本文对读出原理、像差要求、图谱质量进行深入研究，进而对读出技术进行深度整合与简化，实现光读出FPA红外成像系统小型化、轻量化、集成化。首先，从FPA的热-机械效应出发，介绍了光读出FPA红外成像系统的工作原理; 然后，针对通常采用的光读出FPA红外成像系统体积大、重量大、结构复杂缺陷，提出了高集成度的新型光读出系统; 接着，在分析讨论读出光路像差容限、特点的基础上，对以异形棱镜为核心元件的光读出系统进行了具体的光学仿真设计; 最后，设计了集光、机、电、软技术的集成式光读出FPA红外成像系统。对系统样机测试结果表明: 在确保成像性能的前提下，光读出FPA红外成像系统的体积减小到175 mm×83 mm×105 mm。以异形棱镜为核心元件的光读出技术，在满足成像精度和灵敏度的前提下，可减小读出系统的复杂程度，有效降低了光读出FPA红外成像系统的体积和重量，从而促进光读出FPA成像系统的工业化应用。

设计并实现了一种基于微悬臂梁焦平面阵列的凝视型激光告警系统。该系统通过微悬臂梁焦平面阵列及成像CCD来实现对入射激光的精确定向。入射激光通过红外镜头辐射到微悬臂梁焦平面阵列时会使微悬臂梁发生变形，通过光读出系统将这种变化成像在CCD上就可以判断出激光的入射方向。实验结果表明：镜头焦距为60 mm、微悬臂梁面元为80 μm×100 μm时，告警系统的视场角为±15°，分辨率可达到0.5°。此告警系统视场角大、定向精度高，并且避免了激光对CCD的干扰及损坏。

与传统的有基底FPA(焦平面阵列)相比, 基于全镂空支撑框架结构的新型无基底FPA在热学特性上存在显著差异, 传统的基于恒温基底假设的热学分析模型不再适用, 因此, 通过电学比拟方法, 将无基底FPA的热响应特性等效为电学模型.通过该模型, 进一步分析了无基底FPA在非真空环境下的热学性能, 分析表明: 该无基底FPA具有在大气压下优良的红外成像性能, 其NETD(噪声等效温度差)值仅比真空环境下增加了数倍.

在基于刀口滤波技术的光学读出的非制冷红外成像技术中，光学元件的反射会在CCD靶面引入杂光光斑，使得检测到的光强信号中FPA的像所占比例降低，因此降低了光学检测灵敏度.采用偏振光学读出系统，即在光路中添加偏振片、四分之一波片，利用对透射光和反射光的偏振方向有选择的偏振分光棱镜代替原有分光棱镜，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，进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.

不同于传统的非制冷红外成像技术，提出了基于微电子机械系统(MEMS)的新概念光学读出非制冷红外成像技术。它的光学读出系统基于空间刀口滤波原理，具有高灵敏度、高分辨率和高抗震性等优点，但同时也受到了反光板的弯曲变形、粗糙度等复杂因素的影响。在大量实验数据的基础上，利用夫琅禾费近场衍射理论，建立了复杂因素下光学灵敏度的理论分析模型，详细分析了刀口滤波位置、反光板的长度、曲率半径、粗糙度、LED光源的强度以及扩展宽度等对光学灵敏度的影响，并提出了通过极限操作使系统的光学灵敏度最大化的光学优化方法。

采用氮化铌和铝作为制备微悬臂梁的双材料，其中氮化铌用来吸收太赫兹波辐射，铝作为形变材料。利用氮化铌和铝的热膨胀系数相差较大的特性以及在吸热后产生形变的特点，与双材料微悬臂梁阵列探测红外波技术相结合，实现对太赫兹波的探测。采用微细加工技术制作出无基底的双材料微悬臂梁阵列结构。为了防止微悬臂梁的热散失，将微悬臂梁阵列放置在一个具有防振功能的真空腔中，利用机械泵和分子泵保持其高真空以提高探测系统的信噪比。采用反射式可见光光学读出方式间接获取太赫兹波的信息，并利用双图像做差的方法进行图像处理，提高了系统的分辨率。

纳米级和皮米级激光测距是光学技术中的重要一环, 同时也是深空引力波探测实验所必须的技术。德国汉诺威的爱因斯坦研究所为此提出并实现了一种基于相位深度调制技术的外差式激光干涉仪, 作为 LISA 计划测距系统的后备方案, 在数值处理过程中使用了 Levenberg-Marquardt 非线性拟合方法作为干涉仪光学读出算法。探讨并展示了另外两种新的外差干涉仪光学读出拟合算法。第一种算法采用近似并迭代的数值方法将拟合过程分为两次迭代：第一次估算干涉仪的调制深度和调制相位, 第二次线性迭代拟合干涉仪的相位和振幅。另外一种算法首先利用离散傅里叶变换计算频谱, 然后从频谱中拟合出干涉仪的调制相位, 之后采用高斯-牛顿迭代方法线性拟合调制深度、相位和振幅。在空气中长时间运行的结果显示, 第一种拟合算法的连续测距误差小于 0.24 nm, 第二种算法的误差在 0.19 nm 左右, 比原来的非线性拟合算法分析得到的误差小了 5~6 倍。

在刀口滤波光学读出方法的基础上, 讨论了反光板弯曲的情况下, 刀口滤波方法的光学检测灵敏度与反光板 长度之间的关系.分析表明, 在反光板曲率半径一定的情况下, 光学检测灵敏度首先随着反光板长度的增加而增 大, 达到最大值后随着反光板长度的增加而减小.对于不同曲率半径和长度的反光板, 分析给出反光板长度 L 和曲 率半径 R 在满足 L 2 /R=λ ( λ 为照明光波长)时, 光学检测灵敏度达到最大值.实验测量了已制作的像素尺寸分别 为200μm, 120μm和60μmFPA的光学检测灵敏度, 其实验结果和理论分析一致.

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统。该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像。在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60 μm×60 μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K。优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差。

给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件--双材料微悬臂梁阵列的设计和制作.微梁阵列是无硅基底的SiNx/Au双材料单层膜结构,其制作工艺简单、可以直接放在空气中成像.实验使用了设计制作的140×98微梁阵列和高信噪比的12-bit CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为7K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.