基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置製造方法
2023-04-27 14:04:21
基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於光電成像領域，涉及一種具有高解析度的且便於攜帶的日盲紫外成像裝置，特別涉及量子點光譜轉換器的製備。基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，包括紫外成像鏡頭、量子點光譜轉換器、緊貼光譜轉換器放置的CMOS、圖像採集器、數位訊號處理器和顯示器，所述量子點光譜轉換器包括順序排列的一維光子晶體前濾波器、整齊排列且尺寸均勻的單層量子點層、一維光子晶體後濾波器。本發明提供了一種易攜帶、高解析度的、可在0—30°視角範圍內及25—50℃溫度範圍內工作的日盲紫外成像裝置。
【專利說明】基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於光電成像領域，涉及一種具有高解析度的且便於攜帶的日盲紫外成像裝置，特別涉及量子點光譜轉換器的製備設計。
【背景技術】
[0002]日盲段紫外光是指波長在240—280nm範圍的紫外光，太陽光中這部分紫外光在經過地球大氣層時幾乎被完全吸收，所以在此波長範圍內對目標進行紫外觀測可避免太陽光幹擾。
[0003]日盲紫外成像已深入到生活中的方方面面，如高壓設備放電漏電檢測領域，利用日盲紫外成像儀可快速安全地檢測出放電位置產生的肉眼不可見的紫外電弧，進而確定故障位置，對輸電安全十分重要；公安刑偵檢測中通過對肉眼難發覺的指紋、血跡、汗跡進行紫外成像，可快速鎖定犯罪嫌疑人，保障人民生命財產安全；在飛彈紅外製導、飛機紅外預警受到幹擾無法正常工作時，可啟用備份日盲紫外製導、日盲紫外預警系統，通過對飛機、飛彈尾焰進行紫外成像以判定目標。
[0004]目前現有的日盲紫外 成像技術大多基於像增強器，成像過程為:紫外成像鏡頭對目標成像，所成物像經紫外濾光片濾光後成紫外光的像，紫外物像經像增強器光電光轉換轉為可見光的像，經其後連接的光錐將物像傳到CMOS或CCD上，產生的電信號被光譜圖像採集器採集，再經數位訊號處理器處理後輸入顯示器。其中像增強器光譜轉換過程是基於光電光轉換，紫外光照射在像增強器光陰極上，激發出的光電子入射到加高壓的微通道板上實現電子倍增，電子倍增後後的光電子打在螢光屏上發出可見光。此類日盲紫外成像儀使用像增強器和光錐增強物像亮度，造成儀器尺寸較大，限制了設備的集成和易攜帶性；在像增強器微通道板中電子倍增時需附加一定高壓電場，因此對儀器電源有一定要求；電光轉化次數多導致附加噪聲大，成像質量較差；其解析度受制於微通道板上微通道數和光錐根數,單個像元尺寸內只能容納一根光纖,成像解析度較差;此類設備所用濾光片主要為黑色透紫外玻璃濾光片和基於膜系設計的紫外濾光片，黑色透紫外玻璃濾光片在使用過程中受到紫外線照射會發生老化現象，而基於膜系設計的紫外濾光片在製備過程中任何一層膜的厚度偏差Inm就會使透射波段透射率平均降低2%，實用程度受限。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是:如何提供一種易攜帶、高解析度的日盲紫外成像裝置。
[0006]本發明所採用的技術方案是:基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，包括紫外成像鏡頭、量子點光譜轉換器、緊貼光譜轉換器放置的CMOS、圖像採集器、數位訊號處理器和顯示器，所述量子點光譜轉換器包括順序排列的一維光子晶體前濾波器、整齊排列且尺寸均勻的單層量子點層、一維光子晶體後濾波器。
[0007]作為一種優選方式:所述一維光子晶體前濾波器採用紫外熔融石英基底，透射入射光中的日盲段紫外光，同時反射波長為280-700nm波長範圍光。
[0008]作為一種優選方式:所述一維光子晶體前濾波器採用真空鍍膜裝置在紫外熔融石英基底上進行製備，其結構為s (VH1)8 (L2/H2)6 (L3/H3)8，所選材料L為ZrO2、H為CaF2、S 為紫外熔融石英，折射率 1^=2.603, nH=l.464, ns=l.450，厚度分別為 dL1=0.Sd1, dH1=0.Sd1,dL2=0.5d2, dH2=0.5d2, dL3=0.5d3, dH3=0.5d3,其中 ?^?δδηηι, d2=85nm, d3=113nm, ds=0.5mm。
