CN103868593A

CN103868593A - 基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置

Info

Publication number: CN103868593A
Application number: CN201410081387.8A
Authority: CN
Inventors: 杨毅彪; 王冰洁; 邹泽华; 陈智辉; 张杨; 李琳; 李祥霞
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: CN103868593B

Abstract

本发明属于光电成像领域，涉及一种具有高分辨率的且便于携带的日盲紫外成像装置，特别涉及量子点光谱转换器的制备。基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，包括紫外成像镜头、量子点光谱转换器、紧贴光谱转换器放置的CMOS、图像采集器、数字信号处理器和显示器，所述量子点光谱转换器包括顺序排列的一维光子晶体前滤波器、整齐排列且尺寸均匀的单层量子点层、一维光子晶体后滤波器。本发明提供了一种易携带、高分辨率的、可在0—30°视角范围内及25—50℃温度范围内工作的日盲紫外成像装置。

Description

基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置

技术领域

本发明属于光电成像领域，涉及一种具有高分辨率的且便于携带的日盲紫外成像装置，特别涉及量子点光谱转换器的制备设计。

背景技术

日盲段紫外光是指波长在240—280nm范围的紫外光，太阳光中这部分紫外光在经过地球大气层时几乎被完全吸收，所以在此波长范围内对目标进行紫外观测可避免太阳光干扰。

日盲紫外成像已深入到生活中的方方面面，如高压设备放电漏电检测领域，利用日盲紫外成像仪可快速安全地检测出放电位置产生的肉眼不可见的紫外电弧，进而确定故障位置，对输电安全十分重要；公安刑侦检测中通过对肉眼难发觉的指纹、血迹、汗迹进行紫外成像，可快速锁定犯罪嫌疑人，保障人民生命财产安全；在导弹红外制导、飞机红外预警受到干扰无法正常工作时，可启用备份日盲紫外制导、日盲紫外预警系统，通过对飞机、导弹尾焰进行紫外成像以判定目标。

目前现有的日盲紫外成像技术大多基于像增强器，成像过程为：紫外成像镜头对目标成像，所成物像经紫外滤光片滤光后成紫外光的像，紫外物像经像增强器光电光转换转为可见光的像，经其后连接的光锥将物像传到CMOS或CCD上，产生的电信号被光谱图像采集器采集，再经数字信号处理器处理后输入显示器。其中像增强器光谱转换过程是基于光电光转换，紫外光照射在像增强器光阴极上，激发出的光电子入射到加高压的微通道板上实现电子倍增，电子倍增后后的光电子打在荧光屏上发出可见光。此类日盲紫外成像仪使用像增强器和光锥增强物像亮度，造成仪器尺寸较大，限制了设备的集成和易携带性；在像增强器微通道板中电子倍增时需附加一定高压电场，因此对仪器电源有一定要求；电光转化次数多导致附加噪声大，成像质量较差；其分辨率受制于微通道板上微通道数和光锥根数，单个像元尺寸内只能容纳一根光纤，成像分辨率较差；此类设备所用滤光片主要为黑色透紫外玻璃滤光片和基于膜系设计的紫外滤光片，黑色透紫外玻璃滤光片在使用过程中受到紫外线照射会发生老化现象，而基于膜系设计的紫外滤光片在制备过程中任何一层膜的厚度偏差1nm就会使透射波段透射率平均降低2%，实用程度受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种易携带、高分辨率的日盲紫外成像装置。

本发明所采用的技术方案是：基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，包括紫外成像镜头、量子点光谱转换器、紧贴光谱转换器放置的CMOS、图像采集器、数字信号处理器和显示器，所述量子点光谱转换器包括顺序排列的一维光子晶体前滤波器、整齐排列且尺寸均匀的单层量子点层、一维光子晶体后滤波器。

作为一种优选方式：所述一维光子晶体前滤波器采用紫外熔融石英基底，透射入射光中的日盲段紫外光，同时反射波长为280-700nm波长范围光。

作为一种优选方式：所述一维光子晶体前滤波器采用真空镀膜装置在紫外熔融石英基底上进行制备，其结构为S（L₁/H₁）₈（L₂/H₂）₆（L₃/H₃）₈，所选材料L为ZrO₂、H为CaF₂、S为紫外熔融石英，折射率n_L=2.603，n_H=1.464，n_S=1.450，厚度分别为d_L1=0.5d₁，d_H1=0.5d₁，d_L2=0.5d₂，d_H2=0.5d₂，d_L3=0.5d₃，d_H3=0.5d₃，其中d₁=155nm，d₂=85nm，d₃=113nm，d_s=0.5mm。

