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当期目录

2022年 第47卷  第8期

专栏:前沿微光技术
前言
2022, 44(8): 763-763.
摘要:
超二代与三代像增强器性能的比较研究
李晓峰, 何雁彬, 常乐, 王光凡, 徐传平
2022, 44(8): 764-777.
摘要:
超二代和三代像增强器是两种不同技术的像增强器,其在光电阴极、减反膜、离子阻挡膜以及阴极电压方面存在区别。在极限分辨力方面,尽管三代像增强器GaAs光电阴极的电子初速小、出射角分布较窄以及阴极电压较高,但目前两种像增强器的极限分辨力均相同,三代像增强器GaAs光电阴极的优势在现有极限分辨力水平下并未得到发挥。在信噪比方面,尽管GaAs光电阴极具有更高的阴极灵敏度,但因为较高的阴极电压以及离子阻挡膜透过率的影响,使得两种像增强器的信噪比基本相同,三代像增强器GaAs光电阴极高灵敏度的优势也未得到发挥。在增益方面,尽管三代像增强器具有更高的阴极灵敏度以及较高的阴极电压,但超二代像增强器通过提高微通道板的工作电压来弥补阴极灵敏度以及阴极电压的不足,因此在现有像增强器增益的条件下,两种像增强器的增益完全相同。在等效背景照度方面,由于三代像增强器GaAs光电阴极的灵敏度更高,因此在相同光电阴极暗电流的条件下,三代像增强器可以获得更低的等效背景照度,所以三代像增强器较超二代像增强器具有更高的初始对比度。在光晕方面,由于三代像增强器光电阴极的灵敏度较高,同时具有离子阻挡膜,因此理论上讲,三代像增强器较超二代像增强器具有更高的光晕亮度,但实际的情况是两种像增强器的光晕亮度基本相同。在杂光方面,GaAs光电阴极具有减反膜,因此杂光较超二代像增强器低,所以三代像增强器的成像更清晰,层次感更好。在带外光谱响应方面,由于超二代像增强器Na2KSb(Cs)光电阴极的带外光谱响应高于三代像增强器,因此在近红外波段进行辅助照明时,超二代像增强器较三代像增强器成像性能更好。在低照度分辨力方面,具有相同性能参数的超二代和三代像增强器具有相同的低照度分辨力。需要注意的是,这是在标准A光源测试条件下所得出的结论。当实际的环境发射光谱分布与标准A光源发射光谱分布不相同时,两种像增强器的低照度分辨力将会不同。
半导体光电阴极的研究进展
张益军
2022, 44(8): 778-791.
摘要:
半导体光电阴极具有量子效率高、暗电流小的优点,被广泛应用于光电倍增管、像增强器等各类真空光电探测和成像器件,促进了极弱光的超快探测和成像技术的发展。另外作为能够产生高品质电子束的真空电子源,用于加速器光注入器、电子显微镜等科学装置。本文首先介绍了目前常用半导体光电阴极的分类以及在真空光电探测成像、真空电子源领域的具体应用。然后对碱金属碲化物光电阴极、碱金属锑化物光电阴极、GaAs光电阴极三类典型半导体光电阴极的制备技术进行了总结,并介绍了微纳结构、低维材料、单晶外延等新技术在半导体光电阴极研制中的应用。最后对半导体光电阴极的技术发展进行了展望。
适用于电子倍增器件的电荷灵敏放大器的设计
张斌婷, 闫保军, 刘术林, 温凯乐, 王玉漫, 谷建雨, 姚文静
2022, 44(8): 792-797.
摘要:
介绍了一种自主研制的新型电荷灵敏型三级放大器,其电路设计主要采用ADA4817高速低噪声集成运算放大芯片,该三级放大器噪声低、稳定性好、电路结构简单、性价比高、检修更换方便,可以不失真地放大上升时间在ns级的信号,放大器输出信号质量优异,可配合后续的多道分析器MCA8000D读取微通道板(microchannel plate,MCP)组件或单通道电子倍增器(single-channel electron multiplier,CEM)的单光电子谱,测试结果表明:自主设计的ADA4817型放大器在一定的方波标定脉冲信号下,其基线的宽度小于2 mV,上升沿时间约为800 ns,幅值约为40 mV,性能接近或略优于A250型放大器,可以更好地配合后续的多道分析器MCA8000D进行输出波形的分析和处理,完全满足MCP或CEM探测器的脉冲性能测试需求。
氮化镓光阴极薄膜材料表面光电压谱特性
高剑森, 刘健
2022, 44(8): 798-803.