[0009]作為一種優選方式:所述單層量子點層吸收所述一維光子晶體前濾波器透射的紫外光後激發相應波長可見光。
[0010]作為一種優選方式:所述一維光子晶體後濾波器透射所述單層量子點層激發的可見光，並反射未被吸收的紫外光和其他對CMOS成像有影響的光。
[0011]作為一種優選方式:所述一維光子晶體後濾波器採用真空鍍膜裝置在石英基底上進行製備，其結構為K (M1ZN1) 5 (M2/N2) 5 (M3/N3) 4，所選材料M為MgF2、N為GaP、K代表石英基底，折射率 ηΜ=1.383, ηΗ=3.340, ns=l.458 ;厚度 dM1=0.44d4, dN1=0.56d4, dM2=0.13d5,dN2=0.87d5, dM3=0.26d6, dN3=0.74d6,其中 d4=179nm, d5=132nm, d6=75nm, dK=0.5mm。
[0012]作為一種優選方式:先利用相分離技術在ITO薄膜上製備單層有序排列的直徑為
4.3nm的CdSe量子點層，再採用轉印技術將有序排列的單層CdSe量子點轉印在前濾波器或後濾波器上，將前後濾波器粘合即可得到量子點光譜轉換器。
[0013]本發明的有益效果是:1、本發明所設計的日盲紫外成像裝置中集成了量子點光譜轉換器，量子點光譜轉換器面積與CMOS尺寸相匹配，且其厚度僅為1.0045mm,使整個成像裝置體積更小。2、量子點光譜轉換器的單量子點發光強度可被CMOS檢測到，所以無需使用像增強器和光錐便可對目標成像，進一步減小了器件尺寸，同時對電源要求也大大降低。所設計日盲紫外成像 裝置在CMOS感光前只進行光光轉換，附加噪聲變小，成像質量提高。3、量子點光譜轉換器中單層量子點層由尺寸均勻且整齊排列的單量子點組成，量子點直徑一般在I一IOnm範圍內，單個像元尺寸內可容納IO4數量級量子點，所以成像裝置解析度提聞，且解析度還會隨著CMOS像素的提聞而進一步提聞。4、由於量子點光致發光具有瞬時性且其餘暉時間很短(ns級)，符合紫外成像裝置對故障的實時檢測要求且不會影響下次觀測。5、所設計日盲紫外成像裝置中實現濾波的是集成在量子點光譜轉換器中的前後一維光子晶體濾波器，一維光子晶體濾波器結構簡單、膜層穩定不會發生老化現象、膜厚偏差10%不會影響其禁帶特性。6、本發明所設計日盲紫外成像裝置體積小、結構簡單、解析度高、在常用鏡頭O— 30°視角範圍內及25— 50°C溫度範圍內均可成像，可集成在普通相機中實現對目標的高解析度紫外成像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明的量子點光譜轉換器的結構示意圖；
圖3是CdSe量子點光致發光譜；
圖4是圖2中光線正入射量子點光譜轉換器時經過前濾波器層後的透射譜，其中小圖為正入射時經過前濾波器層日盲段紫外光透射譜。
[0015]圖5是圖2中光線以15°入射角照在量子點光譜轉換器時經過前濾波器層後的透射譜，其中小圖為入射角增大至15°時經過前濾波器層日盲段紫外光透射譜。[0016]圖6是圖2中光線以30°入射角照在量子點光譜轉換器時經過前濾波器層後的透射譜，其中小圖為入射角增大至30°時經過前濾波器層日盲段紫外光透射譜。
[0017]圖7是圖2中入射光正入射照在後濾波器層上的透射譜，其中小圖為正入射時經過後濾波器層量子點光致發光譜範圍內波長的透射譜。
[0018]圖8是圖2中入射光以15°入射角照在後濾波器層上的透射譜，其中小圖為入射角增大至15°時經過後濾波器層量子點光致發光譜範圍內波長的透射譜。
[0019]圖9是圖2中入射光以30°入射角照在後濾波器層上的透射譜，其中小圖為入射角增大至30°時經過後濾波器層量子點光致發光譜範圍內波長的透射譜。
[0020]其中，1、被觀測目標，2、紫外成像鏡頭，3、量子點光譜轉換器，4、、CM0S，5、圖像採集器，6、數位訊號處理器，7、顯示器，8、一維光子晶體前濾波器，9、單層量子點層，10、一維光子晶體後濾波器，11、紫外熔融石英基底，12、石英基底。
【具體實施方式】
[0021]圖1為本發明的結構示意圖。如圖1所示，目標I發出的紫外光經紫外成像鏡頭2成物像，所成紫外物像經量子點光譜轉換器3後轉為可見光的像，進而被其後緊貼的CMOS4感應到產生相應電信號，圖像採集器5採集的電信號經數位訊號處理器6處理後輸入顯示器7。
