新型硅微条等探测器的发展及应用

最近几年，新型半导体探测器如硅微条，pixel，CCD，硅漂移室等的发展很快，在高能物理和天体物理实验中广泛应用，作为顶点及径迹探测器，它们的位置分辨率非常高，硅微条探测器的位置分辨能力目前可达到好于1．4μm，这是任何气体探测器和闪烁探测器很难达到的。主要介绍这些新型半导体探测器的结构、原理及其在高能物理、天体物理、核医学等领域的应用。     

激光辐照面阵CCD探测器系统局部的干扰效应

采用脉冲与连续激光实现了对面阵CCD探测器系统的干扰,研究了脉冲与连续激光辐照CCD探测器系统时,CCD探测器系统工作状态的变化,测量了CCD探测器系统的饱和阈值范围,并分析了造成饱和的原因.在实验中观察到了"光饱和串音"现象,采用脉冲激光实现了对面阵CCD探测器的硬破坏.     

大功率激光对CCD探测器损伤研究

针对大功率激光辐照可见光成像探测器损伤机理,开展了1080nm波段大功率连续激光对CCD探测器损伤模型仿真与实验研究。首先,基于CCD典型结构及各层材料特性,建立了连续激光对CCD探测器热效应损伤模型,仿真模拟了CCD各层瞬态温度场和应力场,分析了连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律;其次,开展了连续激光对CCD探测器损伤实验,获取了CCD损伤阈值,并利用金相显微镜、扫描电镜对CCD探测器各层熔融情况进行了分析;最后,对模型仿真与损伤实验结果进行了对比,并分析了损伤阈值存在差异的原因。结果表明,1080nm连续激光辐照可见光CCD探测器400ms时的仿真损伤阈值为145×106W/cm2,实验损伤阈值213×106W/cm2,误差约为319。仿真与实验结果对探究大功率激光辐照CCD探测器损伤机理、评估干扰效果具有一定的参考意义。     

1064 nm激光光热效应对CCD探测器干扰实验研究

为了研究激光的光热效应对CCD探测器的干扰效应,利用1064 nm激光开展了对CCD探测器的干扰实验。实验采集数字图像的处理分析可明显观察到1064 nm激光对于CCD探测器的串扰现象。进行了激光照射CCD探测器随时间变化产生热噪声差对比实验,观察到了激光光热效应对于CCD探测器的干扰效果。实验表明CCD探测器表面温度随1064 nm激光辐照功率的升高而逐渐升高的现象,由于光热效应带来的图像热噪声明显影响到了CCD探测器的成像效果。由于硅基CCD探测器对1064 nm波长的低光电响应率,研究光热效应对CCD探测器干扰效应尤为重要。     

光束质量测试系统等效焦距的测试方法

利用小孔法测量光束质量测试系统中采集系统的单元图像尺寸,在此基础上,给出了利用CCD探测器快速测试光束质量测试系统等效焦距的测试方法,并与系统的设计指标进行了对比。     

脉冲激光对CCD探测器有效干扰距离的研究

估算了脉冲激光在大气环境下对典型CCD探测器的有效干扰距离,为提高激光干扰系统空间布局的合理性提供依据。计算了脉冲激光在近地面传输时的远场功率密度,进行了脉冲激光损伤面阵CCD探测器的实验,得到了造成CCD探测器出现不同损伤情况所需要的近似的激光能量密度值。在此基础上,综合理论计算与实验结果得出结论:波长532 nm、单脉冲能量1 J、脉宽10 ns重复工作频率1 Hz的脉冲激光在1500 m内会严重损伤CCD探测器;在1500~2800 m内会严重干扰CCD探测器;在2800~7000 m内会使CCD探     

单脉冲激光损伤CCD探测器的有限元仿真

为了研究激光对CCD探测器的损伤效应,采用有限元分析的方法进行了激光损伤CCD的理论分析和实验验证。阐述了激光辐照CCD探测器的损伤机理,设计了激光辐照CCD探测器热效应的仿真模型,针对波长为532nm的高功率激光辐照硅基CCD探测器而产生的热效应,利用有限元法进行了仿真计算,得到了CCD探测器受到532nm激光辐照时硅电极的温度曲线以及硅电极损伤时间阈值,并相应计算出损伤CCD探测器所需要的激光能量阈值为220mJ/cm2左右。结果表明,损伤阈值随着激光功率密度的增大而减小,但变化幅度不大;当多脉冲毫秒激光辐照CCD探测器,在一个脉冲结束、下一个脉冲到来之前,探测器温度恢复到环境温度。该模型可以较为准确地对单脉冲激光辐照CCD探测器时产生的热损伤效应进行模拟。     

