电调中/长波红外波谱的图谱一体化成像探测技术研究

摘要

谱成像是一种图谱合一的信息获取手段，不仅可以提取目标的常规图像信息，还可以获得目标的光谱信息。谱成像技术在地质勘测、环境检测、农业估产、军事侦察、生物医学成像等领域，具有广泛的应用前景。本文开展了芯片级电调中/长波红外波谱的图谱一体化成像探测关键技术研究，设计和制作了基于液晶（Liquid Crystal，LC）法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）结构的电调中/长波红外滤波器。基于向列相液晶材料的电控双折射效应和FP腔的多光束干涉效应所发展的LC-FP滤波器，可有效实现成像波谱选择和电控调变。LC-FP滤波器具有小型、灵巧、低成本、低功耗和高可靠等特点。本论文的主要工作如下所述。
　　基于向列相液晶材料的指向矢分布算法，仿真了驱动电压信号与液晶材料的等效折射率关系；基于多光束干涉理论，仿真了不同驱动电压下，LC-FP滤波器的透过谱特性；根据仿真结果，确定了FP腔深度等关键性器件参数。
　　选择对中/长波红外具有高透过率的硒化锌材料作为衬底，纳米铝膜作为电极和反射镜，构建了电调中/长波红外LC-FP滤波器架构。铝膜的厚度作为器件的关键性参数，决定着器件的性能。通过实验测试了具有不同厚度的铝膜的LC-FP滤波器的透过谱特性，确定了铝膜的最佳厚度参数。
　　基于标准微电子工艺制作了2×2阵列可寻址LC-FP滤波器，以及级联LC-FP滤波器。级联LC-FP滤波器由两个具有不同深度的FP腔级联而成，较单FP腔LC-FP滤波器具有更好的谱选择性能。基于傅里叶变换红外光谱仪搭建了透过谱测试平台，比较和分析了不同驱动电压下，LC-FP滤波器的透过谱特性。基于黑体和红外相机搭建了谱成像测试平台，比较和分析了不同驱动电压下，经过LC-FP滤波器滤波后的红外相机所获得的红外目标图像。透过谱测试结果与谱成像测试结果一致，证明了LC-FP滤波器在中/长波红外具有谱选择和谱电控调变的功效。
　　针对所发展的LC-FP滤波器尚存在的问题，规划了进一步提高滤波器性能的可行方法。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 谱成像探测技术的发展现状

1.3 课题来源及论文主要工作

2 液晶器件的理论基础

2.1 液晶的基本特征

2.2 液晶指向矢分布

2.3 液晶器件的发展现状

2.4 小结

3 电调液晶红外滤波器的建模与仿真

3.1 电调液晶红外滤波器的建模

3.2 谱成像架构

3.3 液晶等效折射率仿真

3.4 液晶法布里-珀罗腔光学特性仿真

3.5 小结

4 电调液晶红外滤波器的制作

4.1 红外基底

4.2 芯片级红外滤波结构

4.3 小结

5 电调液晶红外滤波器的光学特征

5.1 电调液晶红外滤波器的测试平台

5.2 阵列红外成像波谱特性的测试与分析

5.3 级联红外成像波谱特性的测试与分析

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 设计展望

致谢

参考文献

附录1 硕士期间的成果