CN106291895A - 一种大视场凝视型红外紫外双色预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视场凝视型红外紫外双光谱预警装置，镜头基于全反射的原理对目标光源进行聚焦成像，不存在色差，同时采用新型红外紫外双色探测器，可以实现大视场凝视型红外紫外双光谱预警。

Description

一种大视场凝视型红外紫外双色预警装置

技术领域

本发明属于航天航空、光学技术和信息遥感技术领域，具体涉及一种大视场凝视型红外紫外双色预警装置。

背景技术

光学预警是一种通过探测目标的辐射能量获取目标有关信息的遥感手段，如果探测目标的辐射能量信息位于红外波段，则为红外预警，探测目标的辐射能量信息位于紫外波段，则为紫外预警。光学预警具有无源探测的隐蔽，抗干扰能力很强，同时具有高分辨率成像、体积小、质量轻等优点。光学预警工作波段可以选择红外到紫外的任意光波段，同时可以根据目标源的特征采用多光谱联合，如红外紫外双色预警以降低虚警率。

在预警和目标探测系统中，大视场是极为重要的优势。光学预警系统要实现大视场观测，主要有三个主要有3个技术途径:(1)扫描成像；(2)多镜头拼接成像；(3)超大视场凝视成像。扫描成像利用伺服控制机构使光轴在一定范围内按预定规律作一维或两维的扫描,以增大信息获取的立体角空域,但由于扫描需要一定的时间,不能满足信息获取高实时性的要求。采用多镜头拼接也是扩大视场的有效办法，但是需要解决体积、重量、功耗和可靠性等一系列问题。因此，最有效的办法是单镜头超大视场凝视。

然而，目前的大视场镜头，如鱼眼折射镜头、折反式双镜头等，均存在严重的色差和离轴像差，不能实现多光谱同时探测。且上述光学镜头一般采用组合镜头的方式，结构复杂，装调困难，而且受材料本身吸收的限制。而纯反射式光学镜头，如卡塞格林和格里高里镜头等，采用双镜头或者三镜头组合的方式，虽然不存在色差，但本身视场较小，装调困难，同轴容易中心遮挡，光透过率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种大视场凝视型红外紫外双光谱预警装置，镜头基于全反射的原理对目标光源进行聚焦成像，不存在色差，同时采用新型红外紫外双色探测器，可以实现大视场凝视型红外紫外双光谱预警。

一种凝视型红外紫外双色预警装置，包括龙虾眼光学镜头(1)、带通滤光膜(2)、红外紫外双色探测器(4)以及焦平面读出电路(5)；

所述龙虾眼光学镜头(1)多个排列在球面上的微小矩形元胞组成，用于对入射光子采用反射方式汇聚至焦平面上；

所述带通滤光膜(2)设置于龙虾眼光学镜头(1)上，由纵向和横向均交替拼接的红外滤光片(2.1)和紫外滤光片(2.2)以阵列的方式形成；

所述红外紫外双色探测器(4)由多个阵元探测器在龙虾眼光学镜头(1)的焦平面(3)上阵列排布组成；每个阵元探测器对应一个像素的探测；阵元探测器包含上电极(4.1)，紫外吸收区(4.2)，中间电极(4.3)，红外吸收区(4.4)，下电极(4.5)，缓冲层(4.6)以及衬底(4.7)；紫外吸收区(4.2)、红外吸收区(4.4)、缓冲层(4.6)和衬底(4.7)从上至下依次布置；紫外吸收区(4.2)为i-Al_xGa_1-xN/GaN异质结，用于吸收紫外光；红外吸收区(4.4)为i-Al_yGa_1-yN/GaN多量子阱结构，用于吸收红外光；上电极(4.1)设置在紫外吸收区(4.2)的i-Al_xGa_1-xN层上表面的外边缘上，中间电极(4.3)设置在紫外吸收区(4.2)的GaN层上表面的外边缘上；下电极(4.5)设置在缓冲层(4.6)的上表面的外边缘上；紫外吸收区(4.2)的紫外探测电流通过上电极(4.1)和中间电极(4.3)之间引出；红外吸收区(4.4)的探测电流通过中间电极(4.3)和下电极(4.5)之间引出；红外探测电流和紫外探测电流分别交给焦平面读出电路(5)处理；

