CN103913806A - Qwip-led与emccd间采用光纤耦合的红外成像探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种QWIP-LED与EMCCD间采用光纤耦合的红外成像探测系统，系统使用光纤传像束将QWIP-LED红外上转换得到的近红外图像耦合到EMCCD进行成像，实现长波红外目标的EMCCD探测。本系统的优点是：一方面使用光纤传像束可以有效地提高红外图像从QWIP-LED向EMCCD的传输效率，从而使得系统的探测效率更高；另外一方面探测系统的空间尺寸可以得到明显减小。

Description

QWIP-LED与EMCCD间采用光纤耦合的红外成像探测系统

技术领域：

本专利涉及一种红外成像探测系统。具体是指一种QWIP-LED与EMCCD间采用光纤耦合的红外成像探测系统，该技术可用于长波红外成像探测领域。

背景技术：

红外上转换技术一直以来是各国研究人员的一个研究热点，其目的是为了将目标的中长波红外光辐射转变成近红外光或者可见光图像信息，然后用商用CCD或者CMOS进行成像，替代价格昂贵的传统红外面阵探测器。现有的红外上转换技术有热激红外上转换、参量红外上转换、稀土材料红外上转换和PD-LED红外上转换技术等。从工艺成本、量子效率、响应波段范围以及应用成本来讲PD-LED都具有显著优势。PD-LED结构上是由PD（光电效应）面板与LED面板粘合串联组成，整个器件工作在恒定偏压下。正常工作时，PD区域吸收入射红外光产生载流子，载流子在偏压作用下流向LED区域，与空穴发生复合效应激发出近红外光，实现红外光的频率上转换。PD-LED的典型代表是QWIP-LED，该器件可将入射的长波红外光（7.8μm）转变成近红外光（870nm）输出。

基于QWIP-LED器件的红外成像探测系统的光学分系统由两部分组成，分别是长波红外光学系统和近红外光学系统。长波红外光学系统作用是收集目标所发出的长波红外辐射，成像于QWIP-LED器件的QWIP区域。近红外光学系统的作用是收集QWIP-LED器件发出的近红外光，成像于EMCCD。

近红红外光学系统一般采用传统光学方案实现，其缺点是近红外系统光学效率低下，具体表现在两个方面：首先，由于QWIP-LED具有较高的材料折射率（QWIP-LED约为3.5），大部分出射的近红外光在LED与空气的界面上发生了全发射，使得光出射率极低，对于QWIP-LED器件该值低于2%（1/n2）；其次，对于从QWIP-LED成功出射的近红外光，传统光学系统最多只有10%的收集能力，使得最终到达EMCCD的近红外光不足0.2%。光学效率低下是制约QWIP-LED广泛工程应用的主要因素，如何提高基于QWIP-LED的红外成像探测系统的光学效率是研究人员的重要研究课题。

使用光纤传像束进行光学耦合的研究已经进行了多年，取得了飞速的发展。光纤传像束以其自身优势（长度和空间自由度大、数值孔径大以及无像差等）在工业检测监控、医疗诊断以及军事等领域已经有了广泛的应用。具体来说光纤传像束在图像分辨率、数值孔径以及透过率等光学指标都具有优异性能。

图像分辨率是光纤传像束的重要指标，决定该指标的主要因素是单根光纤束的直径以及光纤束的排列方式。高分辨率意味着光纤束直径一定要小，目前国内可批量生产的光纤传像束的单根光纤束直径可达4μm，已达到国际先进水平。另一方面，研究表明正三角形排列的光纤传像束具有最高的图像分辨率，比正方形排列方式高15%。数值孔径代表光学系统集光能力，是光纤传像束另外一个重要指标。与传统光学系统相对应，光纤的数值孔径由纤芯材料折射率n₁和包层材料折射率n₂决定，表达式为纤芯与包层材料折射率分别为1.787和1.520时，光纤的数值孔径可达0.9396，远大于传统光学系统可达到的水平。透过率是光纤传像束的第三个重要指标，其主要决定因素是器件制备过程中包层材料与纤芯材料的相互渗透所形成的缺陷。通过优化制备工艺，国内所研制的光纤传像束能达到的透过率在90%以上。

