铁电型非制冷红外焦平面探测器的调制器设计

铁电型非制冷红外焦平面探测器的调制器设计第29卷第6期2007年6月红外技术InfraredTechnologyVl01.29No.6June2007铁电型非制冷红外焦平面探测器的调制器设计吴新社,范乃华,李(昆明物理研究所,龙,徐世春,蔡毅云南昆明650223)摘要:从铁电型非制冷红外焦平面探测器逐行读出的工作机理和阿基米德螺旋线的定义出发,导出了多调制周期调制器叶片形状的设计公式,给出了调制器与探测器位置关系的设计实例,解决了调制器设计的核心问题.关键词:调制器;阿基米德螺旋线;推扫;铁电型非制冷红外焦平面探测器中图分类号:TN215文献标识码:A文章编号:10018891(2007)06033304ChopperDesignforFerroelectricUn-cooledFPAWUXinshe,FANNaihua,LILong,XUShichun,CAIYi(KunmingInstituteofPhysics,KunmingYunnan650223,China)Abstract:AnewkindofstructuredesigningofmultiperiodchopperusedinferroelectricUFPA(UncooledFocalPlaneArrays)IRimagingsystemwaspresented.ThedesignformulasforvanefigureofmultiperiodchopperwasderivedbasedonthedefinitionofArchimedesspiralandthesignprocessrequirementofferroelectricUFPA.Anexampletoexplaintherelationbetweenchopperanddetectorwasdemonstrated,too.Bynow,thekeyproblemtochopperdesignhasbeensolvedinthispaper.Keywords:Chopper;SpiralofArchimedes;Parallelscan;FerroelectricUFPA引言非制冷红外焦平面探测器(UFPA)是一种不需要制冷或工作温度较高的探测器.这类探测器大多在室温(300K)工作,不需要专门制冷,只有少部分需要半导体制冷器恒温.非制冷探测器多种多样,按红外材料分类,常用的非制冷红外焦平面探测器主要有铁电型(BST,PZT),氧化钒(VO)和非晶硅(aSi)三种.非制冷探测器的光电转换原理与制冷型的不同,其物理过程是:红外探测器吸收红外辐射能导致探测器材料的温度升高继而使材料的电学参数发生变化完成光电转换.铁电型材料由于正负电荷中心不重合而显示出自发极化性质,极化强度随自身温度的升高而降低,极化强度为零时所对应的温度就是该材料的居里温度.铁电型非制冷探测器工作过程是:先将红外辐射转化为铁电材料的温升,温升导致其极化电荷密度变化,电荷密度变化由探测器变成电压信号输出.当铁电材料的温度高于其居里温度时,表面电荷密度收稿日期:2007.03-05作者简介:吴新社(1966一),男,博士研究生,主要从事红外光电器件研发.项目简介:973项目对时间的变化率为零,继续辐射没有意义,所以铁电型非制冷探测器工作时必须有一个能使辐射强度发生变化的调制器,即通常所说的斩波器.1调制器设计要求调制器位于光学系统和铁电型非制冷探测器之间,通过交替遮挡和通过红外辐射实现强度调制,为红外探测器提供强度变化的辐射信号.根据铁电型非制冷探测器工作要求,除了由器件和结构保证的转速稳定精度和抖动幅度等因素外,调制器设计还要注意以下几点.1.1曝光效率曝光效率就是调制器扫过光路时通光时问与调制周期之比,在探测器光敏面尺寸与调制器叶片尺寸相近的情况下,也可以理解为调制器总曝光面积与调制器叶片旋转所形成的圆面积之比.用时间表示为:=争0%(1)式中:为曝光效率,为曝光时间(S),T为调制333第29卷第6期2007年6月红外技术InfraredTechnology,l01.29No.6June2o07周期(S).用面积表示为:T/Aoo%式中:为曝光效率,l为总曝光面积(mm),A2为调制器圆面积(mm).不同热时间常数的探测器所要求的曝光效率不同,一般在50%左右.1.2调制频率调制频率即调制器对光信号进行调制的频率,它等于调制器转速与调制器调制周期数之积.用公式表示为:f-nR(3)式中:.厂为调制频率(Hz),n为调制周期数,尺为调制器转速(转/s).例如对于调制周期数为6,转速1500rpm的调制器,调制频率为150Hz.