新型高密度红外肖特基电荷耦合探测器阵列

硅红外探测器阵列常由肖特基势垒探测器单元组成,这些单元通过转移栅和常规电荷耦合器件(CCD)的移位寄存器相连接。描述的新型器件结构是把探测功能和移位寄存器功能合并入一个肖特基单元,其优点是大大增加了探测器占空系数,及在给定尺寸的芯片上构成更大型探测器阵列的可能性。     

电荷耦合器件中的γ辐射噪声

全部实验结果表明,用来读出探测器信号的电荷耦合器件(CCD)或用作信号处理电子装置的CCD,可以在高电离辐射环境下实时工作。进一步的工作应是在制造过程中提高CCD 所能承受的硬度而耐受总剂量达1×10~6拉德的辐射(Si),并研究在与红外探测器相结合的电荷耦合器件中电离辐射的效应。用来读出探测器信号的CCD 器件可以制成能够处理辐射产生的过量噪声,并能处理探测元件中产生的高虚警率。在CCD 读出结构内直接产生的影响中,预计主要是探测器中产生的电离辐射效应;但许多影响因探测器的相对尺寸而异。在CCD-MOS 场效应管结构中测得的γ辐射引起的过量低频噪声可能使需进行实时工作的空间传感器仅仅在γ辐射通量级很高的情况下出现疑问。有可能在CCD 电子读出装置的输出端使用鉴别和避免的方法。在CCD 电子读出装置输出端测得的γ辐射引起的脉冲,其振幅是不一致的,脉宽是变化的(有些是时钟周期的好几倍)。     

混合红外电荷耦合器件的注入效率

一、引言在直接注入的红外CCD中,光生电荷是直接引入CCD移位寄存器的。因为这实际上是个直流耦合系统,而CCD处理电荷的容量有限,所以,只有直流电很小的探测器(即光伏本征探测器)可以与CCD耦合。直接注入红外CCD的关键参数是注入效率,它的定义是引入CCD的电荷与探测器产生的总电荷之比。本文证明,注入效率与频率     

超大空域凝视光学系统的光阑像差

鱼眼透镜和超广角镜头具有很严重的光阑球差、光阑彗差。本文主题是：如何简捷计算其光阑球差以准确描述轴外物点成像光束的位置和结构以及如何利用光同阑彗差造成有效的像差渐晕以改善像面照度分布；文章提出用截断级数和微分方法解算光阑球差近似值，用诱导迭代方法人为扩大光阑彗差以增强像差渐晕效应，并达到了预期目的。     

双静电四极透镜点聚焦特性分析与仿真

静电四级透镜具有优越的电子光学聚焦成像性能,单一静电四极透镜可实现电子束线聚焦,组合静电四极透镜系统拥有点聚焦的能力。文中对实现点聚焦的双静电四极透镜系统相关参数进行了计算,利用电子光学软件SIMION仿真发现,静电四极透镜之间的畸变场与两端的边缘场引起的像差会严重影响系统聚焦成像质量。仿真分析了系统像差与发射电子初动能的关系。结果表明:系统在保证点聚焦的情况下,增加电子发射初动能可以有效减小系统像差;当电子初动能增加至1105 eV时,最大发散角为2的电子束在聚焦平面上的弥散斑减小至3.2m28m。     

大数值孔径介质结构透镜

提出了一种新型大数值孔径介质结构透镜,能量利用率达到了44%。通过数值仿真FDTD计算证明该聚焦器件能实现高的能量利用率和接近衍射极限的聚焦光斑,且聚焦光斑的旁瓣很小。其次,对该透镜的色散性能进行了研究,发现该透镜具有与普通透镜相反的色散特性。故该透镜可以与普通透镜组合消色差。另外,该透镜克服了最小特征尺寸,实现了大数值孔径,针对波长10.6 m设计了相同口径、不同F数的介质结构透镜,最小F数达到了0.25。     

反射表面微变形的改进型龙虾眼透镜

龙虾眼透镜作为一种特殊的透射式反射聚焦元件,在X射线等高能领域具有重要的应用价值,并在可见光、红外波段具有潜在的应用前景。为提高龙虾眼透镜的成像质量,从理论方面分析了变周期闪耀光栅的衍射干涉因子以及衍射场情况,利用变周期闪耀光栅对龙虾眼通道内壁进行微整形,并且对经过微整形之后的一维龙虾眼结构进行了聚焦光场分布计算。通过与之前结构的仿真对比,结果表明:焦距为100 mm时,有效半口径为95 mm的现有结构在焦面处的弥散斑直径由10 mm减小至1 mm,光能集中度由75%增大至89.62%,并且在不同入射高度下焦平面处的光斑直径以及光能集中度均有提高。     

毫米波焦面阵成像视场扩大分析

本文研究平面波倾斜入射在小F数毫米波焦面阵成像系统上衍射斑像差减小即视场扩大问题.采用射线追迹方法计算不同透镜剖面成像系统焦面上的点列图,对商用介质材料透镜通过优化剖面形状来减小像差从而获得视场扩大的效果.采用结合射线追迹和衍射积分的矢量孔径场法计算了透镜焦面上的衍射场分布,与实验结果做了比较,两者吻合.     

