Qwip-led與emccd間采用光纖耦合的紅外成像探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種QWIP-LED與EMCCD間采用光纖耦合的紅外成像探測系統(tǒng)，系統(tǒng)使用光纖傳像束將QWIP-LED紅外上轉(zhuǎn)換得到的近紅外圖像耦合到EMCCD進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)長波紅外目標(biāo)的EMCCD探測。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：一方面使用光纖傳像束可以有效地提高紅外圖像從QWIP-LED向EMCCD的傳輸效率，從而使得系統(tǒng)的探測效率更高；另外一方面探測系統(tǒng)的空間尺寸可以得到明顯減小。
【專利說明】QWIP-LED與EMCCD間采用光纖耦合的紅外成像探測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本專利涉及一種紅外成像探測系統(tǒng)。具體是指一種QWIP-LED與EMCXD間采用光纖耦合的紅外成像探測系統(tǒng)，該技術(shù)可用于長波紅外成像探測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】:
[0002]紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)一直以來是各國研究人員的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其目的是為了將目標(biāo)的中長波紅外光輻射轉(zhuǎn)變成近紅外光或者可見光圖像信息，然后用商用CCD或者CMOS進(jìn)行成像，替代價(jià)格昂貴的傳統(tǒng)紅外面陣探測器?，F(xiàn)有的紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)有熱激紅外上轉(zhuǎn)換、參量紅外上轉(zhuǎn)換、稀土材料紅外上轉(zhuǎn)換和TO-LED紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)等。從工藝成本、量子效率、響應(yīng)波段范圍以及應(yīng)用成本來講I3D-LED都具有顯著優(yōu)勢。PD-LED結(jié)構(gòu)上是由H)(光電效應(yīng))面板與LED面板粘合串聯(lián)組成，整個(gè)器件工作在恒定偏壓下。正常工作時(shí)，PD區(qū)域吸收入射紅外光產(chǎn)生載流子，載流子在偏壓作用下流向LED區(qū)域，與空穴發(fā)生復(fù)合效應(yīng)激發(fā)出近紅外光，實(shí)現(xiàn)紅外光的頻率上轉(zhuǎn)換。PD-LED的典型代表是QWIP-LED，該器件可將入射的長波紅外光(7.8 μ m)轉(zhuǎn)變成近紅外光(870nm)輸出。
[0003]基于QWIP-LED器件的紅外成像探測系統(tǒng)的光學(xué)分系統(tǒng)由兩部分組成，分別是長波紅外光學(xué)系統(tǒng)和近紅外光學(xué)系統(tǒng)。長波紅外光學(xué)系統(tǒng)作用是收集目標(biāo)所發(fā)出的長波紅外輻射，成像于QWIP-LED器件的QWIP區(qū)域。近紅外光學(xué)系統(tǒng)的作用是收集QWIP-LED器件發(fā)出的近紅外光，成像于EMCXD。
[0004]近紅紅外光學(xué)系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)光學(xué)方案實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是近紅外系統(tǒng)光學(xué)效率低下，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先，由于QWIP-LED具有較高的材料折射率(QWIP-LED約為
3.5)，大部分出射的近紅外光在LED與空氣的界面上發(fā)生了全發(fā)射，使得光出射率極低，對于QWIP-LED器件該值低于2% (1/η2);其次，對于從QWIP-LED成功出射的近紅外光，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)最多只有10%的收集能力，使得最終到達(dá)EMCCD的近紅外光不足0.2%。光學(xué)效率低下是制約QWIP-LED廣泛工程應(yīng)用的主要因素，如何提高基于QWIP-LED的紅外成像探測系統(tǒng)的光學(xué)效率是研究人員的重要研究課題。
[0005]使用光纖傳像束進(jìn)行光學(xué)耦合的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年，取得了飛速的發(fā)展。光纖傳像束以其自身優(yōu)勢(長度和空間自由度大、數(shù)值孔徑大以及無像差等)在工業(yè)檢測監(jiān)控、醫(yī)療診斷以及軍事等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。具體來說光纖傳像束在圖像分辨率、數(shù)值孔徑以及透過率等光學(xué)指標(biāo)都具有優(yōu)異性能。
[0006]圖像分辨率是光纖傳像束的重要指標(biāo)，決定該指標(biāo)的主要因素是單根光纖束的直徑以及光纖束的排列方式。高分辨率意味著光纖束直徑一定要小，目前國內(nèi)可批量生產(chǎn)的光纖傳像束的單根光纖束直徑可達(dá)4 μ m，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。另一方面，研究表明正三角形排列的光纖傳像束具有最高的圖像分辨率，比正方形排列方式高15%。數(shù)值孔徑代表光學(xué)系統(tǒng)集光能力，是光纖傳像束另外一個(gè)重要指標(biāo)。與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)相對應(yīng)，光纖的數(shù)值孔徑
