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当期目录

2021年 第43卷  第12期

综述与评论
石墨烯异质结及其光电器件的研究进展
韩天亮, 唐利斌, 左文彬, 姬荣斌, 项金钟
2021, 43(12): 1141-1157.
摘要:
石墨烯是具有高迁移率、高热导率、高比表面积、高透过率及良好的机械强度等特性的二维材料,在光电子器件领域被广泛用作透明电极及电荷传输层等。但由于石墨烯是零带隙材料,为半金属性,限制了其在半导体光电子器件领域的应用。为更加切合半导体产业应用的要求,构建异质结已经成为相关领域实现应用的重要途径。国际上已有较多团队开展了石墨烯异质结相关研究,目前已有较多报道。本文从石墨烯的性质出发,讲述了石墨烯异质结的发展历程,制备方法,并从材料制备与器件结构的角度总结了基于石墨烯异质结光电子器件的研究进展。最后,对石墨烯异质结在光电子器件领域的发展进行了展望。
专栏: 红外光学系统
考虑广角镜头畸变的精确目标识别距离估算
刘光伟, 蔡毅, 陈东启, 王岭雪
2021, 43(12): 1158-1165.
摘要:
人脸识别和车牌识别是智慧安防领域的重要内容。人脸和车牌的特征尺度小、细节丰富,对成像系统的空间分辨力有较高要求,需要较大规模的探测器和高传函、小畸变的光学镜头。然而,安防系统又要求广域监控,需要使用视场大但具有一定畸变的广角镜头。因此,设计既能精确识别人脸和车牌目标、又能广域监控的成像系统时,应将精确目标识别作为约束来权衡高空间分辨力和大视场的性能指标以及估计识别距离。在这样的应用需求下,本文提出了像素面密度对精确目标进行统一描述,并提出了考虑广角镜头径向畸变的精确目标识别距离估算方法,通过对存在旋转和平移的人脸和车牌目标进行计算验证,结果表明:考虑径向畸变后实际识别距离较理论识别距离近,且人脸和车牌平移距离分别为1 m和2 m时,实际与理论的识别距离差异高达34.2%和27.5%。
制冷型中/长波红外双波段一体化全反射式光学系统设计
刘芳芳, 赵健, 丛强, 李妥妥, 汤天瑾, 吴俊
2021, 43(12): 1166-1171.
摘要:
为避免透射式系统存在的色差问题,采用离轴反射式光学系统,在三镜后加分色片,分别成像到中波探测器及长波探测器的焦面上,实现对中波红外和长波红外两个谱段信息的同时成像。该一体化系统由3个离轴反射镜和一个分色片构成,为校正系统像差,三镜采用XY多项式曲面。采用二次成像结构形式,具有100%冷光阑效率。系统F数为2.67,视场角11.4°×1.8°,工作波段为中波3.55~3.93 μm,长波10.3~12.5 μm。中波红外系统MTF平均值大于0.5@25 lp/mm,长波红外系统MTF平均值大于0.4@12.5 lp/mm,采用光学被动式消热差法对光学系统进行温度补偿,温度适应范围为-40℃~+60℃。
低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析
沈凯, 何欣, 张星祥
2021, 43(12): 1172-1176.
摘要:
红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度,也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于240 K的ϕ450 mm反射镜组件进行结构设计,反射镜材料为SiC,连接件材料为殷钢,采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式,并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析,得到各参数对面形的影响曲线。优化后,反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm,径向重力面形3.710 nm,240 K低温面形5.086 nm,一阶模态277 Hz,轻量化率89.4%。
机载小型化中波红外连续变焦光学系统设计
吴海清, 王玮超
2021, 43(12): 1177-1182.
摘要:
为适应机载光电系统对红外热像仪光学系统小型化、轻量化的要求,采用前端无焦扩展倍镜与后端连续变焦光学系统组合的方式,实现了30~660 mm的22倍连续变焦光学系统。该系统的光学总长为244 mm,总长/最大焦距比为0.37,系统具有光学总长小、变倍比大的特点,适用于远距离目标探测的大型机载光电吊舱系统中。将前端无焦扩展倍镜去掉后,后端连续变焦光学系统可以实现15~330 mm的22倍连续变焦光学系统,该系统的光学总长为138 mm,总长/最大焦距比为0.42,可作为独立的连续变焦系统应用于近距离目标探测的中小型机载光电吊舱系统中。设计结果显示,该系统在两种状态下均成像良好,在探测器对应的特征频率33 1p/mm处,中心视场的MTF值均在0.3附近,接近衍射极限,0.7视场的MTF值均在0.2附近,边缘视场的MTF均在0.15附近,能够满足应用需求。
大相对孔径变焦红外光学系统无热化设计
陈潇
2021, 43(12): 1183-1187.
