CN106370310A - 能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构及实现方法。它包括拼接式线列探测器、探测器拼接基板、探测器过渡基板、5个滤光片及“田”字型冷屏部件拼接成冷屏组件、辐射屏、5个“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接形成的光窗组件、长线列杜瓦底板。本发明通过引入特定处理，使得拼接式线列红外探测器的30个子模块，对应“田”字型冷屏的30个“细腰型”通光孔和超大光窗分立30个通光孔，实现相邻子模块探测器的光线物理隔离和光通量均匀性化，有效提高线列探测器的性能均匀性和提高了组件应用杂光抑制能力。本发明结构简单，操作方便，维修性好；本发明的大尺寸光窗组件制备方法可以减小光窗光学加工难度，提高了其成品率。

Description

能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构及实现方法

技术领域

本发明涉及红外探测器封装技术，具体指一种用于杂光抑制和光通量均匀化的线列探测器封装结构及实现方法，它适用于拼接式线列探测器芯片的封装。它也适用于推扫型宽视场光学系统用杂光抑制的多模块拼接面阵探测器组件封装。

背景技术

红外遥感仪器的两个重要性能指标为视场和分辨率。在研制高分辨大视场光学系统中，为了克服视场和分辨率存在矛盾，解决的途径之一为采用高分辨率、超大规模红外焦平面探测器。红外探测器受制备工艺、填充系数、灵敏度、成品率、成本等因素的限制，其规模是一定的。为了得到超大规模红外探测器件，一般采用多个小规模的探测器通过“无缝”拼接而成。“无缝”拼接并不是指真正意义上的焦平面无缝拼接，而是通过一定的视场拼接方法，对整个视场进行无缝覆盖。典型的方法有“品”字形拼接，通过两次或多次成像覆盖，采用图像拼接的方法完成视场的无缝拼接。

拼接型线列红外探测器，就是在一维方向上由多个子模块拼接而成(见中国专利200610027004.4和中国专利200610118767.X)。传统的长线列红外探测器封装采用的方案是在探测器前安装一个共用冷屏和共用光学窗口。其工程应用时存在各光敏元光通量差异大的问题，即中间光敏元和两边的光敏元对应的光通量不一致。此问题在探测器光敏元2000元以下，在两反一透光学系统应用还可以通过光学系统的设计较好解决。随着遥感探测空间分辨率的提高，多利用三反光学系统和采用拼接型超长线列红外探测器，例如实现一公里的分辨率，则需要12000元规模的超长线列红外探测器来进行“推扫”成像，在此应用场合下中间光敏元和两边的光敏元对应的光通量不一致，就显得更加突出，同时还会使得杂散光抑制问题和超大光窗的研制困难也更加突出，必须探索一种新方法来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于杂光抑制和光通量均匀化的线列探测器封装结构及实现方法，解决拼接式6000-30000元线列探测器芯片封装中的中间光敏元和两边光敏元对应的光通量不一致问题，解决拼接式6000-30000元线列探测器组件超大光窗研制困难的问题，使得拼接式6000-30000元线列探测器组件在工程应用时较好地实现杂散光抑制和探测器光通量均匀化。

本发明的一种用于杂光抑制和光通量均匀化的线列探测器封装结构如附图1所示，它主要包括拼接式线列探测器1、探测器拼接基板2、探测器过渡基板3、滤光片及“田”字型冷屏组件4、辐射屏5、“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接形成的光窗组件6、线列杜瓦底板7。拼接式线列探测器1按“品”字形拼接并胶接固化在探测器拼接基板2上。探测器拼接基板2与探测器过渡基板3通过探测器拼接基板安装孔204将二者螺接固定。滤光片及“田”字型冷屏组件4与探测器拼接基板2通过滤光片支架安装孔205螺接固定。辐射屏5与探测器过渡基板3通过辐射屏与探测器过渡基板安装孔301进行螺接固定。“Z”字型内含多个分立通光孔的子光窗拼接成的光窗组件6与线列杜瓦底板7由激光焊接进行密封连接。

