Transmittance Measurement of the Nonplanar Optical Based on Focal-Plane-Array Camera

Aiming to solve the problem that it is difficult to accurately measure UV cut-off transmittance of xenon quartz glass by using present spectrophotometer in China SG III project. Through the analysis, we believe that its reason was that the xenon quartz glass was nonplanar so the outgoing beam geometry from under-test was different from that from standard sample. A method of transmittance measurement based on focal-plane-array camera was proposed in this article. The effects of camera uniformity and spot sampling on transmittance measurement were analyzed theoretically. This method, which can reduce the effect of beam geometry on transmittance measurement and eliminate the cutting error occurring during light transmission by monitoring the completeness of incident beam in real-time, is verified from experiments. The random standard uncertainty of this method here is 0.035% or less. It is particularly useful in the transmittance measurement of nonplanar optical.

32×32 Si盖革模式激光焦平面探测器

为了满足350 nm~1100 nm波长范围内远距离及微弱激光3维成像探测的需求,提出了一种规模为32×32的盖革模式硅激光焦平面阵列探测器,它主要由硅雪崩光电二极管阵列、读出电路芯片、微透镜阵列、半导体制冷器、引脚网格阵列壳体等元件组成。硅雪崩光电二极管焦平面阵列采用拉通型N^(+)-Π_(1)-P^(-)-Π_(2)-P^(+)结构,工作在盖革模式下,通过Si片背面抛磨减薄及盲孔刻蚀技术,实现了纤薄光敏区的加工;读出电路采用主动模式淬灭设计,使电路单元的死时间控制在50 ns以内,并利用一种带相移技术的时间数字转换电路优化方案,在满足时间分辨率不大于2 ns的同时,降低了读出电路芯片的功耗。结果表明,在反向过偏电压14 V、工作温度-40℃的条件下,该探测器在850 nm的目标波长可实现20.7%的平均光子探测效率与0.59 kHz的平均暗计数率,时间分辨率为1 ns,有效像元率优于97%。该研究为纤薄型背进光Si基激光焦平面探测器的研制提供了参考。

1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器

本文报道了1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面阵列探测器的研究结果。探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用叠层双色结构和顺序读出方式。运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为中波1:6 ML InAs/7 ML GaSb和中波2:9 ML InAs/7 ML GaSb。焦平面阵列像元中心距为12μm。在80 K时测试,器件双波段的工作谱段为中波1:3~4μm,中波2:3.8~5.2μm。中波1器件平均峰值探测率达到6.32×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1),中波2器件平均峰值探测率达到2.84×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1)。红外焦平面偏压调节成像测试得到清晰的双波段成像。本文是国内首次报道1280×1024规模InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器。

红外辐射测量系统的快速宽动态非均匀性校正算法

本文针对红外辐射测量系统需要积分时间连续变化的需求,提出一种快速宽动态的非均匀性校正算法。该算法考虑了积分时间效应和光学系统杂散辐射的影响,并利用25 mm口径的制冷型中波红外辐射特性测量系统进行试验验证。将本文所提算法与经典算法进行对比,结果表明,校正效率较传统非均匀性校正算法提高了3.4倍。本文还利用剩余残差评价原始图像以及两种算法的图像校正效果,利用多个积分时间(0.6 ms,3 ms和3.5 ms)模拟连续变化的积分。结果显示本文算法在各个积分时间下剩余残差均表现稳定且校正图像都具有良好的校正效果。

通过成结模拟器研究n^(+)-n^(-)-p碲镉汞高温探测器

第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言,n^(+)-n^(-)-p结构以及良好的钝化工艺能够有效的抑制暗电流的产生,从而在高工作温度条件下获得较好的探测器性能。基于自行开发的成结模拟器,对n^(+)-n^(-)-p结构地高温器件进行了工艺仿真和器件仿真,获得成结过程的制备参数,并结合抑制表面漏电的组分梯度钝化工艺,将高工作温度下的暗电流抑制至理论极限,研制出可以在更高温度工作下的碲镉汞n-on-p红外焦平面探测器。经测试,中波n-on-p红外焦平面器件在不同工作温度下性能优异,在80 K工作温度下噪声等效温差(NETD)达到了6.1 mK,有效像元率为99.96%;而在150 K工作温度下噪声等效温差(NETD)为11.0 mK,有效像元率为99.50%,达到了同类器件的理论极限。