摘要:
随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象,一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计,而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理,提出一种变焦光学被动式无热化设计方法,并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm(变倍比为2:1),工作波段为8~12 μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料(硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗)组合,并引入3个偶次非球面,实现变焦无热化设计。设计结果表明:该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性,在空间频率30 lp/mm处,-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好,在红外车载领域有着广泛应用前景。
红外探测器集成光学系统低温评价方法研究
张璐, 张磊, 付志凯, 田亚
2021, 43(12): 1188-1192.
摘要:
红外探测器集成光学技术是将部分成像光学系统集成在杜瓦结构内部,以保证F数较小、探测目标信号能量大的同时,消除光学系统体积庞大和复杂带来的不便因素。本文研究的红外探测器集成光学低温评价技术是在不反复拆除杜瓦的前提下,直接评估集成光学系统低温MTF,缩短测试周期。进行集成光学透镜组精密装配,在此基础上开发独立的集成光学系统低温MTF评价装置,并搭建MTF测试光路,获得集成光学透镜组温度分布梯度,为集成光学透镜组的装配精度和光学性能提供可靠数据。
3.7~4.8 μm红外二次成像折反射式光学系统设计
李卓, 叶宗民, 孙保杰, 刘文鹏
2021, 43(12): 1193-1196.
摘要:
为满足小、远目标和空间目标的光学特性测量需求,提出以RC结构为设计基础,通过曲线方程和高斯公式确立反射式光学系统初始结构参数。为达到优化设计目的,结构中引入了二次成像中继镜组,解决了100%冷光阑效率问题。通过ZEMAX建立评价函数,仿真测试表明:设计完成的红外二次成像折反射式光学系统口径200 mm,焦距380 mm,结构紧凑简单,成像质量满足实际测量需求。
红外增透膜湿热雨林气候环境适应性分析
杨玉萍, 刘剑, 周晓瑜, 赵宏坤, 刘艳芳, 王冲文, 赵远荣, 戈帆, 肖建军, 罗瑞, 杨品杰
2021, 43(12): 1197-1201.
摘要:
随着军用红外光学仪器的发展,对红外光学镀膜元件耐环境性能的要求越来越高。以波段在8~12 μm的Ge、ZnS、ZnSe镀增透膜样品为对象进行红外增透膜湿热雨林气候环境适应性研究。以外观质量、重量、光谱透射比等为评价指标进行环境适应性评价,得出以下结果:经过3年湿热雨林气候环境试验,红外增透膜出现了不同程度损伤,损伤模式主要为变色和脱膜;随着试验时间的延长,变色越来越严重,变色区域越来越大;重量出现先减少后增加的现象,光谱透射比出现少量下降;经过3年的湿热雨林气候环境试验后,红外增透膜均已失效。
材料与器件
锑化铟红外焦平面阵列探测器的热应力结构优化
张江风, 刁云飞, 张晓玲, 孟庆端
2021, 43(12): 1202-1206.
摘要:
在液氮冲击实验中,锑化铟红外焦平面阵列探测器中各层材料之间线膨胀系数的不同将导致热失配产生,过大的热失配应力将引起锑化铟芯片断裂失效。为了降低热失配对锑化铟芯片的影响,基于弹性多层体系热应力计算理论,借鉴平衡复合物结构设计方法,优化平衡复合物结构上表面的热应变,使得平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变尽可能接近锑化铟芯片下表面的热应变,从而大幅降低锑化铟芯片中的热应力。考虑器件加工工艺成熟度,经一系列计算表明:当硅读出电路的厚度取25 μm时,平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变与InSb芯片下表面的热应变最为接近,此时锑化铟芯片中的拉应力最小。锑化铟芯片中拉应力的大幅降低,将为消减液氮冲击中锑化铟芯片的碎裂几率提供可以信赖的结构设计方案和实现途径。
镱银阴极对顶发射白光OLED器件光电性能的影响研究
杨启鸣, 高思博, 王灿, 段良飞, 钱福丽, 段谦, 张杰, 王光华, 鲁朝宇, 段瑜
2021, 43(12): 1207-1211.
