CN108123008B - 一种基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统及方法，所述紫外探测系统结构包括封装外壳和依次设置的透镜、带有通光孔的斩波器、小端面涂覆光滑透明掺杂量子点薄膜的光锥、可见光CCD、与所述可见光CCD信号连接的图像处理单元，其中，所述斩波器、所述光锥、所述可见光CCD以及所述图像处理单元设置于所述封装外壳中；所述可见光CCD与所述光锥的大端面紧密耦合。本发明提供的基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统及方法，通过掺杂量子点实现紫外光信号的光谱转换，进而实现紫外图像探测，相比较现有技术，具有系统结构简单、性能稳定、成本较低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体地涉及一种基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统及方法。
背景技术
随着紫外波段的应用的增加，紫外探测成像技术也随之兴起。基于电荷耦合元件(Charge-coupled Device，简称CCD)的可见光成像探测技术已经十分成熟，且量产型的CCD已经可以满足绝大部分成像探测的需求，但紫外光由于波长短易被吸收，很难直接探测。
从理论上讲，CCD对0.1～1100nm的光子都有响应，但实际上对于波长小于400nm的波段CCD是无法成像的。其原因是由于CCD表面的多晶硅电极对低于400nm的紫外线有强烈的吸收，使得紫外光线无法穿透CCD表面进入CCD内部，从而无法被探测到。因此，改变CCD结构和通过借助其他元件实现光谱转换是探测紫外光的主要途径。
现有的紫外检测方案主要分为三类：一是先利用短波通的截止滤光片将可见光排除，再通过像增强器实现光-电-光转换，紫外光在经过像增强器时可同时满足信号放大和可见光的转换，之后采用普通CCD探测；二是直接采用可响应紫外光的背照式进行CCD探测，其响应波长为200nm-1000nm；三是通过在CCD表面涂覆荧光材料实现光-光转换进行探测。
基于像增强器的成像装置已经发展得较为成熟了，但是其电子倍增装置一般体积较大还需施以千伏级的电压，并且需要短波通的截止滤光片；而背照式CCD的技术起步较晚，将随着氮化铝镓(AIGaN)外延材料的发展而获得性能提升。
应用于CCD紫外光谱转换的荧光材料，应满足以下要求：1、吸收波段在紫外区域。既有效弥补CCD对400nm之前波段的微弱响应，同时避免可见光激发造成的影响。2、激发的荧光应在CCD的敏感区域。普通前照式CCD对500-700nm的波段响应最高，荧光材料的发射谱应处在这一波段内，可被有效探测到。3、有较高的转化效率。可抑制噪声信号，同时提高CCD等效响应紫外效率。4、可见光波段有较高的透过率。背景成像不受荧光材料涂覆的影响。5、荧光强度与激发光强满足正相关。可通过探测信号衡量紫外光的强度。6、有较好的稳定性。荧光材料需暴露在紫外光及空气中，优越的稳定性可以满足探测器使用要求。7、材料的使用寿命较长。荧光材料的使用寿命应不低于探测器其他元器件的使用寿命。
基于荧光材料光谱转换的紫外探测成像装置的研究已经有半个世纪的历史了，现被科研证实可用的荧光材料有水杨酸钠、四苯基-丁二烯等，但这些有机材料稳定性差易升华，还需在其表面镀一层保护膜，降低了CCD的感光效果。此外，荧光染料的薄膜厚度也会影响探测器成像质量，薄膜厚度太薄会导致荧光效率低下，太厚则会荧光扩散影响分辨率，故一直未能得到实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统及方法，以实现紫外图像探测，且系统结构简单、成本较低。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统，所述紫外探测系统结构包括封装外壳和依次设置的透镜、带有通光孔的斩波器、小端面涂覆光滑透明掺杂量子点薄膜的光锥、可见光CCD、与所述可见光CCD信号连接的图像处理单元，其中，所述斩波器、所述光锥、所述可见光CCD以及所述图像处理单元设置于所述封装外壳中；所述可见光CCD与所述光锥的大端面紧密耦合。
上述方案中，所述光滑透明掺杂量子点薄膜的掺杂量子点为ZnCdS：Mn/ZnS厚壳层量子点。
上述方案中，所述斩波器的旋转速度和通光孔面积占空比根据掺杂量子点的寿命及成像质量调节。
上述方案中，所述光锥的放大倍数为2。
上述方案中，所述光锥为光纤光锥。
上述方案中，所述可见光CCD仅对波长大于400nm的可见光成像。
一种应用上述技术方案中的紫外探测系统的紫外探测方法，所述方法包括：获取所述斩波器的通光孔对准所述光锥时所述可见光CCD采集到的背景可见光图像信号；获取所述斩波器一个旋转周期内所述通光孔离开所述光锥时所述可见光CCD采集到的激发可见光图像信号；根据所述背景可见光图像信号和所述激发可见光图像信号获取包含背景信息的紫外探测图像。
