CN1844955A

CN1844955A - 一种宽谱短波红外激光成像探测器

Info

Publication number: CN1844955A
Application number: CN 200610012660
Authority: CN
Inventors: 王金玉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-30
Filing date: 2006-04-30
Publication date: 2006-10-11

Abstract

本发明提供了一种宽谱短波红外激光成像探测器，涉及红外光的探测技术领域。它包括机壳、将短波红外激光转换成可见光的光转换装置、光学耦合装置及可见光成像装置，上转换板的上设有电子俘获型上转换材料沉积层；可见光成像装置为硅阵列探测器；并有图像处理装置。本发明不仅具有宽谱短波红外激光的成像探测能力，而且具有分辨率高、灵敏度高、响应快速、性能可靠、成本低廉、用途广等的显著特点。

Description

一种宽谱短波红外激光成像探测器

技术领域

本发明涉及红外光的探测技术领域，具体是一种宽谱短波红外激光成像探测器。

背景技术

短波红外激光器已在国内外有广泛应用。如激光测距、激光雷达、激光通讯等。由于这些短波红外激光的广泛应用，激光系统研究，激光设备研制、装配、试验等都对其探测技术的需求越来越强烈。例如，在实验室中，短波红外激光的光路调校和光谱分析；光通讯中有源无源器件的装配与性能测试；工厂对短波红外激光设备的装配调校等环节都需要高分辨率的阵列探测器。以上短波红外激光的成像探测技术，目前有PbSe相机，如美国spiricon公司生产的EP-7290型探测器，主要缺点是响应速度慢，低于1帧每秒；基于红外变像管把短波红外光转换为可见光由阵列硅探测器探测，如我国北方夜视公司生产的红外变像管，缺点是对900nm以上光谱截止；基于InGaAs阵列探测器的短波成像探测器，如美国Spiricon公司生产的SU-320M(320×240象素，象素尺寸40μm×40μm)和Alpha NIR(320×256象素，象素尺寸30μm×30μm)，缺点是成本极其昂贵、分辨率低，无法在低端设备中应用；“多光子复合型”上转换材料与硅探测器或像增强器耦合实现短波红外激光探测，如2000年英国英国应用创新技术公司Creasey Jonathan等人获得发明专利，把“多光子复合型”上转换材料沉积在CCD上应用于光纤通讯领域，针对1520nm-1570nm(C-band)激光直接探测实现光通讯线路的可视化调节。基于这种方法的短波红外探测器已经在欧美等国广泛销售，具有价格低廉和分辨能力高的优点，但这种方法仅限于“多光子复合型”上转换材料与硅阵列探测器耦合的方式，因为“多光子复合型”上转换材料不需要储能过程，不会出现泵浦光、激发光的混叠干扰，容易实现，但这种探测系统只能针对指定的窄带波长范围进行探测，不能覆盖900nm-1700nm波段的短波红外的主要激光器，该技术的广泛适用性受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽谱短波红外激光成像探测器，它不仅具有宽谱短波红外激光成像探测功能，而且具有分辨率高、成本低廉等优点。

本发明的主要技术方案是：一种宽谱短波红外激光成像探测器，包括机壳、将短波红外激光转换成可见光的光转换装置、光学耦合装置及可见光成像装置，其特征在于光转换装置为：上转换板上设有需要可见光或者紫外光照射储能的电子俘获型上转换材料沉积层；可见光成像装置为硅阵列探测器。

