Qwip-led與emccd間采用光纖耦合的成像探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種QWIP-LED與EMCCD間采用光纖耦合的成像探測系統(tǒng)，系統(tǒng)使用光纖傳像束將QWIP-LED紅外上轉換得到的近紅外圖像耦合到EMCCD進行成像，實現(xiàn)長波紅外目標的EMCCD探測。本系統(tǒng)的優(yōu)點是：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】
【技術領域】：
[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EMC⑶間采用光 纖耦合的成像探測系統(tǒng)，該技術可用于長波紅外成像探測領域。 QWIP-LED與EMCCD間采用光纖耦合的成像探測系統(tǒng)

【背景技術】：
[0002] 紅外上轉換技術一直以來是各國研究人員的一個研究熱點，其目的是為了將目標 的中長波紅外光輻射轉變成近紅外光或者可見光圖像信息，然后用商用CCD或者CMOS進行 成像，替代價格昂貴的傳統(tǒng)紅外面陣探測器?，F(xiàn)有的紅外上轉換技術有熱激紅外上轉換、參 量紅外上轉換、稀土材料紅外上轉換和H)-LED紅外上轉換技術等。從工藝成本、量子效率、 響應波段范圍以及應用成本來講H)-LED都具有顯著優(yōu)勢。PD-LED結構上是由(光電效 應)面板與LED面板粘合串聯(lián)組成，整個器件工作在恒定偏壓下。正常工作時，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)生復合效應激發(fā)出 近紅外光，實現(xiàn)紅外光的頻率上轉換。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)的光學分系統(tǒng)由兩部分組成，分別是長 波紅外光學系統(tǒng)和近紅外光學系統(tǒng)。長波紅外光學系統(tǒng)作用是收集目標所發(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] 近紅紅外光學系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)光學方案實現(xiàn)，其缺點是近紅外系統(tǒng)光學效率 低下，具體表現(xiàn)在兩個方面：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) 光學系統(tǒng)最多只有10%的收集能力，使得最終到達EMC⑶的近紅外光不足0. 2%。光學效率 低下是制約QWIP-LED廣泛工程應用的主要因素，如何提高基于QWIP-LED的紅外成像探測 系統(tǒng)的光學效率是研究人員的重要研究課題。
[0005] 使用光纖傳像束進行光學耦合的研究已經(jīng)進行了多年，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域已經(jīng)有了廣泛的應用。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指標都具有優(yōu)異性能。
[0006] 圖像分辨率是光纖傳像束的重要指標，決定該指標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4 μ m，已達到國際先進水平。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 系統(tǒng)集光能力，是光纖傳像束另外一個重要指標。與傳統(tǒng)光學系統(tǒng)相對應，光纖的數(shù)值孔徑 由纖芯材料折射率&和包層材料折射率n2決定，表達式為NA-nj2 -η〖，纖芯與包層材料 折射率分別為1. 787和1. 520時，光纖的數(shù)值孔徑可達0. 9396,遠大于傳統(tǒng)光學系統(tǒng)可達到 的水平。透過率是光纖傳像束的第三個重要指標，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 能達到的透過率在90%以上。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007] 基于以上技術背景，本專利提出一種QWIP-LED與EMC⑶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膠粘劑的使用可以使得近紅 外光可在QWIP-LED與EMCCD之間實現(xiàn)高效耦合；另外一方面使用光纖傳像束可以大大減小 近紅外光學系統(tǒng)的空間尺寸。
[0008] 本專利提出了基于光纖傳像束實現(xiàn)QWIP-LED與EMC⑶之間近紅外光耦合的紅外 成像探測系統(tǒng)，其實現(xiàn)示意圖如圖1所示。
[0009] 本系統(tǒng)構成由長波紅外光學系統(tǒng)1，QWIP-LED2,光纖傳像束3, EMCXD4,電子學單 元5,上位機6組成。
[0010] 所說的長波紅外光學系統(tǒng)1是指基于傳統(tǒng)光學的光學系統(tǒng)，其光學參數(shù)如焦距、F 數(shù)等可根據(jù)實際應用需求進行設計。
[0011] 所說的QWIP-LED2是指一種具有紅外上轉換功能的探測器，可將目標景物的像從 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)中用于實現(xiàn)近紅外光學系統(tǒng)。光纖傳像束橫截面 積要大于等于EMCCD光敏面面積。采用特殊光學膠粘劑將光纖面板的一個端面粘合到 QWIP-LED的LED出射面上，另外一端面粘合到EMC⑶光接收面上。近紅外光學系統(tǒng)的具體 實現(xiàn)要按照如下要求：
