CN105467483B - 红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环及制作方法 - Google Patents

红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环及制作方法,该挡光环由两片线性薄膜偏振器胶合而成,两片线性薄膜偏振器的透光轴相互垂直以实现消光。两片线性薄膜偏振器切割成符合红外制冷探测器冷光阑设计原则的挡光环形状并胶合于一体作为挡光环。本发明相对于传统挡光环结构具有更强的吸收性能和更轻的体量,可有效抑制杂散辐射在挡光环上发生二次散射后散射的能量,进而提高红外制冷探测器的信噪比和探测灵敏度。

Description

红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环及制作方法
技术领域
本发明涉及红外制冷探测器冷光阑中的挡光环及其制作方法,特别涉及红外制冷探测器冷光阑中的偏振型透射式挡光环及其制作方法。
背景技术
随着光学技术的发展,红外成像光学系统在航天、军事、医学等方面获得了越来越多的应用。在红外制冷探测器中,杂散辐射会导致系统的像对比度降低、丢失目标高频信号以及色彩失真等,从而影响探测器的空间探测距离及分辨能力。因此,对于高精度红外制冷探测器而言,杂散辐射的抑制就显得尤为关键。
在红外制冷探测器中,由于探测的是红外辐射,探测器在接收辐射时,目标以外的区域都会辐射能量,尤其是冷光阑外部未被制冷的金属件,因而会对探测器造成干扰。为了避免这类问题,通常会在探测器芯片前放置冷光阑,以此来限制杂散辐射能量的传输。冷光阑,即传统意义上的冷屏,是杜瓦中的一个重要组件,主要起限制视场作用,减少背景光通量,降低背景噪声,从而提高探测器芯片的信噪比。此外,通过在冷光阑内部合适的位置添加挡光环结构,可以对进入其内部的视场外杂散辐射进行多次散射,减少到达探测面的杂散辐射能量,从而提高组件的成像质量。
通过在冷光阑内部添加合适的挡光环结构,使视场外的杂散辐射在挡光环之间多次散射,从而有效衰减到达探测面的杂散辐射能量,提高探测器的信噪比,进而提升红外制冷探测器的灵敏度。挡光环一般采用高吸收的材料,用来吸收到达其表面的杂散辐射,并增加杂散辐射在到达探测面前的反射或散射次数,以促进其能量衰减。实际应用中的挡光环结构远不能实现对杂散辐射的完全吸收,不利于红外制冷探测器信噪比的提升,限制了高灵敏度红外探测器的应用。
因此,有必要提供一种可对杂散辐射实现高吸收率的挡光环结构,该挡光环结构可有效提高对杂散辐射的吸收能力,减少表面反射和散射的杂散辐射能量,且结构简单轻巧,加工工艺可操作性强。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种红外制冷探测器中冷光阑的偏振型透射式挡光环及制作方法,该挡光环相对于传统挡光环结构具有更强的吸收性能和更轻的体量,可有效抑制杂散辐射在挡光环上发生二次散射后散射的能量,进而提高红外制冷探测器的信噪比和探测灵敏度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环,该挡光环按照红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定内外径尺寸和安装位置,该挡光环由两片线性薄膜偏振器胶合而成,两片线性薄膜偏振器的透光轴相互垂直以实现消光。所述线性薄膜偏振器为圆环状透射式平片,工作波长与红外制冷探测器的工作波长相匹配。相对于介质偏振器,线性薄膜偏振器的损伤阈值和消光比更高,全波段消光比大于1000:1,红外波段大于10000:1。
进一步地,在线性薄膜偏振器非胶合面镀增透膜以减少表面反射,增加杂散辐射吸收率。
进一步地,将该挡光环的侧边磨为毛面并喷涂黑墨,以减少挡光环侧边反射的辐射能量。
进一步地,线性薄膜偏振器的基底为钠水玻璃,基底厚度可根据整体尺寸及结构强度要求确定,一般小于1mm。
所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环的制作方法,包括以下步骤:
步骤一、根据红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则与实际设计需求确定挡光环数量、位置和内外径尺寸;
步骤二、对于每个挡光环,选取符合结构强度要求的两片线性薄膜偏振器,标定每片线性薄膜偏振器的透光轴方向,使两片线性薄膜偏振器的透光轴方向相互垂直;
步骤三、将两片线性薄膜偏振器按步骤一中确定的挡光环内外径尺寸切割;
步骤四、使用光学胶将两片线性薄膜偏振器未镀增透膜的表面胶合,最终胶合完成的线性薄膜偏振器即为所述的偏振型透射式挡光环。
进一步地,在步骤四之前还包括将两片线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜的步骤,从而增加线性薄膜偏振器基底材料对入射杂散辐射的透过率,降低由于线性薄膜偏振器表面反射产生的二次辐射。
进一步地,在步骤四之前还包括将线性薄膜偏振器的侧边磨成毛面并喷涂黑墨的步骤,以降低侧边反射的辐射能量。
本发明的有益效果是:
1、充分利用线性薄膜偏振器的偏振吸收效应,高效吸收入射的杂散辐射,所述的偏振型透射式挡光环的吸收率远远高于普通挡光环对杂散辐射的吸收率;
2、所述的偏振型透射式挡光环对正反双面入射的杂散辐射均可高效吸收;
3、所述的偏振型透射式挡光环镀有增透膜,表面反射率低,增加了挡光环的吸收效率;
4、所述的偏振型透射式挡光环厚度较小,且对侧边进行了打毛涂黑处理,降低了侧边反射率;
5、所述的挡光环设计方法简单,结构轻巧,吸收效果出色,适合于高冷光阑效率、高灵敏度的红外制冷探测器使用。
附图说明
图1是红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计方法示意图;
图2是红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环侧视图;
