一種適用於焦平面探測器的微型混合拋物線型聚光器陣列的製作方法

2023-12-01 15:02:41 1

本發明涉及光電探測的技術領域，具體涉及一種適用於焦平面探測器的微型混合拋物線型聚光器陣列，其為可以提高探測器的靈敏度、信噪比等性能，促進探測器微小型化發展的聚光器陣列。

背景技術：

當前焦平面探測器中的焦平面陣列(像元面)可分為兩個部分：光敏面和死區。光敏面是焦平面陣列能夠發生光電效應的區域，光敏面之間是死區，用於讀出電路的設置，通過讀出電路可將光敏面產生的電信號輸出。由於讀出電路設置的需要，導致了單元之間溝槽的最小間距只能做到光敏面的1/3左右。

光電探測器件中的重要指標之一是佔空比η(填充因子)，它定義為探測器光敏面的面積(光敏面邊長為b)與整個像元的面積(像元面邊長為a)之比：

η＝b2/a2(1)

探測器工作時，照射到光敏面的光可以發生光電效應，用於電信號的產生與輸出；照射到死區內的光不能發生光電效應，成為無用光而損失掉。因此，光能損失在焦平面陣列中是一個不容忽視的一個問題，能量的損失會嚴重影響焦平面的感光靈敏度、信噪比、探測率等性能。同時，軍事及空間技術中對探測器小型化和微型化提出更加急迫的需求，探測器小型化意味著陣列單元尺寸進一步縮小，由於光能的損失勢必使探測器性能進一步惡化。

在探測器的設計和製作過程中，製作較大光敏面存在困難，而光敏面之間也必須留有一定間隙以供電路走線等之用，因此通過增加光敏面的方法來增大探測器佔空比是會受到限制的。探測器一旦形成,再用電子學方法提高探測能力的可能性很小。因此，我們只能通過提高光能利用率來增加探測器的響應率。

現有的技術是採用微透鏡陣列，將入射光束聚焦到光敏面。然而，由於透鏡是成像系統，當入射光束的張角較大時，會聚的光斑仍然會有一部分在光敏面之外的死區。因此，需要研究一種更有效的聚光器陣列，使在一定張角範圍內的入射光都能有效地會聚到光敏面上，消除入射到死區中的光線造成的有害輻射，這樣可以提高光能利用率，增強探測器的響應率，從而改善探測器的靈敏度、信噪比、探測率等性能，同時有利於探測器的微、小型化發展。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：焦平面探測器存在的佔空比低、光能利用率低而導致的靈敏度低、信噪比低等缺點。

本發明解決上述技術問題採用的技術方案是：一種適用於焦平面探測器的微型混合拋物線型聚光器陣列，包括微型混合拋物線型聚光器陣列、光敏面陣列和像元面陣列，在焦平面探測器的焦平面處、探測器的光敏面陣列前耦合一個微型混合拋物線型聚光器陣列(1)，入射光進入微型混合拋物線型聚光器陣列後，所有以最大接收角的邊緣光在經過最多一次反射後就被導引到出射口的邊緣，那麼以中間角度入射的光都會被反射到出射口內，利用微型混合拋物線型聚光器陣列的這種聚光性能，使原本入射到微透鏡陣列像元面上的輻射，有效地會聚到探測器的光敏面陣列光敏面上。

其中，光敏面和像元面的尺寸可以確定混合拋物線型聚光器的入口直徑和出口直徑分別為a和b，那麼其最大接收角為：

本發明的原理是：對於混合拋物線型聚光器，當入口和出口直徑確定後，其最大接收角便確定了，所有以最大角度入射的光(邊緣光)在經過最多一次反射後就被導引到出射口的邊緣，那麼以中間角度入射的光都會被反射到出射口內。至此，可實現聚光的目的。利用混合拋物線型聚光器陣列可以將原本入射到整個像元面上的光全部匯聚到光敏面上，使入射到死區的光線幾乎全部得到利用。

