物理学论文_光纤传像元件固定图案噪声形成机理

文章目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光纤传像元件

    1.2.1 光纤传像元件工作原理和结构

    1.2.2 光纤传像元件制备工艺

    1.2.3 光纤传像元件性能

    1.2.4 应用领域及存在的问题

1.3 光纤传像元件固定图案噪声的研究现状

    1.3.1 固定图案噪声研究理论基础

    1.3.2 斑点、鸡丝的定义和检测标准

    1.3.3 网格的定义和检测标准

    1.3.4 固定图案噪声检测技术的研究

    1.3.5 发展趋势及问题

1.4 本文的研究目的和研究内容

    1.4.1 研究目的

    1.4.2 研究内容

第二章 光纤传像元件样品制备与测试

2.1 主要原材料、仪器设备

    2.1.1 主要原材料

    2.1.2 主要仪器

2.2 实验样品制备

    2.2.1 光纤传像元件制备

    2.2.2 切片实验样品制备

2.3 原材料性能表征

    2.3.1 折射率

    2.3.2 透过率和反射率

    2.3.3 膨胀系数、转变温度及软化温度点

2.4 光纤传像元件成像性能表征

    2.4.1 分辨率

    2.4.2 对比度

    2.4.3 透过率

2.5 小结

第三章 固定图案噪声的表现及其影响因素

3.1 引言

3.2 斑点、鸡丝噪声的产生原因

    3.2.1 光纤传像元件内固有缺陷

    3.2.2 扭转工艺对于斑点、鸡丝的影响

    3.2.3 拉伸工艺对于斑点、鸡丝的影响

3.3 网格噪声的产生原因

    3.3.1 扭转工艺对网格噪声的影响

    3.3.2 结构对网格噪声的影响

3.4 小结

第四章 固定图案噪声形成模拟及验证

4.1 引言

4.2 理论模拟物理基础

4.3 模拟过程材料基础参数

    4.3.1 原材料折射率

    4.3.2 原材料透过率与反射率

4.4 固定图案噪声形成的理论模拟及机理分析

    4.4.1 斑点、鸡丝形成机理的理论模拟及分析

    4.4.2 网格形成机理的理论模拟及分析

4.5 斑点、鸡丝噪声实验验证

    4.5.1 样品制备过程

    4.5.2 验证结果及分析

4.6 网格噪声实验验证

    4.6.1 工艺设计及制备过程

    4.6.2 验证结果及分析

4.7 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

攻读学位期间参加科研情况及取得的研究成果

致谢

文章摘要:光纤传像元件是微光夜视、粒子探测器件用像增强器的核心元件,已广泛应用于兵器、电子、航天、核探测等领域的光电信号探测、识别与成像。当前这些领域迫切需要高清晰、宽动态、宽光谱和高灵敏探测成像技术,并对与之配套的光纤传像元件的质量提出了更高的要求。由于光纤传像元件中固定图案噪声（Fixd Pattern Noise,FPN）的存在,限制其使用性能和制备良品率的提高。如何抑制FPN,减少其对探测成像性能的负面作用,已成为光纤传像元件应用基础研究中的关键课题之一。然而,国内外关于光纤传像元件FPN的研究相对较少,更没有系统的理论来阐述其形成的机理。为阐明光纤传像元件FPN的形成机理,本文主要通过现象分析、理论模拟和实验验证三者结合的方式展开研究。首先,分析光纤传像元件的FPN表现形式。通过研究光纤传像元件热压、扭转、拉伸等热过程后的FPN的表现形式及其与工艺间的关系,利用光纤疵点仪表征固定图案噪声微观形态和分布规律,利用扫描电镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）等手段分析光纤传像元件内部纤维的微观结构与形貌,利用能谱仪（Energy Dispersive X-ray Spectrometer,EDS）半定量分析成分变化趋势。基于检测分析结果建立光透过率的差异与FPN之间的关系,进而分析FPN的形成机理。其次,基于经典物理理论采用仿真软件模拟了不同条件下光子在单根光纤和光纤束中的传播,获得了导致光纤传光条件破坏的几种状态,并量化产生FPN的极限参数。利用Tracepro软件模拟了光纤传像元件纤维传光机理,并基于光纤传像元件斑点、鸡丝、网格等几种FPN的表现形态,分类模拟了单光纤和光纤束内传像条件被破坏的过程与结果,获得了光纤内部气泡、杂质与光纤透过率的关系;光纤芯皮界面扩散对光纤传光性能的影响;以及光纤经热压、扭转、拉伸等热处理后导致多根光纤粘合结构对于纤维传光性能的影响。利用Comsol软件模拟了倏逝波渗透现象对于光纤传像元件FPN形成的影响。最后,基于FPN表象的分析与理论模拟结果,设计了光纤内结石、气泡和光纤形变实验,以验证减少结石、气泡缺陷和抑制光纤形变对控制FPN的作用。通过研究发现,光纤传像元件中斑点、鸡丝型FPN产生的机理:光纤传像元件内部存在杂质和气泡,其尺度大小决定FPN。当杂质尺寸达到临界值时,30%的光子在杂质表面被吸收或反射;气泡尺寸大于临界值时,30%的光子在气泡表面发生折射和反射损失,导致纤维透过率低于正常值的70%。扭转、拉伸等热过程导致光纤锥比增大,光线传输过程中界面反射角不断减小,光子溢出数量增多,透过率下降。黑网型FPN形成机理:光纤束（复丝）边界处纤维变形严重,包层厚度变小,光子传输具有电磁波特性,倏逝波在界面处渗透进包层无法返回纤芯,部分被间隙内光吸收丝（EMA）吸收,导致光纤透过率下降而形成黑网;复丝边界光纤芯皮界面成分扩散严重,阶跃型光纤变为渐变型光纤,光线传输过程中全反射临界角减小,光子损失增多,输出光通量低于正常复丝内部纤维情况。白网型FPN形成机理:在热压、扭转或拉伸等热过程中,复丝边界处光纤皮层减薄直至消失,光纤芯层出现粘连,降低光子损失程度,导致光通量大于其他正常变形区域,在复丝边界处显示为明亮网状结构。

文章来源：《材料科学与工艺》 网址: http://www.clkxygyzz.cn/qikandaodu/2022/0130/684.html