[發明專利]采用上轉換發光材料的短波紅外圖像探測裝置

無效

• 申請號: 201210128913.2
• 申請日: 2012-04-27
• 公開（公告）號: CN102661797A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 劉智;劉丹;夏婷婷;楊陽;劉建華
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G01J5/08
• 分類號: G01J5/08
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 陶尊新

技術領域

本發明涉及一種采用上轉換發光材料的短波紅外圖像探測裝置，用于采集短波紅外圖像，屬于紅外成像技術領域。

背景技術

短波紅外(1～2.5μm)成像設備在夜視、偵查與監視、遙感、火控系統、紅外成像制導和光電對抗等軍事領域應用十分廣泛，與發達國家相比，目前，在我國軍隊中紅外成像設備的應用較少，其需求量相當大；在民用領域，短波紅外成像系統廣泛應用于消防、電力、建筑、安防等領域，在我國，紅外成像設備在這些行業中的應用還處于起步階段，技術比較匱乏，但發展空間巨大。

短波紅外成像設備有短波紅外成像儀。在短波紅外成像儀中，短波紅外圖像探測裝置是一個核心組成部分。典型的短波紅外圖像探測裝置由紅外成像透鏡1將探測的紅外圖像成像于紅外光電探測器2上，見圖1所示，FPGA主控芯片中的光電探測器驅動單元驅動紅外光電探測器2采集紅外圖像，所采集的紅外圖像直接或者通過FPGA主控芯片中的圖像存儲單元送入FPGA主控芯片中的圖像處理單元，處理后的紅外圖像經FPGA主控芯片中的通信接口傳送給上位計算機4。所述的紅外成像透鏡1采用紅外材料制作，如工作波段為0.55～14μm的GaP、工作波段為0.6～12μm的ZnS(s)等，價格昂貴。所述的紅外光電探測器2則由非硅半導體材料制成，成本極高；為了使紅外光電探測器2吸收的紅外能量迅速散去，需要使用半導體制冷片作為內部冷源制冷，但是，這一措施導致短波紅外圖像探測裝置結構復雜、成本高，降低響應速度，還出現噪聲干擾。

可見光光電探測器采用硅半導體材料制作，成本低，無需制冷。采用可見光光電探測器的圖像探測裝置其成像光學系統中的光學透鏡也是一種可見光光學透鏡，成本低。

上轉換發光材料具有反斯托克斯效應，當激發光為紅外光時，發光則為可見光。上轉換發光材料的現有用途限于上轉換激光器、三維立體顯示、防偽識別等。硫化物體系的上轉換發光材料具有寬頻譜、低閾值紅外響應的突出特點，應用于紅外激光光路調節、光斑檢測、光束校對、發射光顯示和發射光跟蹤等紅外探測等領域。

發明內容

為了簡化短波紅外圖像探測裝置結構、降低造價，同時具有響應速度快、響應閾值低、響應頻譜寬等優點，我們發明了一種采用上轉換發光材料的短波紅外圖像探測裝置。

在本發明之采用上轉換發光材料的短波紅外圖像探測裝置中，見圖2所示，成像透鏡位于光電探測器前；FPGA主控芯片中的光電探測器驅動單元、圖像存儲單元、圖像處理單元與光電探測器連接，圖像處理單元還與圖像存儲單元及通信接口連接，其特征在于，成像透鏡為可見光成像透鏡3，光電探測器為可見光光電探測器4，上轉換發光材料板5位于可見光成像透鏡3前方。

由于本發明在短波紅外圖像探測裝置的最前方設置了上轉換發光材料板5，因此，其后的光學元件和光電元件均可以采用可見光元件了，如可見光成像透鏡3和可見光光電探測器4，由于可見光元件相對紅外元件而言成本較低，以及可見光光電探測器4無需制冷等原因，本發明之短波紅外圖像探測裝置成本低、結構簡單，結合上轉換發光材料所具有的特點，本發明之短波紅外圖像探測裝置具有響應速度快、響應閾值低、響應頻譜寬等優點。當所采用的上轉換發光材料為硫化物紅外上轉換發光材料CaS:Eu²⁺，Sm³⁺時，上轉換光譜的響應波段為800nm～1610nm，它的波峰位于1200nm，見圖3中的曲線b，完全能夠滿足短波紅外(1～2.5μm)圖像探測需要。上轉換發光光譜則位于可見光波段，上轉換發光的波峰位于630nm，見圖3中的曲線a，完全實現短波紅外向可見光的轉換。

附圖說明

圖1是現有短波紅外圖像探測裝置結構及探測過程示意圖。圖2是本發明之采用上轉換發光材料的短波紅外圖像探測裝置結構及探測過程示意圖，該圖同時作為摘要附圖。圖3是本發明采用的硫化物紅外上轉換發光材料上轉換光譜、上轉換發光光譜曲線圖。圖4是現有及本發明之短波紅外圖像探測裝置中的FPGA主控芯片控制程序框圖。

具體實施方式

在本發明之采用上轉換發光材料的短波紅外圖像探測裝置中，見圖2所示，可見光成像透鏡3位于可見光光電探測器4前。上轉換發光材料板5位于可見光成像透鏡3前方。可見光光電探測器4為采用硅半導體材料制造的具有中等分辨率(1280×1024)的CCD或CMOS數字圖像傳感器。所采用的上轉換發光材料為硫化物紅外上轉換發光材料CaS:Eu²⁺，Sm³⁺。FPGA主控芯片中的光電探測器驅動單元、圖像存儲單元、圖像處理單元與光電探測器連接，圖像處理單元還與圖像存儲單元及通信接口連接，通信接口如USB2.0接口。FPGA主控芯片按照控制程序控制短波紅外圖像探測裝置工作，見圖4所示。