探测器拼接基板2选用可伐或因瓦材料。在机加工精磨前使用液氮对金属金相固化和应力释放处理。在探测器拼接基板2的探测器子模块胶接位置外的部分进行喷砂后镀黑镍，探测器拼接基板其余表面镀金。

如附图3(b)所示，滤光片及“田”字型冷屏线列拼接组件408由5个滤光片及“田”字型冷屏组件4首尾拼接组成。如附图3(a)所示，滤光片及“田”字型冷屏组件4由滤光片401、滤光片支架402、冷屏405组成。滤光片支架402设计成多支脚桥式接构，支脚中心预留有滤光片支架与拼接基板安装孔404；滤光片支架402上的桥上面四周围墙结构作为滤光片支架与冷屏焊接区403。滤光片支架402与冷屏405除焊接区403外镀黑镍处理。冷屏405制作为“田”字槽。滤光片401胶接在滤光片支架402上，滤光片支架402与冷屏405装配后在冷屏焊接区403进行激光焊接形成一体。

辐射屏5如图4所示，辐射屏5上面开有30个矩形孔。矩形孔长和宽的尺寸要求比子模块光窗601上的通光包络矩形的长宽都大1-2mm。辐射屏5距离冷屏405上表面的距离为2-3mm。辐射屏5的上表面与子模块光窗601下表面的距离为3-5mm。辐射屏5上表面矩形通光孔501，通过局部镀黑镍形成比辐射屏5上矩形孔长宽单边都大2-3mm的矩形黑镍环502。辐射屏5其它部位抛光和镀金处理。

由5个“Z”字型内含6个分立通光孔的子模块光窗601拼接成的光窗组件6，如图5所示，由子模块光窗601、子模块光窗架603和光窗架主体604组成。子模块光窗601加工成“Z”型板式结构。在子模块光窗601，形成与探测器子模块数对应的6个通光区域602，不透光区域通过金层挡光，实现红外探测器各子模块光学窗口的物理隔离。子模块光窗架603和光窗架主体604选用可伐材料，子模块光窗601和子模块光窗架603通过共晶或铟焊气密焊接后，再通过激光焊实现5个子模块光窗架603和光窗架主体604的连接成的光窗组件6。

本发明的装配步骤如下：

1)拼接式线列探测器1由多个小规模探测器通过拼接并胶接固化在探测器拼接基板2上；

2)将探测器拼接基板2与探测器过渡基板3进行高精度对中组装，并将32个M2的的螺钉贯穿探测器拼接基板上预留的安装孔204与探测器过渡基板3螺接固定；

3)将滤光片401采用两端胶接方式固化在滤光片支架402上，滤光片支架402与冷屏405完成装配后，通过滤光片支架焊接区403进行高强度的激光焊接形成一体化组件；

4)将5个滤光片及“田”字型冷屏组件4首尾线列拼接组装形成滤光片及“田”字型冷屏线列拼接组件408。并通过32个M2的螺钉贯穿滤光片支架与拼接基板安装孔404与探测器拼接基板2螺接固定；