[0022]如圖2所示，量子點光譜轉換器3包括一維光子晶體前濾波器8、整齊排列且尺寸均勻的單層量子點層9、一維光子晶體後濾波器10.所述的一維光子晶體前濾波器8採用紫外熔融石英基底11 ;所述的一維光子晶體後濾波器採用石英基底12。一維光子晶體前濾波器8透射入射光中的日盲段`紫外光，同時反射280-700nm波長範圍光，單層量子點層吸收這部分紫外光後被激發出可見光譜，一維光子晶體後濾波器10透射量子點激發的可見光譜，同時反射未被吸收的紫外光和700_1000nm之間的光。
[0023]圖2中一維光子晶體前濾波器8採用真空鍍膜裝置在紫外熔融石英基底11上進行製備，其結構為S (VH1)8 (L2/H2)6 (L3/H3)8，所選材料L為ZrO2、H為CaF2、S為紫外熔融石英，折射率 1^=2.603, nH=l.464, ns=l.450 ;厚度分別為 dL1=0.5d1； dH1=0.Sd1, dL2=0.5d2,dH2=0.5d2, dL3=0.5d3, dH3=0.5d3,其中(Ιρ?δδηηι, d2=85nm, d3=113nm, ds=0.5mm。
圖2中一維光子晶體後濾波器10採用真空鍍膜裝置在石英基底12上進行製備，其結構為K (M1ZiN1) 5 (M2/N2) 5 (M3/N3) 4，所選材料M為MgF2、N為GaP、K代表石英基底，折射率 ηΜ=1.383, ηΗ=3.340, ns=l.458 ;厚度 dM1=0.44d4, dN1=0.56d4, dM2=0.13d5, dN2=0.87d5,dM3=0.26d6, dN3=0.74d6,其中 d4=179nm, d5=132nm, d6=75nm, dK=0.5mm。
[0024]圖3為CdSe量子點光致發光譜，其中1#量子點直徑為4.3nm,發光峰在614nm ；2#量子點直徑為4.9nm,發光峰在620nm。在25— 50°C溫度變化範圍內，量子點光致發光譜中心波長最大偏移2nm。本發明以1#量子點為例進行設計來說明本發明所設計高解析度日盲紫外成像儀。
[0025]先利用相分離技術在ITO薄膜上製備單層有序排列的直徑4.3nm CdSe量子點，再採用轉印技術將有序排列的單層CdSe量子點轉印在前濾波器或後濾波器上，將前後濾波器粘合即可得到量子點光譜轉換器3，所設計量子點光譜轉換器3總厚度僅為1.0045_，而且由於量子點的整齊排列，還可提高整個紫外成像裝置的解析度。[0026]圖4為所設計一維光子晶體前濾波器正入射時220—SOOnm範圍內透射譜，其中小圖為日盲段內透射譜，入射角為0°時TE、TM模光重合，計算結果表明，正入射時日盲段範圍內紫外光透射率最大可達99.2%,最小可達43.8%。
[0027]圖5為所設計一維光子晶體前濾波器入射光角度增大至15°時220— 800nm範圍內透射譜，其中小圖為日盲段內透射譜，實線位TE模光，虛線為TM模光，計算結果表明，當入射角增大至15°時，255-280nm範圍紫外光能量平均透射率仍可達到59%。
[0028]圖6為所設計一維光子晶體前濾波器入射光角度增大至30°時220— 800nm範圍內透射譜，其中小圖為日盲段內透射譜，實線位TE模光，虛線為TM模光，計算結果表明，當入射角增大至30°時，250— 280nm範圍紫外光平均透射率仍可達到51.9%。
[0029]圖7為所設計一維光子晶體後濾波器正入射時200— IIOOnm範圍內透射譜，其中小圖為量子點光致發光譜範圍內的透射譜，入射角為0°時TE、TM模光重合，計算結果表明，正入射時後濾波器透射範圍為585-646nm，完全覆蓋量子點發光譜，發光譜峰值614nm處透射率可達99.6%，半高寬為32nm(603-635nm)，609-629nm範圍內光透過率在90%以上；在25— 50°C溫度變化範圍內，中心波長最大偏移2nm，所設計後濾波器仍可完全覆蓋量子點光致發光譜。
[0030]圖8為所設計一維光子晶體後濾波器入射角增大至15°時200— IlOOnm範圍內透射譜，其中小圖為量子點光致發光譜範圍內的透射譜，實線位TE模光，虛線為TM模光，計算結果表明，入射角為15°時後濾波器透射範圍為570-648nm，仍可完全覆蓋量子點發光譜，發光譜峰值614nm處透射率為94%，半高寬為36nm (594_630nm);在25— 50°C溫度變化範圍內，所設計後濾波器仍可完全覆蓋量子點光致發光譜。
