人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器

红外探测器具有把物体辐射的光子信息转换为电信号的能力,拓宽了人们观察自然环境与人类活动的边界.当前,长波及甚长波红外探测器已在大气监测、夜间侦查、深空探测等领域有诸多应用.随着各国对高端红外探测器要求的快速提升,传统红外探测器难以兼顾高响应率、高响应速度以及多维探测等性能指标的瓶颈日益凸显.基于微纳光学理论设计的人工微纳结构,可实现其与红外光子的高效耦合,综合调控红外光场的振幅、偏振、相位及波长等自由度.为拓展红外探测器额外的调控自由度,进而在实现高量子效率的同时,兼顾较高的响应速率与优异的偏振或波长选择性,集成红外探测器与人工微纳结构的研究思路近年来被广泛应用.本文讨论了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测领域的应用进展,详述了表面等离激元、局域等离激元、谐振腔结构、陷光结构、超透镜、赝表面等离激元、间隙等离激元和声子极化激元等机制的应用现状及各机制固有的优劣势,进而指出了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测应用的发展前景与方向.     

非制冷型长波红外光谱仪的辐射定标方法

提出一种根据环境温度变化量补偿红外光谱仪系统输出灰度值的辐射定标方法。首先分析了在辐射定标和测量过程中红外光谱仪系统输出灰度值漂移的原因,推导出漂移变化量和环境温度辐射度变化量的函数关系;然后利用自主研发的非制冷型长波红外光栅光谱仪进行辐射定标实验,确定了实验室辐射定标方程和环境温度改变后通过补偿得到的辐射定标方程;最后通过实验验证了在不同环境温度下利用补偿后的辐射定标方程进行辐射测量的准确性。结果表明:在不同的环境温度下,通过漂移补偿可使光谱仪系统输出灰度值误差明显减小,其误差不超过2.4%,显著提高了非制冷型长波红外光谱仪对红外辐射的测量精度。     

像素偏振片阵列制备及其在偏振图像增强中的应用

像素偏振片阵列在实时测量光的斯托克斯参量方面具有重要的应用.本文设计和制作了基于金属铝纳米光栅的像素偏振片阵列,制作工艺基于电子束曝光技术.偏振片阵列单元尺寸为7.4μm,每相邻2×2单元的透偏振方向分别为0,7π/4,π/2和3π/4.光栅周期为140 nm,占空比为0.5,深度100 nm,光栅面型为矩形.像素偏振片阵列的扫描电子显微镜照片显示,制备的偏振片阵列的金属纳米光栅栅线无断线、无交叉、无杂物污染,光栅栅线结构平直,厚度均匀,满足理想矩形面型.采用偏振光作为照明光的光学显微镜拍摄图片显示,像素偏振片阵列整体形状规则,具有很好的偏振特性,最大偏振透射率可达到79.3%,消光比可达到454.将像素偏振片阵列与CCD(charge coupled device)集成在一起,采集单帧图像即可计算图像的斯托克斯参量,从而得到拍摄物体线偏振度图像和线偏振角图像,实现了偏振增强,可应用于目标反隐和识别.     

双材料微梁阵列室温物体红外成像

针对近年出现的新概念光学读出双材料微梁阵列红外成像技术，提出了具有热变形放大效果的无硅基底回折腿间隔镀金的微梁单元结构,并建立了其热机械模型，在模型分析基础上，成功的设计制作了100×100像素的焦平面阵列(focal plane array,FPA).在构建的红外成像系统中，实现了对室温物体——人体的热成像，噪声等效温度差约为200mK.实验结果与热机械模型的分析一致. 关键词： 非制冷红外成像 光学读出 双材料微梁阵列     

基于水浴黑体的红外成像系统定标实验研究

定标是任何成像和非成像系统定量化应用的前提,实验室定标是把握系统基本性能的关键环节。在阐述红外系统定标的原理和方法的基础上,基于高精度水浴黑体,从稳定度、响应线性和响应度系数方面对红外热像仪进行了定标实验,描述了实验定标系统,并结合实验详细分析了影响定标精度的主要因素:黑体温度的不确定度、对同一辐射量值的测量误差和环境温度引入的误差。     

