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用于光学定位的近红外led筛选检测系统设计

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红外与激光工程 2019年第A1期48卷 153-157页

作者：史风栋刘文皓史屹君李键天津工业大学工程训练国家级实验教学示范中心天津300387 天津可宏振星科技有限公司天津300192 北方技术交易市场天津300192

光学定位技术在手术导航、目标追踪和虚拟现实等系统中都有广泛的应用,为了提高定位的精度,在信号测量和定位算法方面都进行了大量的研究。设计的系统从作为发光源的近红外led出发,通过有针对性的筛选,为保证光学定位的准确性创造良好... 详细信息

光学定位技术在手术导航、目标追踪和虚拟现实等系统中都有广泛的应用,为了提高定位的精度,在信号测量和定位算法方面都进行了大量的研究。设计的系统从作为发光源的近红外led出发,通过有针对性的筛选,为保证光学定位的准确性创造良好的条件。筛选检测系统由光学性能检测部分和高低温试验部分组成。通过控制转台中俯仰轴和滚动轴的转动角度,使用光电探测器可以连续测量出发光元件的辐射强度,得到近红外led不同旋转面和不同纵向角度的辐射特性,并计算出半功率角值。根据发光强度和半功率角这两个重要指标,先去除待选组中有明显变化的极值数据,然后选取两个相对偏差都在±5%以内的近红外led,最后对其进行高低温冲击试验。筛选出的近红外led性能稳定,发光一致性好,可以成组使用。

关键词：近红外led 光学定位辐射强度相对偏差

不同极性InN薄膜外延及InGaN近红外led仿真研究

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不同极性InN薄膜外延及InGaN近红外LED仿真研究

作者：胡逸凡吉林大学

学位级别：硕士

具有窄直接带隙的InN材料具有优异的温度稳定性和抗辐射性能,特别是通过InGaN三元合金的组分调节,可将其发光波长调到1550 nm,因而在近红外光通信领域具有巨大的应用潜力。但是由于不同极性氮化物的外延及材料特性具有一定的差异,以及... 详细信息

具有窄直接带隙的InN材料具有优异的温度稳定性和抗辐射性能,特别是通过InGaN三元合金的组分调节,可将其发光波长调到1550 nm,因而在近红外光通信领域具有巨大的应用潜力。但是由于不同极性氮化物的外延及材料特性具有一定的差异,以及不同极性之间由于自发极化方向不同而会导致能带弯曲方向不一样,会影响器件载流子的输运。因此开展对于InN薄膜的极性研究,分析不同极性InN薄膜在光学特性和晶体特性上的差异,对于进一步开展InN基近红外led器件设计很有必要。本文第一部分采用MBE技术开展了不同极性InN薄膜外延以及光学特性和晶体特性的研究,得到了如下研究结果:1.首先基于蓝宝石衬底,对于InN材料的低温缓冲层进行优化实验,通过铟源温度和氮气流量的调节来调节In:N。通过实验测试发现铟源温度为660℃,氮气流量为2.0 SCCM时,低温缓冲层表现出良好的形貌、晶体质量和光学性能。2.在低温缓冲层的优化结束后,接着进行高温外延层的优化,通过调节衬底温度,希望提高材料横向连结能力,促进纳米柱合并成膜。通过实验发现,适当升高衬底温度能促进纳米柱合并成薄膜,但过高的衬底温度会造成铟的解吸附。在衬底温度为480℃时,InN薄膜展现出最佳的形貌、晶体质量和光学性能。3.为了进一步分析蓝宝石衬底上不同极性InN性质差异,因此需要在蓝宝石衬底上获得N极性的InN材料,实验通过调节氮化的衬底温度来改变衬底氮原子的数量,以调控极性。实验发现,600℃的氮化条件可以成功获得N极性的InN薄膜。然而,改变材料的极性会导致形貌、晶体质量及光学性能下降。4.研究完蓝宝石衬底上不同极性InN材料外延及性质差异之后,为了进一步验证衬底的改变是否会对材料性能和极性造成影响,因此采用与InN材料晶格适配度更高的不同极性GaN衬底;通过实验,发现外延获得的InN材料并没有发生极性反转;以及采用晶格匹配度更高的衬底,会有效提高晶体质量;但是两种衬底上N极性InN材料的光学性能和晶体质量均要弱于In极性InN材料。由于InN材料需要引入GaN,采用高铟组分的InGaN作为有源区材料,才能应用到1550 nm的近红外光通信。所以本研究第二部分的工作采用APSYS TCAD软件,开始研究不同极性InN基近红外led性能表现,led的发光波长为1550 nm,结果如下:1.目前主流的led器件设计为n型层设置于下方的水平或倒装型结构,但是由于氮化物之间较大的极化强度差异,会造成严重的能带弯曲和量子限制斯塔克效应。为解决这一问题,我们采用四元合金Al Ga InN作为高In组分InGaN的势垒材料。仿真结果显示,量子阱处微弱的极化电场可以显著增强近红外led的整体性能。2.而水平型led还存在较大的Droop效应,因此为了推动氮化物近红外led在大功率方向的应用,本研究提出了采用n-Si作为衬底的垂直型led方案。通过仿真计算,我们发现垂直型led在载流子调控方面更为高效,可以有效降低俄歇复合占比,保证器件高效的性能。3.由于传统结构的p型层位于有缘区上方,但是高In组分InGaN的外延需要更低的外延温度,因此更好的保护有缘区的晶体质量,提出了以p-Si为衬底的垂直型led结构,而且p-Si为衬底的垂直型led在性能上比n-Si为衬底的垂直型led有所提升,所以p-Si为衬底的垂直型led更值得进行推广。4.在分析完In极性的led之后,我们对N极性led进行仿真研究,由于两者有缘区极化强度差值基本一致,因此电子-空穴波函数交叠率相同;导致两种极性led保持了相同的光学性能,但是N极性材料由于载流子迁移能力较弱,导致N极性led较大的开启电压。本研究通过实验对比了N极性和In极性InN材料的晶体质量和光学性能,发现N极性InN材料在这两方面目前均低于In极性InN材料。然而,通过TCAD仿真验证,在微弱极化电场结合垂直型led设计的辅助下,不同极性的InN材料在近红外led领域均展现出了极高的应用前景和价值。