摘要:
在蓝宝石基底上外延生长了多层结构氮化镓光阴极薄膜材料并进行表面光电压测试;对比分析了掺杂类型、厚度和掺杂方式对氮化镓材料表面光电压的影响,确定了多层结构氮化镓材料表面光电压产生机理;借助亚带隙激光辅助,针对均匀掺杂和δ-掺杂氮化镓(GaN)光电阴极薄膜材料进行了表面光电压测试;实验数据表明,相较于均匀掺杂,δ-掺杂可以获得更好生长质量,但也提高了在能级(Ev+0.65)eV~(Ev+1.07)eV范围的缺陷态密度。
普通高压电源超二代微光像增强器亮度增益温度特性研究
李亚情, 周盛涛, 王光凡, 褚祝军, 杜培德, 朱文锦, 李晓露, 左加宁, 朱世聪
2022, 44(8): 804-810.
摘要:
针对匹配普通高压电源的超二代微光像增强器亮度增益在高温条件下大幅下降的问题,根据理论分析搭建了高低温试验平台,并分别对普通高压电源超二代像增强器、像增强管和普通高压电源的高低温特性进行研究。试验结果表明,匹配普通高压电源的超二代像增强器高温(55℃)亮度增益与低温(-55℃)相比衰减约65%;在阴极电压、MCP电压和阳极电压恒定的条件下,像增强管高温亮度增益仅衰减约20%,且主要是由于阴极灵敏度和荧光屏发光效率随温度升高而降低导致的;普通高压电源高温(55℃)与低温(-55℃)相比阴极电压降低约40 V,MCP电压降低约18 V,阳极电压降低约100 V,三者共同作用加剧了普通高压电源超二代像增强器高温亮度增益的衰减。因此,在高温条件下通过软、硬件的方式对电源阴极电压、MCP电压和阳极电压进行补偿是提高普通高压电源超二代微光像增强器高低温亮度增益一致性的有效手段。
外场微光像增强器成像效果对比评测方法与系统
韩正昊, 褚祝军, 刘璇, 金伟其, 王霞, 李力, 裘溯
2022, 44(8): 811-817.
摘要:
以像增强器为核心成像器件的微光夜视技术一直是国内外重点发展的关键技术,广泛应用于军用夜视领域。直接对比分析不同型号像增强器输出图像特性的评测方法是评价像增强器成像性能最为直观的重要维度,但由于像增强器为直视型成像器件,带来野外实验光路搭建、多路视频同步录制、不同外型尺寸像增强器适配性等多方面的挑战。因此,本文研究了外场微光像增强器成像效果对比评测方法,研制了包含双像增强器成像光路、低照度CMOS成像光路与激光测距机的光轴平行对比评测系统,可实现同时观察和多路像相机的成像数字视频的采集;系统可便捷地适配安装多种不同外型尺寸、不同供电方式的典型像增强器,同时包含激光测距功能,可测量观察目标的距离;在上位机软件中集成多个无参考图像质量评价指标,可通过数字图像处理技术辅助观察者判断不同型号像增强器成像效果的优劣。实际外场测试实验表明测评系统方便可行,能够反映不同成像光路的成像效果,可反馈指导像增强器生产制造工艺的进一步优化,促进微光夜视技术的发展。
采用干法刻蚀进行微通道板扩口理论模型研究
邱祥彪, 闵信杰, 金戈, 孙建宁, 王健, 丛晓庆, 张正君, 徐昭, 潘凯, 任玲, 张振, 乔芳建, 聂慧君, 黄国瑞, 陈晓倩, 胡泽训, 林焱剑, 刘丹, 杨晓明
2022, 44(8): 818-823.
摘要:
开口面积比是微通道板(MCP)重要的性能指标,在MCP输入面进行扩口,对于MCP的探测效率、噪声因子等参数有显著的提升作用,在微光夜视仪、粒子探测器等军用、民用领域具有巨大的应用潜力。采用湿法腐蚀进行微通道板扩口,面临工艺一致性差、选择性腐蚀造成锥度尺寸难以达标等难题,实质性批量应用非常困难。针对扩口MCP难以制作和应用的问题,提出一种采用干法刻蚀进行MCP扩口的方法,阐述了干法刻蚀进行MCP扩口原理及可行性。通过建立理论模型研究干法刻蚀工艺参数如刻蚀角度、刻蚀时间等对于MCP开口面积比、通道内刻蚀深度、通道内壁刻蚀锥度等性能参数的影响,计算出合适的工艺参数范围,为开展实验研究奠定了基础。
高真空系统气体成分对GaAs光电阴极稳定性的影响
邬昊宇, 郭欣, 干林于, 陈鹏, 徐志锋, 刘晖, 焦岗成, 朱宇峰, 任雨田
2022, 44(8): 824-827.