上述方案中，所述获取所述斩波器一个旋转周期内所述通光孔离开所述光锥时所述可见光CCD采集到的激发可见光图像信号，包括：对所述斩波器的一个旋转周期内所述通光孔离开所述光锥的时段的可见光图像信号进行提取积分，得到所述激发可见光图像信号。
上述方案中，所述获取所述斩波器一个旋转周期内所述通光孔离开所述光锥时所述可见光CCD采集到的激发可见光图像信号之前，所述方法还包括：根据掺杂量子点的寿命及成像质量调节所述斩波器的旋转速度和通光孔面积占空比。
采用本发明提供的基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统及方法，通过掺杂量子点实现紫外光信号的光谱转换，进而实现紫外图像探测，相比较现有技术，具有系统结构简单、性能稳定、成本较低的特点。
附图说明
图1是本发明实施例基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统的组成结构示意图；
图2是本发明实施例中的斩波器的组成结构示意图；
图3是本发明实施例中的厚壳层ZnCdS：Mn/ZnS量子点的吸收光谱和荧光光谱示意图；
图4是本发明实施例中的紫外探测信号示意图；
图5是本发明实施例基于掺杂量子点波长转换的紫外探测方法的方法流程图。
附图标记说明：
1、透镜；2、斩波器；3、量子点薄膜；4、光锥；5、可见光CCD；6、图像处理单元；7、封装外壳；8、通光孔；21、通光孔。
具体实施方式
量子点在能源和生命科学领域有巨大应用前景，而掺杂量子点相比于传统量子点具有热稳定性高，毒性低等特点，是近来的研究热点之一。本发明实施例通过掺杂量子点实现紫外光信号的光谱转换，并以此为基础实现紫外图像探测。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统，紫外探测系统结构包括封装外壳7和依次设置的透镜1、带有通光孔的斩波器2、小端面涂覆光滑透明掺杂量子点薄膜3的光锥4、可见光CCD5、与可见光CCD信号连接的图像处理单元6，其中，斩波器2、光锥4、可见光CCD5以及图像处理单元6设置于封装外壳7中；可见光CCD5与光锥4的大端面紧密耦合。
其中，透镜1用于聚焦光路，不添加滤光片，对紫外光吸收较少。斩波器2上设有通光孔21，斩波器2高速旋转时可实现光路的切断和复通。
本发明实施例提供的紫外探测系统是单通道成像系统。紫外光和可见光同时经透镜汇聚，穿过斩波器的通光孔到达光锥4的小端面。
光锥4的放大倍数为2，该光锥为光纤光锥。光锥的小端面涂覆光滑透明掺杂量子点薄膜3，大端面与去除了保护玻璃的可见光CCD紧密耦合，以提高紫外探测系统的分辨率。
可见光到达涂覆了量子点薄膜的光锥小端面后，直接透射量子点薄膜进入光锥继续传播；紫外光则激发掺杂量子点，转换成特定波长的可见光后进入光锥内部传播。
背景光中的可见光部分，以及经锰掺杂量子点由紫外光转换而成的可见光部分，同时到达可见光CCD，进行成像探测。
本发明实施例中的可见光CCD采用WATEC-902H2U型CCIR制式相机，这是一种常规面阵CCD相机，其对400nm之前的波段几乎无响应，仅对可见光敏感，即仅对波长大于400nm的可见光成像。
斩波器不工作，且斩波器的通光孔对准光锥时，或者在斩波器工作，斩波器的通光孔对准所述光锥时，可以得到可见光CCD采集到的背景可见光图像信号。斩波器转动使得通光孔由对准光锥转换到离开光锥时，背景光迅速衰减为零，由紫外光激发的可见光则由于锰的长寿命性质，产生一定时间的余辉，将此信号提取出来与背景可见光信号进行图像融合后即得到探测目标的紫外探测图像信号。
如图4所示，信号上升沿41为打开斩波器通光孔后光信号出现，水平信号42为通光孔对准光锥时光信号保持最大强度，下降沿43为通光孔离开光锥后，背景光信号迅速衰减，紫外光激发锰掺杂量子点产生的余辉有一定时间的寿命延迟。
图像处理单元6可对可见光CCD在不同状态下探测到的图像信号进行提取、放大，并做相应图像融合处理。
本发明实施例提供的紫外探测系统巧妙地利用了量子点的光谱转换性质、采用普通可见光CCD单通道成像，系统结构简单，成本低廉，又能有效消除背景光的影响，提高了紫外探测系统的性能。
具体地，掺杂量子点薄膜的掺杂量子点为ZnCdS：Mn/ZnS厚壳层量子点。该量子点是一种绿色无毒的半导体材料，性能稳定，具有单个荧光峰位，在570nm左右，位于可见光CCD的敏感区域，吸收谱在400nm之前，对应可见光CCD的不敏感区域，且可见光部分无法激发量子点荧光，有效避免背景光的影响。
斯托克斯(stokes)位移是相同电子跃迁在吸收光谱和发射光谱中最强波长间的差值，是一个表示分子发光特性的物理常数。本发明的量子点是锰掺杂量子点，包覆宽禁带半导体材料，可以产生较大的stokes位移，有效避免量子点自吸收，并有较高的光谱转化效率。该量子点对紫外光的吸收和荧光如图3所示，其中虚线31表示吸收光谱，实线32表示荧光光谱。