基于焦点像素的纤维成分检测多焦面融合成像

针对纤维成分显微检测中,单幅成像时视野中重叠纤维失焦模糊的问题,建立基于焦点像素的纤维多焦面融合算法。通过显微检测平台采集Z轴不同聚焦平面处的重叠纤维序列图像,并确定2幅局部最清晰源图像,之后对源图像使用多尺度修正拉普拉斯算子计算得到焦点像素,生成初始决策图;通过切片计算生成中间决策图;使用引导滤波器得到最终决策图,再采用近邻距离滤波器分解源图像得到高通和低通图像,最终加权得到融合图像;最后与多模态融合算法、3层分解稀疏融合去噪算法和非下采样连续变换算法进行主客观评估标准相比。结果表明:该融合算法得到的全局纤维边缘信息保留度更好,图像互信息较高且峰值信噪比大。该融合算法处理后的纤维图像达到全局纹理清晰聚焦的效果,能够有效改善局部纤维模糊问题。

盖州青石岭震群断层面参数的确定及构造应力场特征研究

根据之前学者的双差定位结果,使用Fit_Fault软件包计算盖州青石岭震群发震断层面走向为114.30°,倾角74.67°。收集2001年至2011年辽宁地区的震源机制解资料,采用全局网格搜索算法,反演该地区的构造应力场,其主压应力轴为NEE向,主张应力轴为NNW向,整体呈现拉张的应力状态。并据此确定出青石岭震群发震断层的滑动角是35.49°,为左旋走滑性质。模拟在辽宁地区构造应力体系下各种产状的断层面上可产生的相对剪应力和相对正应力分布情况,发现该震群发震断层面上的相对剪应力和相对正应力分别为0.513和0.576。分析认为盖州青石岭震群是一处地质薄弱带,背景构造应力场在其最近一期的活动中未起主导作用。

锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点,其探测波长灵活可调,可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段,是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术,得到了国内外相关研究机构的关注和重视,近年来取得了突破性的进展。文中从锑化物超晶格的基本技术原理出发,梳理总结了超晶格红外探测器的发展历程和当前进展,结合超晶格技术特点的分析,初步探讨了超晶格红外焦平面后续发展趋势。

碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真

大面阵、高分辨率碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器可用于航天遥感、高精度卫星成像等领域,我国下一代气象卫星将全部应用此类图像传感器.然而,空间高能质子会对碲镉汞红外焦平面阵列探测器造成位移损伤效应,同时亦会在其像素单元金属氧化物半导体(MOS)管引入电离总剂量效应.本文以近年来广泛应用于图像传感器的55 nm制造工艺碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器为对象,基于超大面阵设计时所用的2 pixel×2 pixel基本像素单元,构建了Geant4仿真模型,并且进行了不同质子入射注量下的仿真研究,获得了不同注量下的位移损伤情况,包括非电离能量损失、离位原子数等.结果表明,空间高能质子累积注量为10^(13)cm^(–2)时,除了考虑碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器位移损伤效应外,亦需关注其像素单元MOS管电离总剂量效应.与此同时,结合仿真结果对其空间应用环境中的损伤情况进行了初步评估.该研究可为未来超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间应用提供关键数据支撑.

中波红外640×512(25μm)探测器组件可靠性验证试验

随着红外探测器技术的发展,对探测器组件的可靠性提出了更高的要求。探测器可靠性随整机考核的方法难以满足考核需求,针对该问题,开展了中波红外640×512(25μm)探测器组件在环境应力下的可靠性验证研究,对探测器组件中的关键部位进行了高温加速寿命试验、持续工作等试验,并根据关键部件专项可靠性试验数据对探测器组件的整体可靠性进行预计,结合所选择的可靠性评估方法,对试验结果进行评估,评估结果表明所研制的组件满足可靠性要求。所使用的可靠性验证及评估方法,可以对制冷型红外探测器组件做出较为客观、准确的评估。