由纖芯材料折射率Ii1和包層材料折射率n2決定，表達(dá)式為NA=Vn12 -< ,纖芯與包層材料折射率分別為1.787和1.520時(shí)，光纖的數(shù)值孔徑可達(dá)0.9396，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)可達(dá)到的水平。透過率是光纖傳像束的第三個(gè)重要指標(biāo)，其主要決定因素是器件制備過程中包層材料與纖芯材料的相互滲透所形成的缺陷。通過優(yōu)化制備工藝，國內(nèi)所研制的光纖傳像束能達(dá)到的透過率在90%以上。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0007]基于以上技術(shù)背景，本發(fā)明提出一種QWIP-LED與EMCXD間采用光纖耦合的紅外成像探測系統(tǒng)。該方法使用光纖傳像束進(jìn)行QWIP-LED與EMCCD之間的光耦合。一方面光纖傳像束的大數(shù)值孔徑、高透射率以及高分辨率等特性以及光學(xué)膠粘劑的使用可以使得近紅外光可在QWIP-LED與EMCCD之間實(shí)現(xiàn)高效耦合；另外一方面使用光纖傳像束可以大大減小近紅外光學(xué)系統(tǒng)的空間尺寸。
[0008]本專利提出了基于光纖傳像束實(shí)現(xiàn)QWIP-LED與EMCXD之間近紅外光耦合的紅外成像探測系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)示意圖如圖1所示。
[0009]本系統(tǒng)構(gòu)成由長波紅外光學(xué)系統(tǒng)1，QWIP-LED2，光纖傳像束3，EMCXD4，電子學(xué)單元5,上位機(jī)6組成。
[0010]所說的長波紅外光學(xué)系統(tǒng)I是指基于傳統(tǒng)光學(xué)的光學(xué)系統(tǒng)，其光學(xué)參數(shù)如焦距、F數(shù)等可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0011]所說的QWIP-LED2是指一種具有紅外上轉(zhuǎn)換功能的探測器，可將目標(biāo)景物的像從長波紅外波段搬移到近紅外波段，以LED發(fā)光的方式輸出圖像。
[0012]所說的光纖傳像束3在本系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)近紅外光學(xué)系統(tǒng)。光纖傳像束橫截面積要大于等于EMCCD光敏面面積。采用特殊光學(xué)膠粘劑將光纖面板的一個(gè)端面粘合到QWIP-LED的LED出射面上，另外一端面粘合到EMCXD光接收面上。近紅外光學(xué)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)要按照如下要求:
[0013]I).光纖傳像束的選擇:長度無限嚴(yán)格限定，可根據(jù)制冷難度等因素做調(diào)整；單根光纖束的直徑小于EMCCD的像元尺寸，選擇在4-6 μ m的范圍；光纖排列選擇正三角緊密排列方式。纖芯材料對近紅外波段的透過率高于90%。
[0014]2).光學(xué)膠黏劑的選擇:折射率接近光纖纖芯材料折射率；低溫下有足夠的韌性，在低溫40K的環(huán)境下依然保持良好的特性；在近紅外波段有很好的透過率，達(dá)到90%以上。
[0015]3).光纖傳像束3與QWIP-LED、EM(XD的粘合連接:將光纖傳像束的一個(gè)端面粘合到QWIP-LED的光出射面，將另一端面粘合到EMCCD的光敏面。所述的光纖傳像束3單根光纖直徑小于EMCXD像元尺寸；光纖排列選擇正三角緊密排列方式，纖芯材料對近紅外波段的透過率高于90%。光學(xué)膠粘劑的折射率與光纖材料折射率相同，近紅外波段透過率高于90% ;光纖傳像束在與EMCCD粘合時(shí)，膠粘劑中摻入少量的直徑與單根光纖直徑相近且折射率與光學(xué)膠粘劑相同的玻璃微珠。
[0016]對QWIP-LED發(fā)出的光進(jìn)行成像探測屬于微光探測的范疇，為實(shí)現(xiàn)更高探測率，選擇EMCCD作為系統(tǒng)電子學(xué)圖像的獲取單元。
[0017]所說的電子學(xué)單元5，其主要功能是為EMCCD提供驅(qū)動(dòng)時(shí)序、為AD模塊提供驅(qū)動(dòng)時(shí)序、獲取EMCCD輸出圖像、進(jìn)行圖像預(yù)處理以及實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)向上位機(jī)端的高速傳輸。
[0018]所說的上位機(jī)6，其作為系統(tǒng)的用戶終端，主要提供指令發(fā)送，圖像接收與顯示，數(shù)據(jù)存儲，圖像處理等功能。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0020]1.一方面光纖傳像束的自身特性使得本系統(tǒng)能夠?qū)WIP-LED所轉(zhuǎn)換來的近紅外圖像高光學(xué)效率地成像于EMCXD ;另外一方面近紅外光學(xué)系統(tǒng)的安裝方式使得QWIP-LED器件的輸出光在入射EMCCD之前不再經(jīng)過折射率較低的空氣介質(zhì)，使得QWIP-LED與EMCCD之間有著更聞的光I禹合效率。該系統(tǒng)可使得紅外探測率明顯提聞。
[0021]2.光纖傳像束的使用大大降低了系統(tǒng)中近紅外光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，從而見減小了整個(gè)成像探測系統(tǒng)的空間尺寸，為系統(tǒng)能夠應(yīng)用于天基紅外探測領(lǐng)域提供了有利條件。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0022]圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖2是光纖傳像束與QWIP-LED和EMCXD粘合示意圖。