图3是装配完成的包含四片偏振型透射式挡光环的红外制冷探测器冷光阑结构示意图;
图4是本发明偏振型透射式挡光环与传统挡光环对杂散辐射的吸收能力的定量对比图;
图中,一号挡光环1、二号挡光环2、三号挡光环3、四号挡光环4、冷光阑结构体5、冷光阑开口6、探测器面7。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明中实现高效吸收杂散辐射的偏振型透射式挡光环的实施方式和设计原理。
本发明设计的偏振型透射式挡光环是应用于高灵敏度红外制冷探测器的,目的是使红外制冷探测器冷光阑中的挡光环既具有轻薄的体量,又能显著提高其对杂散辐射的吸收能力,抑制杂散辐射在挡光环上发生二次散射后出射的能量,实现较高的冷光阑效率,进而提高红外制冷探测器的信噪比和探测灵敏度。
本发明的实施方式是,选取两片透光轴方向相互垂直的线性薄膜偏振器,切割成符合红外制冷探测器冷光阑设计原则的挡光环形状并两两胶合,装配到设定位置,完成挡光环的制作和装配。
所述的挡光环由图1所示的设计原则确定其通光尺寸和安装位置,环面外径由其安装位置和红外制冷探测器的冷光阑形状及开口大小共同确定。下面结合图1说明挡光环基本设计原则:首先确定红外制冷探测器的探测面对角线长度BD和冷光阑结构参数及二者相对位置即AC与BD之间的距离;连接BM,CD,过二者交点P作平行于AC的线段与冷光阑壁轮廓线相交,由此获得一号挡光环1的尺寸和位置;连接A和一号挡光环1的P点并延长,交冷光阑壁轮廓线于N,连接NB,与CD相交,重复上述步骤,可获得二号挡光环2的尺寸和位置;以此类推,可以获得任意形状的冷光阑相对应的挡光环组合,包括挡光环数量,每片挡光环的位置及相应口径。根据冷光阑实际设计要求,确定挡光环数量N。
选取2N个线性薄膜偏振器,所述的线性薄膜偏振器为透光轴方向确定的透射式平片,工作波长与红外制冷探测器的工作波长相匹配,纳米颗粒偏振薄膜以钠水玻璃为基底,根据偏振器尺寸及冷光阑中挡光环的结构强度要求,确定基底厚度。相对于介质偏振器,所述的线性薄膜偏振器的损伤阈值和消光比更高,全波段消光比大于1000:1,红外波段大于10000:1。
标定选取的线性薄膜偏振器的透光轴方向,将2N个线性薄膜偏振器均分为A、B两组,各组内的偏振器透光轴方向相同,A组偏振器透光轴方向与B组偏振器透光轴方向相互垂直。将两组线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜,所述的增透膜可以增加偏振器基底材料对以工作波长入射的杂散辐射的透过率,降低由于偏振器表面反射产生的二次辐射。
对A、B两组偏振器进行切割,使其符合上述的挡光环设计原则所确定的挡光环尺寸,按挡光环的位置编号,记为A1,A2,…,AN和B1,B2,…,BN。将两组偏振器的侧边磨成毛面,喷涂黑墨,降低其侧边反射的辐射能量。使用光学胶将相同编号的两组偏振器胶合,例如,将A1与B1胶合、AN与BN胶合,注意保持其透光轴方向相互垂直。完成胶合后的挡光环结构侧视图如图2所示,挡光环的两面均为镀增透膜面,侧面经过了涂黑处理,胶合的两片偏振器的透光轴互相垂直,图2中分别以与纸面平行(首片中箭头所示)和垂直纸面向内(次片中十字所示)来表达。
将胶合完成的挡光环按编号固定于冷光阑中相应的位置,完成挡光环与冷光阑之间的装配。以包含四片式挡光环的红外制冷探测器为例,装配完成后的包含偏振型透射式挡光环的红外制冷探测器冷光阑的结构示意图如图3所示,包含一号挡光环1、二号挡光环2、三号挡光环3、四号挡光环4、冷光阑结构体5、冷光阑开口6、探测器面7,其中一号挡光环1由偏振器A1、B1胶合而成,二号挡光环2由偏振器A2、B2胶合而成,三号挡光环3由偏振器A3、B3胶合而成,四号挡光环4由偏振器A4、B4胶合而成。透光轴方向与偏振器结构的相对关系以箭头和圆的形式给出。
下面说明本发明的基本原理。线性透射式偏振器对于入射光具有偏振消光效应,即当一束光通过偏振器后,出射光为线偏振光,且其光矢量的振动方向是由偏振器决定的,称偏振器允许透过的光矢量的方向为偏振器的透光轴。一束强度为I0的光经过两片偏振片后,其出射光强I取决于入射光偏振方向与偏振器透光轴方向夹角θ,其关系即为马吕斯定律:
I=I0cos2θ (1)
由公式(1)可知,当θ=90°时,cos2θ=0,此时以任意光强I0入射的光,其出射光强I恒等于0。也就是说,理想情况下,当两片偏振器的透光轴垂直时,可以实现对入射光的完全吸收。由此可知,可以使用两片透光轴互相垂直的偏振器组合成为极高吸收率的挡光环结构,以实现对杂散辐射的高效吸收。
然而,由于加工工艺所限,实际的偏振器并不能实现彻底消光,称偏振器的最小透射光强与最大透射光强之比为偏振器的消光比,消光比反映了偏振器达到最佳消光效果时光强的衰减水平。不失一般性,本发明所述的挡光环结构,对特定工作波长,可达到优于1:10000的消光比。
以自然光为例说明本发明所述的挡光环对杂散辐射的吸收效果:考虑红外制冷探测器前的光学系统中入射的大量随机偏振态的杂散辐射,设其整体的偏振态近似为自然光,光强为I0。当其入射到挡光环的第一片偏振器时,由于偏振器表面镀有增透膜,若增透膜透射率为98.5%,此时反射的杂散辐射强度为1.5%,进入挡光环内部的杂散辐射强度为I1=0.985I0。对于自然光而言,当其通过偏振器时,出射光强会衰减为入射光强的一半,因此当杂散辐射通过第一片偏振器后,其强度衰减为I2=0.4925I0。不失一般性,设偏振器的消光比为1:10000,则当杂散辐射通过第二片偏振器时,其光强I3=4.925*10-6*I0,杂散辐射强度衰减为入射时强度的十万分之一量级。将所述挡光环对入射杂散辐射的反射和吸收情况整体考虑可知,所述挡光环的吸收率约为98.5%,远优于传统的基于光学发黑工艺的挡光环约90%的吸收率,如图4所示。值得指出的是,当杂散辐射从本发明所述的挡光环另一面入射时,具有相同结论。
综上所述,本发明所述的偏振型透射式挡光环可实现远高于传统挡光环结构的杂散辐射吸收率,且体量轻巧,对提高红外制冷探测器的冷光阑效率、信噪比和探测灵敏度具有重要价值。

