中文摘要：

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。

结论摘要：

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。