CN105487149A - 红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组及制作方法，所述偏振型复合挡光环组包括N个挡光环，每个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，各挡光环由金属挡光环及相应的线性薄膜偏振器胶合而成。本发明可在原有挡光环的基础上，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的二次散射，设计方法简明，结构相对简单，兼容性好，可有效提高红外制冷探测器的冷光阑效率，得到更高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复合挡光环组及制作方法

技术领域

本发明涉及红外制冷探测器冷光阑中的挡光环组，特别涉及红外制冷探测器冷光阑中的偏振型复合挡光环组的设计和制作方法。

背景技术

随着红外光学技术的发展，红外探测器已广泛地被应用在空间探测、军事、监控、医学以及日常生活中的各个领域，并且其对灵敏度和分辨率的需求也越来越高。在红外制冷探测器中，探测系统的杂散辐射是影响探测系统实际性能的重要因素之一。因此，抑制杂散辐射对于高精度红外制冷探测器就显得十分重要。

在红外制冷探测器中，探测器焦平面阵列元件及其组件被封装于杜瓦腔体内。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，因而会对探测器造成干扰，为此通常采用自身已被探测器冷却装置冷却的冷光阑。这样可以减少冷光阑对探测器的热辐射，同时也能保护探测器免受杜瓦内壁热辐射的影响。冷光阑，是杜瓦中的一个重要组件。一方面冷光阑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。另一方面，冷光阑还可以有效隔离红外杂散辐射以及其他电磁辐射的干扰作用，从而降低杜瓦工作时的热负荷并且能够缩短制冷启动时间，提高响应频率。

通过在冷光阑内部添加合适的挡光环结构，可以有效抑制进入其内部的杂散辐射，提高探测器的信噪比，进而提升红外制冷探测器的灵敏度。挡光环可以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，其大小和位置设计原则如图1所示。实际应用中的挡光环结构远不能实现对杂散辐射100％的吸收率，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，为了进一步提高现有红外制冷探测器的灵敏度，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和设计方法，本发明方法可有效提高挡光环对杂散辐射的吸收能力，减少挡光环表面反射和散射的杂散辐射能量，且结构简单，光机性能良好，与现有的红外制冷探测器及挡光环结构兼容性好。

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冷光阑的偏振型复合挡光环组及制作方法，可提高红外制冷探测器冷光阑中的挡光环对杂散辐射的吸收能力，抑制杂散辐射在挡光环上发生的二次散射，进而提高红外制冷探测器的信噪比和冷光阑效率。

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复合挡光环组，包括N个挡光环，每个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，每个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线性薄膜偏振器；所述的线性薄膜偏振器为与金属挡光环形状一致的透射式平片，工作波长与红外制冷探测器的工作波长相匹配；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。各线性薄膜偏振器的透光轴的角度α符合下式：

其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。

进一步地，所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成，并经过喷砂处理、光学发黑工艺实现表面发黑。

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，将线性薄膜偏振器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。

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。挡光环的厚度在保证其结构强度的前提下尽可能地薄，既可以减小挡光环的侧边反射也可以减轻冷光阑的整体重量。

所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组的制作方法，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确定挡光环的通光口径和位置，根据冷光阑的实际设计需求确定挡光环的数量N和外径；

步骤二、选取2N个线性薄膜偏振器，标定透光轴方向；

步骤三、将线性薄膜偏振器两两分组，每组线性薄膜偏振器的透光轴角度α由下式确定：

其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。

步骤四、将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状；

步骤五、使用光学胶将各组线性薄膜偏振器与其对应的金属挡光环前后面胶合，即可获得所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组。将各挡光环对应固定于步骤一确定的位置处，即可完成装配。

进一步地，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜的步骤，以减少表面反射，增加杂散辐射的吸收率。