硅微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成器件的制备与性能(特邀)

为了提高红外焦平面阵列性能,分别制备了硅衍射微透镜阵列和InSb红外焦平面阵列并将两者集成在一起。采用光学系统和焦平面测试系统进行了测试。结果显示双面镀制有增透膜的硅衍射微透镜阵列的衍射效率为83.6%;电压响应图显示器件没有裂纹;集成器件的工作波段为3.7~4.8μm,此时平均黑体响应率和探测率分别为4.85×10^(7)V/W和7.12×10^(9)cm·Hz^(1/2)·W^(1)。结果表明硅微透镜阵列不仅可以提高焦平面阵列占空因子,而且可以通过优化焦平面应力匹配来解决芯片裂纹问题,集成器件性能优于现有焦平面性能。

基于微结构的红外焦平面芯片MTF测试

调制传递函数是用于评价红外焦平面芯片对不同空间频率目标成像能力的重要参数,焦平面芯片的调制传递函数受像元光敏面尺寸、中心距和载流子扩散长度的影响,随着像元中心距的减小,载流子扩散长度对调制传递函数的影响将更加明显。本文针对倒装互联结构焦平面芯片调制传递函数的测试需求,设计了一种方便、准确的调制传递函数测试方法,通过金属沉积、光刻等工艺在焦平面芯片表面制备特殊的微结构代替倾斜刀口,采用通用的红外焦平面测试系统获得了芯片的调制传递函数。测试结果显示采用该方法能准确方便地完成焦平面芯片的调制传递函数提取,便于焦平面芯片生产和研制单位快速地实现芯片的调制传递函数测试评价及工艺设计验证。

分焦平面式偏振相机偏振误差分析及偏振定标

分析了相机结构和测量原理,建立了相机响应模型,理论推导了相对透过率和偏振方位角对偏振测量的影响。采用积分球光源测量了相对透过率,采用旋转线偏振片法和马吕斯定律测量了偏振方位角,最后进行了偏振测量精度验证。测试结果表明,经过偏振定标后,偏振度测量误差约为0.44%。该检测方案可以定标分焦平面式偏振相机性能,定标精度高,能够为分焦平面式偏振相机高精度应用奠定基础。

激光3维成像线性焦平面探测器读出电路研究进展

激光焦平面探测器是一种新型的光电成像器件,它利用半导体内部载流子的雪崩倍增效应实现高速、高灵敏度、纳秒级时间分辨探测,用于凝视型激光3维成像系统。探测器主要分为线性和盖革两大类,其中线性模式探测器具有响应速度快、无死时间和后脉冲、可实现单脉冲瞬时成像等优点。首先介绍了在不同应用场景下,线性模式焦平面读出电路的两种架构并简述其原理,然后阐述像素单元的关键电路模块,比较了其优缺点,最后分析了两种减小行走误差的双阈值时刻鉴别方法。为相关领域的研究者提供了一些有益的参考和借鉴。

消除CDS折叠效应的增益自适应红外焦平面读出电路

高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放大器(RTIA),实现小信号大增益、大信号小增益的自动切换,将集成3.86 fF积分电容的CTIA电荷容量拓展到1.63 Me^(–)。在15μm像元中心距的像元内集成相关双采样(CDS)结构,大幅减小噪声。对CDS大信号注入产生的折叠效应进行理论分析,并设计抗折叠结构。采用180 nm 3.3V CMOS工艺,完成640×512规模的读出电路的设计、仿真、流片、测试。测试结果显示,该电路可消除CDS折叠效应,噪声电子数17 e^(–),动态范围拓展到99.66 dB。