作为一种优选方式：所述单层量子点层吸收所述一维光子晶体前滤波器透射的紫外光后激发相应波长可见光。

作为一种优选方式：所述一维光子晶体后滤波器透射所述单层量子点层激发的可见光，并反射未被吸收的紫外光和其他对CMOS成像有影响的光。

作为一种优选方式：所述一维光子晶体后滤波器采用真空镀膜装置在石英基底上进行制备，其结构为K（M₁/N₁）₅（M₂/N₂）₅（M₃/N₃）₄，所选材料M为MgF₂、N为GaP、K代表石英基底，折射率n_M=1.383，n_H=3.340，n_s=1. 458；厚度d_M1=0.44d₄，d_N1=0.56d₄，d_M2=0.13d₅，d_N2=0.87d₅，d_M3=0.26d₆，d_N3=0.74d₆，其中d₄=179nm，d₅=132nm，d₆=75nm，d_K=0.5mm。

作为一种优选方式：先利用相分离技术在ITO薄膜上制备单层有序排列的直径为4.3nm 的CdSe量子点层，再采用转印技术将有序排列的单层CdSe 量子点转印在前滤波器或后滤波器上，将前后滤波器粘合即可得到量子点光谱转换器。

本发明的有益效果是：1、本发明所设计的日盲紫外成像装置中集成了量子点光谱转换器，量子点光谱转换器面积与CMOS尺寸相匹配，且其厚度仅为1.0045mm，使整个成像装置体积更小。2、量子点光谱转换器的单量子点发光强度可被CMOS检测到，所以无需使用像增强器和光锥便可对目标成像，进一步减小了器件尺寸，同时对电源要求也大大降低。所设计日盲紫外成像装置在CMOS感光前只进行光光转换，附加噪声变小，成像质量提高。3、量子点光谱转换器中单层量子点层由尺寸均匀且整齐排列的单量子点组成，量子点直径一般在1—10nm范围内，单个像元尺寸内可容纳10⁴数量级量子点，所以成像装置分辨率提高，且分辨率还会随着CMOS像素的提高而进一步提高。4、由于量子点光致发光具有瞬时性且其余晖时间很短（ns级），符合紫外成像装置对故障的实时检测要求且不会影响下次观测。5、所设计日盲紫外成像装置中实现滤波的是集成在量子点光谱转换器中的前后一维光子晶体滤波器，一维光子晶体滤波器结构简单、膜层稳定不会发生老化现象、膜厚偏差10%不会影响其禁带特性。6、本发明所设计日盲紫外成像装置体积小、结构简单、分辨率高、在常用镜头0—30°视角范围内及25—50℃温度范围内均可成像，可集成在普通相机中实现对目标的高分辨率紫外成像。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的量子点光谱转换器的结构示意图；

图3是CdSe量子点光致发光谱；

图4是图2中光线正入射量子点光谱转换器时经过前滤波器层后的透射谱，其中小图为正入射时经过前滤波器层日盲段紫外光透射谱。

图5是图2中光线以15°入射角照在量子点光谱转换器时经过前滤波器层后的透射谱，其中小图为入射角增大至15°时经过前滤波器层日盲段紫外光透射谱。

图6是图2中光线以30°入射角照在量子点光谱转换器时经过前滤波器层后的透射谱，其中小图为入射角增大至30°时经过前滤波器层日盲段紫外光透射谱。

图7是图2中入射光正入射照在后滤波器层上的透射谱，其中小图为正入射时经过后滤波器层量子点光致发光谱范围内波长的透射谱。

图8是图2中入射光以15°入射角照在后滤波器层上的透射谱，其中小图为入射角增大至15°时经过后滤波器层量子点光致发光谱范围内波长的透射谱。

图9是图2中入射光以30°入射角照在后滤波器层上的透射谱，其中小图为入射角增大至30°时经过后滤波器层量子点光致发光谱范围内波长的透射谱。

其中，1、被观测目标，2、紫外成像镜头，3、量子点光谱转换器，4、、CMOS，5、图像采集器，6、数字信号处理器，7、显示器，8、一维光子晶体前滤波器，9、单层量子点层，10、一维光子晶体后滤波器，11、紫外熔融石英基底，12、石英基底。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图。如图1所示，目标1发出的紫外光经紫外成像镜头2成物像，所成紫外物像经量子点光谱转换器3后转为可见光的像，进而被其后紧贴的CMOS 4感应到产生相应电信号，图像采集器5采集的电信号经数字信号处理器6处理后输入显示器7。