所述焦平面读出电路(5)分别接收各个阵列探测器输出的紫外探测电流和红外探测电流，并通过编码的方式对选定的阵列探测器输出的信号进行读出和信号放大。

较佳的，所述龙虾眼光学镜头(1)的参数如下：

曲率半径r	镜面间距a	镜面深度t	镜面厚度h	镜面数量n
					700mm	200um	1mm	60um	3000×3000

较佳的，其中红外滤光片(2.1)的带通范围为8um-14um；红外滤光片(2.1)采用对称周期性膜系结构，基底材料为Si，高折射率材料为PbTe，低折射率材料为ZnS；高、低折射率材料交替周期为15-20层，每层中PbTe和ZnS厚度取透射红外波长的λ/4，厚度为2um-3um。

较佳的，紫外滤光片(2.2)的带通范围为240nm-280nm；紫外滤光片(2.2)采用对称性周期膜系结构，基底材料为紫外熔石英(JGS1)，高折射率材料为HfO₂，低折射率材料采用Mgf₂；高、低折射率材料交替周期为150-200层，每层中HfO₂和Mgf₂厚度取透射紫外波长的λ/4，厚度为60nm-80nm。

较佳的，衬底(4.7)采用2英寸的蓝宝石或者Si衬底。

较佳的，缓冲层(4.6)为厚度为1um的n-GaN，掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3。

较佳的，上电极(4.1)、中间电极(4.3)以及下电极(4.5)均为电子束蒸发的Ti/Al金属层，厚度为30nm-50nm。

较佳的，紫外吸收区(4.2)的紫外吸收波段选为300nm～365nm；AlGaN禁带宽度与Al组分x之间满足如下关系：

E_g(Al_xGa_1-xN)＝E_g(AlN)x+E_g(GaN)(1-x)-1.08x(1-x) (3)

E_g(Al_xGa_1-xN)表示AlGaN三元半导体的禁带宽度；

E_g(AlN)表示AlN的禁带宽度，E_g(GaN)表示GaN的禁带宽度，x表示金属Al的组分。

较佳的，焦平面读出电路(5)采用CMOS型读出电路，红外紫外双色探测器(4)通过倒装焊接铟柱将每个阵元探测器与多路传输器一对一地对准配接起来。

本发明具有如下有益效果：

(1)龙虾眼光学镜头是由许多排列在球面上的微小矩形元胞组成，结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，具有其它光学预警方法无法企及的大视场特性。

(2)基于全反射光学成像，本身不存在色差，也不存在二级光谱的问题。

(2)采用单镜头凝视成像，具有结构轻巧、装调简单等优点。

(3)实现红外、紫外光双光谱波段探测，可以极大降低虚警率。

附图说明

图1为本发明的大视场凝视型双色预警装置原理图；

图2(a)为龙虾眼镜头的微观结构图，图2(b)为龙虾眼光学聚焦原理图；

图3为龙虾眼光学聚焦效果仿真图；

图4为本发明的双色带通滤光膜2结构图；

图5为本发明的红外紫外双色探测器基本结构图；

图6为本发明的单元像素读出电路基本结构(CTIA)；

其中，1-龙虾眼光学镜头，2-带通滤光膜，3-焦平面，4-红外紫外双色探测器，4.1-上电极，4.2-紫外吸收区，4.3-中间电极，4.4-红外吸收区，4.5-下电极，4.6-缓冲区，4.7-衬底，5-焦平面读出电路。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种大视场凝视型红外紫外双色预警装置，如图1所示，包括龙虾眼光学镜头1、带通滤光膜2、红外紫外双色探测器4、焦平面读出电路5以及信号处理单元等。

(1)龙虾眼光学镜头1

采用一种模仿龙虾眼睛的仿生光学镜头，根据全反射的原理，可以大视场收集目标源的辐射信息并会聚到焦平面上。龙虾是生活在深海内的一种贝壳类生物，与人眼的结构不同，在龙虾眼的眼球上具有许多小立方体阵列，类似于曲面方孔微通道板。