进一步地，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨的步骤，以减少挡光环的侧边反射的辐射能量。

本发明的有益效果是：

1、利用线性薄膜偏振器的偏振吸收效应，可在原有挡光环吸收的基础上，高效吸收入射的杂散辐射，该复合挡光环相比于普通挡光环具有更高的吸收率；

2、对于偏振态与所入射的复合挡光环的线性薄膜偏振器透光轴垂直的杂散辐射，可以基本实现完全吸收；

3、不同复合挡光环的偏振透光轴经过设计，可以通过相互配合进一步增强吸收效果，在散射次数相同的情况下，降低了杂散辐射的出射能量；

4、该复合挡光环设计方法简明，结构相对简单，兼容性好，适用于高灵敏度红外制冷探测器应用。

附图说明

图1是红外制冷探测器冷光阑的挡光环基本设计方法示意图；

图2是挡光环侧边反射示意图；

图3是四片式挡光环偏振器透光轴角度示意图；

图4是四片式挡光环偏振器透光轴与挡光环编号之间的关系；

图5是包含偏振型复合挡光环的红外制冷探测器冷光阑的结构示意图；

图6是所述偏振型复合挡光环与传统挡光环对杂散辐射的吸收能力定量对比图；

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高效吸收杂散辐射挡光环的实施方式和设计原理。

本发明设计的偏振型复合挡光环组是应用于高灵敏度红外制冷探测器的，目的是为了提高红外制冷探测器冷光阑挡光环对杂散辐射的吸收能力，抑制杂散辐射在挡光环上发生的二次散射，提升系统的冷光阑效率，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，每个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，每个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线性薄膜偏振器。

所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成并通过喷砂处理、光学发黑工艺实现表面发黑。挡光环由图1所示的基本设计原则确定其通光直径和安装位置，环面外径由其安装位置和红外制冷探测器的冷光阑口径共同确定。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，由此获得挡光环1的尺寸和位置；连接A和挡光环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，挡光环数量N应由实际冷光阑设计需求确定。

挡光环的厚度在保证其结构强度的前提下尽可能地薄，既可以减小挡光环的侧边反射，也可以减轻冷光阑的整体重量。图2给出了挡光环侧边反射的示意图，α光线为正常入射到挡光环上的光线，其能量大部分会被挡光环吸收，而β光线入射到挡光环的侧边，经由挡光环侧边和棱角反射常常可直接到达像面，增大了到达像面的杂散辐射量，因此需要抑制。

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。线性薄膜偏振器厚度非常小，约0.2mm。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1:1000，红外波段大于1:10000。

选取两倍于挡光环数量N的线性薄膜偏振器，标定透光轴方向，每组偏振器的透光轴角度相差Δγ，由公式(1)确定：

其中N是挡光环总个数。图3以四片式挡光环为例说明了各组偏振器的透光轴分布，第a,b,c,d组偏振器透光轴角度分别为0°,45°,90°,135°。

将标定好的偏振器两两分组，分别对应于各挡光环，同组的两个偏振器透光轴方向保持一致，各组的透光轴方向由公式(2)确定：

其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是挡光环编号，为从1到N的正整数。图4以四片式挡光环为例说明了偏振器透光轴与挡光环编号之间的关系。

将各线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜，增加偏振器基底材料对入射杂散辐射的透过率，降低由于偏振器表面反射产生的二次辐射。

将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状，并将侧边磨成毛面，喷涂黑墨以降低侧边反射的辐射能量，使用光学胶将各组偏振器与其对应的金属挡光环的前后面胶合，注意保持透光轴方向；将各挡光环对应固定于由红外制冷探测器的挡光环设计原则确定的位置处，完成装配。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复合挡光环的红外制冷探测器冷光阑的结构示意图如图5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。根据所述的偏振器透光轴分布方式，分别将a组偏振器胶合到一号挡光1环两侧，c组偏振器胶合到二号挡光环2两侧，b组偏振器胶合到三号挡光环3两侧，d组偏振器胶合到四号挡光环4两侧。

下面说明本发明的基本原理。根据光在界面反射时的菲涅耳公式，对于介质而言有公式：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ρ}}_p=\frac{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(4\right)$

公式(3)(4)分别给出了入射光在与入射面垂直分量(s分量)和与入射面平行分量(p分量)光强的反射比，n₁,n₂分别为入射介质和出射介质的折射率，θ₁,θ₂分别为入射角和出射角。

对于金属表面的反射而言，有公式：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{{(n-{\mathrm{cos\θ}}_1)}^2+n^2{\mathrm{\κ}}^2}{{(n+{\mathrm{cos\θ}}_1)}^2+n^2{\mathrm{\κ}}^2}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ρ}}_p=\frac{{(n-\frac{1}{{\mathrm{cos\θ}}_1})}^2+n^2{\mathrm{\κ}}^2}{{(n+\frac{1}{{\mathrm{cos\θ}}_1})}^2+n^2{\mathrm{\κ}}^2}---\left(6\right)$