Offner型与Dyson型长波红外成像光谱仪性能对比研究

针对传统长波红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下高信噪比和小型化的现状,在数值孔径NA为0.19和0.33,工作波段为8~12μm下,设计并对比分析了两种具有同心结构的Offner凸面光栅和Dyson凹面光栅光谱仪,借助Zemax软件,获得了它们的最优解。当NA1=0.19时,两者均能理想成像,Offner结构大小为245mm×213mm×111mm,调制传递函数(MTF)大于0.38,光谱分辨率为35nm,谱线弯曲小于4.8%,色畸变小于12.8%;Dyson结构大小为308mm×61mm×49mm,MTF大于0.48,光谱分辨率为12nm,谱线弯曲小于0.047%,色畸变小于0.138%。当NA2=0.33时,Offner结构无法理想成像,Dyson结构仍有很好的像质,大小为317mm×88mm×88mm,MTF大于0.71,光谱分辨率为1nm,谱线弯曲小于0.015%,色畸变小于0.028%。设计结果表明,长波红外波段中,相对于Offner结构,Dyson结构具有数值孔径大、体积小、光谱分辨率和传递函数高以及谱线弯曲和色畸变小的优点。     

大视场大相对孔径长波红外物镜

介绍适用于非致冷焦平面阵列(FPA)探测器的大视场大相对孔径长波红外物镜设计与研制.由三块非球面锗透镜组成,采用"负-正-正"像方远心光路,全视场角和相对孔径分别达135°和F/0.8.镜头的成像性能接近于衍射受限,具有体积小、重量轻、像面辐照度均匀等优点.给出非球面锗透镜的研制、测试结果和用此光学系统得到的室内目标热辐射成像图片.     

光学读出微梁阵列红外成像及性能分析

在构建的光学读出微梁阵列(焦平面阵列FPA)非制冷红外成像系统中，实现了无硅基底FPA置于空气中对人体的热成像. 通过FPA在不同真空度环境条件下的成像结果进行比较，分析了热导和系统噪声值随气压变化的关系，以及对系统成像性能的影响，并对气体分子热运动自由程大于空气传热层特征尺度时的气体热传导模型进行了修正分析和实验验证. 实验结果表明：FPA置于空气中时，气体分子撞击微梁引起的微梁反光板无序振动产生的光学读出噪声成为系统噪声的主要来源. 当真空度小于1Pa时，总热导和光学读出噪声值的变化都趋于平缓；当真空度小于10^-2Pa时，空气热导的影响可忽略，总热导降低到微梁感热像素的辐射极限，光学读出噪声也降低到一极小值. 实验结果与理论分析相符合. 关键词： 非制冷红外成像 光学读出 双材料微梁阵列 热导     

辐射源定标红外焦平面阵列非均匀性校正算法研究

针对红外成像系统工程应用的实际要求,对辐射源定标红外焦平面阵列非均匀性校正的数学方法进行了研究,揭示了该实际工程问题属于函数插值或函数拟合的数学原理,并据此导出了三次样条插值、B样条最小二乘拟合及多项式最小二乘拟合等非均匀性校正算法.实验表明,该算法能有效适应红外焦平面阵列响应特性的大动态范围和非线性,校正准确度高,计算速度快.     

原子力显微镜加工红外微透镜阵列的研究

提出了利用原子力显微镜灰阶阳极氧化方法加工Si、Ge、GaAs等晶体材料为基础的红外微透镜阵列.加工了3×3的红外硅微透镜阵列,微透镜的高度和表面直径重复性误差分别为0.2nm和6.0 nm,微透镜的平均曲率半径为510.8 nm.分析了原子力显微镜加工红外微透镜产生面型结构误差的原因,并提出了减小面型结构误差的方法.利用此种方法加工的折射、衍射和混合红外微透镜阵列可以进一步缩小红外成像系统的尺寸.     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究

