Ge薄膜性能及其在光子计数成像探测器中的应用

为改善光子计数成像探测器电荷感应层的性能,提高光子计数成像系统的成像质量,分别用直流磁控溅射法(DC)与射频磁控溅射法(RF)制备了不同厚度的Ge薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、四探针表面电阻测试仪对两种方法所制备的薄膜进行了结构特征与电学性能的表征。结果表明:两种方法所制备的薄膜均为非晶态结构,DC制备的Ge薄膜比RF制备的Ge薄膜稀疏,其不同膜厚下的电阻率均大于RF所制备的薄膜。实验显示,薄膜越厚其电学性能受氧化影响越小,电学性能越稳定。实验对比了不同方阻下Ge薄膜应用于探测器的成像性能,结果表明:方阻在百兆级范围内时成像效果较好,且方阻变化时成像效果变化不大,但方阻大到2GΩ/□时会导致系统分辨率下降。     

光子计数三维成像激光雷达反转误差的校正

实施光子飞行时间测量法时,光子飞行时间测量值受激光回波信号能量的影响会出现测量反转误差,从而影响系统三维成像的精度.本文描述了一种光子计数三维成像激光雷达系统反转误差的校正方法及其实验.提出的反转误差校正方法包含先验模型标定和反转误差校正两个步骤.首先,通过标定法得到系统反转误差相对于激光脉冲响应率的函数关系,建立系统的反转误差预测函数.然后,由系统反转误差函数预测出原始三维图像的反转误差图像并实现原始三维图像的反转误差校正.实验搭建了光子计数三维成像激光雷达系统,采用盖格-雪崩光电二极管(Gm-APD)作为光子探测器,由高速扫描振镜二维扫描获取三维图像.通过时间相关记录仪获取光子到达时间分布,分别得到原始三维图像和激光脉冲响应率.在反转误差校正的测试实验中,系统的测量均方差由校正前的33.2 mm提高至8.1 mm.实验结果表明,该反转误差校正方法可以有效降低光子计数三维成像激光雷达的反转误差.     

楔条形阳极光子计数探测器成像性能的检测

基于楔条形位置灵敏阳极的光子计数成像探测器能够记录入射的单光子或带电粒子两维位置图像。它们在生化科学、空间探测科学、分析仪器等领域有着应用广泛。本文首先详细描述了我们研制的一套WSA光子计数成像探测器样机的设计结构及工作原理;分析了这类探测器的图像畸变产生的原因,提出了校正图象畸变的方法,并得了无畸变的图像;然后我们以美国空军标准分辨率检测板(USAF1951)为目标进行了检测,采集的检测图像显示人的裸眼能分辨出检测板的第2组第6单元条纹。最后,为了消除人眼观测的主观性,我们通过计算探测器对该单元条纹的成像调制度来确保检测结果的准确性。计算结果为：探测器对该单元条纹的水平、垂直方向成像调制度分别为57%、37%。这一结果表明我们的探测器完全能够分辨该单元条纹,对应的分辨率为7.13linepair/mm,即探测器空间分辨率达到了0.14mm。     

基于贝叶斯自适应估计的光子计数集成成像

针对光子数极少环境下三维目标的重构问题,基于光子计数集成成像系统提出了一种贝叶斯自适应估计方法,来提高三维目标深度切片的重构质量。首先,通过光子计数集成成像系统获得一系列光子计数元素图像。接着,从光子计数过程的泊松分布出发,利用集成成像系统中对于同一个目标像素的多次采样特性,引入了局部自适应均值因子,从而建立起元素图像像素光子数估计的单参数后验概率模型。最后,通过后验概率模型的均值计算获得更新后的光子计数元素图像,并基于光束可逆原理重构出深度切片图像。实验结果表明:采用该方法在场景的两个深度处重构的切片图像相比传统贝叶斯重构图像的峰值信噪比提高了7.4dB和8.5dB,极大地提升了微弱光三维目标的重构质量。     

