快照式干涉成像光谱仪通过微透镜阵列多重成像与多级微反射镜相位调制的光场耦合,实现动态场景图像光谱的同时探测。多级微反射镜的基片加工精度及膜层表面应力会导致阶梯面产生弯曲形变,从而影响光谱与成像的质量。分析了多级微反射镜阶梯面弯曲形变的面形误差特性,建立了阶梯面形误差的光场传输模型。计算结果表明,不同的阶梯面形误差分布情况会引起各视场干涉像点阵列不同的强度改变,并导致复原光谱中出现不同的噪声分布特征。阶梯面形误差会在不同成像视场的复原光谱中引入相位误差,并对相干像点的强度分布进行调制。重建光谱误差随着两个多级微反射镜阶梯矢高绝对值的增加单调递增,通过该关系便可以由阶梯矢高实测值对系统性能进行评估,并为器件制作提供理论指导。

快照傅里叶变换成像光谱仪通过微透镜阵列的多重成像与微反射镜阵列的分布式相位调制实现图谱信息的实时获取。由于阵列器件制作精度的限制,微透镜阵列与微反射镜阵列各单元之间的结构参数会存在不同程度的偏差,从而影响系统的性能。微透镜阵列各透镜单元之间结构参数的偏差可以等效为焦距的非均匀性,微反射镜阵列各阶梯单元之间的差别主要体现在阶梯步长的非均匀性上。本文根据微透镜阵列与微反射镜阵列对光场的相位调制特性,建立了非均匀误差的光场传输模型。采用Monte Carlo方法分别对微透镜阵列的焦距非均匀性和微反射镜阵列的步长非均匀性进行误差合成,统计分析表明相对光谱误差量随着焦距标准差及步长标准差的增加而单调递增。针对步长非均匀误差提出了一种离散光谱相位补偿的光谱校正方法,该方法有效降低了微反射镜阵列的制作精度要求,提高了复原光谱的质量。

为了明确像场调制傅里叶变换成像光谱仪的工作机理,通过分析多级微反射镜对成像光场的相位调制特性,建立了像场调制干涉成像的理论模型。数值计算结果表明,通过对获得的干涉图像数据立方体进行图像剪切与图像拼接,可以重构目标场景的全景图像;通过对剪切后的干涉图像单元进行条纹拼接与光谱解调,可以复原场景中各目标物点的光谱信息。为了验证该仪器的工作原理,利用研制的样机进行了目标场景的干涉成像扫描实验,获取了场景目标的干涉图像数据立方体。通过对各帧干涉图像进行边缘检测与特征配准,实现了干涉图像单元的剪切与全景图像的拼接。同时,通过对干涉图像单元进行条纹拼接、基线校正、寻址切趾与离散傅里叶变换,获得了特征目标的复原光谱,并通过非均匀采样校正与经验模态分解对光谱进行优化,提高了复原光谱的性能。

提出了采用环境友好型InP/ZnS核壳结构量子点材料制备匹配蓝光Micro-LED阵列的量子点色转换层以实现Micro-LED阵列器件全彩化的技术方案。通过采用倒置式量子点色转换层方案, 实现了InP/ZnS量子点材料和Micro-LED阵列的非直接接触, 从而可以缓解LED中热量聚集导致的量子点材料发光主波长偏移、半峰宽展宽以及发光效率衰减等问题。量子点色转换层中内嵌PDMS聚合物柔性膜层, 可以消除咖啡环效应, 同时, 色转换层中内嵌飞秒激光图案化处理的500 nm长波通滤光膜层, 可以抑制蓝光从非蓝色像素单元出射。最后, 实验制备了像素单元中心间距90 μm的16×16 InP/ZnS量子点色转换层。该设计可以实现基于蓝光Micro-LED阵列的全彩色Micro-LED显示器件的制备, 并且该制备方法可以降低全彩色Micro-LED阵列显示器件的制备成本。

为了实现傅立叶变换光谱仪的微型化与轻量化，设计了轻型栅条分束器结构，代替传统的平行平板分束器，分析了轻型栅条分束器的栅棱对光谱复原的影响，提出了制作误差容限。对微型傅立叶变换光谱仪进行了建模仿真，得到了轻型栅条分束器的最佳结构。通过系统仿真进行光谱反演，得到了复原光谱，并计算了轻型栅条分束器引入的光谱误差。完成了原理样机的搭建与调试，得到了实际系统的复原光谱，证明了微型化系统的可行性。该微型化系统相对于传统傅立叶变换光谱仪，具有体积小，稳定性好的优点，可用于在线监测。

为了满足红外探测器件集成化和对红外宽光谱范围吸收的需求, 设计了一种工作在长波红外波段(8~14 μm)的超宽带、高吸收、极化不敏感的超材料吸收器。通过在金属-介质-金属三层异质的超材料吸收器结构的顶部金属周围镶嵌一层介质形成超表面, 以增加谐振强度和吸收带宽。在8~13.6 μm的带宽范围内, 该结构有超过90%的平均吸收率, 覆盖了大部分长波红外大气窗口波段, 对红外探测领域有着重要意义。研究结果表明: 镶嵌的金属-介质组成的介质波导模式和谐振腔模式的结合以及传播型表面等离激元模式的激发是形成宽带高吸收的主要原因, 并且谐振模式的谐振波长可以通过相关参数来进行调控。本文的研究结果为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供参考, 该设计方法可推广到中波红外波段、甚至长波红外或其它波段。