上述的上转换板可由玻璃基板和电子俘获型上转换材料沉积层所构成。

为加强效果，上述的上转换板由玻璃基板、电子俘获型上转换材料沉积层和滤光片构成为佳。

为加强效果，上述的上转换板的前面设有滤光片为佳。

为加强效果，上述的上转换板的前面设有泵浦灯为佳，泵浦灯照射到上转换板上。

上述的硅阵列探测器可为CCD或CMOS相机。

上述的探测器上设有光路遮光罩为佳，可将光路遮住，以便使系统自动记录背景图像完成标定过程，使图像易于辨别，。

上述的硅阵列探测器的后端以设有图像处理装置为佳。

上述的图像处理装置可由模数转换电路、数字图像处理电路所组成。其后面可和监视器或计算机相连。

上述的数字图像处理电路的后面可设有数模转换电路，并和监视器或计算机相连。

上转换板上形成的可见光图像通过光学藕合装置映射到硅阵列探测器的光敏面上。上述的光学藕合装置的结构可以是：上转换板直接与硅阵列探测器的光敏面紧贴。

光学藕合装置的结构也可以是：上转换板与硅阵列探测器的光敏面之间设有可将上转换图像映射到硅阵列探测器的光敏面上的成像装置。

光学藕合装置的结构也可以是：上转换板与硅阵列探测器的光敏面之间设有可将上转换图像映射到硅阵列探测器的光敏面上的光纤耦合光锥。

光学藕合装置的结构也可以是：上转换板与像增强器的光电阴极紧贴，像增强器的阳极输出图像通过光学成像装置映射到硅阵列探测器的光敏面。

光学藕合装置的结构也可以是：上转换板与像增强器的光电阴极紧贴，像增强器的阳极输出图像通过光纤耦合光锥映射到硅阵列探测器的光敏面。

本发明是基于能量上转换材料可以将短波红外光转换为可见光的机理，将材料与可见光探测器复合，技术上具有独特性。

本发明的效果是明显的：它不仅具有宽谱短波红外激光的成像探测能力，而且具有分辨率高、灵敏度高、响应快速、性能可靠、成本低廉、用途广等显著特点。可广泛应用于短波红外激光系统的调试，短波红外激光设备的研制、装配、试验，以及短波红外激光的探测等。

以下结合实施例作详述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为图1中的图像处理电路原理方框图。

图3为本发明的上转换板直接与探测器的光敏面紧贴的光学耦合方式结构及原理示意图。

图4为本发明的上转换图像经过光学成像系统与探测器耦合的结构及原理示意图。

图5为本发明的上转换图像经过光纤耦合光锥与探测器耦合的结构及原理示意图。

图6为本发明的上转换图像以像增强器放大后经光学成像系统与探测器耦合的结构及原理示意图。

图7为本发明的上转换图像以像增强器放大后经过光纤耦合光锥与探测器耦合的结构及原理示意图。

参见图1～图7，1为入射光束(含近红外和可见光)，2为滤光片，3为短波红外光，4为玻璃基板，5为上转换板(包括4、12、6)，6为滤光片，7为激发可见光，8为硅阵列探测器，9为图像处理电路，10为硅阵列探测器的放大和驱动电路，11为光学耦合系统，12为电子俘获型上转换材料沉积层，13为泵浦灯(光谱分布在短波可见光和紫外段)，14为机壳，15为模数转换电路，16为数字图像处理电路，17为数模转换电路，18为光学成像系统，19为光纤耦合光锥，20为像增强器。

具体实施方式

参见图1～图2，入射光束(含近红外和可见光)1经过滤光片2滤除对硅阵列探测器8敏感的光谱成分只保留短波红外光3，以提高系统信噪比；上转换板5包括玻璃基板4、电子俘获型上转换材料沉积层12、滤光片6。在泵浦灯13(光谱分布在短波可见光和紫外段)照射下，上转换材料沉积层12实现储能，当短波红外光3照射到12转换成可见光图像，滤光片6把泵浦灯13发光经12吸收后剩余的光强滤掉，而短波红外激发的可见光7透过6后，以光学耦合系统11把在上转换材料沉积层12上形成的图像成像在硅阵列探测器8的光敏面上。硅阵列探测器8可以是CCD、CMOS芯片。