基于盖格-雪崩光电二极管的光子计数成像

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰,本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法。该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元,以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测。建立了GM-APD光子流响应模型,利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响,得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式。搭建了二维扫描成像实验验证装置,通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像。采用标准化互信息量分析得到,在光子流密度为3.0×104count/s的条件下,该实验装置仍然可以实现可视成像;当光子流密度达到2.7×105 count/s时,标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像。     

基于光子计数激光雷达的时域去噪

激光雷达传统的成像方法需要经过长时间积分探测生成光子计数统计直方图的方式来减少背景噪声的影响,获得目标场景的深度估计信息。为了快速准确地获取目标场景的3D图像,提出基于光子计数激光雷达的三维距离图像时域去噪算法。该算法不需要生成光子计数统计直方图,利用信号和噪声在时间轴上不同的分布特性,结合了泊松过程统计规律。此算法提高了信号的探测概率,能够在低信噪比的环境下将信号和噪声分离,获得目标场景准确的3D图像。实验结果表明在低信噪比的条件下,此算法获得深度图像的RMSE与传统基于最大似然估计成像方法相比成像精度至少提高了3倍。有利于激光雷达三维成像在高背景噪声环境下的使用,拓宽了激光雷达的应用范围。     

压缩传感用于极弱光计数成像

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题,研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论,利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制,通过单光子点探测器收集光子,以计数形式记录下光强值。然后,利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验,研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后,引入了图像质量评价标准和系统信噪比,分析对比了实验数据。结果表明,当测量数高于信号总维度的19.5%时,系统能完美成像,信噪比可低至2.843 8dB,DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106count/s,成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。     

使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统

研制了用于月基极紫外成像相机的二维极紫外位敏阳极光子计数成像探测器原型样机,该探测器系统主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1.5mm,有效直径为47 mm的三电极楔条形位敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布、增益、线性及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,探测器的空间分辨率为7.13 lp/mm(即0.14 mm),满足月基极紫外相机对空间分辨率的要求。     

电化学超微弱发光光子计数系统的研制

介绍了用于研究电化学中超微弱发光的光子计数系统.该系统由PMT及市场上可购买到的元器件组装而成,具有价格低,灵敏度高的特点,其性能适合于电化学中超微弱发光的测定,     

光子计数探测器感应位敏阳极的电子云扩散

针对基于感应位敏阳极的光子计数成像探测器中非晶态Ge(α-Ge)膜的方块电阻对探测器成像性能的影响,研究了方块电阻的选配范围和方法。由于方块电阻的大小会影响Ge膜上的电子云的扩散特性从而影响探测器的计数率和分辨率,故本文根据菲克(Fick)扩散定律分析了吸收边界条件下非晶态薄膜上电子云的扩散特性。确定了电子云扩散时间与Ge膜方块电阻之间的数学关系,推导获得了探测器高质量成像时非晶态Ge膜方块电阻的阻值为30～2 700MΩ/□。采用具有不同方块电阻的感应位敏阳极进行了实际成像实验,结果表明:当Ge膜方块电阻在上述范围时,光子计数探测器在计数率为53kc/s时分辨率可以达到0.5mm。实验结果证明了推导得出的方块电阻选配范围的正确性。     

基于单光子探测的光子计数光时域反射仪研究进展

基于光时域反射技术（Optical Time Domain Reflectometry, OTDR）的光纤分布式传感器可以实现对整个传感光纤空间可分辨的分布式测量,相比点式传感器具有极大的技术及应用成本优势。而传统的基于模拟探测的OTDR光纤分布式传感器在空间分辨率及动态范围上存在性能瓶颈。基于单光子探测的光子计数OTDR光纤分布式传感系统通过数字化的探测和记录方式,可以突破传统OTDR系统的性能极限。本文对光子计数OTDR系统技术及发展进行了综述,旨在通过本文的综述,明确基于单光子探测的光子计数OTDR系统的优势及限制,以及该技术的未来发展趋势,促进基于OTDR技术的光纤分布式传感器的进一步发展。     

光子计数分布式光纤动态检测技术的研究

提出将光子计数OTDR技术应用于施工设施的分布式动态测量,并对检测分辨率和灵敏度进行了理论分析.计算表明,在8km长度的光纤上实现10m空间分辨率,1kHz信号的检测是完全可行的.新型分布式动态监测技术有望成为检测对地下管线的侵扰和防范事故损害的有效方法.     

