光学读出红外成像研究进展

介绍红外成像技术的发展与应用,着重评述中国科学技术大学近代力学系光测实验室从事光学读出非制冷红外成像技术课题的研究进展.提出了刀口滤波法测量微梁阵列FPA(focus planearray)变形的高灵敏光学检测法,将微梁单元的热致转角变形转变为像平面上微梁像的灰度变化,从而获得微梁阵列转角变形表示的FPA上的热像;针对提出的测量方法,设计制作出相应的无基底多回折间隔镀金腿变形放大FPA;在研制的原理样机上实现了室温物体红外成像;是国际上第三个实现新概念光学读出红外成像、国内第一个实现自主核心芯片非制冷红外成像及其系统研制的课题组,热成像指标已达到:温度分辨率100 mK,感热像素尺寸60μm,相关技术指标处于国际领先,研究工作已申请了12项发明专利,并有4项已获得授权.     

微梁传感器弹性模量的测试

利用一种静态和两种动态的检测技术,对红外辐射探测微悬臂梁式传感器材料的弹性模量进行了测试研究.在静态检测实验中,利用纳米硬度计直接测出传感器材料的弹性模量;在动态实验中,分别利用谱平面光学滤波法和多普勒测振仪得到微悬臂梁传感器结构的固有频率,再结合数值模拟计算求出传感器的等效弹性模量.通过几种检测结果的分析和比较,获得了更加精确的微梁传感器单元的弹性模量值,为微梁的优化设计和评估提供了可靠的参数.     

基于局部特征点检测与匹配的微悬臂梁变形受力测量方法

提出了一种基于局部特征点检测与匹配的微悬臂梁变形受力测量方法.通过光学显微镜得到微悬臂梁变形前后的图像和基于放大的微悬臂梁表面的散斑纹理特征，在尺度空间中定位具有局部响应极值的LOG（Laplace of Gaussian)特征点，并在LOG特征点周围提取局部仿射不变封闭区域，其质心可以作为具有亚像素精度的特征点位置.由封闭区域构造仿射不变特征描述算子并进行特征点匹配，根据匹配点的位移信息进行悬臂梁弯曲挠度曲线拟合以描述微悬臂梁的弯曲变形，并采用最小二乘法计算悬臂梁受力大小与受力点.通过对实际的微悬臂梁变形图像实验，验证了所提方法的有效性.     

一种新型微机械红外热探测器的吸收层

在对新型微机械悬臂梁红外热探测器进行理论建模的基础上,研究了一种适合于此种红外热探测器的吸热层材料——碳纳米管.利用碳纳米管的红外吸收特性,在微机械悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸热层,提高了微机械悬臂梁红外探测器的红外吸收能力.研究结果表明,选用碳纳米管薄膜作为微机械悬臂梁红外热探测器的吸热层比选用传统的红外吸收层材料探测分辨率提高了10%,这种基于微电子机械系统技术的传感器与集成电路工艺是兼容的,成本低廉且适合批量生产.     

光学微扫描显微热成像系统超分辨力图像处理方法研究

为提高已研制光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力,基于改进的频域图像配准技术和凸集投影超分辨力算法,提出了显微热成像系统光学微扫描超分辨力图像处理方法。给出了该方法的原理及步骤,采用不同重构方法行了仿真研究,给出了评价参数和结论。利用光学微扫描显微热成像系统采集低分辨力显微热图像序列进行了超分辨力处理实验,实验结果表明本文提出方法的有效性,光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力得到提高从而可满足需要高分辨力显微热分析的场合。该方法还可以应用于其它不可控光学微扫描成像系统中,具有广泛的应用前景。     

基于数字相关法初始值优化的微悬臂梁弯曲变形与应变测量方法

提出了一种基于数字相关法初始值优化的微悬臂梁弯曲变形与应变测量方法.基于放大的微悬臂梁表面的纹理特征,在尺度空间内进行特征点的测量与匹配,在特征点处进行高阶的数字相关法计算以得到变形参数;将特征点处的变形参数进行二维插值运算以得到任意像素点处变形参数的初始值;采用牛顿拉普森迭代方法计算在特定网格点处的变形参数,进而得到网格点处的位移和应变.通过仿真变形图像的计算结果来确定数字相关法的设定参数,对实际的微悬臂梁变形图像进行应变场计算,并与有限元法的计算结果进行比较,以验证所提出方法的有效性.     

光学过程层析成像技术及其原型系统

提出了一个用于两相流参数检测的红外激光过程层析成像原型系统,并对系统的结构、算法、性能以及特点进行了分析.模拟实验结果表明,光学过程层析成像技术可以获得高成像速度和分辨率,是一种有发展潜力和应用前景的多相流参数检测技术.     

粘弹性悬臂梁弯曲变形的哈密顿体系方法

利用对应原理和变分法,提出一种求解粘弹性悬臂梁问题的哈密顿体系方法,得到对偶方程的基本解向量,即零本征向量和非零本征向量.具体问题的解可表示为这些本征向量的线性组合,组合系数取决于边界条件.通过算例描述粘弹性悬臂梁弯曲变形的应力分布规律、由端部的位移约束带来的应力集中现象以及弯曲变形的蠕变特征,表明了这种方法的有效性.     

反射式热红外光学系统无热化性能分析

热红外光学系统成像的研究是当代光学科学研究领域的重中之重,精密的光学系统是红外光束成像质量的重要保证。镜体热变形是影响光学天线系统传输质量的重要因素,该文利用ANSYS有限元分析软件仿真了镜体在热环境下的变形情况,同时分析了在热环境下,镜体热变形以及镜体材料折射率变化引起的镜体焦移变化,并对比分析了透射式热红外光学系统与反射式卡塞格伦天线的热红外光学系统在热环境下的焦移变化,得出了卡塞格伦光学天线系统的无热化性能。这些研究为热红外光学系统的精确设计奠定了理论基础。     

可识别单一核苷酸错配的微悬臂基因检测技术力学模型（英文）

基于表面种植有DNA分子层的微悬臂梁系统,在考虑该带电DNA分子空间构型与其表面分布影响的基础上,提出了新的力学模型以定量描述完全与不完全杂交情形下导致的微悬臂梁挠曲变形.该模型将挠度曲率半径作为反馈DNA检测信号的唯一变量.预测出的完全与不完全DNA杂交情形与悬臂梁挠曲变形之间的关系与文献[2]的实验观测相符,且预测精度可满足单一碱基对变化的检测需要,对高精确DNA检测技术的开发具有借鉴意义.