摘要:
GaAs光电阴极以其量子效率高、光谱可调等优点广泛应用于微光夜视领域,尤其以高积分灵敏度的特性区别于多碱光电阴极,而GaAs光电阴极负电子亲合势的特性是通过Cs,O激活实现的,但是激活结束后,负电子亲合势的维持受诸多因素影响,如激活源、激活方式、气体氛围等。为了探究超高真空系统中影响GaAs光电阴极稳定性的因素,开展了GaAs光电阴极的激活实验和稳定性实验,对激活光电流曲线与腔室气体成分进行了监测,实验结果表明,在真空度优于1×10−6 Pa的高真空系统中,影响其稳定性的是腔室中的气体成分,其中对稳定性影响最大的是H2O,真空系统中H2O分压的增加会导致GaAs光电阴极的Cs,O激活层迅速破坏,光电发射能力急剧下降。
材料与器件
异质衬底外延碲镉汞薄膜位错抑制技术进展
杨晋, 李艳辉, 杨春章, 覃钢, 李俊斌, 雷文, 孔金丞, 赵俊, 姬荣斌
2022, 44(8): 828-836.
摘要:
分子束外延碲镉汞技术是制备第三代红外焦平面探测器的重要手段,基于异质衬底的碲镉汞材料具有尺寸大、成本低、与常规半导体设备兼容等优点,是目前低成本高性能红外探测器发展中的研究重点。对异质衬底上碲镉汞薄膜位错密度随厚度的变化规律进行了建模计算,结果显示ρ~1/h模型与实验结果吻合度好,异质衬底上原生碲镉汞薄膜受位错反应半径制约,其位错密度无法降低至5×10 6 cm-2以下,难以满足长波、甚长波器件的应用需求。为了有效降低异质外延的碲镉汞材料位错密度,近年来出现了循环退火、位错阻挡和台面位错吸除等位错抑制技术,本文介绍了各技术的原理及进展,分析了后续发展趋势及重点。循环退火和位错阻挡技术突破难度大,发展潜力小,难以将碲镉汞位错密度控制在5×105 cm-2以内。台面位错吸除技术目前已经显示出了巨大的发展潜力和价值,后续与芯片工艺融合后,有望大幅促进低成本长波、中长波、甚长波器件的发展。
系统与设计
微光多谱段成像仪调焦及像移补偿机构设计与性能分析
曹业豪, 贺玉坤, 单博闻, 彭越洋, 辛宏伟, 陈长征
2022, 44(8): 837-845.
摘要:
根据某型号微光多谱段成像仪的整机结构特性和工作条件,设计了一种调焦及像移补偿一体化的设备,达到节约空间、保证成像质量以及实现低照度环境下成像的目的。其中调焦功能由丝杠螺母配合楔形滑块实现,像移补偿功能由音圈电机实现,且配合有动、静态两级锁紧装置,使机构的可靠性、抗冲击性显著提高。结构外形尺寸为349 mm×192 mm×174 mm,调焦范围为±2 mm,像移补偿量为3 mm,调焦分辨率为0.05 μm,实测的定位精度为±5.7 μm。扫频振动试验得出其一阶模态为225 Hz,与有限元仿真分析结果基本一致,正弦振动试验和随机振动试验结果良好,均在技术指标要求范围内,说明具有良好的动态刚度,可以有效地避免共振现象的发生。综上所述,该调焦及像移补偿机构具有体积小,结构强度高的特点,可以很好地满足微光相机的工作条件。
短波红外相机的最小可分辨对比度测试
王棪, 金宁, 刘国平, 史昇, 杨光旭
2022, 44(8): 846-852.
摘要:
评估短波红外相机的综合性能对相机迭代和实际使用效果极为关键,本文提出了一种基于最小可分辨对比度(minimum resolvable contrast,MRC)测试的短波性能评估方法,由积分球辐射多个固定对比度的靶标,并对辐射源强度、目标混叠、观察模式等进行合理控制从而将噪声、目标背景对比度、观察者易变性等影响因子涵盖在评估模型中,综合评估短波相机性能。采用本方法对某型号短波相机进行了MRC测试和外场测试,取得了较为相符的测试结果,其测试不确定度仅为2.11%,可很好地对短波相机进行性能评估和预估。
图像处理与仿真
基于潜在低秩表示的红外和可见光图像融合
孙彬, 诸葛吴为, 高云翔, 王梓萱
2022, 44(8): 853-862.