为了保证探测器有足够的积分时间,调制频率要小于或等于探测器的最高工作频率.1.3推扫性能单元探测器或探测元总数不多的多元探测器不存在推扫要求的问题,哪边先曝光都可以,因而它的调制器结构比较简单,主要有直边式和圆孔式两种形式.直边式调制器如图1所示,圆孔式调制器如图2所示.调制器叶片在电机驱动下旋转起来后,红外辐射被周期性地遮挡和通过实现调制,单元探测器用直边式调制器就可以了,多元探测器尤其是二维的小面阵探测器最好采用圆孔式调制器.对于列阵规模比较大的凝视型探测器,还要考虑调制器的推扫性能即调制器扫过时同一行内探测元的同步曝光性能,上述两种形式的调制器显然都不合适.在调制器工作条件下,铁电型非制冷红外焦平面探测器的信号读出只能采用逐行读出(ripple)方式,整帧读出(snapshot)方式已不适用.逐行读出即按照探测器各行的曝光顺序从前至后依次读出,这就要求调制器在扫过铁电型非制冷红外焦平面探测器表面时,同一行内所有探测334图1直边式调制器结构示意图Fig.1Schematicdiagramoflinetypechopper图2圆孔式调制器结构示意图Fig.2Schematicdiagramofholetypechopper元的开始曝光和结束曝光尽量同步,即曝光相位尽量一致,这就是所谓的推扫.调制器的推扫性能越好,探测器输出信号的均匀性就越好,信号处理电路的非均匀性校正就越容易.根据经验,当输出信号的非均匀性20%时是可以校正的.1.4同步信号的产生同步信号是协调铁电型非制冷红外焦平面探测器积分与读出动作和信号处理电路进行信号处理的控制信号,二者协调一致才能完成成像.同步信号主要分为帧同步信号,行同步信号,帧标识信号三种.帧同步信号的作用是启动帧读出,将探测器上的信号从第一行到最后一行逐行读出.行同步信号一般由探测器的驱动电路给出.帧标识信号是告诉信号处理电路当前帧的编号或位置,这个信号一般在多帧图像合成过程中使用,如微扫描技术中的图像合成.2调制器的设计方法如果采用直边式调制器,在调制器尺寸与探测器尺寸相近的情况下,无论采用何种位置关系,调制器都不能推扫探测器上的所有行,最多只能有一行;对于行列直线排列的凝视型探测器,圆孔式调制器不能形成推扫,为此调制器的线形发展成阿基米德螺旋线形式.在螺旋线参数选取合适时,这种形式的调制器可以近似推扫红外焦平面探测器上的所有行.阿基米德螺旋线的定义为:一动点沿着一条射线做匀速直线运动,同时该射线绕着自己的端点作匀速圆周运动,该动点的运动轨迹就是阿基米德螺旋线,用公式表示为:v/a)(4)式中:肭比例系数(mm/rad),v为动点沿直线匀速运动的速度(mm/s),直线绕端点匀速旋转的角速度(rad/s).设极坐标系下动点坐标为(r),根据定义可得:r=vxt式(5),式(6)中:t为运动时间(s).从式(5),(6)中求出v和表达式后代入式(4),得:=r|9式中:肭表征阿基米德螺旋线形状的参数,即极径r与极角off1比例系数.常见的表现形式为:r-zO(8)由阿基米德螺旋线定义推出的极坐标系下的表第29卷第6期2007年6月吴新社等:铁电型非制冷红外焦平面探测器的调制器设计Vb1.29NO.6June2007达式(8)可以看出,阿基米德螺旋线的形状只与这个比例系数关,与极径r和极角既关;而阿基米德螺旋线的曲率与它们三者都有关系,即它不仅与比例系数大小有关,还与极角极径r的取值有关.对于确定几何尺寸的探测器,并不是随意一条阿基米德螺旋线都可以,有一个最佳值,因此求解最适合的阿基米德螺旋线参数是调制器设计的核心问题.2.1红外焦平面探测器与调制器的位置关系由式(8)得阿基米德螺旋线的直角坐标系中的表示形式:fY=zOsin0【X=zOcos0(9)(10)式(9),式(10)中:X,Y为坐标,妫参数.阿基米德螺旋线的一阶导数为:dvsin0+0cos0.:.=一dxCOS0Osin0再一次求导得到阿基米德螺旋线的二阶导数:d2y=2+82(12)(c0s一sin)最后由式(11),式(12)得到阿基米德螺旋线的曲率:斋,这是一个只与极角口比例系关的量,继续求导得到螺旋线曲率相对于极角变化率:dK=110(14)d(+)通过在(0,180.)内分析曲率与旋转角度的关,Deg|ee)图3极角与阿基米德螺旋线曲率的关系Fig_3RelationshipbetweenArchimedesspiralSpolaranglesanditscurvatures系,可以知道螺旋线的曲率随极角稍增大而减小,如图3所示,横坐标为极角0(单位为度),纵坐标为螺旋线曲率K(单位为1/mm).