缆式定温探测器

为了进一步提高红外变焦光学系统的性能，兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求，基于可变冷光阑技术的制冷型变F数红外探测器需求迫切。相较于传统的红外变焦光学系统，变F数红外变焦光学系统可在大视场和小视场切换时保持分辨率和灵敏度的平衡，提高光学系统的孔径利用率，进而缩小光学系统的径向尺寸，有利于红外光学系统成像质量的提升和小型化设计。昆明物理研究所科研团队对变F数与变焦之间的关系进行研究，概述了国内外在可变冷光阑红外探测器技术领域的研究进展，并对主流技术路线的关键技术难点进行了分析。相关研究内容以“可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析”为题发表在《红外技术》期刊上。变焦和变F数的关系变焦光学系统的理论依据：光学系统的焦距是一项重要的设计指标，其关系到系统的视场角、空间分辨率等关键性能。变F数与变焦的关系：为了理清变焦与变F数的关系，首先对传统的红外变焦系统进行分析。传统变焦系统中，探测器的F数是固定不变的，而光学系统（为方便讨论，将冷屏作为光学系统的一部分）的F数则分以下几种情况：① 假设系统在最长焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，光学系统的F数由最长焦距和物镜尺寸的比值决定，此时冷屏开口即为系统的孔径光阑。在系统由最长焦距切换到短焦状态时，孔径光阑及其尺寸均保持不变，入瞳由原来占满整个物镜逐步等比例缩小。由F数的公式可知，此时光学系统的F数保持不变。如图1所示，探测器的F数固定不变，为F/3，在长焦窄视场时，通光孔径被完全利用，见图中浅蓝色部分；当系统切换至短焦大视场状态时，通光孔径大幅减小，见图1中深蓝色部分。图1 传统变焦红外光学系统的孔径利用率示意图② 假设系统在最短焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，系统的F数由最短焦距和物镜尺寸的比值决定。在系统由短焦向长焦切换时，由于物镜尺寸固定，孔径光阑不再是冷屏开口，物镜边框成为了新的孔径光阑，也就是说此时虽然焦距在变大，但是入瞳直径保持不变，使得光学系统的F数逐步增加，并大于探测器的F数，造成冷屏效率的下降。如图2所示，光学系统的F数为F/6，探测器的F数为F/3，光学系统的F数大于探测器，光学系统自身产生的红外辐射大量的进入焦平面，大幅增加系统的NETD，干扰成像。图2 25%冷屏效率系统的辐射示意图实际的变焦光学系统设计时，往往是上述两种情况的平衡，通常不会只考虑某一个状态的性能。而对于变F数光学系统来说，在设计时保证系统在各个焦距下的孔径光阑均为探测器冷光阑，则当系统由长焦变换到短焦时，通过等比例增大冷光阑尺寸，可保证入瞳尺寸保持不变，通光孔径被充分利用，如图3所示。图3 变F数红外光学系统的孔径利用率示意图当系统由短焦变为长焦时，变F数光学系统可以通过等比例减小探测器冷光阑开口尺寸，使得探测器的F数变大，从而保持100%的冷屏效率，避免系统自身的杂散辐射进入焦平面，如图4所示。图4 100%冷屏效率系统的辐射示意图变焦光学系统可兼顾大视场搜索目标和极小视场识别目标的需求，但是由于探测器的F数固定不变，因此要么不能充分利用通光孔径，要么引入大量杂散辐射，不能达到最佳的成像质量。而变F数光学系统则可以很好地解决上述问题。因此理论上，凡是红外变焦光学系统应用的场合，变F数光学系统均可应用，具有广泛的应用前景。可变冷光阑红外探测器的研究进展可变冷光阑的优势可变冷光阑红外探测器技术是目前实现变F数红外系统的重要技术路线。相对于温阑来说，其具有以下几个优势：F数调节范围大且可连续调节。为了解决温阑自身及反射的杂散辐射对成像的影响问题，通常做成球面温阑，这使得F数调节范围小，通常只有两个F数可以选择，或者只能在某两个接近的F数之间进行调节，而可变冷光阑红外探测器可实现系统F数的连续可调，且调节范围较大。可降低系统的复杂度。在传统变焦光学系统中增加温阑设计，将大幅增加光学系统的复杂度和成本。而采用可变冷光阑红外探测器，只需针对探测器杜瓦封装结构进行设计和装配，可大幅降低系统的复杂度。可提升系统的灵敏度。长春光机所的常松涛等人研究了球面温阑对中波640×512（15 μm）红外探测器的NETD的影响，假设球面温阑的温度为20℃，球面温阑的发射率为0.01，当温阑发生0.5℃的温度变化时，温阑引入的NETD达到3.6 mK，虽然引入的NETD很小，但也接近目前探测器本身的NETD。