如图2所示，量子点光谱转换器3包括一维光子晶体前滤波器8、整齐排列且尺寸均匀的单层量子点层9、一维光子晶体后滤波器10.所述的一维光子晶体前滤波器8采用紫外熔融石英基底11；所述的一维光子晶体后滤波器采用石英基底12。一维光子晶体前滤波器8透射入射光中的日盲段紫外光，同时反射280-700nm波长范围光，单层量子点层吸收这部分紫外光后被激发出可见光谱，一维光子晶体后滤波器10透射量子点激发的可见光谱，同时反射未被吸收的紫外光和700-1000nm之间的光。

图2中一维光子晶体前滤波器8采用真空镀膜装置在紫外熔融石英基底11上进行制备，其结构为S（L₁/H₁）₈（L₂/H₂）₆（L₃/H₃）₈，所选材料L为ZrO₂、H为CaF₂、S为紫外熔融石英，折射率n_L=2.603，n_H=1.464，n_S=1.450；厚度分别为d_L1=0.5d₁，d_H1=0.5d₁，d_L2=0.5d₂，d_H2=0.5d₂，d_L3=0.5d₃，d_H3=0.5d₃，其中d₁=155nm，d₂=85nm，d₃=113nm，d_s=0.5mm。

图2中一维光子晶体后滤波器10采用真空镀膜装置在石英基底12上进行制备，其结构为K（M₁/N₁）₅（M₂/N₂）₅（M₃/N₃）₄，所选材料M为MgF₂、N为GaP、K代表石英基底，折射率n_M=1.383，n_H=3.340，n_s=1. 458；厚度d_M1=0.44d₄，d_N1=0.56d₄，d_M2=0.13d₅，d_N2=0.87d₅，d_M3=0.26d₆，d_N3=0.74d₆，其中d₄=179nm，d₅=132nm，d₆=75nm，d_K=0.5mm。

图3为CdSe量子点光致发光谱，其中1#量子点直径为4.3nm，发光峰在614nm ；2#量子点直径为4.9nm，发光峰在620nm。在25—50℃温度变化范围内，量子点光致发光谱中心波长最大偏移2nm。本发明以1#量子点为例进行设计来说明本发明所设计高分辨率日盲紫外成像仪。

先利用相分离技术在ITO薄膜上制备单层有序排列的直径4.3nm CdSe量子点，再采用转印技术将有序排列的单层CdSe 量子点转印在前滤波器或后滤波器上，将前后滤波器粘合即可得到量子点光谱转换器3，所设计量子点光谱转换器3总厚度仅为1.0045mm，而且由于量子点的整齐排列，还可提高整个紫外成像装置的分辨率。

图4为所设计一维光子晶体前滤波器正入射时220—800nm范围内透射谱，其中小图为日盲段内透射谱，入射角为0°时TE、TM模光重合，计算结果表明，正入射时日盲段范围内紫外光透射率最大可达99.2%，最小可达43.8%。

图5为所设计一维光子晶体前滤波器入射光角度增大至15°时220—800nm范围内透射谱，其中小图为日盲段内透射谱，实线位TE模光，虚线为TM模光，计算结果表明，当入射角增大至15°时，255-280nm范围紫外光能量平均透射率仍可达到59%。

图6为所设计一维光子晶体前滤波器入射光角度增大至30°时220—800nm范围内透射谱，其中小图为日盲段内透射谱，实线位TE模光，虚线为TM模光，计算结果表明，当入射角增大至30°时，250—280nm范围紫外光平均透射率仍可达到51.9%。

图7为所设计一维光子晶体后滤波器正入射时200—1100nm范围内透射谱，其中小图为量子点光致发光谱范围内的透射谱，入射角为0°时TE、TM模光重合，计算结果表明，正入射时后滤波器透射范围为585-646nm，完全覆盖量子点发光谱，发光谱峰值614nm处透射率可达99.6%，半高宽为32nm（603-635nm），609-629nm范围内光透过率在90%以上；在25—50℃温度变化范围内，中心波长最大偏移2nm，所设计后滤波器仍可完全覆盖量子点光致发光谱。

