CN102279054B - 基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统 - Google Patents

基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，包括红外成像光学元件、调制光束合束器、量子点折射率调制器、光学移相器、激光光源、准直透镜、光学分束器、反射镜、干涉光束合束器和近红外光（可见光）相机。其中量子点折射率调制器由多层高密度量子点结构（层）构成，利用量子点三能级系统，将红外辐射强度信号转换成与之成正比的近红外（可见光）相位信号。本发明由于采用高密度量子点、量子点几何尺寸极小、并且量子点三能级系统折射率调制速度快，该系统可实现高速、高分辨率的红外成像，并可通过量子点折射率调制器实现对红外物体的光谱扫描。可广泛用于生物化学、临床医学、法医刑侦、资源勘探、环境科学、太空研究和国防安全等众多领域。

Description

基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统
技术领域
本发明属于红外成像技术领域，特别是涉及一种基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，该系统可实现高速、高分辨率红外成像，并能实现红外光谱扫描。
背景技术
现有技术中，公开的红外成像系统主要是基于热辐射计原理和光电探测原理。然而，目前两者都无法实现高分辨率成像，现有的红外成像系统最高分辨率为1百万像素，并且价格昂贵。基于热辐射计原理红外成像系统，分辨率低于1百万像素，响应速度慢（约为10-3秒）；采用光电探测原理的红外成像系统，如基于量子阱和量子点阵列结构[见参考文献1-4]的光电探测器，两者均采用电读出方式（即红外光照射到量子阱或者量子点上，产生自由载流子，并形成光电流或者光电压，测量相应的电流或者电压获取相应的红外光强度信号），虽然具有很快的响应速度（可达到10-9秒以上），但由于设计和加工工艺上的因素，难以突破1百万像素的分辨率。总之，现有技术无法实现高分辨率红外成像，更难于同时实现高速、高分辨率红外成像，也难以实现红外光谱扫描。这大大限制了红外成像系统的应用和相关应用领域的发展。
参考文献：
1、Liu, H.C., Quantum Dot Infrared Photodetector. Opto-electronics review 11(1),1-5 (2003)；
2、Dong Pan and Elias Toweb,Photovoltaic Quantum-dot Infrared Detectors, Appl. Phys. Lett.76(22), 3301-3303(2000). ；
3、Lucjan Jacak, Pawel Hawrylak, Arkadiusz Wójs, Quantum Dots, Springer, New York, 1998.；
4、Mitsuru Sugawara, Self-Assembled InGaAs/GaAs Quantum Dots, Semiconductors and Semimetals, Volume 60, Academic Press, San Diego, USA, 1999.。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供的一种高速、高分辨率、可实现光谱扫描的基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统。
本发明通过以下技术方案来加以实现：
基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，它包括有红外成像光学元件、调制光束合束器、量子点折射率调制器、光学移相器、激光光源、准直透镜或抛物面反射镜、光学分束器、反射镜、干涉光束合束器和近红外光或可见光相机组成。
所述系统中各部件的光路关系如下：
所述成像系统分为两个相对独立的光路：分别是调制-读出光路和参考光路；其中调制-读出光路上沿入射光传播方向的元件依次为：红外成像光学元件、调制光束合束器、量子点折射率调制器、光学移相器、干涉光束合束器和近红外光或可见光相机；参考光路上沿入射光传播方向的元件依次为：激光光源、准直透镜或抛物面反射镜、光学分束器和反射镜。
系统通过红外成像光学元件将红外物体成像于量子点折射率调制器；由激光光源产生近红外光或可见光，通过准直透镜或抛物面反射镜准直后，经过光学分束器分为读出光和参考光。
所述读出光经过调制光束合束器与物体在量子点折射率调制器上的红外像重合，通过量子点折射率调制器的量子点三能级系统相位调制特性，红外像的红外光强信号被转换成为读出光的相位信号；该读出光进一步通过光学移相器产生一个附加的                                                
Figure 2011101352339100002DEST_PATH_IMAGE001
相位（其中n为任意整数，
Figure 234202DEST_PATH_IMAGE002
为圆周率）。
所述参考光通过反射镜、干涉光束合束器与通过光学移相器之后的读出光重合在近红外光或可见光相机上。
通过近红外光或可见光相机读取参考光和读出光的干涉光强，最终将读出光携带的相位信号还原成为红外图像的光强信号，从而利用近红外光或可见光相机获取物体的红外图像。
所述量子点折射率调制器是由多层高密度量子点阵列结构构成的折射率调制器。