而采用可变冷光阑探测器的方法，引入的NETD可进一步降低。可变冷光阑红外探测器的研究进展国外研究进展：美国弹道导弹防御局（BMDO）在2000年为高空观测系统（HALO）进行更新时设计了一个双波段红外分光系统。如图5所示，该系统在中波和长波的焦平面前端分别设置滤光片转盘，每个转盘上可放置5片不同带通的滤光片以及一片用于背景测试的空白片。美国OKSI公司的Nahum Gat等人先后开发了两套中继光学系统，如图6所示。2013年Nahum Gat等人提出了与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑结构，该结构相较于外置可变冷光阑结构来说结构紧凑，如图7所示。2014年，雷神公司的Jeffrey和Eric等人在Nahum Gat的基础上改进了刀片虹膜式的可变冷光阑结构，其结构示意图如图8所示。雷神公司的第三代前视红外系统是可变冷光阑探测器技术的集大成者。其冷光阑结构如图9所示。此外，雷神公司将中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、制冷机驱动电路、成像控制电路、冷光阑控制电路等均集成为一个前视红外系统，该系统的体积和重量相对于第二代长波标准先进杜瓦组件（SADA Ⅱ）来说反而更小。包含中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、成像控制电路、冷光控制电路等均在内的第三代前视红外系统的组成以及实物如图10所示。图5 HALO的双色红外系统图6 带可变冷光阑的真空密封结构和外置可变光阑与滤光片转盘的集成结构图7 刀片虹膜式可变冷光阑图8 双稳态螺线管驱动的可变冷光阑示意图图9 雷神公司可变冷光阑杜瓦俯视图图10 第三代前视红外系统的主要组成部件及系统的实物图国内研究进展：国内对基于可变冷光阑的变F数红外探测器研究较少。上海技物所于2001年发明了一种带可变冷光阑功能的用于红外探测器芯片中测的杜瓦（如图11所示），上海技物所的可变冷光阑结构用于芯片的中测筛选，对结构的小型化以及制冷时间、制冷量的要求不高，因此不适合正式的红外探测器。2014年长春光机所发明了一种与滤光片转盘相似的可变光阑机构（如图12所示）。在光学系统设计方面，613所于2017年设计了可以匹配不同F数探测器的中波大视场光学系统；中电科11所于2022年设计了F/2和F/4可调的变F数光学系统。图11 用于中测杜瓦的可变冷光阑图12 可变式的固定光阑目前国内对于可变冷光阑红外探测器的研究较少，相关产品不够成熟；国外也只有美国雷神公司对该技术进行深入研究，目前产品已进行小批量试制。通过对国内外研究现状的对比，可以发现雷神公司采用的与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑是实现变F数红外探测器的可行的技术路线。该技术路线有如下几点优势：1）集成度高：针对640×480（20 μm）的芯片封装，雷神公司的探测器体积和重量甚至还略小于SADA II探测器；2）可靠性高：可变冷光阑在制冷状态下可进行1万次的开合运动，在非制冷状态下可进行10万次的开合运动；3）功耗低：由于可变冷光阑机构与杜瓦进行集成封装，无需单独为其再配备制冷机，因此功耗不大于75 W，且常温降温时间小于10 min；4）响应时间快：虽然雷神的报道中没有明确说明F数的切换时间，但是根据其使用的压电电机的特性，F数的切换时间可满足光学系统视场切换时间的要求。可变冷光阑红外探测器的关键技术采用刀片虹膜式的可变冷光阑结构，并将其与杜瓦进行集成封装，存在以下关键技术：1）可变冷光阑杜瓦的整体设计技术可变冷光阑杜瓦与传统的固定光阑杜瓦在设计上有很大的不同，需从整体设计上来保证功能的实现。主要需考虑整体结构设计、光阑片的设计、驱动方式的选择、结构的温度控制、整体装配集成、小型化以及可靠性等多方面的技术。2）可变冷光阑精密装配技术可变冷光阑涉及到光阑片的精密装调、驱动电机的隔热装配以及整体结构的精密封装等装配步骤，由于其结构比传统冷屏结构复杂得多，且存在运动部件，其装配更加困难。而光阑片的装配精度关系到运动机构的长期可靠性以及运动过程中的摩擦力，同时影响驱动功率的大小；而驱动电机的装配精度关系到光阑片的受力均匀性以及温控效果；整体结构的装配精度关系到成像的质量。因此需从设计和工艺等多方面进行综合考虑，保证其装配精度及长期可靠性。