报道了地面长波红外遥测的新进展 ,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程.演示装置基于角锥反射镜M ichelson干涉具 ,构成了空间调制干涉 ;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件 ,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理 ,实现了长波红外波段高光谱成像.自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6 × 10-8 W · (cm-1 · sr · cm2 )-1 ,与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当 ;反映了技术的先进性 ,并留有较大的改进空间.通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线 ,CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11. 5 μm.文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例 ,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法.在复杂背景和低试验浓度情况下 ,从同一波数的红外光谱切片上 ,观察不出乙醚蒸气的存在 ,但是进行了差谱处理后 ,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布.高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域 ,相对于宽波段热成像方法 ,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势.     

低轨空间目标地基偏振成像系统偏振定标方法

针对地基大口径望远镜的机上自适应光学系统构建的低轨空间目标偏振成像系统,提出一种基于非偏振标准星和机上起偏装置的宽带偏振定标方法。该方法以非偏振标准星作为光源,并在望远镜系统的一次像面处加入起偏装置对入射光的偏振态进行调制,再结合基于非线性最小二乘拟合的偏振定标方法分两步对整个偏振成像系统进行宽带偏振定标。为验证该偏振定标方法的效果,利用Matlab软件基于相干矩阵和偏振追迹构建了相应的模型进行仿真分析,仿真结果表明该偏振定标方法可以有效减小望远镜系统偏振效应对偏振探测准确性的影响,并且偏振定标元件的初始角度误差在±5°范围内时对偏振定标准确性的影响极小。     

分束型同时偏振成像系统定标及预处理方法

同时偏振成像系统可获取动态物体的瞬态偏振特性,具有广泛的应用前景。然而各偏振探测通道存在空间和辐射响应差异,对准确建立仪器穆勒矩阵造成干扰。针对分束型同时偏振成像系统,分析了误差来源,提出了定标及预处理方法。通过成像非均匀性、辐射响应不一致性、检偏角度误差、瞬时视场像差的标定和校正,消除了偏振成像探测的系统误差。结果显示:经过定标和校准处理,各通道图像非均匀度平均降低了2.24%,辐射响应差异率绝对值平均降低了17.22%,偏振相对快轴方向平均纠正了1.71°,成像几何偏差平均纠正了1.87个像元。校正后,系统偏振度和偏振角测量误差分别降低0.47和32.84°。对室外场景进行测量实验,经过预处理正确解算斯托克斯参量,并通过偏振图像融合处理,突出了不同材质的物性差异。     

制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法

杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.     

红外微透镜阵列及其与MCT红外焦平面的集成

针对中短波碲镉汞（MCT）红外焦平面探测器的使用要求,设计了用于混合集成和单片集成且尺寸大小与探测器像元结构匹配的方形底折射微透镜阵列。采用热熔成形和（反应）离子柬刻蚀转移技术制作了多种红外材料微透镜,如Si、Ge、GaAs、蓝宝石以及红外玻璃（IRG-103和IRG-104）微透镜。针对混合集成和单片集成的不同要求,选用多种光刻胶如AZ6112和AZ6130等不同厚度的胶以及SUN-120P低熔点正型光刻胶,进行热熔和刻蚀实验,遴选分别适用于混合和单片集成的光刻胶。优化光刻胶和衬底材料的刻蚀速率比,得到高填充因子和合适光学参数的微透镜阵列。探究了SUN-120P低熔点正型光刻胶的特性和通过离子柬刻蚀转移视线实现零间距透镜的工艺。最后介绍了与MCT红外焦平面阵列器件的集成方式和工艺进展。     

折/衍混合长波红外凝视成像系统的杂散光分析

对含有一个用金刚石车削技术制作的衍射光学元件(DOE)的折/衍混合长波红外(LWIR)凝视成像系统进行了杂散光分析.利用LightTools软件对DOE的不同衍射级次、光学表面多次反射、镜筒内壁反射等主要杂散光源进行了模拟和分析,对6种二次反射的模拟结果表明,对归一化的光源,理想光路的像面辐照度为100 W/mm2,每种二次反射会给像面带来0.01 W/mm2的辐照度;反射率为10%的镜筒内壁给像面带来的辐照度为0.01 W/mm2.利用该LWIR凝视成像光学系统进行了相关实验,实验结果证明了上述分析的正确性,表明该项分析有利于对LWIR凝视成像系统光学性能的进一步理解和杂散光的抑制.     