关键词：氮化铟不同极性 MBE 近红外led 模拟仿真

基于近红外脉冲led的中药浊度在线传感器研究

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基于近红外脉冲LED的中药浊度在线传感器研究

作者：刘旗太原科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着中医药学和制造工艺的迅速发展,特别是自2019年新冠病毒爆发以来,中药在抗击新冠疫情中发挥了举足轻重的作用。中药目前已经开始走出国门,走向世界。中药成品的生产工艺多且复杂,然而传统中药制造过程的一致性难以保证。其中... 详细信息

近年来,随着中医药学和制造工艺的迅速发展,特别是自2019年新冠病毒爆发以来,中药在抗击新冠疫情中发挥了举足轻重的作用。中药目前已经开始走出国门,走向世界。中药成品的生产工艺多且复杂,然而传统中药制造过程的一致性难以保证。其中,浊度是中药丸剂和精油的提取、浓缩及干燥等工艺过程中的关键性指标之一,也是制造过程中质量检测中的重要指标之一。与传统的目视法和分光光度计法相比,基于透射比浊法、散射比浊法和比值比浊法的浊度检测方法的测量精度和可靠性更高。由于方波激励相比于直接测量样品的透射/散射光强能够获取到更丰富的频谱信息,因此论文结合方波激励与比浊法的优点,开展了基于近红外脉冲led的低成本中药浊度在线传感器的研究工作,其主要研究内容如下:(1)基于朗伯-比尔定律、米氏散射理论和瑞利散射理论,分析了透射法和散射法的浊度检测原理,推导了比值法的浊度计算公式;基于方波激励,提出频谱分析算法,为传感器的设计奠定了理论基础。采用了波长为860nm的近红外led作为传感器的光源,降低了成本和功耗,消除了环境光的影响。(2)设计了低成本低功耗的传感器系统硬件电路,其中包括:1.设计具有电流负反馈机制的光源恒流源驱动电路,稳定光源,提高了传感器的稳定性;2.通过低噪声的FDS100光电二极管进行光电信号转换,通过跨阻放大器和低通滤波器进行信号预处理,提高了信噪比;3.采用集成DSP内核的单片机STM32F405进行FFT运算和浊度反演,提高了传感器的响应速度。(3)结合FFT算法和基db4的小波滤波算法,基于频谱分量实现了浊度的反演。为了验证算法的可行性,在实验室环境下研制了一套浊度信号采集分析系统,采集2-290NTU范围内的福尔马肼标准浊度液(Formazin)的原始时域透射信号和散射信号,利用小波变换进行了滤波处理;采用FFT算法提取了降噪后信号的基频、三次谐波和五次谐波分量,分别采用透射法、散射法和比值法三种方式对提取的3种谐波分量与浊度值进行线性拟合。实验结果表明,频谱分析算法可靠,比值法的线性度更优,在4-280NTU范围内平均值最小误差为0.4%,最大误差为6%。(4)针对精油中药的浊度测量,采用比值法和频谱分析算法研制了一套低成本低功耗的浊度传感器。对比值法进行了优化和嵌入式算法移植,传感器的测量范围从0-300NTU增加到0-1000NTU。对优化后的传感器进行了标定,相关系数为0.9946。在0-1000NTU范围内的样本进行了验证实验,结果表明优化后的传感器测量精度比较之前得到了较大的提升,最大误差为3.768%,最小误差为0.471%。最后,采用优化后的便携式传感器对当归精油的浊度进行应用测试,线性度为0.99176,达到了精油提取浓缩的在线测量需求。

