当FPA的单元尺寸从200μm逐渐减小到60μm时，基于恒温基底模型的理论响应与实验结果的偏差逐渐增大.通过有限元分析方法，模拟分析了不同尺寸的微梁单元在无基底FPA中的热学行为，发现了当单元尺寸逐渐减小时恒温基底模型偏差逐渐增大的原因，即无基底FPA的支撑框架不满足恒温基底条件，受热辐射后支撑框架的温升从基底上抬高了单元的温升.论文还分

关键词:
光学读出 /

非制冷红外成像 /

焦平面阵列 /

无基底
Abstract
Based on the proposed optical readout uncooled infrared (IR) imaging system，several batches of the substrate-free focal plane array (FPA) with different pitches have been successively fabricated，and by using these fabricated FPAs，the thermal images were obtained at room temperature. However，the theoretical analysis indicates that the deviation between the theoretical model assuming constant temperature of the supporting frames of the FPAs and the experimental results gradually increases with the decreasing pitch size of from 200μm to 60μm. Based on the finite element method，the thermal characteristic of those FPAs was simulated and the reason for the deviation is found to be that the temperature-constant assumption is not quite appropriate for the substrate-free FPA，and the absorption of the thermal radiation will obviously result in the temperature rise of the supporting frame，which would increase the temperature of the adjacent pixels. The imaging performance of the substrate-free FPA is also analyzed. Compared with the substrate FPA with the same pitch, the thermal detection sensitivity of the substrate-free FPA with 60μm pitch increases by about one order of magnitude.

Keywords:
optical readout /

uncooled infrared imaging /

focal plane array /

substrate-free
作者及机构信息
程腾¹,

张青川¹,

陈大鹏²,

伍小平¹,

史海涛¹,

高杰¹

(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，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029

基金项目: 国家自然科学基金仪器专项基金(批准号：10627201)、国家自然科基金重点项目(批准号：10732080)和国家重大基础研究发展计划(批准号：2006CB300404)资助的课题.
Authors and contacts
Cheng Teng¹,

Zhang Qing-Chuan¹,

Chen Da-Peng²,

Wu Xiao-Ping¹,

Shi Hai-Tao¹,

Gao Jie¹

(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，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029
参考文献

施引文献

[1]	马腾飞, 王敏杰, 王圣智, 焦浩乐, 谢燕, 李淑静, 徐忠孝, 王海. 光学腔增强Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆读出效率的研究. 物理学报, 2022, 71(2): 020301. doi: 10.7498/aps.71.20210881
[2]	马腾飞, 王敏杰, 王圣智, 谢燕, 焦浩乐, 李淑静, 徐忠孝, 王海. 光学腔增强Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆读出效率的实验研究. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20210881
[3]	张玉燕, 殷东哲, 温银堂, 罗小元. 基于自适应Kalman滤波的平面阵列电容成像. 物理学报, 2021, 70(11): 118102. doi: 10.7498/aps.70.20210442
[4]	冯帅, 常军, 胡瑶瑶, 吴昊, 刘鑫. 偏振成像激光雷达与短波红外复合光学接收系统设计与分析. 物理学报, 2020, 69(24): 244202. doi: 10.7498/aps.69.20200920
[5]	张敏睿, 贺正权, 汪韬, 田进寿. 偏振双向衰减对光学成像系统像质影响的矢量平面波谱理论分析. 物理学报, 2017, 66(8): 084202. doi: 10.7498/aps.66.084202
[6]	鞠旭东, 董明义, 周传兴, 董静, 赵豫斌, 章红宇, 祁辉荣, 欧阳群. 基于阻性阳极读出方法的气体电子倍增器二维成像性能. 物理学报, 2017, 66(7): 072902. doi: 10.7498/aps.66.072902
[7]	安莎, 彭彤, 周兴, 韩国霞, 黄张翔, 于湘华, 蔡亚楠, 姚保利, 张鹏. 光学微操纵过程的轴平面显微成像技术. 物理学报, 2017, 66(1): 010702. doi: 10.7498/aps.66.010702
[8]	常松涛, 孙志远, 张尧禹, 朱玮. 制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法. 物理学报, 2015, 64(5): 050702. doi: 10.7498/aps.64.050702
[9]	袁红辉, 陈永平. 非制冷红外探测器读出电路的非均匀性研究. 物理学报, 2015, 64(11): 118503. doi: 10.7498/aps.64.118503
[10]	姚银萍, 万仁刚, 薛玉郎, 张世伟, 张同意. 基于统计光学的正负热光非定域成像. 物理学报, 2013, 62(15): 154201. doi: 10.7498/aps.62.154201
[11]	吴健雄, 程腾, 张青川, 高杰, 伍小平. 光学读出红外成像中面光源影响下的光学检测灵敏度研究. 物理学报, 2013, 62(22): 220703. doi: 10.7498/aps.62.220703
[12]	蒋兴凯, 张青川, 史海涛, 毛亮, 程腾, 伍小平. 基于无基底焦平面阵列红外热像仪的理论模型分析. 物理学报, 2011, 60(5): 054401. doi: 10.7498/aps.60.054401
[13]	赵菲菲, 赵宝升, 刘永安, 胡慧君, 曹希斌. 感应读出方式紫外光子计数成像技术的研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6306-6311. doi: 10.7498/aps.59.6306
[14]	熊志铭, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 郭哲颖, 董凤良, 缪正宇, 李超波. 光学读出微梁阵列红外成像及性能分析. 物理学报, 2007, 56(5): 2529-2536. doi: 10.7498/aps.56.2529
[15]	高国良, 钱昌吉, 李洪, 谷温静, 黄晓虹, 叶高翔. 无格点基底表面的杂质分布对分枝状凝聚体的影响. 物理学报, 2006, 55(7): 3349-3354. doi: 10.7498/aps.55.3349
[16]	缪正宇, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 李超波, 郭哲颖, 董凤良, 熊志铭. 双材料微梁阵列室温物体红外成像. 物理学报, 2006, 55(7): 3208-3214. doi: 10.7498/aps.55.3208
[17]	沈健, 刘守华, 沈自才, 孔伟金, 黄建兵, 邵建达, 范正修. 基底微缺陷对介质薄膜光学性能影响的理论研究. 物理学报, 2005, 54(10): 4920-4925. doi: 10.7498/aps.54.4920
[18]	高国良, 钱昌吉, 李洪, 黄晓虹, 谷温静, 叶高翔. 含杂质无格点基底表面分枝状凝聚体的计算机模拟. 物理学报, 2005, 54(6): 2600-2605. doi: 10.7498/aps.54.2600
[19]	张海涛, 巩马理, 赵达尊, 闫平, 崔瑞祯, 贾维溥. 实现超分辨率的微变焦法. 物理学报, 2001, 50(8): 1486-1491. doi: 10.7498/aps.50.1486
[20]	李先枢, 高燕球, 陈志恬, 冯镇业. 光学无源谐振腔的矩阵理论(柱坐标)(Ⅱ)——轴对称稳定光学无源谐振腔的计算. 物理学报, 1983, 32(8): 1002-1016. doi: 10.7498/aps.32.1002

