太赫兹量子器件及其成像实验研究

本文简要介绍了工作于太赫兹（THz）波段的量子级联激光器、量子阱探测器的研究进展,主要介绍了器件在THz成像方面的实验研究,包括被动成像技术和扫描透射成像技术,其中扫描透射成像的最佳分辨率为0.5 mm。     

基于深空探测器的在轨天体合影成像及应用

提出了基于深空探测器对太空中的目标天体合影成像的新策略。首先,基于相机的性能参数建立视场模型,然后对天体和探测器轨道动力学模型、探测器姿态数据以及光照条件进行综合分析,最终确定了拍摄用相机以及成像时刻与成像姿态等成像策略。以探月三期月地高速再入返回飞行任务的设计为例,研究计算了对地月合影的拍摄相机、成像时刻与成像姿态,并利用在轨探测效果仿真系统进行了仿真验证。结果表明:该成像策略能够根据预定的天体合影的构图要求便捷地计算出拍摄条件,结果准确、角度偏差在1°范围内。该成像策略还成功应用于探月三期月地高速再入返回飞行器的实际任务中,在距离月球1.40×104 km和距离地球3.91×105 km处,获得了我国航天史上首张地月合影图像,为后续深空探测器在轨天体合影提供了参考依据。     

ApoTome光学成像系统

荧光显微镜已被广泛地应用于生物样本的荧光成像。然而在观察较厚样本时,来自非焦平面的荧光信息会使荧光图像变得模糊、对比度不够、背景较亮,甚至有的时候一些很重要的结构因此被掩盖而无法被观察到。目前有很多种光学切片方法可以用来去除这种非焦平面荧光的影响,例如激光共聚焦扫描显微技术或3D去卷积技术等。本文介绍了一种可以在普通荧光显微镜上实现光学切片成像的方法,并着重介绍了ApoTome光学成像系统的构造和原理。     

太赫兹光致力近场显微成像技术及应用研究

设计并搭建了太赫兹光致力显微成像系统(THz PiFM),首次在太赫兹波段实现了近场光力纳米显微成像测量。该系统基于原子力显微镜,利用探针对所受力的灵敏检测能力,通过探测探针与样品之间近场偶极相互作用产生的光场梯度力,实现无探测器的太赫兹近场显微成像。利用该系统,对可见光激发下的单层MoS₂晶粒进行了近场纳米显微成像表征,并分析了晶粒边缘近场光力信号增强的机制。研究结果表明,THz PiFM对二维材料中的载流子具有高灵敏的探测能力。与传统的太赫兹近场显微成像技术相比,THz PiFM无需太赫兹探测器,而且可获得更加优越的空间分辨率和成像信噪比,是一种低成本、高性能的新型太赫兹近场显微成像技术。     

荧光成像系统对比度分析与成像仿真

目前荧光成像技术在生物医学领域得到越来越广泛的应用。为了缩短产品设计和开发周期,且能更直观地反映系统的成像效果,根据各模块光谱特性曲线,提出了荧光成像链路模型。利用该模型,对荧光成像系统的对比度进行了分析,验证了滤光片光密度(OD)值的合理范围是在5~7之间。最后以荧光显微镜为例,对系统成像过程进行了仿真。结果表明,各模块不匹配也会对系统对比度产生影响,仿真图像能够直观反映出系统的匹配程度和成像效果,并与实际系统测试结果相吻合,证明了该链路模型仿真的可行性和有效性。     

双波段红外成像系统对空中点目标测距的方法

提出了对空中点目标进行被动测距的方法.基于红外辐射在大气中的传输规律和红外成像系统的特性,建立了目标和背景的表观对比度模型.通过对两个波段上对比度模型的分析,推导出了测距公式和距离分辨率公式.理论分析表明,只要得到大气在两个波段上的消光系数,通过测量目标在两个波段、两个时刻上的目标表观对比度,即可计算得到目标距离和目标径向速度,而距离分辨率则取决于系统的对比度探测能力及相关参数.利用所得公式计算了不同气象条件下,目标距离分辨率与目标距离之间的关系.计算结果表明,该测距方法具有工程应用价值.     

DR/CT成像系统的曝光参数建模及快速优化方法

针对工业DR/CT成像系统中曝光参数难以快速优化确定的问题,提出了一种简便的曝光参数优化方法.首先根据射线成像的辐射量及探测器输出曲线的特性,推导了曝光参数模型的表达式,然后选用对比度和信噪比来表征DR/CT图像的质量,分析了曝光参数与图像质量的关系,给出了曝光参数优化的目标函数,进而确定了曝光参数优化的3个准则.实验中针对具体成像系统建立了曝光参数模型,实现了曝光优化参数的快速获取,显著提高了成像质量和检测效率.     