关键词：中药浊度方波激励近红外led 频谱分析快速傅里叶变换

高效稳定的Cr^(3+)离子激活石榴石型宽带近红外荧光粉的发光特性及应用研究

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发光学报 2024年第4期45卷 591-602页

作者：卜庆州汪永杰李东朔严应菊常瑛相国涛周贤菊重庆邮电大学理学院重庆400065

近红外荧光粉转换型发光二极管(NIR pc-leds)作为一种紧凑型光源,在近红外光谱技术领域具有广泛的应用前景。然而,开发高效稳定的近红外荧光粉一直面临巨大挑战。本研究报道了一种高效且热稳定优异的Cr^(3+)离子激活Gd_(3)Ga_(5)O_(12)(... 详细信息

近红外荧光粉转换型发光二极管(NIR pc-leds)作为一种紧凑型光源,在近红外光谱技术领域具有广泛的应用前景。然而,开发高效稳定的近红外荧光粉一直面临巨大挑战。本研究报道了一种高效且热稳定优异的Cr^(3+)离子激活Gd_(3)Ga_(5)O_(12)(GGG∶Cr)石榴石近红外荧光粉。在450 nm蓝光激发下,其近红外发射覆盖620~1100 nm范围,最高峰位于740 nm,半高宽为97 nm,内量子效率达54.6%。同时,该荧光粉表现出优异的热稳定性,即在425 K温度时,其近红外发射光谱积分强度为室温的106%(106%@425 K),呈负热猝灭特性。此外,通过Nd^(3+)-Yb^(3+)稀土离子共掺策略,成功实现了材料近红外发射谱带的有效拓宽和热稳定性增强(115%@425 K)。最后,将目标材料与蓝光芯片结合,封装成近红外led器件,在320 mA电流驱动下,近红外最大输出功率可达55.5 mW,光电转换效率约为6%。以上结果表明,GGG∶Cr,Nd,Yb石榴石荧光粉是一种潜在的高功率近红外led光源用近红外发光材料。

关键词：铬宽带近红外石榴石结构热稳定性近红外led

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土壤硝态氮含量原位检测系统设计

农业工程学报 2022年第15期38卷 115-123页

作者：赵燕东刘宇琦孙哲常诚至赵玥刘卫平北京林业大学工学院北京100083 城乡生态环境北京实验室北京100083 林草生态碳中和智慧感知研究院北京100083

针对现阶段土壤硝态氮测量成本较高、无法长期原位测量等问题,该研究提出了一种使用钛烧结滤芯收集土壤溶液,通过近红外光谱法检测土壤溶液中的硝酸根浓度进而得到土壤中硝态氮含量的方法,并设计了相应的检测装置。通过试验对比陶土头... 详细信息