基于单个宽频CMOS探测器的太赫兹焦平面扫描成像系统

太赫兹波是介于毫米波与红外光之间的电磁波,具有强穿透性、非电离性、高瞬时带宽等特点,在安全检查、无损检测、医疗成像等领域有着广阔的应用前景。在成像系统中,探测器是至关重要的部分。本文提出了一种将不同中心频率的窄带探测器输出结合实现宽频带探测的结构,为了减少面积,这些窄带探测器采用嵌套式结构,即高频窄带探测器被依次放置在低频窄带探测器的内部,每一个窄带探测器均包括环形天线、匹配网络和场效应晶体管检波电路。该探测器由65 nm标准CMOS工艺制成,探测频率范围覆盖了100~1000 GHz。基于该宽频探测器搭建实现了太赫兹焦平面成像系统,该系统主要包括太赫兹辐射源、聚四氟乙烯(PTFE)透镜、宽频CMOS探测器等。实验结果表明,该成像系统在100 GHz、220 GHz和300 GHz频率下能够稳定成像,并且随着频率的提高,成像质量也明显提升。通过对得到的成像结果使用形态学闭运算进行优化,解决了成像中信息缺失的问题,有效地改善了成像质量。

智能化红外焦平面应用前景与发展现状

智能化红外焦平面探测器的出现,依赖于先进的红外材料、器件技术和工艺水平以及集成电路技术和工艺的飞速发展;其能够针对不同的场景对探测器的工作状态进行自适应调整,而且在探测器上能够实现部分信号处理功能。智能化红外探测器的出现,大大提高了红外系统的灵活性,同时为日益复杂的探测场景提供了更加精准的探测能力。本文从智能化红外探测器应用的背景需求作为切入点,阐明发展智能化探测器的必要性;最后介绍了智能化红外探测器发展状况及未来发展趋势。

基于分焦平面偏振成像的冬青卫矛含水率快速无损检测

针对目前在植物含水率检测中存在的使用场景受限、含水率检测不及时等问题,该研究搭建了一套基于分焦平面偏振相机的偏振成像系统,通过对偏振成像信息的解析建立了线偏振度这一物理量与含水率的依赖关系,揭示了偏振光与植物内水分间的相互作用机理,实现了对冬青叶片含水率的快速、无损检测。结果表明:1)针对于不同月份、晴雨天气条件以及不同部位这3种不同影响因素下的冬青卫矛叶片,都可以通过线偏振度来反映其含水率情况,其统一表现为随着含水率的梯度降低,线偏振度逐渐增大;2)该研究通过采集大量的植物叶片建立预测模型,含水率与线偏振度存在较强的负相关关系,决定系数达到0.85,均方误差仅为0.45%;3)另取叶片对含水率检测模型进行验证,结果表明该模型在含水率检测的验证中均方根误差为4.53%,即可以通过线偏振度表征叶片的真实含水率。该研究成果在推动光学手段在植物健康状态检测的进程中具有应用价值。

福建仙游震群的应力场及其成因分析

利用双差定位法对2010年8月1日至2014年12月31日福建仙游地区中国地震台网中心记录到的地震群进行重定位,并采用P波初动的方法求解出该震群的159个震源机制解,显示该震群的震源机制解结果与背景构造应力场表现明显不一致。为了进一步探究差异性存在的原因,将得到的震群震源机制解结果分区域和分深度求解应力场,结果显示:金钟水库的东南部附近应力方向更远离背景构造应力方向,并且应力形因子小于0.5,中间轴呈现为拉张应力;随着深度的增加,应力场的方向也更接近背景构造应力场的方向。此外,根据前人研究推断该区域应力方向发生偏转是由于太平洋板块在深部的低角度俯冲挤压导致浅部张开,应力呈现为东西向拉张所致。在上述两原因的共同作用下,使得经震源机制解反演出的应力场结果与背景应力场差别较大。

倒装焊接机调平问题的研究

倒装互连工艺是制冷型红外焦平面探测器制备的关键技术之一,Z向压偏问题是影响倒装互连工艺成品率的重要因素。从倒装焊接机的设备角度,讨论了倒装焊接机调平与Z向压偏问题的关联性。测量的校准块不同位置焦距数值、标定校准块中点的准直十字位置粗略表明上焊臂与下基台的相对平行。此外,采用激光束获取的上下两个标准块不同位置与激光器的距离,精确表明上焊臂与下基台的空间平行,验证了倒装焊接机调平的准确度。首次建立研究倒装焊接机调平问题的方法体系,为高效解决倒装互连工艺Z向压偏问题、提升红外焦平面探测器成品率和可靠性打下了良好基础。