5)将辐射屏5与探测器拼接基板2进行高精度对中装配，并与探测器过渡基板3通过辐射屏与探测器过渡基板安装孔301进行螺接固定；

6)将“Z”字型内含6个分立通光孔的子模块光窗601拼接成的光窗组件6与线列杜瓦底板7进行对中装配，并通过激光焊实现高气密焊接。

以上完成了本发明用于杂光抑制和光通量均匀化的线列探测器封装结构。

本发明的工作原理(附图6(a)及图6(b))如下：滤光片及“田”字型冷屏线列拼接组件408是由5个滤光片及“田”字型冷屏组件首尾拼接组成。每个滤光片及“田”字型冷屏组件4内有6个“田”字型隔离的冷屏通光孔。安装在由30个小规模探测器拼接而成的30000元线列探测器的上方。30个小规模探测器上方安装独立30个滤光片。光窗组件6由5个“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接得到30个独立的光窗通光孔，这样的封装结构实现了拼接式线列探测器1的30个小规模探测器对应安装独立的30个滤光片、30个冷屏通光孔和30个光窗的通光孔。冷屏405制作为“田”字槽，防止红外探测器子模块接受到相邻子模块冷屏的通光孔的光线。冷屏405靠近子模块光窗601的上表面通光孔为细腰型，通过细腰型的几何尺寸来调整子模块探测器光通量。在辐射屏5上面开有30个矩形孔、30个矩形镀镍环和滤光片及“田”字型冷屏4组件内部的打毛黑化处理来实现杂光抑制。

本发明有如下优点是：

本发明有如下优点是：

1)结构简单，操作方便，维修性和互换性好；

2)本发明的滤光片及支架组件中的冷屏为“田”字槽，实现拼接式线列方向和垂直于线列方向相邻子模块探测器的光线串扰物理隔离；冷屏靠近窗口的上表面的通光孔可以加工为细腰型，实现红外探测器光通量的均匀化，有效提高线列探测器的性能的均匀性和提高了组件应用杂光抑制能力；

3)本发明的大尺寸光窗由多个“Z”型子模块光窗拼接而成，减小光窗的光学加工难度；

4)本发明通过多个子模块光窗与子模块光窗架气密焊后，再在光窗架主体上通过激光气密焊接拼接方式形成大尺寸光窗组件，简化了大尺寸光窗组件的制备难度，同时提高了大尺寸光窗组件的成品率。

附图说明

图1为用于杂光抑制和光通量均匀化的线列探测器封装接构示意图。

图中：

1—拼接式线列探测器；

2—探测器拼接基板；

3—探测器过渡基板；

301—辐射屏安装孔；

4—滤光片及“田”字型冷屏组件；

5—辐射屏；

6—由多个“Z”字型内含多个分立通光孔的子光窗拼接成的光窗组件；

7—线列杜瓦底板。

图2为探测器拼接基板示意图。

图中：

2—探测器拼接基板；

201—探测器子模块胶接位置；

202—探测器子模块胶接位置外的部分；

203—探测器拼接基板其余表面；

204—探测器拼接基板安装孔；

205—滤光片支架安装孔。

图3为滤光片及“田”字型冷屏组件示意图。

图中：图(a)为滤光片及“田”字型冷屏组件示意图。

图(b)为滤光片及“田”字型冷屏组件线性拼接示意图。

4—滤光片及“田”字型冷屏组件；

401—滤光片；

402—滤光片支架；

403—滤光片支架与冷屏焊接区；

404—滤光片支架与探测器拼接基板安装孔；

405—冷屏；

406—冷屏通光孔；

407—冷屏“田”字槽；

408—滤光片及“田”字型冷屏线列拼接组件。

图4为辐射屏示意图；

图中：

5—辐射屏；

501—辐射屏通光孔；

502—黑镍环；

503—辐射屏与探测器过渡板安装孔。

图5为由5个“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接成的光窗组件示意图。

图中：

6—“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接成的光窗组件；

601—子模块光窗；

602—子模块光窗通光孔；

603—子模块光窗架；

604—光窗主体。

图6为工作原理示意图。

图中：图(a)为线列探测器杜瓦线列方向剖面示意图。

图(b)为线列探测器杜瓦垂直线列方向剖面示意图。

具体实施方式

下面接合附图于实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本实施例为30000用于杂光抑制和光通量均匀化的线列探测器封装结构，如附图1所示，它的主要实施方法如下：