针对现阶段土壤硝态氮测量成本较高、无法长期原位测量等问题,该研究提出了一种使用钛烧结滤芯收集土壤溶液,通过近红外光谱法检测土壤溶液中的硝酸根浓度进而得到土壤中硝态氮含量的方法,并设计了相应的检测装置。通过试验对比陶土头与钛烧结滤芯在不同土壤条件下的土壤溶液收集效果,选用钛烧结滤芯作为土壤溶液采集器收集土壤溶液,以近红外led作为测量光源,采集人工配置土壤溶液的光谱数据,利用BP神经网络进行预训练建立硝态氮含量预测模型。建立的硝态氮含量预测模型其训练集皮尔逊相关系数、测试集皮尔逊相关系数、预测均方根误差分别达到0.997、0.995、3.43。实地测量土壤溶液并与硝酸根离子电极以及土壤养分速测仪进行对比,最大相对偏差为5.9%,可满足实际测量准确性要求。该套检测设备在深度为10~40cm、含水率为15%以上的土壤中有较好的土壤溶液采集效果;检测装置的长期测量标准差为0.006,动态响应时间为1.4 s,具有良好的检测特性。试验结果表明,使用溶液吸光度数据建立的硝态氮预测模型具有较好的预测效果,可以应用于土壤溶液硝态氮原位监测,为长期自动测量土壤硝态氮及水肥一体化系统的搭建提供了一种可行的方案。

关键词：土壤氮溶液硝态氮近红外led BP神经网络

夜视成像用Cs_(2)NaYCl_(6)∶Sb,Ln荧光粉宽带近红外发光性能

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发光学报 2024年第7期45卷 1095-1103页

作者：刘博徐赛常江龙李由陈宝玖大连海事大学理学院辽宁大连116026

采用水热法成功制备了Sb^(3+)/Ln^(3+)(Ln=Nd,Ho,Er,Tm)共掺的Cs_(2)NaYCl_(6)无铅双钙钛矿材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜等表征手段对其结构和形貌进行了研究;通过激发、发射光谱和荧光衰减曲线的测量,讨论了其发光性能及能量... 详细信息

采用水热法成功制备了Sb^(3+)/Ln^(3+)(Ln=Nd,Ho,Er,Tm)共掺的Cs_(2)NaYCl_(6)无铅双钙钛矿材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜等表征手段对其结构和形貌进行了研究;通过激发、发射光谱和荧光衰减曲线的测量,讨论了其发光性能及能量传递机理。实验结果表明,在紫外光激发下,对于Cs_(2)NaYCl_(6)基质材料,在掺杂微量Sb^(3+)后,能够产生宽带自陷激子(STEs)发光。在其中进一步掺杂三价稀土离子,在320 nm激发下,发射光谱中可观察到稀土离子在可见及近红外区域的特征发射峰,通过对激发光谱及荧光衰减曲线的分析,证实了STEs与稀土离子之间存在能量传递。最后,将所制备的荧光粉直接进行物理混合并涂覆到商用340 nm紫外led芯片上,制备了宽覆盖近红外荧光粉转换led,实现了由紫外转换为近红外区域的宽带调制发光,近红外发射波段覆盖800~1600 nm。荧光粉转换led的使用大大简化了近红外装置的构造,降低了生产成本。其灵活可调、小型便捷及近红外波段宽覆盖性,很好地满足于夜视成像系统光源的要求。

关键词：双钙钛矿稀土离子掺杂能量传递近红外led

手指静脉识别系统矩形阵列光源特性分析及优化设计

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计量学报 2020年第1期41卷 16-21页

作者：朱超平秦华锋刘启能重庆工商大学计算机科学与信息工程学院重庆400067 重庆市检测控制集成系统工程重点实验室重庆400067

手指静脉图像质量的高低直接影响手指静脉的识别效率。针对单个近红外led的光照均匀度相对较差,如何利用多个近红外led构造一个高质量的光源进行了研究。讨论了矩形阵列光源的结构、空间、形状等参数对静脉图像影响,利用斯派罗法则对各... 详细信息

手指静脉图像质量的高低直接影响手指静脉的识别效率。针对单个近红外led的光照均匀度相对较差,如何利用多个近红外led构造一个高质量的光源进行了研究。讨论了矩形阵列光源的结构、空间、形状等参数对静脉图像影响,利用斯派罗法则对各种参数极值找出最优解,再结合手指个体的差异和指型特性,设计照度面为25 mm×25 mm矩形光源阵列。通过对比实验,利用最优参数设计的阵列光源,能够采集到高质量的手指静脉图像,为手指静脉采集设备光源设计提供参考,同时为后续的手指静脉图像的识别打下基础。