为了获得好的推扫效果,红外焦平面探测器应安装在极角较大的区间段,考虑到调制器尺寸不能太大,故极角一般不大于180.;进一步对阿基米德螺旋线的切线斜率分析可知它在(0,90.)内曲率变化很大,所以探测器放在(90.,180o)的范围内即直角坐标系中的第二象限内比较合适,如图4所示.2.2阿基米德螺旋线的比例系数求解阿基米德螺旋线的作用是将调制器叶片的旋转运动转化为类似于直线运动的推扫.以螺旋线为考察对象时,其表达式为式(8),以红外焦平面探测器为考察对象时,其表达式就转化为:Z>ArlAO(15)式中:r表示极径方向扫过的长度,骧示扫过的角度.只有符合这个条件的阿基米德螺旋线才能完成对红外焦平面探测器的推扫任务.如图4所示,设铁电型非制冷红外焦平面探测器的光敏面长度为a,宽度为b,且探测器左上角顶点A与调制器边缘重合,调制器逆时针方向旋转.调制器在扫过探测器光敏面时极径的变化量r为探测器左上角顶点A到右下角顶点B的距离,即探测器光敏面对角线长度.又设调制器的调制周期数为n,则每份所占角度为x/n.由题设可知:AO=Ir/n(16)1r:(17)由此求得阿基米德螺旋线的参数(取正值)为:nIL一一+A/,b/爝嚣/厂,j图4探测器与调制器位置关系Fig.4Positionrelationofdetectortochopper335第29卷第6期2007年6月红外技术InfraredTechnologyV_01.29No.6June2O0r7:堡(18)=一=一flXlAt9/,例如,对于一支中心距为50Um的320240铁电型非制冷红外焦平面探测器,光敏面尺寸为1612mm,在调制周期数为3时,阿基米德螺旋线的参数19rnngrad.即便这样,求得的阿基米德螺旋线也不是真正意义上的平行推扫,实际上中间的探测元先曝光两边的探测元后曝光,但滞后时间相对于整个曝光时间来说很小,经过计算不到4%.2.3推扫效果分析如图4所示,假设调制器对探测器的推扫沿Y轴方向,将式(9)两边同时对时间t求导,得:(sin0+Ocos一dO(19)dfdf式中:dy/dt为Y轴方向上的推扫的线速度(mm/s),d6Vdt为调制器的角速度(rad/s).竖直方向推扫速度与旋转角度的关系曲线如图5所示,横轴为旋转角度(.),竖轴为推扫速度(m/s).由图5可以看出,在60.时速度达到最大值,然后开始减速直到180o,整个下降过程近似线性.推扫角度不大于6O.,完全可以将它放在这个负的线性区间,这样有利于调制效果的设计计算.2.4同步信号,曝光效率和斩波频率同步信号是协调铁电型非制冷探测器信号读出和信号处理电路动作的控制信号,实现方法比较简单.如图4所示,在探测器曝光结束位置设置对光耦合器,当调制器周期性地运动到这个位置时光耦合器就给出一个脉冲信号,通知信号处理电路,信号处336图5竖直方向推扫速度与极角的关系曲线Fig.5Relationcurvebetweenpolarangleandscanningspeedinverticalorientation理电路按程序工作.曝光效率和调制频率根据探测器的工作帧频而定,其中调制频率通过调整调制器转速实现,曝光效率通过设计调制器结构实现.最后按照电机的选择方法选好驱动电机,配上连接部件,整个调制器的设计工作就完成了.3结论本文从铁电型非制冷探测器的推扫要求和阿基米德螺旋线的定义出发,通过分析阿基米德螺旋线的物理意义推导出多调制周期调制器叶片形状的设计公式,解决了调制器设计的核心问题,对非制冷红外成像技术尤其是微扫描技术的发展具有重要意义.参考文献:1】何玉青,金伟其,刘广荣,等.铁电型型热成像系统的调制调制器技术J】.红外技术.2002,24(5):510.2】何玉青,金伟其,高稚允,等.铁电型型非制冷焦平面热像仪调制调制器的分析调制器的曝光效率J】.红外与毫米波.2004,23(4):246250.3】郑康,荣德康.铁电型红外摄像机斩波调制电路的设计J】.光电子技术.1996,l6(3):240245.4】贾正根.微型调制器J】.光电子技术.1999,l9(1):6973.5】HelmutBudzier,andGuenterHofmann.InfluenceofnonidealchopperdesignonnonuniformityinuncooledpyroelectricstaringarraysystemsA.Proc.SPIEInt.Soc.Opt.EngC.1995,2552:624.6】FrankCooke.StainlesssteelchopperwheelJ.AppliedOptics.1982,21(15):2859.