紫外可见偏振成像光谱仪的光谱定标与匹配方法

紫外可见偏振成像光谱仪中沃拉斯顿棱镜的色散效应会导致探测器同一空间通道的中心坐标发生偏移,影响目标信号探测精度。根据偏振解调算法,利用沃拉斯顿棱镜出射的两正交分量调制光谱(S光和P光)实现偏振信息解调时,还需要完成光谱匹配。针对这一问题,提出了一种光谱定标与匹配方法。首先利用平行光源标定了仪器视场角与空间维像元的对应关系,提取出各空间通道对应的像元坐标集合并确定了视场定标方程;在同一空间通道内,通过低压汞灯标准光源对波长与像元的对应关系进行标定,得出光谱定标方程;利用视场定标和光谱定标结果完成正交分量光谱的匹配;最后利用太阳光谱中Fraunhofer线的特征波长对定标结果进行了检验。结果表明：紫外可见偏振成像光谱仪正交分量的光谱吸收峰位具有较好的一致性,定标值和标准值的偏差在0.1 nm以内,这验证了定标结果的准确性。     

FY-4B GHI长波红外波段的发射前辐射表征和定标

静止轨道快速成像仪（GHI）是风云四号B星（FY-4B）的主要有效载荷之一。针对该仪器长波红外波段的大视场、高空间分辨率等特点,提出了相应的发射前辐射定标和表征方法。建立了一套定标系统装置,实现了长波红外波段的发射前辐射定标,定标不确定度优于0.67 K@300 K。测量并研究了长波红外波段的空间噪声特性。根据长波红外焦平面4个线阵的设计特点,提出了两种最佳成像探元选择方法,即基于信噪比最大化和响应信号固定图形噪声最小化的方法。测量并分析了这两种最佳成像探元组合线阵的温度探测灵敏度,均优于任务要求,平均水平达到了50～60 mK@300 K。评估了星上黑体参考标准的精度,星上黑体标称亮温比真实亮温偏低约0.42 K@300 K,该结果对黑体的在轨应用具有重要参考意义。     

用金属小球进行长波量子阱红外探测器的光耦合

针对实验中9.5μm峰值响应波长的n型长波量子阱红外探测器设计运用二维金属小球(铜)阵列作光耦合结构.金属小球阵列均匀填充在绝缘的胶黏剂中，基于惠更斯原理研究二维金属小球阵列体系的光耦合和光吸收，结果表明对9.5μm响应波长的长波量子阱红外探测器，采用周期为3μm，半径为0.9μm左右的金属小球阵列可以获得最佳的光耦合.优化设计后的量子效率(66%)远高于45°磨角耦合的量子效率(38%)，为实验运用金属小球阵列进行长波量子阱红外探测器的光耦合提供了基本的理论依据和详细的优化设计方案.     

短波红外平场光谱仪的波长定标

针对自行研制的短波红外平场光谱仪,讨论了波长定标的原理和方法.短波红外平场光谱仪由两个分光探测单元组成,探测单元以平场凹面光栅分光,处于焦平面上的线阵列探测器探测,波长定标分为两个波段进行.为了实现准确的波长定标,针对短波红外平场光谱仪的特点设计了波长定标步骤.双单色仪可以输出光谱仪波长范围内任意波长单色光,选用双单色仪作为光谱定标光源,双单色仪的输出单色光光潜分辨力为1.5 nm,经过光谱仪的分光会聚后成像在线阵列探测器像元上,采用重心法计算出给定波长对应的像元精确位置,通过多项式拟合得出两个探测单元的波长定标系数.定标结果表明,在900～2400 nm波长范围内,定标曲线拟合误差小于0.5 nm,波长定标不确定度优丁0.6 nm.