发明内容：

基于以上技术背景，本发明提出一种QWIP-LED与EMCCD间采用光纤耦合的红外成像探测系统。该方法使用光纤传像束进行QWIP-LED与EMCCD之间的光耦合。一方面光纤传像束的大数值孔径、高透射率以及高分辨率等特性以及光学胶粘剂的使用可以使得近红外光可在QWIP-LED与EMCCD之间实现高效耦合；另外一方面使用光纤传像束可以大大减小近红外光学系统的空间尺寸。

本专利提出了基于光纤传像束实现QWIP-LED与EMCCD之间近红外光耦合的红外成像探测系统，其实现示意图如图1所示。

本系统构成由长波红外光学系统1，QWIP-LED2，光纤传像束3，EMCCD4，电子学单元5，上位机6组成。

所说的长波红外光学系统1是指基于传统光学的光学系统，其光学参数如焦距、F数等可根据实际应用需求进行设计。

所说的QWIP-LED2是指一种具有红外上转换功能的探测器，可将目标景物的像从长波红外波段搬移到近红外波段，以LED发光的方式输出图像。

所说的光纤传像束3在本系统中用于实现近红外光学系统。光纤传像束横截面积要大于等于EMCCD光敏面面积。采用特殊光学胶粘剂将光纤面板的一个端面粘合到QWIP-LED的LED出射面上，另外一端面粘合到EMCCD光接收面上。近红外光学系统的具体实现要按照如下要求：

1）.光纤传像束的选择：长度无限严格限定，可根据制冷难度等因素做调整；单根光纤束的直径小于EMCCD的像元尺寸，选择在4-6μm的范围；光纤排列选择正三角紧密排列方式。纤芯材料对近红外波段的透过率高于90%。

2）.光学胶黏剂的选择：折射率接近光纤纤芯材料折射率；低温下有足够的韧性,在低温40K的环境下依然保持良好的特性；在近红外波段有很好的透过率，达到90%以上。

3）.光纤传像束3与QWIP-LED、EMCCD的粘合连接：将光纤传像束的一个端面粘合到QWIP-LED的光出射面，将另一端面粘合到EMCCD的光敏面。所述的光纤传像束3单根光纤直径小于EMCCD像元尺寸；光纤排列选择正三角紧密排列方式，纤芯材料对近红外波段的透过率高于90%。光学胶粘剂的折射率与光纤材料折射率相同，近红外波段透过率高于90%；光纤传像束在与EMCCD粘合时，胶粘剂中掺入少量的直径与单根光纤直径相近且折射率与光学胶粘剂相同的玻璃微珠。

对QWIP-LED发出的光进行成像探测属于微光探测的范畴，为实现更高探测率，选择EMCCD作为系统电子学图像的获取单元。

所说的电子学单元5，其主要功能是为EMCCD提供驱动时序、为AD模块提供驱动时序、获取EMCCD输出图像、进行图像预处理以及实现图像数据向上位机端的高速传输。

所说的上位机6，其作为系统的用户终端，主要提供指令发送，图像接收与显示，数据存储，图像处理等功能。

本发明的优点在于：

1.一方面光纤传像束的自身特性使得本系统能够将QWIP-LED所转换来的近红外图像高光学效率地成像于EMCCD；另外一方面近红外光学系统的安装方式使得QWIP-LED器件的输出光在入射EMCCD之前不再经过折射率较低的空气介质，使得QWIP-LED与EMCCD之间有着更高的光耦合效率。该系统可使得红外探测率明显提高。