[0013] 1).光纖傳像束的選擇：長度無限嚴格限定，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，達到90%以上。
[0015] 3).光纖傳像束3與QWIP-LED、EMC⑶的粘合連接：將光纖傳像束的一個端面粘合 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EMC⑶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，膠粘劑中摻入少量的直徑與單根光纖直徑相近且折射 率與光學膠粘劑相同的玻璃微珠。
[0016] 對QWIP-LED發(fā)出的光進行成像探測屬于微光探測的范疇，為實現(xiàn)更高探測率，選 擇EMCCD作為系統(tǒng)電子學圖像的獲取單元。
[0017] 所說的電子學單元5,其主要功能是為EMCXD提供驅動時序、為AD模塊提供驅動時 序、獲取EMCCD輸出圖像、進行圖像預處理以及實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)向上位機端的高速傳輸。
[0018] 所說的上位機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] 本專利的優(yōu)點在于：
[0020] 1. -方面光纖傳像束的自身特性使得本系統(tǒng)能夠將QWIP-LED所轉換來的近紅外 圖像高光學效率地成像于EMCXD ;另外一方面近紅外光學系統(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，使得QWIP-LED與EMCCD之 間有著更1?的光稱合效率。該系統(tǒng)可使得紅外探測率明顯提1?。
[0021] 2.光纖傳像束的使用大大降低了系統(tǒng)中近紅外光學系統(tǒng)的尺寸，從而見減小了整 個成像探測系統(tǒng)的空間尺寸，為系統(tǒng)能夠應用于天基紅外探測領域提供了有利條件。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0022] 圖1是系統(tǒng)的結構框圖。
[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裝配圖以及制冷設備分布。

【具體實施方式】：
[0025] 根據(jù)說明書所述的系統(tǒng)結構進行系統(tǒng)的設計與搭建。
[0026] 長波紅外光學系統(tǒng)1的設計根據(jù)傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的設計方法進行，按照不同的應用 場景設計相應的視場角、F數(shù)以及焦距等光學參數(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，最好達到90%以上。
[0029] 光學膠粘劑的選擇：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，達到90%以上。
[0030] 光纖傳像束與QWIP-LED、EMC⑶的粘合連接：將光纖傳像束的一個端面粘合到 QWIP-LED的光出射面，將另一端面粘合到EMC⑶的光敏面；為保證光纖傳像束與EMC⑶之 間的粘合縫隙厚度均勻，光學膠粘劑中加入10-20粒尺寸相同、直徑與單根光纖直徑接近 且折射率與光學膠粘劑相同的玻璃微珠，如圖2所示；三者的實際裝配圖可如圖3所示。
[0031] 電子學單元的設計，包括模擬電路設計和數(shù)字電路設計。具體來說包括EMC⑶外 圍驅動電路模塊，AD轉換模塊，邏輯時序驅動模塊、圖像數(shù)據(jù)獲取和處理模塊以及圖像傳輸 模塊的設計。使用FPGA為EMC⑶和提供驅動時序。使用FPGA和DSP實現(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實現(xiàn)。
[0032] 為系統(tǒng)提供相應工作環(huán)境溫度（QWIP-LED :40-50K，EMCCD :70-80K)。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] 在上位機端為系統(tǒng)設計控制界面，選擇Socket作為以太網(wǎng)的通信接口，設計控制 指令面板，設計圖像顯示窗口。
【權利要求】
1. 一種QWIP-LED與EMC⑶間采用光纖耦合的成像探測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：長波紅外光學 系統(tǒng)（1)、QWIP-LED (2)、光纖傳像束（3)、EMCCD (4)，電子學單元（5)和上位機（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行光學耦合；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)權利要求1所述的一種QWIP-LED與EMCCD間采用光纖耦合的成像探測系統(tǒng)，其 特征在于：所述的光纖傳像束（3)通過光學膠粘劑分別將QWIP-LED (2)和EMCXD (4)耦合 連接在一起；光學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，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 學膠粘劑相同的玻璃微珠。
【文檔編號】G01J5/08GK203881975SQ201420145317
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權日:2014年3月28日
【發(fā)明者】侯義合, 張冬冬, 丁雷, 劉加慶, 譚嬋, 朱學謙, 周巨廣 申請人:中國科學院上海技術物理研究所