因此，龙虾眼光学镜头1由许多排列在球面上的微小矩形元胞组成，与真实的龙虾眼相似。结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，因此具有其它掠入射光学系统无法企及的大视场特性。

龙虾眼的基本聚焦原理如图2所示，入射的光子在反射面上发生全反射而改变入射方向，通过特殊的几何结构设计，使入射的光子汇聚至焦平面，实现对光子的聚焦功能。反射面的中心沿圆周向均匀分布在半径为r的圆弧上，且延长线都通过这一圆弧的曲率中心O。设龙虾眼光学器件的焦点为F，焦距为f，目标源的物距为l_s，则像距l_f可以根据球面反射镜的高斯公式求出

$\frac{1}{l_s}-\frac{1}{l_f}=\frac{1}{f}=\frac{2}{r}---\left(1\right)$

当目标源距离龙虾眼镜头很远时，l_s＝∞，物距即平行入射光线汇聚在龙虾眼的焦平面上。如图2所示，龙虾眼镜头的主要参数包括：镜面曲率半径r，方孔镜面间距a，孔深度t，方孔镜面厚度h,镜面数量n。表1中给出了设计的龙虾眼镜头主要参数值。其中龙虾眼镜头的视场主要由镜面数量和镜面间距决定，具体可以表示为

$FOV=2{\mathrm{\β}}_c=\frac{(a+t)(n-2)}{r}---\left(2\right)$

根据表1中的参数值，可以得到镜头的焦距约为350mm，视场角可以达到±32°。

表1龙虾眼镜头仿真参数值

曲率半径r	镜面间距a	镜面深度t	镜面厚度h	镜面数量
					700mm	200um	1mm	60um	3000×3000

图3中，给出了龙虾眼镜头聚集效果仿真示意图，可以看出由于大视场的特性，目标光子信号会在焦平面的不同位置形成典型的十字焦斑像。对于表1参数中的龙虾眼镜头，直径约为0.5cm的焦平面半导体探测器即可满足成像要求。

(2)带通滤光膜2

带通滤光膜2，设置于龙虾眼镜头上，作为过滤膜，过滤预警波段以外的其他辐射信息，降低虚警率。带通滤光膜2采用干涉滤光片。干涉滤光片是利用干涉的原理，可使光谱中任意波长范围很狭窄的单色光选择性的投射。干涉滤光片的基本结构是采用具有高折射率和低折射率的不同介质膜交替组成。

带通滤光膜2的基本结构如图4所示，包含红外滤光片2.1和紫外滤光片2.2两部分。滤光片是由红外、紫外滤光片采用拼接的方式交替组成的薄膜阵列。

红外滤光片2.1和紫外滤光片2.2均为尺寸在μm级的正方形小片。理论上，正方形小片的尺寸越小，焦平面接收的光线越接近真实分布。考虑到实加工难度，各红外滤光片2.1和紫外滤光片2.2的正方形小片的边长均为20um-30um量级，接近焦平面探测器单像素尺寸即可。

其中红外滤光片2.1的带通范围为8-14um，平均透过率＞90％，截止区域的平均透过率＜1％。采用对称周期性膜系设计，基底材料为Si，高折射率材料为PbTe，低折射率材料为ZnS。高低折射率材料交替周期为15-20层，每层中PbTe和ZnS厚度取透射红外波长的λ/4，约为2-3um。

紫外滤光片2.2的带通范围为240-280nm，平均透过率＞60％，截止区域的平均透过率＜3％，采用对称性周期膜系设计，基底材料为紫外熔石英(JGS1)，高折射率材料为HfO₂，低折射率材料采用Mgf₂。高低折射率材料交替周期为150-200层，每层中HfO₂和Mgf₂厚度取透射紫外波长的λ/4，约为60-80nm。

(3)红外紫外双色探测器3

基于AlGaN/GaN新型半导体异质结，通过合理的能带设计，可以实现红外紫外双光谱同时探测。

光探测器的性能取决于材料的吸收特性，AlGaN宽带隙半导体因其独特的材料性质(如击穿电场高、稳定性好、高辐射硬度和高响应率等)，可用来制造紫外光探测器，其工作波长从中紫外到近紫外区(200～400nm)。AlGaN半导体异质结，通过调节Al的组分可以覆盖365-200nm的紫外波段区，因此对于紫外光的探测不存在难度，但是其本身并不吸收红外光，因此需要合理设计AlGaN/GaN异质结参数，以期通过异质结的导带阶吸收来达到对红外光的探测效果。