2.光纤传像束的使用大大降低了系统中近红外光学系统的尺寸，从而见减小了整个成像探测系统的空间尺寸，为系统能够应用于天基红外探测领域提供了有利条件。

附图说明：

图1是系统的结构框图。

图2是光纤传像束与QWIP-LED和EMCCD粘合示意图。

图3是QWIP-LED、光纤传像束和EMCCD装配图以及制冷设备分布。

具体实施方式：

根据说明书所述的系统结构进行系统的设计与搭建。

长波红外光学系统1的设计根据传统光学系统的设计方法进行，按照不同的应用场景设计相应的视场角、F数以及焦距等光学参数，其成像焦平面为QWIP-LED所在的平面。

QWIP-LED2的选择。选择具有较高红外吸收效率和内量子效率的透射式QWIP-LED类型。在器件定制过程中其有效面积只要与EMCCD光敏面面积相当既可。为QWIP-LED提供正常工作所需的直流偏压。

光纤传像束3的选择。长度无严格限定，可按照制冷难度等因素做调整；单根光纤束的直径要求小于EMCCD的像元尺寸，可选择单根光纤直径在4-6um的光想传像束；选择纤芯材料和包层材料折射率差要尽量大的外包型光纤；光纤排列选择正三角紧密排列方式；纤芯材料对近红外波段的透过率要尽量高，最好达到90%以上。

光学胶粘剂的选择：材料折射率尽量接近光纤的纤芯材料折射率；低温下有足够的韧性,在40K（QWIP-LED工作温度）的环境下依然保持良好的特性；在近红外波段有很好的透过率，达到90%以上。

光纤传像束与QWIP-LED、EMCCD的粘合连接：将光纤传像束的一个端面粘合到QWIP-LED的光出射面，将另一端面粘合到EMCCD的光敏面；为保证光纤传像束与EMCCD之间的粘合缝隙厚度均匀，光学胶粘剂中加入10-20粒尺寸相同、直径与单根光纤直径接近且折射率与光学胶粘剂相同的玻璃微珠，如图2所示；三者的实际装配图可如图3所示。

电子学单元的设计，包括模拟电路设计和数字电路设计。具体来说包括EMCCD外围驱动电路模块，AD转换模块，逻辑时序驱动模块、图像数据获取和处理模块以及图像传输模块的设计。使用FPGA为EMCCD和提供驱动时序。使用FPGA和DSP实现图像获取与处理模块。图像传输模块采用千兆以太网实现，采用UDP作为数据的传输协议，图像数据发送接口和协议模块都由FPGA实现。

为系统提供相应工作环境温度（QWIP-LED：40-50K，EMCCD：70-80K）。使用制冷系统提供各器件所需低温工作条件。为保证QWIP-LED和EMCCD之间的温度梯度，可在光纤传像束上使用加热器。系统的制冷器分布如图3所示。

在上位机端为系统设计控制界面，选择Socket作为以太网的通信接口，设计控制指令面板，设计图像显示窗口。

Claims (2)

1.一种QWIP-LED与EMCCD间采用光纤耦合的红外成像探测系统，系统包括：长波红外光学系统（1）、QWIP-LED（2）、光纤传像束（3）、EMCCD（4），电子学单元（5）和上位机（6），其特征在于：所述的QWIP-LED（2）与EMCCD（4）之间采用光纤传像束进行光学耦合；所述的光纤传像束（3）单根光纤直径4-6μm；光纤排列选择正三角紧密排列方式，纤芯材料对近红外波段的透过率高于90%。

2.根据权利要求1所述的一种QWIP-LED与EMCCD间采用光纤耦合的红外成像探测系统，其特征在于：所述的光纤传像束（3）通过光学胶粘剂分别将QWIP-LED（2）和EMCCD（4）耦合连接在一起；光学胶粘剂的折射率与光纤材料折射率相同，近红外波段透过率高于90%；光纤传像束在与EMCCD粘合时，胶粘剂中掺入少量的直径与单根光纤直径相近且折射率与光学胶粘剂相同的玻璃微珠。