气象测云红外成像系统的设计与分析

以云层为目标,进行了目标与背景的红外波段分析,分析了气象测云红外成像系统的工作波段,确定了红外成像系统的主要技术参数;进行了基于非制冷红外焦平面列阵（UIRFPA）探测器件的气象测云红外成像系统的光学设计、结构设计与电路设计;针对该系统进行红外图像自适应非均匀校正设计和温度调焦机构设计。     

1024×1024GaAs量子阱红外光电探测器成像列阵

美国哥达德空间飞行中心、陆军研究实验室及喷气推进实验室的研究人员通过合作，已研制出一种1024像素×1024像素8．4pm～9．0pm红外焦平面列阵。这个具有1M像素的探测器列阵是一个混成器件，它是通过用点焊方法将洛克韦尔公司出品的TCM8050硅读出集成电路焊接在一个GaAs量子阱红外光电探测器列阵上制备而成的。研究人员将该列阵装入一个成像系统，     

红外热成像信号处理技术的研究进展

红外热成像技术通过二维图像的形式准确反映物体表面温度分布情况,广泛应用于医疗诊断、故障检测、能耗监控及智能驾驶等众多工业领域。针对制约红外热成像技术发展的3个主要瓶颈问题,分别阐述相关研究领域内最新的科研进展。首先,介绍红外信号固定模式噪声建模及除噪方法,解决信号采集系统中关键部件焦平面阵列传感器存在的严重噪声干扰;其次,介绍红外信号特征重建理论的研究,克服红外焦平面阵列探测器制作工艺复杂、成品率低及价格昂贵等制约了红外热成像技术广泛工业应用的问题;最后,探索多源信息融合技术,减少二维图像采集过程中降维映射导致的信息损失,提高基于多光谱信息进行目标检测系统的性能。红外热成像信号处理技术的最新科研进展,为新一代高成像精度、高分辨率、低制作成本的三维红外成像仪器的研发提供新理论与技术。     

一种提高太赫兹波成像分辨力的方法

成像分辨力低是影响太赫兹波成像系统在质检、安全和医疗领域应用的重要因素之一。用返波管（BWO）作为太赫兹波辐射源搭建了一个连续太赫兹波点扫描透射成像系统。采用扫描步长小于系统聚焦光斑尺寸的方式获得样品物体的太赫兹透射图像,并利用增量维纳滤波法对该图像进行复原获得了超过系统衍射极限分辨力的太赫兹图像。实验结果表明该方法可以有效提高太赫兹波成像的空间分辨力。     

Uncooled IR imaging using optomechanical detectors

In this study, we present an uncooled infrared imaging detector using knife-edge filter optical readout method. The tilt angle change of each cantilever in a focal plane array (FPA) can be simultaneously detected with a resolution of 10(-5) degrees. A deformation magnifying substrate-free microcantilever unit is specially designed. The multi-fold legs of microcantilever are interval metal coated to form a thermal deformation magnifying structure. Thermal and thermomechanical performance of this microcantilever unit are modeled and analyzed. An FPA with 100 x 100 pixels is fabricated and thermal images of human body are obtained by this detector.     

太赫兹光谱和成像应用及展望

作为近年来颇受科技界和各国政府重视的一个新兴学科和技术领域,太赫兹辐射具有不同于其它波段电磁波的许多独特性质,因而在物理、化学、生物、材料、医学、农业、国防和军事等领域具有广阔的应用前景.结合国内外研究和应用的现状,本文概述了太赫兹时域光谱、太赫兹成像以及太赫兹技术在物理学、化学、生物学和天文领域的应用和机遇,供广大同行参考.     

大面阵中波红外连续变焦光学系统设计

针对制冷式大面阵640×512凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统。该系统由变焦系统和二次成像系统构成,包括7片透镜和2个反射镜组成的折叠光路。首先,根据变焦原理和专业光学设计软件给出了系统结构及其参数。然后,分析了系统的像质和冷反射效应。最后,验证了系统的性能指标。结果表明:该系统可以实现50～500mm的连续变焦,变焦过程中目标景物始终清晰可见;系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2%,无冷反射现象;具有分辨率高、热灵敏度高、像质好、变焦轨迹平滑等特点,基本满足设计要求。     

Collection deficiencies of scanning electron microscopy signal contrasts measured and corrected by differential hysteresis image processing