根据电子俘获型上转换材料的性质，上转换板5在泵浦灯13照射下储能饱和时会激发出可见光，与短波红外经上转换激发形成的图像复合在一起最终耦合到硅阵列探测器8的光敏面。为了消除泵浦灯13引起的可见光背景图像的干扰，必须进行图像处理。硅阵列探测器8经放大和驱动电路10输出的图像首先经过模数转换电路15转换成数字图像，在没有激光照射时打开泵浦灯13，待图像稳定后，把上转换板5在泵浦灯13照射下储能饱和时会激发出可见光所形成的背景图像记录为Iimg0。当有短波红外激光入射时，会在图像中出现对应焦斑位置出现明亮的可见光分布，此时图像经过匀滑记录为Iimg，设硅阵列探测器的增益系数为K，Iimg对K·Iimg差，可得到短波红外激光的图像分布，如果没有短波红外激光入射，则图像为全黑，此过程由数字图像处理电路16实现。数字图像处理模块16得到的图像处理结果可直接输出，同时经过数模转换电路17转换为模拟图像输出。上述图像处理电路原理方框图可同已有技术。

上述的电子俘获型上转换材料，可以直接从市场上购来，例如，可使由英国Phosphor公司生产的FL63S/F-I1、FL58S/F-I1、HL63S/F-I1、GL29P/B-I1、FL29PM/B-I1产品。也可以直接从市场上购买沉积有电子俘获型上转换材料的荧光发光板，如用上海可龕光电材料有限公司生产的HT612荧光发光板，等等。

图3～图7为光学耦合系统采取的5种形式：

参见图3，上转换板5直接与硅阵列探测器8的光敏面紧贴。

参见图4，上转换板5上形成的上转换图像经过光学成像系统18以成像关系映射到硅阵列探测器8的光敏面。

参见图5，上转换板5上形成的上转换图像经过光纤耦合光锥19映射到硅阵列探测器8的光敏面。

参见图6，上转换板5与像增强器20的光电阴极紧贴，像增强器20的阳极输出图像经过光学成像系统18以成像关系映射到硅阵列探测器8的光敏面。

参见图7，上转换板5与像增强器20的光电阴极紧贴，像增强器20的阳极输出图像经过光纤耦合光锥19映射到硅阵列探测器8的光敏面。

本发明使用“电子俘获型”上转换材料将短波红外激光转换成可见光，必须克服转换过程中不可避免的背景光的影响。

本发明实施例使用时可按下述步骤：

1、将短波红外激光成像探测器开关打开；

2、用遮光罩遮挡光学系统光路，系统自动记录背景图像完成标定过程；

3、打开遮光罩系统进入工作状态，没有短波红外激光入射时显示图像为黑，有短波红外激光入射时在入射方向对应位置显示激光焦斑。

Claims

1、一种宽谱短波红外激光成像探测器，包括机壳、将短波红外激光转换成可见光的光转换装置、光学耦合装置及可见光成像装置，其特征在于光转换装置为：上转换板(5)上设有需要可见光或者紫外光照射储能的电子俘获型上转换材料沉积层(12)；可见光成像装置为硅阵列探测器(8)。

2、根据权利要求1所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于所述的上转换板(5)由玻璃基板(4)和电子俘获型上转换材料沉积层(12)所构成。

3、根据权利要求2所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于所述的上转换板(5)由玻璃基板(4)、电子俘获型上转换材料沉积层(12)和滤光片(7)构成。

4、根据权利要求1所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于所述的上转换板(5)的前面设有滤光片(2)。

5、根据权利要求1所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于所述的上转换板(5)的前面设有泵浦灯(13)，照射到上转换板(5)上。

6、根据权利要求1所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于所述的硅阵列探测器(8)为CCD或CMOS相机。

7、根据权利要求1所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于探测器上设有光路遮光罩(23)。

8、根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于硅阵列探测器(8)的后端设有图像处理装置(9)。

9、根据权利要求8所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于图像处理装置(9)由模数转换电路(15)、数字图像处理电路(16)所组成。

10、根据权利要求9所述的宽谱短波红外激光成像探测器，其特征在于所述的数字图像处理电路(16)的后面设有数模转换电路(17)，并和监视器或计算机相连。