摘要:
研制了以镱银合金为透明阴极的顶发射白光OLED器件。采用ITO/NPB: LiQ(5%)(10 nm)/TCTA(20 nm)/FIrpic+3.5% Ir(ppy)3+0.5%Ir(MDQ)2(acac)(25 nm)/TPBI(10 nm)/LiF(5 nm)/Yb: Ag (X%)(X nm)器件结构,在相同镱银比例下,蒸镀不同厚度的镱银合金阴极制备了新型顶发射白光OLED器件,获得了优化的镱银合金厚度为12 nm;固定镱银阴极厚度,蒸镀不同比例的镱银合金阴极制备了新型顶发射白光OLED器件,探究不同比例的镱银合金对有机电致发光器件的影响。结果表明,当镱银电极的掺杂比例为10:1时,器件的性能最佳,在20 mA/cm2电流密度下,器件的驱动电压为2.3 V,亮度为1406 cd/m2,色坐标为(0.3407, 0.3922)。
图像处理与仿真
结合改进显著性检测与NSST的红外与可见光图像融合方法
叶坤涛, 李文, 舒蕾蕾, 李晟
2021, 43(12): 1212-1221.
摘要:
针对当前基于显著性检测的红外与可见光图像融合方法存在目标不够突出、对比度低等问题,本文提出了一种结合改进显著性检测与非下采样剪切波变换(non-subsampled shearlet transform, NSST)的融合方法。首先,使用改进最大对称环绕(maximum symmetric surround, MSS)算法提取出红外图像的显著性图,并进一步通过改进伽马校正进行增强,同时应用同态滤波增强可见光图像。然后,对红外图像与增强的可见光图像进行NSST分解,利用显著性图指导低频部分进行融合;同时设定区域能量取大规则指导高频部分融合。最后,通过NSST逆变换重构融合图像。实验结果表明,本文方法在平均梯度、信息熵、空间频率和标准差上远优于其他7种融合方法,可以有效突出红外目标,提高融合图像的对比度和清晰度,并保留可见光图像的丰富背景信息。
基于RAU-net的视网膜血管图像分割
张丽娟, 梅畅, 李超然, 章润
2021, 43(12): 1222-1227,1233.
摘要:
在眼科疾病的诊断中,对视网膜血管进行分割是非常有效的一种方法。在方法使用中,经常会遇到由于视网膜血管背景对比度低及血管末梢细节复杂导致的血管分割难度较大的问题,通过在设计网络的过程中在基础U-net网络中引入残差学习,注意力机制等模块,并将两者巧妙地结合在一起,提出一种新型的基于U-net的RAU-net视网膜血管图像分割算法。首先,在网络的编码器阶段加入残差模块,解决了模型网络加深导致梯度爆炸以及梯度消失的问题。其次,在网络的解码器阶段引入注意力门(attention gate, AU)模块,用来抑制不必要的特征,从而使模型产生更高的精度。通过在DRIVE数据集上进行验证,该算法的准确率、灵敏度、特异性和F1-score分别达到了0.7832,0.9815,0.9568和0.8192。分割效果相对于普通监督学习算法较为良好。
红外应用
乙醇浓度预测的多元线性回归模型建立及验证
肖雄亮, 陈长明
2021, 43(12): 1228-1233.
摘要:
设计了由光源、气室、探测器和控制器等组成的非分散红外吸收系统,往气室内通入不同浓度的多组分气体(含有乙醇、二氧化碳和水蒸气),采用红外光谱仪进行光谱数据采集,得到多组分气体混合光谱图。根据数据集样本求解回归系数,建立了多元线性回归模型,并进行干扰修正以降低二氧化碳和水蒸气对乙醇浓度预测的影响。对建立的多元线性回归模型进行评价,结果表明:模型真实有效且具有良好的线性回归效果,可以用于预测气体浓度,乙醇、二氧化碳和水蒸气浓度预测误差均在可接受的范围之内,其中乙醇浓度预测误差最小,不超过2.0×10-4。通过干扰修正尽可能排除二氧化碳和水蒸气的干扰,能够较准确地预测乙醇浓度。

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《红外技术》编辑部

2021年9月29日