[0024]圖3是QWIP-LED、光纖傳像束和EMCXD裝配圖以及制冷設(shè)備分布。
【具體實(shí)施方式】:
[0025]根據(jù)說明書所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建。
[0026]長波紅外光學(xué)系統(tǒng)I的設(shè)計(jì)根據(jù)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，按照不同的應(yīng)用場景設(shè)計(jì)相應(yīng)的視場角、F數(shù)以及焦距等光學(xué)參數(shù)，其成像焦平面為QWIP-LED所在的平面。
[0027]QWIP-LED2的選擇。選擇具有較高紅外吸收效率和內(nèi)量子效率的透射式QWIP-LED類型。在器件定制過程中其有效面積只要與EMCCD光敏面面積相當(dāng)既可。為QWIP-LED提供正常工作所需的直流偏壓。
[0028]光纖傳像束3的選擇。長度無嚴(yán)格限定，可按照制冷難度等因素做調(diào)整；單根光纖束的直徑要求小于EMCCD的像元尺寸，可選擇單根光纖直徑在4-6um的光想傳像束；選擇纖芯材料和包層材料折射率差要盡量大的外包型光纖；光纖排列選擇正三角緊密排列方式；纖芯材料對近紅外波段的透過率要盡量高，最好達(dá)到90%以上。
[0029]光學(xué)膠粘劑的選擇:材料折射率盡量接近光纖的纖芯材料折射率；低溫下有足夠的韌性，在40K (QWIP-LED工作溫度)的環(huán)境下依然保持良好的特性；在近紅外波段有很好的透過率，達(dá)到90%以上。
[0030]光纖傳像束與QWIP-LED、EMCXD的粘合連接:將光纖傳像束的一個(gè)端面粘合到QWIP-LED的光出射面，將另一端面粘合到EMCXD的光敏面；為保證光纖傳像束與EMCXD之間的粘合縫隙厚度均勻，光學(xué)膠粘劑中加入10-20粒尺寸相同、直徑與單根光纖直徑接近且折射率與光學(xué)膠粘劑相同的玻璃微珠，如圖2所示；三者的實(shí)際裝配圖可如圖3所示。
[0031]電子學(xué)單元的設(shè)計(jì)，包括模擬電路設(shè)計(jì)和數(shù)字電路設(shè)計(jì)。具體來說包括EMCXD外圍驅(qū)動(dòng)電路模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，邏輯時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊、圖像數(shù)據(jù)獲取和處理模塊以及圖像傳輸模塊的設(shè)計(jì)。使用FPGA為EMC⑶和提供驅(qū)動(dòng)時(shí)序。使用FPGA和DSP實(shí)現(xiàn)圖像獲取與處理模塊。圖像傳輸模塊采用千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，采用UDP作為數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，圖像數(shù)據(jù)發(fā)送接口和協(xié)議模塊都由FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0032]為系統(tǒng)提供相應(yīng)工作環(huán)境溫度(QWIP-LED:40_50K，EMCCD:70_80Κ)。使用制冷系統(tǒng)提供各器件所需低溫工作條件。為保證QWIP-LED和EMCCD之間的溫度梯度，可在光纖傳像束上使用加熱器。系統(tǒng)的制冷器分布如圖3所示。
[0033]在上位機(jī)端為系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制界面，選擇Socket作為以太網(wǎng)的通信接口，設(shè)計(jì)控制指令面板，設(shè)計(jì)圖像顯示窗口。
【權(quán)利要求】
1.一種QWIP-LED與EMCXD間采用光纖耦合的紅外成像探測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括:長波紅外光學(xué)系統(tǒng)(1)、QWIP-LED (2)、光纖傳像束(3)、EMCCD (4)，電子學(xué)單元(5)和上位機(jī)(6)，其特征在于:所述的QWIP-LED (2)與EMCXD (4)之間采用光纖傳像束進(jìn)行光學(xué)耦合；所述的光纖傳像束(3)單根光纖直徑4-6 μ m ;光纖排列選擇正三角緊密排列方式,纖芯材料對近紅外波段的透過率高于90%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種QWIP-LED與EMCCD間采用光纖耦合的紅外成像探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的光纖傳像束(3)通過光學(xué)膠粘劑分別將QWIP-LED (2)和EMCXD(4 )耦合連接在一起；光學(xué)膠粘劑的折射率與光纖材料折射率相同，近紅外波段透過率高于90% ;光纖傳像束在與EMCCD粘合時(shí)，膠粘劑中摻入少量的直徑與單根光纖直徑相近且折射率與光學(xué)膠粘劑相同的玻璃微珠。
【文檔編號】G01J5/08GK103913806SQ201410121136
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】侯義合, 張冬冬, 丁雷, 劉加慶, 譚嬋, 朱學(xué)謙, 周巨廣 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所