ZnCdS：Mn/ZnS厚壳层量子点可以通过连续离子层吸附法在ZnCdS：Mn量子点的基础上包覆多层ZnS单分子层得到。
在本发明实施例中，斩波器2的旋转速率及通光孔面积的占空比可以根据锰掺杂量子点的寿命及成像质量调节，以保证探测信号的完整性。
本发明实施例提供的基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统，通过掺杂量子点实现紫外光信号的光谱转换，进而实现紫外图像探测，相比较现有技术，具有系统结构简单、性能稳定、成本较低的特点。
实施例二
如图5所示，本发明实施例提供一种应用实施例一中的紫外探测系统的紫外探测方法，该方法包括：
步骤501，获取斩波器通光孔对准所述光锥时可见光CCD采集到的背景可见光图像信号。
步骤502，在斩波器工作时，获取斩波器一个旋转周期内通光孔离开所述光锥时可见光CCD采集到的激发可见光图像信号。
步骤503，根据上述背景可见光图像信号和上述激发可见光图像信号获取包含背景信息的紫外探测图像。
上述激发可见光图像信号即为量子点激发可见光信号，在步骤502中，在获取可见光CCD采集到的激发可见光图像信号时，对斩波器的一个旋转周期内通光孔离开光锥的时段的可见光图像信号进行提取积分，就可以得到激发可见光图像信号。
在本发明实施例提供的紫外探测方法中，首先根据掺杂量子点的寿命及成像质量调节所述斩波器的旋转速度和通光孔面积占空比。之后，对焦该紫外探测系统。
对焦后的紫外探测系统，入射光在经过高速旋转的斩波器2后，可见光直接透射涂覆了透明量子点薄膜3的光锥4小端面，经光锥4传导到可见光CCD上；紫外光点亮光锥4小端面的量子点，转换成相应波长的可见光后经光锥4传导到可见光CCD上。当斩波器继续转动至通光孔偏移光锥后，背景光迅速衰减为零，由紫外光激发量子点产生的可见光由于掺杂量子点的长寿命则会产生一段时间的余辉，在步骤502中，将该段探测信号提取后处理，可得到被探测物的相关信息，即激发可见光图像信号；此外，在步骤501中，斩波器不工作，且斩波器的通光孔对准光锥时，或者在斩波器工作，斩波器的通光孔对准所述光锥时，可见光CCD探测的信号即为背景可见光图像信号。将两部分信号进行融合可得到完整的探测图像。
本发明实施例提供的基于掺杂量子点波长转换的紫外探测方法，通过掺杂量子点实现紫外光信号的光谱转换，进而实现紫外图像探测，相比较现有技术，具有系统结构简单、性能稳定、成本较低的特点。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于掺杂量子点波长转换的紫外探测系统，其特征在于，所述紫外探测系统结构包括封装外壳和依次设置的透镜、带有通光孔的斩波器、小端面涂覆光滑透明掺杂量子点薄膜的光锥、可见光电荷耦合元件CCD、与所述可见光电荷耦合元件CCD信号连接的图像处理单元，其中，所述斩波器、所述光锥、所述可见光电荷耦合元件CCD以及所述图像处理单元设置于所述封装外壳中；所述可见光电荷耦合元件CCD与所述光锥的大端面紧密耦合；所述光滑透明掺杂量子点薄膜的掺杂量子点为锰掺杂量子点；所述斩波器的旋转速度和通光孔面积占空比根据掺杂量子点的寿命及成像质量调节。
2.根据权利要求1所述的紫外探测系统，其特征在于，所述锰掺杂量子点为ZnCdS∶Mn/ZnS厚壳层量子点。
3.根据权利要求1所述的紫外探测系统，其特征在于，所述光锥的放大倍数为2。
4.根据权利要求1所述的紫外探测系统，其特征在于，所述光锥为光纤光锥。
5.根据权利要求3或4所述的紫外探测系统，其特征在于，所述可见光电荷耦合元件CCD仅对波长大于400nm的可见光成像。
6.一种应用权利要求1至5任一项所述的紫外探测系统的紫外探测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取所述斩波器的通光孔对准所述光锥时所述可见光电荷耦合元件CCD采集到的背景可见光图像信号；
获取所述斩波器一个旋转周期内所述通光孔离开所述光锥时所述可见光电荷耦合元件CCD采集到的激发可见光图像信号；
根据所述背景可见光图像信号和所述激发可见光图像信号获取包含背景信息的紫外探测图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取所述斩波器一个旋转周期内所述光孔离开所述光锥时所述可见光电荷耦合元件CCD采集到的激发可见光图像信号，包括：对所述斩波器的一个旋转周期内所述通光孔离开所述光锥的时段的可见光图像信号进行提取积分，得到所述激发可见光图像信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述获取所述斩波器一个旋转周期内所述通光孔离开所述光锥时所述可见光电荷耦合元件CCD采集到的激发可见光图像信号之前，所述方法还包括：根据掺杂量子点的寿命及成像质量调节所述斩波器的旋转速度和通光孔面积占空比。
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