摘要:
红外和可见光图像融合广泛应用于目标跟踪、检测和识别等领域。为了保留细节的同时增强对比度,本文提出一种基于潜在低秩表示的红外和可见光图像融合方法。潜在低秩分解将源图像分解为基层和显著层,其中基层包含主要内容和结构信息,显著层包含能量相对集中的局部区域。进一步利用比例金字塔分解得到低频和高频的基层子带,并针对不同层的特点设计对应的融合规则。利用稀疏表示表达低频基层较分散的能量,设计L1范数最大和稀疏系数最大规则,加权平均融合策略保留不同的显著特征;绝对值最大增强高频基层的对比度信息;而显著层则利用局部方差度量局部显著性,加权平均方式突出对比度较强的目标区域。在TNO数据集上的定性和定量实验分析表明方法具有良好的融合性能。基于低秩分解的方法能够增强红外和可见光融合图像中目标对比度的同时保留了丰富的细节信息。
基于相似度阈值模糊聚类的红外区域提取方法
郭锋, 郑雷, 葛黄徐, 严碧武, 郭一凡
2022, 44(8): 863-869.
摘要:
针对输电线路电力设备红外图像热故障区域检测,提出采用一种基于相似度阈值的模糊聚类热故障区域提取方法。在该方法中,改进了传统模糊均值聚类算法的迭代求解方式,采用一种阈值化模糊聚类;其次,通过对目标区域局部邻域像素的相似度聚类分析,并结合其隶属度的计算,确保局部邻域像素在聚类上的相似性。同时,引入了最大相似度阈值准则简化均值的设置以及自高向低的迭代方式,从而提升区域提取效率。最后通过真实输电线路电气设备红外故障图像测试,验证了文中所提方法的有效性和适用性。
形状自适应低秩表示的电力设备热故障诊断方法研究
黄志鸿, 洪峰, 黄伟
2022, 44(8): 870-874.
摘要:
本文提出一种形状自适应低秩表示的电力设备热故障诊断方法。该方法通过联合超像素分割和低秩表示技术进行热故障诊断。首先,使用主成分分析算法对输入的红外图像进行变换,并对第一主成分进行超像素分割处理,将红外图像自适应地分割为若干非重叠的超像素。然后,采用低秩表示技术对逐个超像素进行热故障诊断,通过充分挖掘空间结构信息和红外温度信息,优化提升热故障诊断精度。实验结果表明,与其他传统热故障诊断方法相比,本文提出的方法在热故障诊断精度上具有较大的优势,满足电力设备红外巡检的应用需求。
基于改进暗通道算法的红外图像去雾
王昊昱, 何明枢
2022, 44(8): 875-881.
摘要:
为了提高红外图像去雾效果,提出改进暗通道算法。首先利用近红外光在天空区域与非天空区域的穿透能力不同,天空区域的红外能量相对非天空区域能量较小,通过红外有雾图像的能量差异性划分为天空区域、非天空区域;接着天空区域的大气光值通过滑动窗口的像素亮度平均值计算,透射率考虑近红外波段衰减,非天空区域的大气光值、透射率通过改进暗通道算法计算;最后通过各区域大气光值、透射率恢复出无雾图像。实验结果表明,本文算法对红外图像去雾结果清晰,图像细节信息较好,评价指标较优。
红外应用
红外光谱结合化学计量学检验直液式走珠笔墨水
刘新磊, 韩丹岩, 肖强, 杨尚鹏
2022, 44(8): 882-888.
摘要:
检验鉴定书写墨水是法庭科学领域中一项重要的工作。利用傅里叶变换红外光谱仪对市面上常见的20种直液式走珠笔墨水样品进行检验,采取化学计量学实现了对直液式走珠笔墨水的快速检验。对傅里叶变换红外光谱数据做标准化处理,采取自动基线矫正、峰面积归一化、Savitzky-Golay 5点平滑3种方法对谱图做预处理,通过误差平方和指标(sum of the squares errors, SSE)确定分类K的最优取值,对样品进行K-均值聚类分析并解释聚类结果。采取主成分分析方法验证K-均值聚类的结果,利用组均值均等检验考察主成分变量对Fisher判别分析(Fisher discriminant analysis, FDA)模型的贡献程度,构建直液式走珠笔墨水的FDA判别模型。结果表明,K-均值聚类将全部墨水样本聚类为3类,PCA-FDA(principal components analysis-fisher discriminant analysis)模型能够对不同类别直液式走珠笔墨水达到100%的预测分类,经交叉验证后正确率达到100%。红外光谱与PCA-FDA模型结合可用于直液式走珠笔墨水的快速、准确检验鉴定。