CN111579064A - 基于量子点荧光延时的紫外/可见光信号探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于量子点荧光延时的紫外/可见光信号探测系统及方法，属于基本电气元件的技术领域。系统包含封装外壳和依次设置的变焦透镜组、带有外围转速可调的斩波片、涂敷有具有荧光延时的量子点储能片、成像光学光斑大小调节系统、斩波片和CCD相连的外围同步触发电路、可见光CCD探测器、可见光CCD探测器相连的图像信号处理单元。本发明通过掺杂量子点实现紫外信号的光谱转换实现紫外信号的探测，通过外部同步触发电路实现紫外/可见信号的分时输出，通过后期的图像处理单元融合原本空间上被分离的时间序列信号，实现信息的再现，与现有技术相比，具有结构简、性能稳定、易于加工、可移植性强、成本较低等特点。
Description
技术领域
本发明公开了基于量子点荧光延时的紫外/可见光信号探测系统及方法，具体涉及一种量子点紫外探测成像技术，属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
在现代光电探测技术中，紫外波段越来越受到人们的重视，成为继激光探测技术之后发展起来的另一种极为重要的技术，由于宇宙空间、火焰、石油以及高压线的电晕现象都会产生紫外辐射信号，因此紫外探测在航空、通讯、民用检测等领域都有着广泛的应用需求。
紫外光电探测器件可以分为两大类：光电发射型紫外探测器与半导体紫外探测器。光电发射型紫外探测器件的基本原理是外光电效应，当辐射光照射在某些金属、金属氧化物或者半导体材料表面时，当光子能量hv大于禁带宽度与表面势垒时，材料内的某一些电子从表面逸出形成光电子。半导体紫外探测器根据工作原理可以分为光电导型和光电二极管型。光电导型主要利用光电导效应，即当半导体吸收能量足够大的光子后，把其中一些电子和空穴从原本不导电的束缚态变为导电的自由态，从而使得半导体的电导率增加；光电二极管型主要利用光生伏特效应，对PN或PIN结加反向偏压，当结区吸收足够大的光子后，反向电流会增加，还包含利用表面势制作成的各种结型探测器，包含金属-氧化物-金属点接触二极管和肖特基势垒二极管。如果根据紫外探测的材料进行一个划分，半导体紫外探测器可以分为SiC基、ZnO基、金刚石基、GaN基、AlGaN基等几个大类。
基于电荷耦合的CCD(Charge-coupled Device)的可见光探测技术已经十分成熟，并且量产的CCD已应用于大部分工业探测或民用领域，理论上讲，CCD对于0.1-1100nm的光波长都有一定的响应，但是探测器本身的多晶硅电极对小于400nm的光波长有强烈的吸收效应使得CCD在紫外探方面受到限制，因此改变探测器的结构或者改探测材料将成为最为直观的解决紫外探测的有效手段。
从结构上看，目前采用较多的是双通道探测结构，利用一个分光棱镜，通过调节一定的参数使得紫外与可见信号分离，然后用两个探测器分别对信号实现探测，这种探测思路相对直观简单，但是增加了探测器数量，原来的系统从结构复杂度的角度来说，复杂度提升一倍，因此在实际生活与生产中应用较少。
从材料上来看，紫外固体成像器件主要集中于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体制成。GaN、InN、AlN三种材料的禁带宽度分别为3.4eV、1.9eV、6.2eV，覆盖了可见到紫外波段，从而在紫外成像器件制备材料的选择上有了很大的余地。与成熟的Si相比，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体具有耐高温、低介电常数、耐腐蚀、抗辐射等优良特点，十分适合用于制作抗辐射、高频、大功率的高密度集成器件。但是对于正照射的AlGaN/GaN异质结构，在材料生长方面存在相当的难度，一是GaN上外延AlGaN存在厚度限制，随着AlGaN组分的增加，AlGaN的临界厚度迅速减小；二是AlGaN的掺杂，对于目前的材料生长技术而言，一般都是先外延n型材料，再外延p型材料，因为n型材料的质量要比p型材料好得多。因而对于AlGaN/GaN异质结构，上面的AlGaN必须进行p掺杂，难度也是比较大的。而背照式的结构同样也存在许多问题，由于目前特别是国内GaN基材料的外延技术都是以GaN为缓冲层的生长技术，而背照式结构本身则需要以AlN为缓冲层，在成核条件和机理方面还存在较大差异，因此目前以AlN为缓冲层的材料往往比以GaN为缓冲层的材料质量要差一些。