其中单个量子点中的第j个导带能级
Figure 2011101352339100002DEST_PATH_IMAGE003
、第i个导带能级
Figure 430828DEST_PATH_IMAGE004
和第k个价带能级
Figure DEST_PATH_IMAGE005
构成一个三能级系统、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 693410DEST_PATH_IMAGE008
，其对应的能量分别依次为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 842894DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，能量大小关系为
Figure 397372DEST_PATH_IMAGE012
>
Figure DEST_PATH_IMAGE013
>
Figure 183538DEST_PATH_IMAGE014
；其中能级
Figure DEST_PATH_IMAGE015
与能级的能量差
Figure DEST_PATH_IMAGE017
对应波长为
Figure 931493DEST_PATH_IMAGE018
的红外光子能量，而能级
Figure DEST_PATH_IMAGE019
与能级
Figure 391293DEST_PATH_IMAGE020
之间的能量差
Figure DEST_PATH_IMAGE021
对应波长为
Figure 805701DEST_PATH_IMAGE022
的近红外光或可见光的光子能量；波长为
Figure 822198DEST_PATH_IMAGE022
的红外光入射到量子点上，引起能级与能级间的光学跃迁，导致能级
Figure DEST_PATH_IMAGE025
与能级
Figure 639293DEST_PATH_IMAGE026
之间波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的近红外光或可见光的折射率变化，从而改变入射该量子点波长为
Figure 793193DEST_PATH_IMAGE028
的近红外光或可见光的相位，该相位变化量与波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
的入射红外光强成正比，并且红外波长
Figure 862649DEST_PATH_IMAGE029
与近红外光或可见光波长
Figure 152816DEST_PATH_IMAGE030
具有一一对应的关系。
由上述方案可知，本发明是采用量子点中的第j个导带能级
Figure DEST_PATH_IMAGE031
、第i个导带能级
Figure 780851DEST_PATH_IMAGE032
和第k个价带能级
Figure DEST_PATH_IMAGE033
构成一个三能级系统
Figure 904271DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 511839DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 922091DEST_PATH_IMAGE033
，其对应的能量分别依次为
Figure DEST_PATH_IMAGE035
Figure 318361DEST_PATH_IMAGE036
，能量大小关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
>
Figure 729620DEST_PATH_IMAGE038
>
Figure DEST_PATH_IMAGE039
。其中能级与能级
Figure 967146DEST_PATH_IMAGE032
的能量差对应波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE041
的红外光子能量，而能级
Figure 266726DEST_PATH_IMAGE032
与能级
Figure 385992DEST_PATH_IMAGE033
之间的能量差
Figure 526729DEST_PATH_IMAGE042
对应波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
的近红外光或可见光的光子能量。波长为的红外光，引起能级
Figure 117297DEST_PATH_IMAGE032
与能级
Figure 153386DEST_PATH_IMAGE031
间的光学跃迁，导致能级
Figure 717222DEST_PATH_IMAGE032
与能级
Figure 792757DEST_PATH_IMAGE033
之间波长为
Figure 896979DEST_PATH_IMAGE043
的近红外光或可见光的折射率变化，进而改变入射该量子点波长为
Figure 990837DEST_PATH_IMAGE043
的近红外光或可见光的相位，从而将红外光强信号转换为近红外光或可见光的相位信号，通过光学干涉的方法，进一步将相位信号转换成为携带红外光强信号的近红外光（可见光）的光强信号，从而最终将红外光强信号转换成为近红外光（可见光）的光强信号。