Claims (6)

1.一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环,该挡光环按照红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定内外径尺寸和安装位置,其特征在于,该挡光环由两片线性薄膜偏振器胶合而成,两片线性薄膜偏振器的透光轴相互垂直以实现消光;所述线性薄膜偏振器为圆环状透射式平片,工作波长与红外制冷探测器的工作波长相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环,其特征在于,在线性薄膜偏振器非胶合面镀增透膜以减少表面反射,增加杂散辐射的吸收率。
3.根据权利要求1所述的一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型透射式挡光环,其特征在于,将该挡光环的侧边磨为毛面并喷涂黑墨,以减少挡光环的侧边反射的辐射能量。
4.一种权利要求1所述的偏振型透射式挡光环的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、根据红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则与实际设计需求确定挡光环数量、位置和内外径尺寸;
步骤二、对于每个挡光环,选取符合结构强度要求的两片线性薄膜偏振器,标定每片线性薄膜偏振器的透光轴方向,使两片线性薄膜偏振器的透光轴方向相互垂直;
步骤三、将两片线性薄膜偏振器按步骤一中确定的挡光环内外径尺寸切割;
步骤四、使用光学胶将两片线性薄膜偏振器未镀增透膜的表面胶合,最终胶合完成的线性薄膜偏振器即为所述的偏振型透射式挡光环。
5.根据权利要求4所述的偏振型透射式挡光环的制作方法,其特征在于,在步骤四之前还包括将两片线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜的步骤,从而增加线性薄膜偏振器基底材料对入射杂散辐射的透过率,降低由于线性薄膜偏振器表面反射产生的二次辐射。
6.根据权利要求4所述的偏振型透射式挡光环的制作方法,其特征在于,在步骤四之前还包括将线性薄膜偏振器的侧边磨成毛面并喷涂黑墨的步骤,以降低侧边反射的辐射能量。
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