红外成像技术在军事、工业、医疗、商业等方面有广泛应用。光学读出非制冷红外成像技术由于成本低、性能高而成为今年来研究的热点之一。本文在课题组工作的基础上,针对光学读出非制冷红外成像技术的核心元件无基底焦平面阵列(FPA)展开了一系列研究,建立了新的热机械分析理论模型,设计制造了新材料的FPA,为了改善FPA反光板的弯曲,提出了多种优化方法,并建立了嵌入式的软件平台,主要成果如下：(1)热机械性能分析方面,尽管有限元方法能够精确计算已知设计尺寸的无基底FPA的热机械性能,但是当系统有一个要达到的指标(如温度灰度响应),需要分析FPA的设计尺寸时,有限元方法就不再方便。本文利用整体分析方法和电学类比分析方法,建立了热流在FPA传递的电路模型,分析了FPA支撑框架的热阻,推导出无基底FPA的理论温度灰度响应和响应时间的计算公式。设计并指导制作了50μm×50μm像素尺寸的无基底FPA来验证理论模型,其热加载区域的平均温升的有限元和理论模型分析的结果误差为1.5%,两者非常吻合。其温度灰度响应理论分析结果与红外成像实验结果的误差为5.4%,此时系统的噪声等效灰度NETD为170mK。同时,理论模型对200μm×200μm和120μm×120μm像素尺寸无基底FPA的分析也证明这个解析模型适用于所有像素单元尺寸的无基底FPA。(2)基于无基底FPA的材料选择要求,在微电子机械系统(MEMS)制作工艺的约束下,设计并指导制作了像素尺寸为50μm×50μmAl和SiO2双材料无基底FPA。利用有限元方法定量分析了Al/SiO2双材料无基底FPA的热机械性能,并与相同结构及尺寸的Au/SiNx双材料无基底FPA的有限元分析结果进行了对比,发现Al/SiO2双材料FPA的热转化效率和热机械灵敏度都相较Au/SiNx双材料FPA有了大幅提升。在系统光学检测灵敏度一定时,新的材料能够将系统的灵敏度提高至原来的5.8倍。(3)为了改善FPA反光板的弯曲,本文提出了三种优化方案。A.减薄反光板上的金层厚度。在理论分析的基础上,设计并指导制作了单元尺寸为200μm的反光板金层减薄FPA,其反光板曲率半径提高至原来金层未减薄FPA的4.71倍,系统光学检测灵敏度提高至原来的5.2倍,实验验证了理论分析的结果；B.制作带加强筋的反光板。设计并指导制作了单元尺寸为60μm的反光板带加强筋FPA,其反光板曲率半径提高至原来没有加强筋FPA的4.29倍,系统光学检测灵敏度提高至原来的1.18倍,实验验证了理论分析的结果；C.利用冷热平台对像素尺寸为50μm×50μm的Au/SiNx双材料FPA进行退火处理,共试验了两种退火方式。第一种是直接退火法,对FPA进行退火都没有明显的纠正反光板的弯曲的效果,但FPA的均匀性都有所提升。第二种是循环退火方法,改善了反光板的弯曲,反光板的偏转更加均匀,FPA的温度灰度响应提高了约32%。(4)开发了嵌入式平台——红外热谱分析软件平台,整合了垂直聚焦平台的电机控制等多种硬件设备,实现了对红外成像设备的连接、调节、数据传输、数据分析处理、数据显示等功能。再加上联系客户端与服务器的注册服务模块,该嵌入式平台作为商业软件的必须功能已经完备。基于红外成像技术在监控方面的优越性,我们对红外热谱分析软件平台进行了二次开发,硬件上整合亚安云台,通过云台控制红外成像设备的视场；软件中增加云台控制模块,同时为云台携带双相机系统(一台可见光相机,一台红外成像设备)增加多通道图像处理模块。基于红外成像的广阔市场前景,其嵌入式平台的商业价值和发展空间非常大。