红外紫外双色探测器4由多个阵元探测器在龙虾眼镜头1的焦平面3上阵列排布组成；每个阵元探测器对应一个像素的探测，如图5所示，包含上电极4.1，紫外吸收区4.2，中间电极4.3，红外吸收区4.4，下电极4.5，缓冲层4.6，衬底4.7。紫外吸收区4.2、红外吸收区4.4、缓冲层4.6和衬底4.7从上至下依次布置；紫外吸收区4.2为i-Al_xGa_1-xN/GaN异质结，红外吸收区4.4为i-Al_yGa_1-yN/GaN多量子阱结构。上电极4.1设置在紫外吸收区4.2的i-Al_xGa_1-xN层上表面的外边缘上，中间电极设置在紫外吸收区4.2的GaN层上表面的外边缘上，并与i-Al_xGa_1-xN层错开。下电极4.5设置在缓冲层4.6的上表面的外边缘上。

衬底4.7根据AlGaN材料的外延需求可以采用2英寸的蓝宝石或者Si衬底。

缓冲层4.6为厚度约为1um的n-GaN，掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3。缓冲层4.6的作用是为提高上面探测器吸收层的外延质量，同时通过下电极引出红外吸收区电流。

由于电极接触层均为n型GaN，上电极4.1，中间电极4.3，下电极4.5均为为电子束蒸发Ti/Al金属层，厚度约为30-50nm。

紫外吸收区4.2的i-Al_xGa_1-xN为本征不掺杂吸收层。选取紫外吸收波段选为300～365nm，通过AlGaN材料本身吸收来达到探测效果。AlGaN禁带宽度与Al组分关系满足如下关系：

E_g(Al_xGa_1-xN)＝E_g(AlN)x+E_g(GaN)(1-x)-1.08x(1-x) (3)

E_g(Al_xGa_1-xN)表示AlGaN三元半导体的禁带宽度；E_g(AlN)表示AlN的禁带宽度，E_g(GaN)表示GaN的禁带宽度，x表示金属Al的组分；根据公式(3)，当AlGaN中的Al组分超过0.35，即进入300nm的日盲紫外吸收区，因此Al组分x采用0.35。

红外吸收区4.4的红外波段选择在长波红外波段8～14μm，采用AlGaN/GaN的导带阶差吸收来达到探测效果。AlGaN/GaN异质结的导带阶可以通过下式计算：

ΔE_g＝E_g(AlGaN)-E_g(GaN)＝1.63x+1.08x² (4)

ΔE_c＝0.8E_g＝1.3x+0.86x² (5)

ΔE_g表示AlGaN三元半导体的禁带宽度与GaN的禁带宽度的差值；ΔE_c表示导带阶差，根据上式，i-AlxGa1-xN/GaN多量子阱的Al组分x取值范围在0.05到0.09之间。

紫外吸收区4.2的探测电流通过上电极4.1和中间电极4.3引出，即上电极4.1和中间电极4.3之间的电压差即体现紫外吸收区4.2的探测电流。红外吸收区4.4的探测电流通过中间电极4.3和下电极4.5引出，即中间电极4.3和下电极4.5之间的电压差即体现红外吸收区4.4的探测电流。红外电流和紫外电流分别交给后面的焦平面读出电路5处理。

(4)焦平面读出电路5

读出电路(ROIC)完成焦平面探测器转换后电信号的放大、采样保持以及多路传输。读出电路采用CMOS型读出电路，红外紫外双色探测器与读出电路之间的连接采用平面混合式，即通过倒装焊接铟柱将红外紫外双色探测器正面的每个阵元探测器与多路传输器一对一地对准配接起来，通过编码的方式对选定的像素进行读出和信号放大，然后进行图像处理。

每个像素的单元读出电路采用电容反馈互导放大器型(CTIA)，其基本结构如图6所示。CTIA是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器，红外紫外双色探测器电流在反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定，具有低噪声、输出线性度好的优点。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，包括龙虾眼光学镜头(1)、带通滤光膜(2)、红外紫外双色探测器(4)以及焦平面读出电路(5)；