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为了提高星敏感器相对孔径,拓宽探测光谱范围,文中通过探测器灵敏度模型的计算,确定了星敏感器光学系统的设计参数,进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.458.45（对角线视场角为11.96）,总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%,质心色偏差控制在2 m内,能量集中度（33像元内）大于80%,最大倍率色差为-0.073 m,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计要求,镜头的成像质量良好。     

应用六阶波像差理论的鱼眼镜头系统设计

鱼眼镜头系统具有平面对称、超大视场、大孔径成像等特点,使得其设计十分复杂。波像差理论是研究光学系统的重要手段,由于鱼眼镜头系统具有平面对称的成像特性,赛德尔初级像差和基于轴对称光学系统发展的高阶像差理论不再适用于鱼眼镜头系统的像差分析和设计。介绍了六阶波像差理论,包括六阶本征波像差、五阶像差、衍生波像差及孔径光线二阶精度对波像差的影响,给出六阶波像差理论设计鱼眼镜头系统的流程图,应用六阶波像差理论设计鱼眼镜头前光组,由其前光组与后光组像差平衡设计了后光组。最后得到一成像质量良好的鱼眼镜头系统,该镜头的焦距为5.989 mm,视场角为180°,相对孔径为1/3.2。设计结果表明,该鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在空间频率为60 lp/mm时均不低于0.56,具有较好的成像质量。     

空间红外大口径折射式低温镜头设计与验证

针对目标探测类空间红外相机大范围成像、高灵敏度探测、高精度定位等应用需求,文中提出采用像方远心光路和低温光学技术结合的解决方案,设计了物方视场角8°×8°、入瞳口径265 mm、工作温度200 K的像方远心折射式光学系统。镜头最大口径280 mm,采用多级分散的弹性支撑设计,解决大口径低温透镜装框、透镜组件支撑和镜头整体安装各环节的热应力卸载问题。在保证高刚度和低漏热的情况下,使低温下透镜的热应力对镜头能量集中度的影响降低到可接受范围内。镜头完成装调及室温下像质确认后,进行了力学振动试验,并将其制冷到200 K水平测试像质,测试结果表明,镜头能量集中度达到轴上75%,边缘视场72%。     

全向凝视光电成像系统鱼眼透镜的设计

为了实现光电成像系统对半空域目标的成像、探测和告警,以大视场成像理论和像差理论为基础,采用缩放法对光学系统鱼眼透镜进行了理论分析和仿真设计。利用桶形畸变及光阑彗差来增大像面照度的均匀性,通过光线追迹减小系统轴外像差,对系统成像质量进行多次评价与分析,并推导了透镜成像的畸变校正模型。结果表明,在可见光波段,得到了成像质量良好的鱼眼透镜,CCD有效像面尺寸为8.446mm×7.042mm,有效像素为2448×2050,视场为180°,焦距为2.24mm,相对孔径为1:2.8,像面照度均匀性达到90%以上,点列图弥散斑均方根半径值小于1/2像元,光学传递函数在145lp/mm空间频率处大于0.4。全向凝视光电成像系统可实现半空域目标实时探测。     

基于微场镜阵列的红外光场中继成像系统

光场成像是一种通过采集光场信息和重聚焦计算而成像的方法。由于微透镜型光场相机的结构限制,为实现光学系统与探测器的耦合,一般采用改造探测器的方法,但不适用于红外光场相机。为此,提出了微场镜阵列结合中继透镜的新型结构。这种新型结构通过中继透镜对中间像面1:1成像,通过微场镜阵列改善中继透镜产生的渐晕。采用倾斜刃边法计算系统的调制传递函数曲线,对比直接耦合、中继透镜耦合以及新型结构耦合三种结构的像质。根据不同的重聚焦面,新型耦合结构在奈奎斯特频率下的曲线值相比于中继透镜耦合结构提升5%~240%,接近直接耦合结构。新型结构可在实现耦合的同时,避免系统像质的大幅度下降,可在红外光场相机中起到重要作用。