相关光子符合计数的实现及修正

为了实现利用非线性晶体自发参量下转换(SPDC)产生的相关光子测量光电探测器量子效率,对相关光子符合计数装置的设计及符合计数方法的系统修正进行了研究.介绍了SPDC相关光子的产生机理以及利用其进行光电探测器量子效率测量的原理.设计了两种不同的符合计数装置,"门控双通道光子符合计数装置"和"基于TAC/MCA的符合计数装...     

用于空间望远镜的膜光子筛

针对空间衍射成像系统对大口径、结构轻量化、空间可展开等特性的要求,设计并制作了用于空间望远镜的新型衍射元件——PI薄膜光子筛。首先,分析了光子筛的设计理论;针对空间应用的特点和原则,采用振幅型光子筛的设计思路给出设计参数;用UG软件设计并加工制作了光子筛的机械固定结构。然后,通过镀膜、光刻、刻蚀等微细加工工艺制作了PI薄膜光子筛。最后,测试了光子筛的衍射效率及成像性能。实验结果表明:光子筛在波长632.8nm处的实际衍射效率为4.916%,是理论值的73.9%。使用He-Ne激光器,选取10μm的星点孔进行星点检测,得到了理想的艾里斑图像,其直径为176.70μm,与理论极限值169.84μm的误差仅为4.04%。搭建了分辨率板成像实验,测得薄膜光子筛的实际最高分辨频率为12.2lp/mm,接近理论极限空间频率14.4lp/mm,表明实验结果与理论分析基本相符。与其它刚性材料基底制成的光子筛相比,采用PI薄膜制作的光子筛不仅重量轻,同时具有较好的成像性能,可以满足空间望远镜主镜的应用要求。     

基于亚波长光栅的负折射光子晶体成像研究

理论上折射率为?1的平板超透镜可以实现完美成像,但等效折射率为?1的光子晶体结构,不满足介电常数ε=?1和磁导率μ=?1的条件,光子晶体与自由空间阻抗不匹配,某些角度的入射光与光子晶体内布洛赫波不能耦合,致使该空间频率光信息丢失,限制了光子晶体成像分辨率.为了提高成像分辨率,在光子晶体表面设置亚波长光栅结构,利用光栅的...     

具有缺陷的一维光子晶体空间滤波器

具有缺陷的一维光子晶体结构中,群速度延迟在缺陷模处会发生突变,从而共振隧穿的光波会发生大的测向位移。将具有多个缺陷的一维光子晶体作为色散元件,设计了能够将两通道和三通道滤光片在斜入射条件下进行波长空间分离的空间滤波器。该空间滤波器具有制备简单、能够同时进行多路空间滤波的特点。     

空间相机在轨成像模式的建立

提出空间相机在轨成像模式的概念,研究了建立空间相机成像模式的方法。首先,根据太阳高角和地物反射率,使用MODTRAN软件计算相机入瞳前的辐射亮度,分析相机的辐射定标数据,包括每种成像模式的响应度、辐射亮度范围,积分时间关系等。然后,分析相机测摆成像与平飞成像时的积分时间关系,获得相机在各侧摆角下,每种成像模式的辐射亮度范围。最后,依据成像模式的辐射亮度范围和各太阳高角下景物的辐射亮度范围,建立了太阳高角和相机侧摆角组合下的成像模式表。空间相机成像时,依据成像模式表查找对应的成像模式,即可按该模式成像。该方法已多次应用于遥感相机成像实验中,获得了较好的成像效果,图像质量的满意度由65%提高到99.9%。结果表明:依据该方法建立的空间相机成像模式,获得图像效果较好,图像既包含全部景物信息又具有丰富的图像层次。     

光子扫描隧道显微镜（PSTM）的研制与应用

本文对光子扫描隧道显微镜(PSTM)的发展背景、成像机理、当前国内外发展动态及其技术价值都作了较为深入的研究,并从经典几何光学和波动理论上对PSTM显微成像机理进行了探讨。此外,对解决假像问题和高精度分辨的突破提出了初步的看法。