本发明采用高密度量子点阵列的构成的折射率调制器，量子点的密度可达1010cm-2，量子点几何尺寸仅为几十个纳米（1纳米=10-9米），利用上述方法，可将红外像直接转换成为高分辨率的近红外光（或可见光）像，进而通过高分辨率近红外光（可见光）相机（10）读出，从而实现对物体的高分辨率红外成像。
本发明利用量子点内载流子的快速响应，其响应时间约为几个纳秒（1纳秒=10-9秒），上述红外像转换为近红外光（或可见光）像的时间只有几个纳秒（1纳秒=10-9秒），因此上述红外图像转换成为近红外光或可见光图像，具有极高的空间分辨率和响应速度。整个系统的分辨率和响应速度最终取决于近红外光（可见光）相机（10），目前商业化的近红外光（可见光）相机（10）的分辨率可以达到1千万像素以上（远远高于现有红外成像系统的1百万像素分辨率）。
本发明利用不同几何尺寸的量子点、不同的三能级系统
Figure 974842DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE045
和的选择，并利用红外波长
Figure DEST_PATH_IMAGE047
与近红外光（可见光）
Figure 403777DEST_PATH_IMAGE043
一一对应关系，采用不同的近红外光（可见光）波长
Figure 352142DEST_PATH_IMAGE043
进行连续扫描，可以获得不同红外波长
Figure 507048DEST_PATH_IMAGE047
的光强信号，在获取高速、高分辨红外图像的同时，获取图像的红外光谱。
本发明可以通过掺杂浓度来控制量子点三能级系统各能级
Figure 540863DEST_PATH_IMAGE045
、和
Figure 806071DEST_PATH_IMAGE046
上的载流子分布，优化折射率调制。
综上所述，本成像系统采用高密度量子点三能级系统折射率调制，可以实现高速、高分辨率、能实现红外光谱扫描的红外成像。
附图说明
图1（a）是量子点基本结构示意图；
图1（b）是量子点能级的示意图；
图2是量子点三能级系统折射率调制的示意图：
图3是量子点折射率调制器基本结构的示意图；
图4是基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明采用的量子点折射率调制器其制作可以采用现有技术，如利用分子束外延设备或金属有机化合物化学气相淀积设备，采用自组织生长技术，形成多层量子点阵列结构，其量子点几何尺寸为几十个纳米、密度为1010cm-2。
如附图1（a）中：A和B是两种半导体材料，材料A为量子点势垒材料，材料B为量子点，其中材料B的禁带宽度小于材料A的禁带宽度。Rxy为量子点B的半径，ZQD为量子点的高度。
如附图1（b）所示：
Figure 882611DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 652990DEST_PATH_IMAGE050
、、…、
Figure 840389DEST_PATH_IMAGE052
等为量子点的n个导带能级，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 448831DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 945541DEST_PATH_IMAGE056
、…、
Figure DEST_PATH_IMAGE057
等为量子点的m个价带能级。
如图2所示，量子点三能级系统折射率调制的原理为：
Figure 953948DEST_PATH_IMAGE058
、和
Figure 633453DEST_PATH_IMAGE060
所组成的三能级系统，
Figure 473233DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 140844DEST_PATH_IMAGE059
为两个导带能级、
Figure 370968DEST_PATH_IMAGE060
为一个价带能级，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 913551DEST_PATH_IMAGE062
。能级
Figure 545521DEST_PATH_IMAGE058
和能级
Figure 384033DEST_PATH_IMAGE059
对应波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE063
的红外光，而能级和能级
Figure 388340DEST_PATH_IMAGE060
对应波长为
Figure 124084DEST_PATH_IMAGE064
的近红外光（可见光）。波长为
Figure 212126DEST_PATH_IMAGE063
的红外光导致两个导带能级
Figure DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 102328DEST_PATH_IMAGE059
间的载流子跃迁，改变能级
Figure 35649DEST_PATH_IMAGE059
的载流子分布，进而导致能级
Figure 642211DEST_PATH_IMAGE059
和能级
Figure 88104DEST_PATH_IMAGE060
对应的波长为
Figure 576855DEST_PATH_IMAGE064
的近红外光（可见光）折射率改变，从而改变该近红外光（可见光）的相位，该相位变化量与入射红外光的光强成正比。
在给定的量子点中，对于给定的三能级系统，其对应的近红外光（可见光）波长