Limitations of scanning electron microscopy (SEM) image resolution and quality were measured in digital image data and their effect on image contrasts was analyzed and corrected by differential hysteresis (DH) processing. DH processing is a mathematical procedure that utilizes hysteresis properties of intensity variations in the image for a segmentation of differential contrast patterns. These patterns display contrast properties of the data as coherent full-frame images. The contrast segmentation is revertible so that the original image can be restored from the sum of the sequentially extracted DH contrast patterns. DH imaging enhances weak contrast components so that they are more easily recognizable and displays SEM image data free of signal collection efficiency contrasts. Example image data include environmental SEM (ESEM) and SEM images of low and mediumhigh magnifications where collection deficiencies included charging of the specimen surface, obstructions from specimen topography, and uneven signal collection properties of the detector. ESEM low-vacuum image data, which appear to be of high quality, contained local areas of reduced contrasts due to residual surface charging. In such areas, signal contrasts were reduced up to 80%, which suppressed most of the weak short-range contrasts. In low-magnification SEM images, up to 93% of the local high precision contrast was lost from the various adverse effects which diminished the pixel-related contrast resolution of the microscope and resulted in images with low detail. Also, at medium magnification, surface charging effects dramatically reduced the image quality because contrasts resulting from local electron beam/specimen interactions were reduced by as much as 71%. DH imaging restored the local contrast losses by elimination of the collected distorted fraction of signal contrasts and reconstitution of the collected maintained fraction. Restored DH images are of superior quality and enhance the imaging capability of the conventional SEM. DH contrast segmentation provides an improved basis for the measurement of various signal contrast components and detector performances. The DH analysis will ultimately facilitate a precise deduction of specimen properties from extracted contrast patterns.     

生物组织的太赫兹数字全息成像

太赫兹辐射具有低光子能量和较高的透射性,并对水分子等极性物质反应敏感,因此太赫兹数字全息成像法可以快速准确地获取生物组织信息。本文利用太赫兹数字全息成像系统对猪肉和羊肉组织切片进行测量,采用菲涅耳反衍射方法对实验结果进行优化,选取0.9THz分量的振幅图像进行分析。通过计算组织的吸光度获取0.9THz吸光度图像。实验结果显示,肌肉组织的吸光度均在8cm~(-1)以上,脂肪组织的吸光度不超过4cm~(-1)。采用主成分分析方法获得吸光度得分图并进行重建,从重建结果中可以清晰区分生物组织的不同区域。由此表明,太赫兹数字全息成像技术能够直接获取生物组织的二维信息,探测时间短、效率高,在生物检测领域具有广阔的应用前景。     

太赫兹近场光学亚表面检测技术研究

研究了太赫兹散射式扫描近场光学显微镜（Terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy,THz s-SNOM）对亚表面金属微纳结构的显微成像检测。首次采用自主搭建的THz s-SNOM系统对表面覆盖了六方氮化硼薄膜的金微米线进行太赫兹近场显微测量,获得了具有纳米量级空间分辨率和较高对比度的近场显微图。结合全波数值模拟,分析了THz s-SNOM探测亚表面金属微纳结构的空间分辨率、近场散射信号强度和成像对比度。研究表明,THz s-SNOM具有优良的亚表面显微成像检测能力,可应用于微纳电子器件的亚表面结构表征和缺陷检测。     

利用异形像元探测器的超分辨成像方法

随着光学成像全面进入光电数字成像时代,大多数成像系统的空间分辨率受限于探测器,所以提高探测器分辨率成为高分辨光电成像系统中的核心问题。而探测器的低分辨率主要是由于低采样频率和像元感光区的孔径效应而造成。最直接的解决方法就是减小像元尺寸,但会降低其他性能参数;针对最主要的限制因素——采样频率不足,目前多采用基于过采样原理的超分辨重建技术,通过提高探测器采样的频率来提高探测器的空间分辨率,但是其提升效果受到像元孔径效应的制约。为了进一步提高探测器受限的成像系统的空间分辨率,提出一种基于异形像元探测器的超分辨成像方法,将两列线阵异形像元探测器亚像元推扫实现像元细分,然后利用两列探测器所输出的灰度矩阵信息,重建出最终的高分辨图像。并分别通过理论评估和具体实验两方面验证该方法可以同时提高探测器的采样频率和截止频率,拓展带宽,从而实现高分辨率的目的。     

A Fast Tunable Detector of Submillimeter Waves on Cyclotron Resonance in an InSb Crystal

The design of a detector based on a liquid-helium-cooled n-InSb crystal is described, and its performance characteristics are presented. The detector reception band is tunable between 80 and 250 m (3.75–1.2 THz). The circuit diagrams of its electronic devices (e.g., a wide-band amplifier) are presented, and their operation is described. The detection ability of the detector is 10¹² cm Hz^1/2/W at 2 THz.