CN103267982B - 实现高速光电成像探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现高速光电成像探测装置，包括激光光源和可利用激光光源射向目标物从而使目标物成像的成像系统，成像系统的出像侧设有接收成像系统成像图像的光纤光锥，该光纤光锥的一端为排列整齐的锥面光纤头，另一端为光纤束，所述锥面光纤头正对着成像系统，而各个光纤束各自连接到光电探测器阵列，所述光电探测器阵列的输出信号连接到数据采集卡并获取整个目标物的图像信息。本发明提供一种新型的利用光锥和光电二极管阵列实现高速光电成像探测装置。

Description

实现高速光电成像探测装置

【技术领域】

本发明涉及一种新型的利用光纤拉锥和光电二极管阵列实现高速光电成像探测技术，属于光电探测技术。

【背景技术】

光电成像技术在现代信息技术中有着举足轻重的作用，广泛应用于军用以及民用产品。现有的光电成像技术最主流最成熟的是CCD成像技术。CCD成像技术作为一种非常有效的快速、非接触测量手段,已被广泛应用于各种测量应用在光学图像测量系统中的运用，CCD本身具有电子自扫描、工作电压低、寿命长、坚固耐冲击等优点。

但是基于CCD的传统成像技术依然存在着诸多缺点与不足:

1、面阵CCD由于其固有的物理特性、工作机理等原因以及芯片结构、制造工艺等的限制，如为了保证CCD像元具有足够的感光面积和防止相邻像元之间的互相串扰，所有CCD器件的像元面积以及像元间距都不能做得太小，这就限制了CCD在高精度测量领域中的应用。

2、CCD传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，响应速度较慢，不利于高速成像的应用，CCD的电荷耦合式读取在工作原理上限制了其在高速成像、相干探测成像、时间分辨成像等方面的应用。

3、CCD耗尽区中的本征热激发产生的暗电流使得信噪比不高。

4、由于CCD本身转移速度的限制，边缘势垒与电荷俘获现象的存在，会影响CCD的转移效率。由于在实际CCD器件中，电荷信号要成百上千次转移，若器件转移效率不高，会是总体转移效率很低，影响成像质量。

5、当CCD的各个像元在均匀光源照射下，有可能输出不相等的信号电压，这就是CCD光响应的非均匀性，它不仅与器件的制造工艺有关，而且还与入射光的波长和衬底材料的性能有关。对于某些弱信号检测或高精度应用而言，必须进行实际测量，然后加以补偿才能达到均匀性要求。一般来说，CCD像元数越多，不均匀性越严重。

6、由于半导体材料及器件制作工艺的影响，当前使用的CCD工作的波长受限制，红外特别是中远红外的成像器件还面临不少技术瓶颈。

综上所述，目前的基于CCD的光电成像技术仍存在着各种缺陷与不足。

本发明就是在此种情况下作出的。

【发明内容】

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种新型的利用光锥和光电二极管阵列实现高速光电成像探测装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种实现高速光电成像探测装置，其特征在于：包括有激光光源1和可利用激光光源射向目标物2从而使目标物成像的成像系统3，成像系统3的出像侧设有接收成像系统3成像图像的光纤光锥4，该光纤光锥4的一端为排列整齐的锥面光纤头，另一端为光纤束，所述锥面光纤头正对着成像系统3，而各个光纤束各自连接到光电探测器阵列5，所述光电探测器阵列5的输出信号连接到数据采集卡6并获取整个目标物的图像信息。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述光电探测器阵列5为将带有光纤尾纤的高速光电二极管规则排列并依次标号，其中每个高速光电二极管各自连接到相应的各个光纤束上。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述光纤光锥4所采用的光纤为纤芯较粗的传能光纤。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述光纤光锥4的纤芯与包层的占空比大于能正常传播信号而不会引起信号串扰的最小纤芯包层占空比。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述的数据采集卡6由DSP高速运算芯片或FPGA数字运算芯片组成并进行信号处理。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述光纤光锥4是由将多根光纤剥去涂覆层后，捆绑成束，然后利用光纤熔融拉锥机对其加热熔融后拉制成直径符合要求的细小光纤纤维体形成的。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述光纤光锥4尾端的各个传导光纤的长度基本相等。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述成像系统3采用透镜或者显微成像系统。

如上所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述锥面光纤头为具有光子晶体结构的宽径锥面光纤头。

本发明的有益效果是：

本发明利用将多束光纤紧密排列在一起，通过光纤拉锥过程使其一端形成一个具有光子晶体结构的宽径光纤头，其另一端仍为松散的光纤束。同时，光纤束各自接入高速光电二极管，每根光纤端面和尾端连接的二极管探测器就构成了一个像素点；通过成像系统可将目标物体的像耦合进入宽径光纤头，并通过光纤将信号传至探测器阵列，进而获得图像信息。

其优点如下：

1、CCD的响应时间只能到亚毫秒量级，无法做到高速成像。而本发明中的响应时间取决于高速光电探测器的响应时间，可以做到数百皮秒量级的高速响应。

2、可以做到高分辨率成像，本发明中的每一个感光单元只有纤芯面积大小，在小面积上可以集成大量感光单元，从而提高分辨率。

3、运用高速光电探测器，每个光电探测器可以得到一系列电信号脉冲，用DSP芯片将一束电信号与其他束电信号拍频，可以降低背景噪声，提高信噪比，而基于CCD的成像技术由于原理所限，无法实现拍频探测。

