[发明专利]QWIP-LED与EMCCD间采用光纤耦合的红外成像探测系统

说明书

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。