基于荧光延时进行光谱转换的紫外探测器件的研究已经有半个世纪的历史了，如今被证实可以使用的荧光材料有水杨酸钠、四苯基-丁二烯等，但是这些材料的稳定性较差，容易升华，因此需要在表面镀一层保护膜才能使用，但是这大大降低了感光效果。此外，薄膜厚度也是影响探测效率的主要因素之一，太薄会导致荧光效率下降，太厚则会存在散射和横向扩散的问题，因此未能有实际应用。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，基于掺杂量子点的荧光延时特性提供了基于量子点荧光延时的紫外/可见光信号探测系统及方法，并基于一定的硬件触发手段实现了探测信号的单通道分离，且探测结构简单性能稳定、易于加工、可移植性强、成本较低，解决了双通道探测系统结构复杂、基于荧光延时进行光谱转换的紫外探测器的探测效率受表面镀膜厚度影响的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于量子点荧光延时的紫外/可见探测系统包含封装外壳和依次设置的变焦透镜组、带有外围转速可调的斩波片、涂敷有具有荧光延时的量子点储能片、成像光学光斑大小调节系统、与斩波片和CCD相连的外围同步触发电路、可见光CCD探测器、与可见光CCD探测器相连的图像处理单元。其中，斩波片、光学储能元件、光斑调节系统、同步触发电路、可见光探测器CCD及图像信号处理单元均设置于封装外壳中；斩波片的旋转速度或者说斩光频率与CCD的帧率具有一定的数量关系，CCD的帧率大于两倍的斩光频率；光学储能元件表面具有特殊结构，形成类似于单个新光源的发光点阵列；外部触发电路能够将斩波片的开闭与图像的输出建立一种联系；同步触发电路还具有输出稳定性判定作用，能够在斩波片转动控制信号与实际通过光开关采集到的转动电信号相位差超过一定值时实现输出清零。
上述方案中，量子点为ZnCdS:Mn/ZnS的锰掺杂量子点。
上述方案中，变焦头透镜组的作用在于调节成像光斑的尺寸，使得光斑到达斩波片平面时与斩波片同一叶片的两条半径相切。
上述方案中，光学储能元件采用金属微孔阵列填充的方法，将掺杂量子点材料填充进金属微孔，有效避免了横向发光效应的影响，减小了相邻串扰。
上述方案中，探测器件的帧率应该大于等于(1/脉冲光周期)*2，且探测器对于400nm前的光截止。
上述方案中，外围触发电路将在斩波片稳定后，将光信号转化为一个电信号，并在其下降沿时刻输出一个TTL电平，触发后期CCD探测器开始采集信息。
上述方案中，通过斩波片的外部控制电路实现输出稳定性的判别，将采集斩波片的转动控制信号相位实际采集到的转动电信号相位，当相位差超过阈值φth时，判定输出无限并将输出清零，当且仅当相位差小于阈值时认为系统稳定。
基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测及图像序列分离方法，通过CCD探测器采集斩波片使得光路处于通(通光)状态下的可见光信号以及斩波片使得光路处于断(断光)状态下的紫外光信号，光路处于断状态下时实质为采集紫外光转化后得到的可见光信号。
上述方法中，获得斩光片转动时的电信号,用于触发CCD探测器的图像采集；获得斩波片本身的转动信号与实际转动对应的周期电信号差值，用于对系统的稳定性判定及图像输出清零。
本发明提出的基于掺杂量子点荧光延时实现紫外/可见单通道探测系统与图像序列分离的方法，通过量子点的荧光延时将紫外信号转化为可见信号，实现紫外信号探测；并基于探测器件，利用斩波片的输出信号对采集器件进行同步触发控制实现紫外可见信号的分离,与现有结构和技术相比，具有结构简单、性能稳定、成本较低的特点。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明基于量子点的荧光延时与波长转换特性，通过斩波片及其外部控制设备、图像采集设备、同步触发电路、可见光探测器，对于原有的紫外探测系统进一步改进，通过同步触发电路建立斩波片输出脉冲光与图像采集设备的关联，掺杂量子点储能元件将紫外光转换为可见光波长范围内的荧光，通过可见光探测器即可获取可见光/紫外光的采集，实现了单通道双波段信号的探测，且通过一定的控制方法实现了原本空间内信号在时间上的分离，结构简单，成本较低，复用性强。
附图说明
图1是本发明基于掺杂量子点的荧光延时实现紫外/可见信号探测并进行图像序列分离的结构示意图。
图2是本发明实施例中斩波片对应的实物图。
图3是本发明实施例中光学储能元件对应的结构图。