3）微型电机设计和制造技术对于可变冷光阑来说，压电陶瓷电机是一种比较适合的驱动方式。压电陶瓷电机单位体积下的力矩较大，没有电磁干扰，具有断电自锁功能。一方面，为了缩小可变冷光阑红外探测器的体积，压电陶瓷电机的体积必须很小，另一方面，光阑片的运动阻力要求压电电机的力矩不能过小。因此需通过电机结构设计优化、高性能压电陶瓷的制造、电机制造工艺的改进等多个方面实现小型化大力矩电机的研制，将杜瓦的体积控制在可接受的范围内。4）杜瓦热固耦合设计技术可变冷光阑由于引入了复杂的运动机构，冷头热质量大幅增加，因此，需从结构设计以及材料选择等多方面进行研究和考虑，减小杜瓦热质量，解决快速制冷的问题。此外，可变冷光阑通过电机与杜瓦外壳热连接，需通过结构设计减小杜瓦的漏热。最后，光阑片之间通过叠加的方式互相贴合，热阻很大，需减小光阑片之间以及光阑片与冷屏之间的热阻，从而使光阑片温度降低至不影响焦平面成像的水平。5）可变冷光阑运动控制技术探测器的F数由冷光阑的开口尺寸决定，因此需精确控制冷光阑的运动，从而精确控制探测器的F数。压电陶瓷电机具有断电自锁的功能，即电机断电后可变冷光阑将立即停止运动，停在断电瞬间的位置，因此在控制方面只需要考虑可变冷光阑运动的反馈问题即可，这关键在于选择合适的小型化位置传感器，并结合可变冷光阑的结构设计，将传感器安装固定在合适的位置。6）光阑片表面镀膜技术光阑片表面需进行镀膜处理，膜层需满足摩擦系数小、耐磨以及反射率低3个条件。摩擦系数小可以减小光阑片之间的摩擦力，减小压电电机的力矩需求，有利于电机的小型化；耐磨性高则有利于可变冷光阑机构的可靠性，防止出现膜层脱落干扰成像的现象；反射率低则可以防止芯片的冷反射。结论这项研究从变焦和变F数的关系出发，阐述了变F数光学系统的优势。与传统的变焦光学系统相比，具有可变F数功能的变焦光学系统可兼顾系统的空间分辨率和灵敏度需求，提高系统的孔径利用率，有利于成像质量的提升和系统的小型化。对可变冷光阑的研究进展进行了分析，发现雷神公司的内置刀片虹膜式可变冷光阑是可行性高、性能优异的技术路线，并对该技术路线的关键技术进行了详细分析。对可变冷光阑红外探测器的研究和应用提供了参考。论文信息：http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/7222d189-ab24-490d-9bd9-98f665c31ed1

人类源自海洋，但水下的无线通信和传感仍是件困难的事，人们经常会听到潜水员仍用敲打外壳的方式试图与失事沉没的舰船内人员进行联络的报道。 　　近日，中科院上海微系统与信息技术研究所科研人员根据海水在蓝光波段具有最低光衰减的特点，针对蓝光波段采用新型材料和器件结构成功研制出具有窄响应光谱的高性能光电探测器件，避免了复杂的共振或滤光结构。 　　此种器件有望在水下蓝光通信和传感中获得应用，相关研究结果已在IEEE Photon. Technol. Lett.上发表。

“TESCAN电镜学堂”终于又跟大家见面了，利用扫描电镜观察样品时会关注分辨率、衬度、景深、形貌的真实性、其他分析的需要等等，不同的关注点之间需要不同的拍摄条件，有时甚至相互矛盾。那我们该如何根据样品类型以及所关注的问题选择合适的电镜条件呢？这里是TESCAN电镜学堂第12期，将继续为大家连载《扫描电子显微镜及微区分析技术》(本书简介请至文末查看)，帮助广大电镜工作者深入了解电镜相关技术的原理、结构以及最新发展状况，将电镜在材料研究中发挥出更加优秀的性能！第五章 电镜操作与工作参数优化第三节 常规拍摄需要注意的问题电镜的工作条件包括很多，加速电压、束流束斑、工作距离、光阑大小、明暗对比度、探测器的选择等。前几期我们已经介绍过加速电压、束斑束流、工作距离该如何根据实际应用需求选择。本期将为大家继续介绍明暗对比度、不同探测器对扫描电镜拍摄的影响。§4. 明暗对比度的影响一张清晰的电镜照片需要有适中的明暗对比度，可以利用电镜软件中的直方图工具来进行明暗对比度的判断，如图5-30。直方图的横坐标表示亮度，左为暗部，右为亮部，纵坐标表示各种灰度所占的比例。图5-30 直方图工具一张明亮对比适中的图片，需要暗处、亮处、中间灰度均有分布，直方图从中间到两边类似正态分布，如图5-31。图5-31 亮度与直方图当图像亮度过亮、过暗都会导致另一端没有灰度信息，导致图像信息损失。对比度的调节希望整个灰度分布恰好覆盖大部分区域，如图5-32，对比度太小则灰度仅覆盖中间很少区域，而对比度太大，会造成亮处、暗处有信息损失。