本發明與現有技術相比有如下優點：

1、本發明採用的混合拋物線型聚光器相較於微透鏡陣列而言，可以對較大張角的光束進行高效的聚光，死區不會出現雜散光。

2、本發明結構簡單，在現有的工藝上容易實現。

附圖說明

圖1為一種適用於焦平面探測器的微型混合拋物線型聚光器陣列；

圖2為混合拋物線型聚光器聚光到光敏面的原理示意圖；

圖3為適用於焦平面探測器的微透鏡陣列；

圖4為微透鏡聚光到光敏面的原理示意圖；

圖5為混合拋物線型聚光器和微透鏡的透光率-入射光束張角曲線圖；

圖6.1、6.2、6.3、6.4依次是入射光張角為0°、5°、15°、25°時混合拋物線型聚光器的出射光照度圖；

圖7.1、7.2、7.3、7.4依次是入射光張角為0°、5°、15°、25°時微透鏡的出射光照度圖；

圖中附圖標記含義為：1為混合拋物線型聚光器陣列，2為光敏面陣列，3為像元面陣列，4為微透鏡陣列，5為微透鏡陣列的基底。

具體實施方式

下面結合附圖具體說明本發明具體實施方式。

如圖1所示，一種適用於焦平面探測器的微型混合拋物線型聚光器陣列由混合拋物線型聚光器陣列1、光敏面陣列2、像元面陣列3組成，與傳統的透鏡耦合系統相比，一種基於非成像光學的耦合系統採用基於非成像光學的混合拋物線型結構。如圖2所示，直線ac平行於拋物線bc的對稱軸，d點是拋物線bc的焦點。根據拋物線的特性可知，所有平行於拋物線bc的對稱軸方向的光線都會被拋物線bc反射並會聚到其焦點d處。同理，平行於bd方向的光線會聚到c點。也就是說，拋物鏡反射的邊緣光線進入混合拋物線型聚光器之後，在裡面被反射，然後從混合拋物線型聚光器的出射孔徑的邊緣c、d兩點射出。ac、bd兩條光線就是入射的邊緣光線，只要入射的邊緣光線能夠出射，那麼介於邊緣光線之間的所有入射光線(除去吸收和損耗)都會從c、d兩點之間出射。至此，可實現聚光的目的。根據光敏面和像元面的尺寸可以確定混合拋物線型聚光器的入口直徑和出口直徑分別為a和b，那麼其最大接收角為：

對於理想混合拋物線型聚光器，當入射光最大張角小於時，全部都能從出口射出。

現有的焦平面探測器一般都採用微透鏡陣列來提高佔空比，如圖3所示是微透鏡陣列的原理圖，其中，4是微透鏡陣列，5是微透鏡陣列的基底，微透鏡陣列將入射光聚焦到光敏面上，提高了佔空比。圖4是透鏡聚光的原理圖，由於基底緊連著光敏面，而微透鏡要把入射光聚焦到光敏面，因此透鏡的焦距近似等於基板厚度。圖3中透鏡的直徑為a、兩個面的曲率分別為c1和c2(c2＝0)、透鏡和基底的折射率都為n，那麼基底的厚度l等於透鏡的焦距f：

假設混合拋物線型聚光器和微透鏡對入射光的透過率為t，那麼採用它們之後探測器的佔空比為：

對於像元尺寸為150μm×150μm，光敏面尺寸為50μm×50μm的探測器陣列，當採用微透鏡陣列，透鏡口徑為150μm、焦距341.02μm，透鏡和基底的折射率為n＝1.543(kf1玻璃)；當採用微型混合拋物線型聚光器陣列，聚光器入射口徑為150μm、出射口徑50μm、高度為282.8μm、最大接收角19.5°。入射光束總光通量100w、張角從0°到30°，利用tracepro軟體進行建模和光線追跡之後，對比透鏡和混合拋物線型聚光器的透光率，得到圖5的透光率-入射光束張角的曲線圖，圖中紅色曲線代表混合拋物線型聚光器、藍色曲線代表透鏡。我們可以看到，隨著入射光的張角大於5°時，微透鏡的透光率低於拋物線型聚光器。這是由於透鏡是成像系統，當入射光束的張角較大時，會聚的光斑有一部分會在光敏面之外的死區，而混合拋物線型聚光器則不會出現這種情況。所以當入射光束角度較大時，微透鏡陣列相較於微透鏡陣列更有利於佔空比的提高。

一種適用於焦平面探測器的微型混合拋物線型聚光器陣列主要用於焦平面探測中。

本發明未詳細公開的部分屬於本領域的公知技術。

儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。