关键词：计量学手指静脉识别系统矩形阵列光源近红外led 斯派罗法则

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高速近红外光电引信低成本控制技术研究

高速近红外光电引信低成本控制技术研究

作者：张世海天津大学

学位级别：硕士

本文研究的是大量使用的航空训练弹用光电触发引信的低成本控制器,目的在于使航空训练弹在距离地面一定的高度上触发,准确判断航弹落点,更有效地进行训练结果的评估。使用本光电引信控制器的航空训练弹,主要使用于各种目标物,其中典型... 详细信息

本文研究的是大量使用的航空训练弹用光电触发引信的低成本控制器,目的在于使航空训练弹在距离地面一定的高度上触发,准确判断航弹落点,更有效地进行训练结果的评估。使用本光电引信控制器的航空训练弹,主要使用于各种目标物,其中典型目标如草地、土壤等。为了满足大量使用的要求,本文对引信控制器低成本、小型化所涉及的若干关键技术展开研究。本文的主要研究工作如下:1.研究了主动式光电近炸引信的作用原理和控制结构,提出一种基于近红外led的光电结构,作为高速近红外光电引信控制器的低成本、小型化技术方案。2.分别研究了三角定距法和能量定距法两种光电探测作用体制的原理,在此基础上分别提出两种光学结构的布局方式。综合考虑性能、结构和成本要求,选择了基于能量定距法的光学结构布局。3.讨论了主动式光电引信控制器的照射光源、探测器和光电控制结构。以红外辐射理论为基础,分别从照射光源和探测器的工作原理出发,确定了照射光源的驱动方式和探测器的工作模式,对控制器的作用距离进行计算,并确定了合理的光源配置方案。在理论分析与计算的基础上,提出一套光电引信控制器的发射电路与接收电路的低成本、小型化的技术方案。4.完成了光电引信控制器对典型反射面的静态作用距离测试,得出了控制器对不同反射面的有效作用距离范围,并对控制器的响应时间进行了分析。针对测量数据对测试结果进行分析,讨论了影响作用距离的主要因素。

关键词：近炸引信光电引信光电探测近红外led

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基于近红外光的浊度检测系统设计

基于近红外光的浊度检测系统设计

作者：王路黑龙江大学

学位级别：硕士

水是人类赖以生存的重要物质条件之一,随着社会的发展和科技的进步,人们对生活用水的质量有了更为严格的要求。浊度是鉴定水质优劣的重要木质指标,因此,对浊度的测量成了判别水质优劣的最简方式之一。进口浊度检测仪器的精度及稳定性高... 详细信息

水是人类赖以生存的重要物质条件之一,随着社会的发展和科技的进步,人们对生活用水的质量有了更为严格的要求。浊度是鉴定水质优劣的重要木质指标,因此,对浊度的测量成了判别水质优劣的最简方式之一。进口浊度检测仪器的精度及稳定性高,但价格昂贵,维护性差;而国产浊度仪价格适中,但测量范围窄,且稳定性及可靠性方面稍差。因此,如何在现有的硬件条件前提下,设计出功能稳定、可靠性高、价格便宜、适合大众需求的浊度测量仪成为了水质检测领域的研究热点。本文依据浊度测量原理以及国内外浊度测量仪的研究现状和未来发展趋势,设计了一种基于近红外光的浊度检测系统。该系统以近红外发光二极管作发射光光源,采用散射法和透射法相结合的形式设计水样槽结构,完成了浊度传感器的设计;以STC12C5A60S2单片机为核心,设计了系统硬件,包括恒流源驱动模块、继电器控制模块、信号处理模块和显示电路模块;利用KEIL软件对系统进行编程与仿真,完成了 A/D转换、数据的采集、计算与处理;实现了浊度值显示、浊度阈值设置、上限报警等功能。基于Labview平台编写上位机软件,设定串口通讯协议,实现浊度检测系统的通信功能,方便数据的传送和后续处理。实验结果表明:该系统测量范围为0～1000NTU;0～200NTU内,测量精度±1%FS;200～1000NTU内,测量精度±3%FS;分辨率为0.1NTU;浊度测量值重复性误差≤5%;电压稳定性±0.3%;系统的线性度和稳定性较好。

关键词：浊度近红外led 散射法透射法 Labview