Figure 517129DEST_PATH_IMAGE066
与红外光波长具有一一对应的关系，选择不同的三能级系统和不同的近红外光（可见光）波长，可对不同红外波长
Figure 72503DEST_PATH_IMAGE063
的进行检测，从而实现对入射红外光的光谱扫描。
对于给定的三能级系统，不同几何尺寸的量子点，其对应的近红外光（或可见光）波长
Figure 800157DEST_PATH_IMAGE066
与红外光波长也不相同。因此，利用不同几何尺寸的量子点，采用不同的近红外光（或可见光）波长，可实现对不同红外波长
Figure 865305DEST_PATH_IMAGE063
的检测，从而实现对入射红外光的光谱扫描。
图3给出了量子点折射率调制器的基本结构，其中圆点为量子点阵列（在实际应用中，量子点的排列不一定是严格的阵列，量子点的几何尺寸也不一定完全一致），每一个量子点的结构如图1（a）所示。量子点几何尺寸约为几十个纳米（1纳米=10-9米），而量子点的密度可达1010cm-2。量子点折射率调制器由若干个这样的基本结构（层）重叠而成，以增加红外光对近红外光（可见光）调制光程，从而提高相位调制的强度。
参见图4，利用上述的量子点折射率调制器，本发明提出的基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统结构如下：
它包括有红外成像光学元件1、调制光束合束器2、量子点折射率调制器3、光学移相器4、激光光源5、准直透镜或抛物面反射镜6、光学分束器7、反射镜8、干涉光束合束器9和近红外光或可见光相机10。
以上元件组成两个相对独立的光路：分别是调制-读出光路和参考光路。其中调制-读出光路上沿入射光传播方向的元件依次为：红外成像光学元件1、调制光束合束器2、量子点折射率调制器3、光学移相器4、干涉光束合束器9和近红外光或可见光相机10；参考光路上沿入射光传播方向的元件依次为：激光光源5、准直透镜或抛物面反射镜6、光学分束器7和反射镜8。
本系统的工作原理为：
红外成像光学元件1将红外物体0成像于量子点折射率调制器3上；由激光光源5产生的近红外（可见光），通过准直透镜抛物面反射镜6准直后，经过光学分束器7分为读出光和参考光；读出光经过调制光束合束器2，与物体在量子点折射率调制器3上的红外像重合，由于上述量子点三能级系统的相位调制特性，红外像的红外光强信号被转换成为读出光（近红外光或可见光）的相位信号，并通过光学移相器4产生一个附加的
Figure DEST_PATH_IMAGE067
相位（其中n为任意整数，
Figure 147382DEST_PATH_IMAGE068
为圆周率）；参考光通过反射镜8、干涉光束合束器9与读出光重合在近红外光（可见光）相机10上，由近红外光（可见光）相机10读取参考光和读出光的干涉光强，进而将读出光（近红外光或可见光）携带的相位信号转换成携带红外光强信号的近红外光（可见光）光强信号，从而实现利用近红外光（可见光）相机获取物体的红外图像。
利用不同几何尺寸的量子点、选择不同的三能级系统、
Figure 276061DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 492279DEST_PATH_IMAGE060
，并利用红外波长
Figure 63200DEST_PATH_IMAGE063
与近红外光（可见光）波长
Figure DEST_PATH_IMAGE069
的一一对应关系，采用不同的近红外光（可见光）波长
Figure 353367DEST_PATH_IMAGE069
进行连续扫描，可以获得不同红外波长
Figure 217286DEST_PATH_IMAGE063
的强度信号，从而实现红外光谱扫描，获取红外成像光谱。
本发明提供的基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，它可以进行高速、高分辨率的红外成像光谱获取，可广泛用于生物化学、临床医学、法医刑侦、资源勘探、环境科学、太空研究和国防安全等众多领域。

Claims (2)

1.一种基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，包括红外成像光学元件（1）、调制光束合束器（2）、量子点折射率调制器（3）、光学移相器（4）、激光光源（5）、准直透镜或抛物面反射镜（6）、光学分束器（7）、反射镜（8）、干涉光束合束器（9）和近红外光或可见光相机（10）；
所述成像系统分为两个相对独立的光路：分别是调制-读出光路和参考光路；其中调制-读出光路上沿入射光传播方向的元件依次为：红外成像光学元件（1）、调制光束合束器（2）、量子点折射率调制器（3）、光学移相器（4）、干涉光束合束器（9）和近红外光或可见光相机（10）；参考光路上沿入射光传播方向的元件依次为：激光光源（5）、准直透镜或抛物面反射镜（6）、光学分束器（7）和反射镜（8）；
所述系统是通过红外成像光学元件（1）将红外物体成像于量子点折射率调制器（3），在红外成像光学元件（1）和量子点折射率调制器（3）之间设置调制光束合束器（2）；
由激光光源（5）产生近红外光或可见光，通过准直透镜或抛物面反射镜（6）准直后，经过光学分束器（7）分为读出光和参考光；
所述读出光经过调制光束合束器（2）与红外物体在量子点折射率调制器（3）上的红外像重合，利用量子点折射率调制器（3）的量子点三能级系统相位调制特性，红外像的红外光强信号被转换成为读出光的相位信号，该读出光进一步通过光学移相器（4）产生一个附加的                                               
