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Upconversion-based Omnidirectional Laser Detector
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AI
DOI：10.3788/gzxb20265505.0555211.png)
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摘要
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本研究的主要目标是开发一种低成本、高精度的短波红外（SWIR）激光探测系统，以克服传统铟镓砷（InGaAs）传感器架构中固有的财务和技术障碍。研究旨在通过将上转换（UC）发光技术与成熟的硅基可见光互补金属氧化物半导体（CMOS）或电荷耦合器件（CCD）传感平台集成，展示一种新颖的技术路径。该方法特别针对1 550 nm人眼安全激光波长，将其转换为可检测的可见光，以实现高分辨率成像，而无需专用红外焦平面阵列。此外，研究计划通过集成超广角光学和专用计算校正算法，实现大范围全向探测能力，从而调和当代光电子系统中宽视场覆盖、高探测精度和制造成本之间的长期矛盾。本研究的方法涉及光谱转换材料、广角光学设计和数字信号处理的系统化集成。首先，合成了上转换薄膜层并用作光谱桥梁，利用多光子吸收过程将1 550 nm红外光子转换为适应标准CMOS传感器峰值灵敏度范围的可见光发射。为达到近半球形空间覆盖，将具有170度视场（FOV）的自定义鱼眼镜头组件与传感模块耦合。为解决鱼眼投影引起的显著径向和切向几何畸变，实施了高精度几何畸变校正算法。该算法基于相机标定参数建立非线性坐标映射模型，允许对捕获图像进行精确校正和高保真提取激光斑点的质心。随后，系统在受控光学实验室环境中接受严格测试，利用安装在高精度电机化旋转台上的1 550 nm激光源评估角精度、空间分辨率和整个探测半球内的响应均匀性。实验评估表明，集成探测器系统在1 550 nm工作波长下保持出色的性能指标。数据分析显示，系统实现0.17度/像素的角探测精度，证实了畸变校正算法在保持空间精度方面的有效性。在像平面上，最小可分辨焦点半径测量为6 μm，这与所用CMOS传感器像素间距的理论极限基本一致，表明光谱上转换过程中信号完整性损失极小。此外，系统表现出优异的时序响应特性和空间稳定性。值得注意的是，在±85度的大入射角范围内（代表近完整的半球形覆盖），响应不均匀性记录在10%以下，表明在大部分视场内响应均匀性超过90%。这些定量结果证实，基于上转换的传感架构即使在极端斜入射角度下也能提供可靠的信号探测和定位。本研究成功验证了利用上转换技术作为高性能替代传统InGaAs基短波红外探测系统的可行性。所提出的架构有效绕过了与红外半导体材料像素间距缩小和高制造成本相关的技术瓶颈。通过集成广角鱼眼光学与精确几何校正算法，系统为全向激光传感提供了高角分辨率的高鲁棒性解决方案。该方法为下一代低成本光电子探测平台的发展奠定了变革性技术基础，为广域SWIR监视和激光导航系统提供了可扩展且高效的方法论。
Keyword:
Upconversion technology
Laser detector
Fisheye lens
Distortion correction
Short-wave infrared