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无基底焦平面阵列的红外成像性能分析

1. (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，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029

基金项目: 国家自然科学基金仪器专项基金(批准号：10627201)、国家自然科基金重点项目(批准号：10732080)和国家重大基础研究发展计划(批准号：2006CB300404)资助的课题.

收稿日期: 2008-03-27

修回日期: 2008-06-12

刊出日期: 2009-01-05

摘要: 利用提出的光学读出非制冷红外成像系统，先后制作了单元尺寸各不相同的单层膜无基底焦平面阵列(focal plane array，FPA)，获得了室温物体的热图像.分析发现，当FPA的单元尺寸从200μm逐渐减小到60μm时，基于恒温基底模型的理论响应与实验结果的偏差逐渐增大.通过有限元分析方法，模拟分析了不同尺寸的微梁单元在无基底FPA中的热学行为，发现了当单元尺寸逐渐减小时恒温基底模型偏差逐渐增大的原因，即无基底FPA的支撑框架不满足恒温基底条件，受热辐射后支撑框架的温升从基底上抬高了单元的温升.论文还分

关键词:

Performance analysis of the substrate-free focal plane array in infrared imaging

1.
(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，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029

Received Date: 27 March 2008

Accepted Date: 12 June 2008

Published Online: 05 January 2009

Abstract: Based on the proposed optical readout uncooled infrared (IR) imaging system，several batches of the substrate-free focal plane array (FPA) with different pitches have been successively fabricated，and by using these fabricated FPAs，the thermal images were obtained at room temperature. However，the theoretical analysis indicates that the deviation between the theoretical model assuming constant temperature of the supporting frames of the FPAs and the experimental results gradually increases with the decreasing pitch size of from 200μm to 60μm. Based on the finite element method，the thermal characteristic of those FPAs was simulated and the reason for the deviation is found to be that the temperature-constant assumption is not quite appropriate for the substrate-free FPA，and the absorption of the thermal radiation will obviously result in the temperature rise of the supporting frame，which would increase the temperature of the adjacent pixels. The imaging performance of the substrate-free FPA is also analyzed. Compared with the substrate FPA with the same pitch, the thermal detection sensitivity of the substrate-free FPA with 60μm pitch increases by about one order of magnitude.

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