图4是本发明实施例中所用的厚壳层ZnCdS:Mn/ZnS的锰掺杂量子点的吸收荧光和荧光转换示意图。
图5是本发明实施例中紫外/可见信号探测响应的示意图。
图6是本发明实施例中外部触发信号即斩波片转动信号对应的电信号测量结果图。
图7是本发明实施例中外部触发边沿(下降沿)的时间测量结果图。
图8是本发明实施例中基于量子点的荧光延时和斩波片提供外部触发信号实现图像输出的模型图。
图9是本发明实施例基于掺杂量子点的荧光延时实现紫外/可见探测及图图像序列分离方法的流程图。
附图标记说明：1、变焦透镜组；2、斩波片；3、掺杂量子点储能元件；4、光斑整形镜组；5、同步触发电路；6、CCD探测器；7、图像处理单元；8、封装外壳。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
量子点独特的结构特点决定了其在探测领域有巨大的应用潜力与前景，掺杂量子点因相比于传统量子点具有更高的热稳定性近年来一度成为研究热点。本发明基于量子点的荧光延时这一物理事实，将原本对紫外信号的探测转换为对可见信号的探测，并基于一定的触发电路与图像处理技术，实现了单通道紫/可见信号的探测。
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；另外还需说明的是，为了方便描述，附图中仅显示了与本发明有关的部分结构而非全部结构。
如图1所示，本发明公开的一种基于量子点荧光延时的紫外/可见探测系统包含封装外壳8和依次设置的变焦透镜组1、转速可调的斩波片2、涂敷有具有荧光延时特性的掺杂量子点储能元件3、光斑整形镜组4、与斩波片和CCD相连的外围同步触发电路5、CCD探测器6、与CCD探测器相连的图像处理单元7。其中，斩波片2、掺杂量子点储能元件3、光斑整形镜组4、同步触发电路5、CCD探测器6及图像处理单元7均封装于封装外壳8中；通过同步触发电路5建立了斩波片2和CCD探测器6之间的一定联系。
变焦透镜组1用于聚焦光路并且对光斑的大小进行调制，使得成像光斑到达斩波片所在的平面时边缘与斩波片的每一页边缘可以相切，因为实验验证，光斑的尺寸对于后期的光信号转化为触发电信号有重要的影响。
斩波片的作用在于将连续光变为频率恒定的脉冲光，正是利用这个脉冲光不存时这一状态下的荧光延时特性实现了紫外信号的探测，同样也是基于这一特性实现了原本空间信号在时间上的分离。如图2所示，通光状态对应的时间为Ton，不通光对应的时间为Toff，Ton和Toff可以通过改变斩波片的空间结构做出相应的调整，具体方法为将有的通光孔进行遮光处理，进行这种有规律的操作，可以改变脉冲光的频率与占空比，本例默认占空比为0.5。为了在不同光的时间段实现对紫外信号的探测，Toff应该大于等于荧光延时时间，为了保证输出图像的完整性，可以认为Toff为荧光延时时间的整数倍。在忽略探测器帧率的情况下，为了方便研究，本例选取的Toff为荧光延时的1倍，即荧光延时本身时长。
掺杂量子点储能元件的制备采用光刻的方法，为了减少最终填充量子点所引起的横向交叉串扰，采用金属微孔阵列填充的方法，具体过程如图3所示，从上往下别是水溶性光刻胶层、金属微孔阵列层、PMMA层。在金属微孔阵列层下面形成PMMA有机层，因为是采用类似于浇筑的填充方法，所以PMMA层的作用在于防漏；上层采用与金属微孔相匹配的水溶性正光刻胶层，其目的在于填充量子点时隔离相邻孔的表面，使掺杂量子点注入到横贯微孔与水溶性光刻胶的阵列；最后采用热熔与水溶的方法分别将上下两层去除，从而形成储能金属面板。
上述与金属微孔阵列层相匹配的水溶性正光刻胶阵列采用光刻工艺的一部分进行成型，用金属微孔作为掩模板，用紫外光进行照射，从而被光照射的部分在水溶剂中溶解，从而形成此结构。
具体而言，光学储能元件上所用的掺杂量子点为ZnCS:Mn/ZnS的锰掺杂量子点。该量子点是一种绿色无毒的半导体材料，性能稳定，如图4所示，激发谱42具有单个荧光峰位，在575nm左右，位于CCD探测器的敏感波长范围以内；吸收谱41在400nm之前，对应CCD探测器的不敏感区域，且可见光波长无法激发量子点产生荧光，有效地避免了背景光的影响。
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单分子层获得。斯托克斯位移是相同电子跃迁在吸收光谱和发射光谱最强波长之间的差值，是一个表示分子发光的物理常数。本发明所用的量子点是锰掺杂量子点，包覆宽禁带半导体材料，可以产生较大的斯托克斯位移，有效避免量子点的自吸收，并且具有较高的光谱转化效率。