所述龙虾眼光学镜头(1)多个排列在球面上的微小矩形元胞组成，用于对入射光子采用反射方式汇聚至焦平面上；

所述带通滤光膜(2)设置于龙虾眼光学镜头(1)上，由纵向和横向均交替拼接的红外滤光片(2.1)和紫外滤光片(2.2)以阵列的方式形成；

所述红外紫外双色探测器(4)由多个阵元探测器在龙虾眼光学镜头(1)的焦平面(3)上阵列排布组成；每个阵元探测器对应一个像素的探测；阵元探测器包含上电极(4.1)，紫外吸收区(4.2)，中间电极(4.3)，红外吸收区(4.4)，下电极(4.5)，缓冲层(4.6)以及衬底(4.7)；紫外吸收区(4.2)、红外吸收区(4.4)、缓冲层(4.6)和衬底(4.7)从上至下依次布置；紫外吸收区(4.2)为i-Al_xGa_1-xN/GaN异质结，用于吸收紫外光；红外吸收区(4.4)为i-Al_yGa_1-yN/GaN多量子阱结构，用于吸收红外光；上电极(4.1)设置在紫外吸收区(4.2)的i-Al_xGa_1-xN层上表面的外边缘上，中间电极(4.3)设置在紫外吸收区(4.2)的GaN层上表面的外边缘上；下电极(4.5)设置在缓冲层(4.6)的上表面的外边缘上；紫外吸收区(4.2)的紫外探测电流通过上电极(4.1)和中间电极(4.3)之间引出；红外吸收区(4.4)的探测电流通过中间电极(4.3)和下电极(4.5)之间引出；红外探测电流和紫外探测电流分别交给焦平面读出电路(5)处理；

所述焦平面读出电路(5)分别接收各个阵列探测器输出的紫外探测电流和红外探测电流，并通过编码的方式对选定的阵列探测器输出的信号进行读出和信号放大。

2.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，所述龙虾眼光学镜头(1)的参数如下：

曲率半径r 镜面间距a 镜面深度t 镜面厚度h 镜面数量n 700mm 200um 1mm 60um 3000×3000

3.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，其中红外滤光片(2.1)的带通范围为8um-14um；红外滤光片(2.1)采用对称周期性膜系结构，基底材料为Si，高折射率材料为PbTe，低折射率材料为ZnS；高、低折射率材料交替周期为15-20层，每层中PbTe和ZnS厚度取透射红外波长的λ/4，厚度为2um-3um。

4.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，紫外滤光片(2.2)的带通范围为240nm-280nm；紫外滤光片(2.2)采用对称性周期膜系结构，基底材料为紫外熔石英(JGS1)，高折射率材料为HfO₂，低折射率材料采用Mgf₂；高、低折射率材料交替周期为150-200层，每层中HfO₂和Mgf₂厚度取透射紫外波长的λ/4，厚度为60nm-80nm。

5.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，衬底(4.7)采用2英寸的蓝宝石或者Si衬底。

6.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，缓冲层(4.6)为厚度为1um的n-GaN，掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3。

7.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，上电极(4.1)、中间电极(4.3)以及下电极(4.5)均为电子束蒸发的Ti/Al金属层，厚度为30nm-50nm。

8.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，紫外吸收区(4.2)的紫外吸收波段选为300nm～365nm；AlGaN禁带宽度与Al组分x之间满足如下关系：

E_g(Al_xGa_1-xN)＝E_g(AlN)_x+E_g(GaN)(1-x)-1.08x(1-x) (3)

E_g(Al_xGa_1-xN)表示AlGaN三元半导体的禁带宽度；

E_g(AlN)表示AlN的禁带宽度，E_g(GaN)表示GaN的禁带宽度，x表示金属Al的组分。

9.如权利要求1所述的一种凝视型红外紫外双色预警装置，其特征在于，焦平面读出电路(5)采用CMOS型读出电路，红外紫外双色探测器(4)通过倒装焊接铟柱将每个阵元探测器与多路传输器一对一地对准配接起来。