4、光电探测器具有光响应均匀性，光纤锥面在均匀光照射下不会出现不相等信号，可以用于弱信号检测或高精度应用。

5、采用基于高速光电探测器的成像技术，其响应的光谱范围根据探测器基底材料的不同，可覆盖紫外、可见光、红外波段，远大于基于CCD的成像技术所覆盖的光谱范围。

【附图说明】

图1为本发明宽径锥面光纤头的端面示意图。

图2为光纤光锥与光电探测器阵列连接的示意图。

图3为本发明结构的示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步说明，以便于同行业技术人员的理解。

如图1、2、3所示，首先，将多束光纤剥去涂覆层后紧密排列在一起，利用光纤熔融拉锥机对其加热熔融后拉制成直径符合要求的细小光纤纤维体,从而实现光纤的拉锥过程，使之形成光纤光锥4。此时，光纤光锥4的光纤端为一种具有光子晶体结构的宽径锥面光纤头41，而其另一端仍为松散的光纤束42。

然后，将光纤束42各自接入一个带有光纤尾纤的高速光电二极管51，各个带有光纤尾纤的高速光电二极管规则排列并依次标号，使之形成光电探测器阵列5。此时，每束光纤尾端和其连接的高速光电二极管51就构成了一个点对点的光-电信号采集系统。

接着，利用透镜或显微成像系统3将待探测目标物2的像耦合进入锥面光纤头，再通过散开的光纤束各自将端面上的光强信号耦合进入高速的光电探测器阵列5。此时，宽径锥面光纤头上的像被分割成N×M的像单元，而每个单元的信息又可以通过高速光电二极管进行精确探测，所以相当于构成了一个N×M的CCD探测系统。即成像系统3可以是透镜或显微成像系统。

光纤光锥尾端的各个传导光纤的长度基本相等，因各个高速光电二极管探测单元尾纤长度的微小差异造成的信号不同步问题，在后续的信号处理单元解决。

最后，将光纤尾端的光电探测器阵列5的光电信号发送至一个高速DSP(或FPGA)芯片，每个光电探测器可以得到一系列电信号脉冲，用DSP(或FPGA)芯片将一束电信号与其他束电信号拍频，可以降低背景噪声，提高信噪比，由此可以实现对整个物体的图像信息高质量的采集、分析和存储，进而实现物体的高速成像功能。

下面将通过实施例一对上述过程进行详细说明：

实施例1：

案例的装置结构图如图3所示，其具体实施细节如下：

1.一束激光相干光从激光光源1射向目标物体2，目标物体2的散射光由透镜耦合系统耦合到宽径锥面光纤头41的界面。

2.宽径锥面光纤头将光信号通过光纤传递到高速光电探测器阵列5。

3.高速光电探测器阵列将探测的光强信号转换为电信号，电信号通过DSP芯片进行信号同步处理，实现对整个物体的图像信息的采集、分析，输出到成像单元进行高速成像。

作为本实施例的优选方式，所述光纤光锥4所采用的光纤为纤芯较粗的传能光纤。

作为本实施例的优选方式，所述光纤光锥4的纤芯与包层的占空比大于能正常传播信号而不会引起信号串扰的最小纤芯包层占空比。

作为本实施例的优选方式，所述的数据采集卡6由DSP高速运算芯片或FPGA数字运算芯片组成并进行信号处理。

作为本实施例的优选方式，所述锥面光纤头为具有光子晶体结构的宽径锥面光纤头。

Claims (6)

1.一种实现高速光电成像探测装置，其特征在于：包括有激光光源(1)和可利用激光光源射向目标物(2)从而使目标物成像的成像系统(3)，成像系统(3)的出像一侧设有接收成像系统(3)成像图像的光纤光锥(4)，该光纤光锥(4)的一端为排列整齐的锥面光纤头，另一端为光纤束，所述锥面光纤头正对着成像系统(3)，而各个光纤束各自连接到光电探测器阵列(5)，所述光电探测器阵列(5)的输出信号连接到数据采集卡(6)并获取整个目标物的图像信息，所述光电探测器阵列(5)为将带有光纤尾纤的高速光电二极管规则排列并依次标号，其中每个高速光电二极管各自连接到相应的各个光纤束上。

2.根据权利要求1所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述的数据采集卡(6)由DSP高速运算芯片或FPGA数字运算芯片组成并进行信号处理。

3.根据权利要求2所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述光纤光锥(4)是由将多根光纤剥去涂覆层后，捆绑成束，然后利用光纤熔融拉锥机对其加热熔融后拉制成直径符合要求的细小光纤纤维体形成的。

4.根据权利要求3所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述光纤光锥(4)尾端的各个传导光纤的长度相等。

5.根据权利要求3所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述成像系统(3)采用透镜或者显微成像系统。

6.根据权利要求3所述的实现高速光电成像探测装置，其特征在于：所述锥面光纤头为具有光子晶体结构的宽径锥面光纤头。