用紫外光激发量子点制备的储能元件时，如图5所示，由于光斑本身具有一定面积以及探测器响应速度的影响，信号上升过程tr为光斑慢慢进入通光叶片的过程，水平信号th为光斑完全进入通光叶片保持最大光强不变的过程，tdealy为光斑被遮挡后光强下降过程，tdealy由于掺杂量子点的荧光延时特性存在一个较长时间的拖尾。
所用的光敏管为北京敏光科技有限公司的10mm Silicon PIN Photodiode，其名称为LSSPD-10，具有暗电流小、响应度度高等特点，585nm处的响应为0.3mA/mw。之所以强调光斑尺寸在于实验发现光敏感对于光功率存在一个阈值响应，理论上说，光斑的极限尺寸如果能接近于0，那么光斑被遮挡这一个过程将在一个极端的时间内完成，上升沿的时间展宽将完全依赖于PIN管的响应速度，但是阈值功率的存在限制了光斑的面积，即只有光斑面积大于等于Sth时，才能认为感应出光电流，本例所取光斑位于一定高度时，成像光斑与同一波片两个半径相切。
当波片处于Ton的状态下时，紫外/可见光同时打到储能元件上，因为量子点本身只吸收紫外光，对可见光透明，所以可见光在这段时间被探测；当波片处于Toff状态时，可见光截至速度非常快，因为量子点的荧光延时特性，此时到达探测器的是紫外信号转化而来的可见光信号，通过这种转换实现紫外的探测。
对于可见光的探测相对较为简单，紫外光是基于荧光延时探测的，因此荧光延时时间要求探测器具有探测特性，本例所用荧光延时为2ms，那么便要求探测器件器的帧率至少为500FPS，这样才能保证理论上一个荧光延时的时间内捕捉到一张画面。
基于这样一个假设，所选用的可见光探测器为MV-SUA33GM-T USB3.0，这是一种高速黑白工业相机，最大帧率为790FPS；所采用的传感器件为SMARTSENS，特点是敏感波长为550nm，与量子点的激发波长比较接近，且该光传感器对于波长小于400nm的光响应度降低且对紫外信号不敏感。
黑白高帧率工业相机支持外部电平或边沿触发模式，这为建立斩波片的转动与图像信号采集的联系提供了有利契机，为了得到一个图像采集的控制信号，首先需要将斩波片的转动信号转化为一个电信号。
斩波片的外围控制电路采用对射型的光开关对斩波片的信号进行采集，所用光开关为欧姆龙EE-SX-670，当斩波片旋转时，光开关输出电信号如图6所示，可以看出，输出电信号与脉冲光信号的频率一致。
通过图7可以看出，光开关输出电信号的下降沿时间比较短，经过测量，下降延时间Tdrop小于2us。
基于这样一种事实，本例选用ALTERA公司的Cyclone IV系列芯片，型号为EP4CE6F17C8，其正常工作的上限频率为480MHZ；为了方便控制电路的构建，直接使用FPGA黑金开发平台的AX301系列，外部时钟晶振为50MHZ，在芯片正常工作频率以内且可以捕捉到20ns以内的动作电位，相比于下降沿微秒数量级级的变化，已经满足要求。
根据以上的描述，对于紫外/可见信号的采集，可见光信号正常采集，紫外信号斩波片处于Toff状态下时，利用产生的荧光延时进行采集；图像的输出采用外部控制信号触发的方式进行输出，从而实现输出图像在时间轴上与脉冲光表征的紫外/可见状态对应。
如图8所示，上面曲线代表采集到的外部触发周期信号，矩形波为理想的控制信号，上升再急速下降代表实际的光开关输出信号，下面的图代表紫外/可见光图像探测的时间分离序列，形象点说，Ton时间段采集可见信号，Toff时间段采集紫外信号，原本时间与空间同一刻的信号进行了时间上的分离。当触发信号的下降沿到来时，开始采集信号，只要下降沿的时刻足够精准，之后的成像将以紫外/可见/紫外/可见的序列进行输出。
为了进一步对与系统进行校正，使得输出序列更加稳定，为此引入一个稳定性判别环节，将斩波片本身的控制信号与实际采集转速获取的电信号进行相位对比，当相位差超过φth时候，认为输出的图像序列无效或者不进行图像采集，当相位差小于φth时，并且在控制信号的下降沿到来时，输出一个TTL电平信号，开始图像采集，从而实现斩波片(代表了采集可见光信号生成图像时刻和采集紫外信号生成图像的时刻)与图像采集的同步。