Figure 2011101352339100001DEST_PATH_IMAGE002
相位，其中n为任意整数、
Figure 2011101352339100001DEST_PATH_IMAGE004
为圆周率；
所述参考光通过反射镜（8）、干涉光束合束器（9）与通过光学移相器（4）之后的读出光重合在近红外光或可见光相机（10）上；
通过近红外光或可见光相机（10）读取参考光和读出光的干涉光强，最终将读出光携带的相位信号还原成为红外图像的光强度信号，从而利用近红外光或可见光相机获取物体红外图像。
2.根据权利要求1所述的基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，其特征在于：所述量子点折射率调制器（3）是由多层高密度量子点阵列结构构成；
其中单个量子点中的第j个导带能级
Figure 2011101352339100001DEST_PATH_IMAGE006
、第i个导带能级
Figure 2011101352339100001DEST_PATH_IMAGE008
和第k个价带能级构成一个三能级系统
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
和，其对应的能量分别依次为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，能量大小关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
>
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
>
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
；
其中能级
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
与能级
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
的能量差
Figure DEST_PATH_IMAGE018
对应波长为的红外光光子能量，而能级
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
与能级
Figure DEST_PATH_IMAGE010AA
之间的能量差
Figure DEST_PATH_IMAGE022
对应波长
Figure DEST_PATH_IMAGE024
的近红外光或可见光光子能量；
波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
的红外光入射到量子点上，引起能级
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAA
与能级
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
间的光学跃迁，导致能级
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAA
与能级
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAA
之间波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
的近红外光或可见光的折射率变化，从而改变入射该量子点的波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
的近红外光或可见光的相位，该相位变化量与波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
的入射红外光强成正比，并且红外光的波长
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
与近红外光或可见光的波长
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAA
具有一一对应的关系。
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CN1806343A (zh) * 2003-06-12 2006-07-19 西瑞卡公司 自由载流子的稳态非平衡分布和使用其的光子能量向上转换
GB0621099D0 (en) * 2006-10-23 2006-11-29 Toshiba Res Europ Ltd A smeiconductor device and method of its manufacture

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Title
Gang Chen，etc.Quantum Dots-Based All-Optical-Readout Middle-Far-Infrared Imaging.《IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS》.2011,第47卷(第3期),285-291. *

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