在开始扫描的时候尽量将明暗对比度调节至最合适的条件，如果一开始明暗对比不适合，利用软件自带的处理工具可以对图像进行优化，如图5-33。调整完的可以清楚的判别出其中至少五种灰度衬度，而调整前只能勉强分辨四种衬度。图5-32 对比度与直方图图5-33 明暗对比度的影响及对应的直方图§5. 探测器的选择TESCAN的场发射扫描电镜如果配置齐全包括SE、InBeam-SE、BSE、InBeam-BSE、STEM-BF、STEM-DF六个独立的探测器，前面已经在电镜结构中简单介绍了各个探测器的原理和特点。在平时拍摄时，选择不同的探测器也会获得不同的效果。图5-34 TESCAN电镜所有的电子探测器① SE和BSE探测器的对比SE和BSE分别是旁置式电子探测器和极靴下探测器，前者接收二次电子和部分低角背散射电子，后者接收大部分低角背散射电子探测器。所以从图像效果来说，SE探测器的图像以形貌衬度为主，立体感强，兼有少量的成分衬度；BSE探测器的图像以成分衬度为主，兼有一定的形貌衬度，如图5-35。图5-35 SE（左）和BSE（右）探测器的衬度对比② SE与InBeam-SE探测器的对比SE和InBeam-SE探测器相比，前者在侧方，具有阴影效应，可以形成强烈的立体感，而后者位于正上方，不会受任何形貌的遮挡，立体感较差，如图5-36。图5-36 SE（左）和InBeam-SE（右）探测器的立体感对比SE探测器接收SE1、SE2、SE3和部分BSE信号，分辨率相比只收集SE1的InBeam SE探测器要低，如图5-37。图5-37 SE（左）和InBeam-SE（右）探测器的分辨率对比对于一些凹坑处的观察，由于InBeam-SE探测器在上方没有遮挡，所以会比SE探测器有更多的信号量，InBeam-SE探测器更适合做凹陷区域的观察，如图5-38。图5-38 SE（左）和InBeam-SE（右）探测器对凹陷处观察对比③ BSE与InBeam-BSE探测器的对比BSE探测器主要采集低角背散射电子，InBeam-BSE探测器采集高角背散射电子，前者兼有成分和形貌衬度，后者相对来说成分衬度占主要部分，形貌衬度相对较弱。不过后者接收的电子信号量小于前者，所以信噪比也不如前者，如图5-39。图5-39 BSE（左）和InBeam-BSE（右）探测器受形貌影响的对比对于能观察到通道衬度的平整样品来说，BSE探测器显然有更好的通道衬度，更有利于晶粒的区分，如图5-40。图5-40 BSE（左）和InBeam-BSE（右）探测器通道衬度的对比④STEM探测器的应用电子束轰击到试样上形成水滴状的散射，但当试样足够薄时，电子束的散射面积还没有扩大就已经透射样品，所以此时各种信号的分辨率较常规样品更高，STEM探测器也有更好的分辨率。STEM探测器由于需要样品经过特殊的制样，虽然在扫描电镜中不常用，但是却有着所有探测器中最高的分辨率。当二次电子和背散射电子探测器分辨率都达不到要求时，可以尝试STEM探测器。如图5-41，二次电子探测器在20万倍下已经分辨率不够，而STEM放大至50万倍也能很好的区分。图5-41 SE（左）和STEM（右）探测器分辨率的对比此外，对于一些纳米级的小颗粒，因为团聚厉害，二次电子即使在低电压下也难以将其区分，且分辨率也不好，而STEM探测器通过透射电子来进行成像，对小颗粒的区分能力要强于其它探测器。如图5-42，STEM探测器可以区分团聚在一起的更小的单个纳米颗粒，而二次电子探测器则观察到团聚在一起的颗粒。图5-42 STEM（左）和InBeam-SE（右）探测器对团聚纳米颗粒的分辨对比扫描电镜中的STEM探测器虽然分辨率是最高的，但是和透射电镜的分辨率相比还是相形见绌。不过扫描电镜的电压要远小于透射电镜，所以扫描电镜的STEM相比TEM有着更好的质厚衬度。所以对一些不是非常注重横向分辨率，但特别注重质厚衬度的样品，如一些生物样品、石墨烯等，扫描电镜的STEM探测器可以表现出更大的优势。如图5-43，为10kV下观察到的石墨烯试样，图5-44为生物样品在扫描STEM和TEM下的对比。图5-43 STEM探测器在10kV下拍摄的石墨烯试样图5-44 生物试样在SEM STEM探测器和TEM的对比⑤ 多探测器同时成像TESCAN的电镜具有四个独立的通道放大器，可以进行四个探测器的同时成像。如果分辨不清楚用何种探测器时，可以选择多种探测器同时成像。然后在软件中将需要的图像进行通道分离，如图5-45。 图5-45 四探测器同时成像