图8为所设计一维光子晶体后滤波器入射角增大至15°时200—1100nm范围内透射谱，其中小图为量子点光致发光谱范围内的透射谱，实线位TE模光，虚线为TM模光，计算结果表明，入射角为15°时后滤波器透射范围为570-648nm，仍可完全覆盖量子点发光谱，发光谱峰值614nm处透射率为94%，半高宽为36nm（594-630nm）；在25—50℃温度变化范围内，所设计后滤波器仍可完全覆盖量子点光致发光谱。

图9为所设计一维光子晶体后滤波器入射角增大至30°时200—1100nm范围内透射谱，其中小图为量子点光致发光谱范围内的透射谱，实线位TE模光，虚线为TM模光，计算结果表明，入射角为30°时后滤波器透射范围为540-640nm，完全覆盖量子点发光谱，发光谱峰值614nm处透射率为70.5%，半高宽为52nm（567-619nm）；在25—50℃温度变化范围内，中心波长最大偏移2nm，所设计后滤波器仍可完全覆盖量子点光致发光谱。

综上所述，本发明的日盲紫外成像装置体积小、分辨率高，在常用镜头0—30°视角范围内及25—50℃温度范围内均可成像，所设计日盲紫外成像装置可集成在普通相机中实现对目标的高分辨率紫外成像。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。量子点种类很多，紫外和可见光一维光子晶体滤波器材料也很多，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有实施方式加以举例。因此，本发明的保护范围应以权利要求书界定为准。

Claims

1.基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，其特征在于：包括紫外成像镜头、量子点光谱转换器、紧贴光谱转换器放置的CMOS、图像采集器、数字信号处理器和显示器，所述量子点光谱转换器包括顺序排列的一维光子晶体前滤波器、整齐排列且尺寸均匀的单层量子点层、一维光子晶体后滤波器。

2.根据权利要求1所述的基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，其特征在于：透射入射光中的日盲段紫外光，同时反射波长为280-700nm波长范围光。

3.根据权利要求2所述的基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，其特征在于：所述一维光子晶体前滤波器采用真空镀膜装置在紫外熔融石英基底上进行制备，其结构为S（L₁/H₁）₈（L₂/H₂）₆（L₃/H₃）₈，所选材料L为ZrO₂、H为CaF₂、S为紫外熔融石英，折射率n_L=2.603，n_H=1.464，n_S=1.450，厚度分别为d_L1=0.5d₁，d_H1=0.5d₁，d_L2=0.5d₂，d_H2=0.5d₂，d_L3=0.5d₃，d_H3=0.5d₃，其中d₁=155nm，d₂=85nm，d₃=113nm，d_s=0.5mm。

4.根据权利要求1所述的基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，其特征在于：所述单层量子点层吸收所述一维光子晶体前滤波器透射的紫外光后激发相应波长可见光。

5.根据权利要求1所述的基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，其特征在于：所述一维光子晶体后滤波器透射所述单层量子点层激发的可见光，并反射未被吸收的紫外光和其他对CMOS成像有影响的光。

6.根据权利要求5所述的基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，其特征在于：所述一维光子晶体后滤波器采用真空镀膜装置在石英基底上进行制备，其结构为K（M₁/N₁）₅（M₂/N₂）₅（M₃/N₃）₄，所选材料M为MgF₂、N为GaP、K代表石英基底，折射率n_M=1.383，n_H=3.340，n_K=1. 458；厚度d_M1=0.44d₄，d_N1=0.56d₄，d_M2=0.13d₅，d_N2=0.87d₅，d_M3=0.26d₆，d_N3=0.74d₆，其中d₄=179nm，d₅=132nm，d₆=75nm，d_K=0.5mm。

7.根据权利要求1-6权利要求中的任意一项权利要求所述的基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置，其特征在于：先利用相分离技术在ITO薄膜上制备单层有序排列的直径为4.3nm 的CdSe量子点层，再采用转印技术将有序排列的单层CdSe 量子点转印在前滤波器或后滤波器上，将前后滤波器粘合即可得到量子点光谱转换器。