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研究

发布时间：2019-11-19 16:27

【摘要】：太阳光经过大气层后日盲段紫外光几乎被完全吸收，应用日盲段紫外光成像可避免太阳光干扰，已普遍应用于紫外导弹预警、公安刑侦检测、高压放电检测等领域。光子晶体是介电材料在空间周期排布的人工材料，利用其光子局域和光子禁带特性可实现光波选择性高透射；量子点是三围尺寸都很小的纳米材料，具有独特的光电性质。利用光子晶体滤波和量子点光谱转换特性设计的日盲紫外成像装置不仅装置体积减小，成像分辨率还可进一步提高，同时解决了现有装置中滤光片成品率低且容易老化的问题，对未来解决光电检测和高分辨率日盲紫外成像提供了新的思路。目前可实现日盲紫外成像的装置主要存在以下问题：（1）通过光-电-光转换实现紫外成像设备，其中像增强器尺寸达10cm，限制了装置集成度；分辨率受光锥根数限制；电子倍增时需附加1000伏左右瞬时高压。（2）现有装置滤波片主要采用基于膜系设计的日盲紫外滤波器或黑色透紫外玻璃滤光片，成品率低且容易老化。针对上述问题，本文提出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，研究内容和结果可概括为：（1）结合一维光子晶体滤波和量子点光致发光特性，利用传输矩阵法设计量子点光谱转换器，可将日盲段紫外光转换为610nm附近的可见光。该结构厚度仅为1mm左右，面积与CMOS面积相匹配，可大大缩小装置体积；无需附加高压电源即可实现光谱转换；量子点稳定性好且可高效瞬时发光，满足成像要求。（2）以量子点光谱转换器为基础设计日盲紫外成像装置，主要由：紫外成像镜头、量子点光谱转换器、CMOS、图像采集器、数据处理器和显示屏构成。装置体积缩小；单个像元尺寸内可容纳104量级量子点且单个量子点发光可被CCD感知到，装置分辨率可随像元尺寸的缩小而进一步提高；在光谱转换前无需单独安装滤波片。（3）分析入射光角度和温度变化对装置成像分辨率影响，得到：温度在25-50℃范围内变化及入射光角度在0-30°范围内变化时，所设计日盲紫外成像装置均可实现高分辨率成像。
【图文】：

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图 1-2 所示，（a）高压放电漏电时电弧为不可见的紫外光，需利用日盲紫外成像装置确定放电位置，及时排除隐患；（b）为导弹紫外追踪，在导弹红外追踪受到干扰情况下可启用紫外追踪作为备份；（c）为指纹检测，刑侦检测中还可对血迹进行检测，有助于快速破案。（a） (b) (c)

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图 1-3 （a）ICCD（增强型电荷耦合器件）;（b）基于像增强器的日盲紫外成像装置Fig1-3 (a)ICCD(Intensified Charge Coupled Device);(b)Blind ultraviolet imaging device based onimage intensifier基于像增强器的日盲紫外成像装置结构如图 1-3（b），主要由 UV 成像镜头、日盲紫外滤光片、像增强器、光锥、CCD、图像采集单元、数据处理单元和显示屏构成，此外还可附加可见光成像原件，组成双光路成像装置。其主要工作原理为：目标辐射出日盲紫外光后，经紫外成像镜头成像，所成物像经日盲紫外滤光片后只剩余日盲段紫外光的物像，经像增强器光-电-光转换为可见光像，这部分可见光经光锥传到 CCD 表面，被 CCD 感应到后发出相应电信号，图像采集器收集电信号经图像处理器处理，最终图像显示在显示屏上。目前已商用化的日盲紫外成像装置均采用该原理，但仍存在一些缺陷：（1）利用像增强器和光锥以增强到达感光元件上物像亮度，而这两种部件尺寸在 10cm 以上，，导致整个成像装置尺寸较大，限制了设备的集成和易携带性；（2）在
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O471.1

【参考文献】