公式(5)(6)分别给出了入射光在与入射面垂直分量(s分量)和与入射面平行分量(p分量)光强的反射比，n为金属的折射率，κ为金属的衰减系数，θ₁分别为入射角。

由公式(3)(4)(5)(6)可看出，当光在介质或金属表面发生反射时，s分量和p分量的反射比并不相同，对于偏振度为0的自然光而言，当其入射到光学系统时，若在光学件或结构件表面发生反射时，其偏振度会相应提高。

线性透射式偏振器对于入射光具有消光效应，取决于入射光偏振方向与偏振器透光轴方向夹角θ，消光效果强弱遵循光学原理中的马吕斯定律：

I＝I₀cos²θ(7)

其中I₀为入射光强。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，对于完全偏振光而言，存在一个特定的偏振器角度，可以使其对入射光的衰减效果强于对自然光的效果。实际的偏振并不能在θ＝90°时彻底消光，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。

如上所述，当光入射到光学系统时，由于在光学件或结构件表面发生反射产生杂散辐射或杂散辐射时其偏振度会提高，当其通过合适的偏振器时就可以大大衰减其光强。

对于本发明中的偏振型复合挡光环而言，主要在以下方面综合实现消光：

1.入射到偏振器的杂散辐射会由于偏振消光效应衰减光强，且出射光的偏振态为与偏振器透光轴平行的线偏光；

2.经过喷砂和光学发黑处理的传统挡光环可以吸收透射过偏振器的杂散辐射；

3.经过挡光环反射的杂散辐射偏振态进一步发生变化，以不同于同一片偏振器透光轴的角度出射，再次实现偏振消光并以新的线偏振态出射；

4.出射的特定角度线偏振态的杂散辐射若入射到别的挡光环，由于各挡光环的偏振器透光轴方向不同且符合公式(2)分布，将会对该杂散辐射具有较好的抑制效果；

5.偏振器材料对入射杂散辐射也具有吸收效应。

下面举例说明本发明所述的挡光环的最理想效果：若杂散辐射以近似自然光的偏振态入射，设其光强为I₀，线偏振方向为90°，当其入射到第一片透光轴方向为0°的挡光环时，设挡光环的消光比为1:10000，则光强I₁＝0.5I₀；设偏振器的材料对入射红外光的吸收率为2％，挡光环的吸收率为90％，则从挡光环反射的光强为I₂＝0.049I₀；根据菲涅耳公式(3)(4)可计算反射光的偏振态变化，近似设反射光偏振主轴与偏振器透光轴夹角为5°，则出射光强I₃＝0.98*0.049*cos²(5°)*I₀≈0.047I₀，当此杂散辐射进入另一与其偏振方向垂直的复合挡光环时，出射光强为I₄＝0.047*10^-5*0.98*0.1*0.98*cos²(5°)*I₀＝4.48*10^-8I₀。本发明与传统挡光环的吸收能力对比如图6所示。本发明综合了偏振吸收、透射材料吸收和传统挡光环的吸收三种原理，即使实际情况中的杂散辐射偏振态各异，总体吸收效果仍明显强于传统挡光环的吸收效果，对于高灵敏度的红外探测器应用具有显著意义。

Claims (7)

1.一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，包括N个挡光环，每个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，每个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线性薄膜偏振器；所述的线性薄膜偏振器为与金属挡光环形状一致的透射式平片，工作波长与红外制冷探测器的工作波长相匹配；各线性薄膜偏振器的透光轴的角度α符合下式：

其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。

2.根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在于，所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成，并经过喷砂处理、光学发黑工艺实现表面发黑。

3.根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，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。

4.根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在于，将线性薄膜偏振器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。

5.一种权利要求1所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组的制作方法，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确定挡光环的通光口径和位置，根据冷光阑的实际设计需求确定挡光环的数量N和外径；

步骤二、选取2N个线性薄膜偏振器，标定透光轴方向；

步骤三、将线性薄膜偏振器两两分组，每组线性薄膜偏振器的透光轴角度α由下式确定：

其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。

步骤四、将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状；

步骤五、使用光学胶将各组线性薄膜偏振器与其对应的金属挡光环前后面胶合，即可获得所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组。

6.根据权利要求5所述的偏振型复合挡光环组的制作方法，其特征在于，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜的步骤，以减少表面反射，增加杂散辐射的吸收率。

7.根据权利要求5所述的偏振型复合挡光环组的制作方法，其特征在于，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨的步骤，以减少挡光环的侧边反射的辐射能量。