[0031]圖9為所設計一維光子晶體後濾波器入射角增大至30°時200— IIOOnm範圍內透射譜，其中小圖為量子點光致發光譜範圍內的透射譜，實線位TE模光，虛線為TM模光，計算結果表明，入射角為30°時後濾波器透射範圍為540-640nm，完全覆蓋量子點發光譜，發光譜峰值614nm處透射率為70.5%，半高寬為52nm (567_619nm);在25— 50°C溫度變化範圍內，中心波長最大偏移2nm，所設計後濾波器仍可完全覆蓋量子點光致發光譜。
[0032]綜上所述，本發明的日盲紫外成像裝置體積小、解析度高，在常用鏡頭O — 30°視角範圍內及25—50°C溫度範圍內均可成像，所設計日盲紫外成像裝置可集成在普通相機中實現對目標的高解析度紫外成像。
[0033]上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。量子點種類很多，紫外和可見光一維光子晶體濾波器材料也很多，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可做出其他不同形式的變化或變動。這裡無法對所有實施方式加以舉例。因此，本發明的保護範圍應以權利要求書界定為準。
【權利要求】
1.基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，其特徵在於:包括紫外成像鏡頭、量子點光譜轉換器、緊貼光譜轉換器放置的CMOS、圖像採集器、數位訊號處理器和顯示器，所述量子點光譜轉換器包括順序排列的一維光子晶體前濾波器、整齊排列且尺寸均勻的單層量子點層、一維光子晶體後濾波器。
2.根據權利要求1所述的基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，其特徵在於:透射入射光中的日盲段紫外光，同時反射波長為280-700nm波長範圍光。
3.根據權利要求2所述的基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，其特徵在於:所述一維光子晶體前濾波器採用真空鍍膜裝置在紫外熔融石英基底上進行製備，其結構為S (VH1)8 (L2/H2) 6 (L3/H3) 8，所選材料L為ZrO2、H為CaF2、S為紫外熔融石英，折射率 ％=2.603, nH=l.464, ns=l.450，厚度分別為 dL1=0.5d1； dH1=0.5d1； dL2=0.5d2,dH2=0.5d2, dL3=0.5d3, dH3=0.5d3,其中(Ιρ?δδηηι, d2=85nm, d3=113nm, ds=0.5mm。
4.根據權利要求1所述的基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，其特徵在於:所述單層量子點層吸收所述一維光子晶體前濾波器透射的紫外光後激發相應波長可見光。
5.根據權利要求1所述的基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，其特徵在於:所述一維光子晶體後濾波器透射所述單層量子點層激發的可見光，並反射未被吸收的紫外光和其他對CMOS成像有影響的光。
6.根據權利要求5所述的基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，其特徵在於:所述一維光子晶體後濾波器採用真空鍍膜裝置在石英基底上進行製備，其結構為K (M1ZiN1) 5 (M2/N2) 5 (M3/N3) 4，所選材料M為MgF2、N為GaP、K代表石英基底，折射率 ηΜ=1.383, ηΗ=3.340, ηκ=1.458 ;厚度 dM1=0.44d4, dN1=0.56d4, dM2=0.13d5, dN2=0.87d5,dM3=0.26d6, dN3=0.74d6,其中 d4=179nm, d5=132nm, d6=75nm, dK=0.5mm。
7.根據 權利要求1-6權利要求中的任意一項權利要求所述的基於光子晶體濾波和量子點光譜轉換的日盲紫外成像裝置，其特徵在於:先利用相分離技術在ITO薄膜上製備單層有序排列的直徑為4.3nm的CdSe量子點層，再採用轉印技術將有序排列的單層CdSe量子點轉印在前濾波器或後濾波器上，將前後濾波器粘合即可得到量子點光譜轉換器。
【文檔編號】G01J3/28GK103868593SQ201410081387
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】楊毅彪, 王冰潔, 鄒澤華, 陳智輝, 張楊, 李琳, 李祥霞 申請人:太原理工大學