本发明实施例基于掺杂量子点的荧光延时特性实现紫外信号的探测，巧妙利用斩波片的转动实现紫外/可见单通道宽波段探测，通过对外部触发电路的配置实现紫外/可见图形序列的分离。如图9所示，对整个系统的工作做出概述，系统开始工作，先获取斩波片的控制信号与实际采集转速获取的电信号，进一步通过对两个信号的相位差进行比较验证是否满足图像输出的一个要求，当满足要求时，在光开关输出信号的下降沿到来时开始输出图形，考虑到后期转动可能再度引起系统的不稳定，所以这种相位差的监控是一直存在的，当不满足条件时，立刻停止图像采集，从而满足输出图像的完整性与正确性。紫外/可见信号经变焦透镜汇聚，打到储能元件上，Ton时刻，紫外/可见通过，紫外被吸收，此时探测到的是可见信号，因为波片的旋转，Toff时刻可见信号瞬间截止，紫外信号照射量子点激发出的荧光经一定延时后被探测器捕捉到。同步触发可见光探测器以及图像输出是通过同步触发电路进行实时监测完成的，经过后续图像处理单元，将分离的紫外/可见信号进行融合，从而实现图像的再现。
本发明的具体实施例中未涉及到的说明属于本领域的公知技术，可以参考公知技术加以实施。
以上具体实施方式是对本发明提出的一种基于掺杂量子点的荧光延时进行紫外/可见单通道探测及图像序列分离方法的技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想在上述实施方式上所做出的任何等同变化和技术改动均落入本发明技术方案限定的保护范围。
Claims (10)
1.基于量子点荧光延时的紫外/可见光信号探测系统，其特征在于，包括：
变焦透镜组，对输入光进行变焦处理得到成像光斑；
斩波片，将成像光斑转换为通光时传输可见光不通光时传输紫外光的脉冲光；
掺杂量子点储能元件，在紫外光的激发下产生延时的荧光；
同步触发电路，根据采集脉冲光得到的电信号生成CCD探测器触发信号；
CCD探测器，探测斩波片通光时传输的可见光输出可见光探测信号，探测掺杂量子点储能元件产生的荧光输出紫外光探测信号，及；
图像处理单元，对CCD探测器输出的探测信号进行处理，在脉冲光的时间轴上生成可见光探测图像与紫外光探测图像相间隔的图像序列。
2.根据权利要求1所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测系统，其特征在于，所述CCD探测器的帧率大于两倍的斩光频率。
3.根据权利要求1所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测系统，其特征在于，调节变焦透镜组的焦距使得成像光斑与斩波片上每个叶片的两条半径相切。
4.根据权利要求1所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测系统，其特征在于，所述斩波片的不通光时间超过荧光延时的整数倍。
5.根据权利要求1所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测系统，其特征在于，所述掺杂量子点为ZnCS:Mn/ZnS 的锰掺杂量子点。
6.根据权利要求1所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测系统，其特征在于，所述同步触发电路根据斩波片转动控制信号与实际转动信号的相位比较结果判断系统的输出稳定性，在相位差超过阈值时对系统输出清零。
7.根据权利要求1所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测系统，其特征在于，还包括对斩波片通光时传输的可见光或掺杂量子点储能元件产生的延时荧光的成像光斑进行面积调节的光斑整形镜组。
8.基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测方法，其特征在于，通过权利要求1至7中任意一项所述系统实现，将成像光斑转换为频率恒定的脉冲光，采集紫外光激发掺杂量子点储能元件生成的延时荧光信号，探测斩波片通光时传输的可见光及延时荧光信号的电信号，在脉冲光的时间轴上生成可见光探测图像与紫外光探测图像相间隔的图像序列。
9.根据权利要求8所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测方法，其特征在于，根据斩波片转动控制信号与实际转动信号的相位比较结果判断系统的输出稳定性，在相位差超过阈值时对系统输出清零。
10.根据权利要求8所述基于量子点荧光延时的紫外/可见信号探测方法，其特征在于，对斩波片的所有通光孔进行遮光处理改变脉冲光的频率与占空比。
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