1)拼接式线列探测器1由30个小规模红外探测器通过“品”字形拼接并胶接固化在探测器拼接基板2上。探测器拼接基板2为长方型板状结构，选用可伐材料，在机加工成形过程中通过10次液氮冲击，降温速率4℃/秒进行金属金相预处理和应力释放，然后通过二次加工修配使得探测器拼接基板2上下表面的平面度和平行度达到装配精度的要求。如图2所示，在探测器拼接基板2上表面对应拼接式线列探测器1各个模块的胶接位置201通过机械掩膜保护后喷砂打毛，使得粗糙度达到Ra3.2，然后对探测器拼接基板2上表面除探测器子模块胶接位置201外的部分202进行定向镀黑镍处理，然后对除上表面外的探测器拼接基板其余表面203进行镀金。

2)探测器过渡基板3为长方型板状结构，选用TC4材料，探测器过渡基板3和探测器拼接基板2采用两基板螺接结构，并由40个钛合金螺钉通过探测器拼接基板安装孔204将两个基板进行螺接固定，确保线列红外探测器在低温下只承受一维约束，避免了桥式支撑结构在力学和降温过程的附加应力，避免封装结构对探测器性能的影响；

3)如图3(b)所示，滤光片及“田”字型冷屏线列拼接组件408由5个滤光片及“田”字型冷屏组件4首尾拼接组装实现。如图3(a)所示，滤光片及“田”字型冷屏组件4由滤光片401、滤光片支架402、冷屏405组成。滤光片支架402材料为可伐材料，设计成多支脚桥式接构，支脚中心预留有滤光片支架与拼接基板安装孔404；滤光片支架402上的桥上面四周围墙接构作为滤光片支架与冷屏焊接区403。滤光片支架402机加工后喷砂打毛、对滤光片支架与冷屏焊接区403进行保护后镀黑镍处理。冷屏405材料为可伐材料，通过机加工制作为冷屏“田”字槽407，壁厚为0.3mm,实现拼接式线列方向和垂直于线列方向相邻子模块探测器的光线串扰物理隔离。冷屏405靠近窗口的上表面的冷屏通光孔406加工为细腰型，通过细腰型的几何尺寸来调整探测器光通量实现光通量均匀化。冷屏405的外四周外表面局部保护镀黑镍后，再对黑镍表面和焊接区403进行保护后镀金。滤光片401通过两端胶接固化在滤光片支架402上，滤光片支架402与冷屏405通装配后在滤光片支架与冷屏焊接区403进行激光焊接形成一体；

4)辐射屏5材料为可伐材料，加工成如图4所示形状，在辐射屏5上表面对应冷屏406的腰型通光孔位置处开有30个的矩形孔501。矩形孔长和宽尺寸要求比子模块光窗601上的通光矩形的长宽都大1.5mm，以确保通过子模块窗口601通光矩形的光不会照射到辐射屏5的上表面。辐射屏5距离冷屏405上表面的距离控制在3mm。辐射屏5的上表面离子模块光窗601下表面的距离控制在3.5mm。辐射屏5上表面矩形孔的位置，通过局部镀黑镍形成比辐射屏5上矩形孔长宽单边都大2mm的矩形黑镍环502。辐射屏5其它部位抛光和镀金处理。将辐射屏通孔501与拼接式线列红外探测器1的光敏芯片进行对中装配，通过四侧的辐射屏与探测器过度板安装孔503由M2螺丝与探测器过渡基板2进行螺接固定；

5)如图5所示，由6个“Z”字型内含5个分立通光孔的子模块光窗601拼接成的光窗组件6由子模块光窗601、子模块光窗架603和光窗架604组成。子模块光窗601材料为宝石片，通过光学加工成“Z”型板式结构，在子模块光窗601转角处进行倒圆角处理R2。在子模块光窗601的上下表面形成与探测器子模块数对应的若干通光区域602，不透光区域通过光刻和离子溅射或磁控溅射形成的金层挡光，实现红外探测器各子模块光学窗口的物理隔离。子模块光窗架603和光窗架主体604选用可伐材料，子模块光窗架603表面采用镀黑镍处理。光窗架主体604采用抛光镀金处理。子模块光窗601和子模块光窗架603通过共晶或铟焊实现气密焊接后合格后，再将6个子模块光窗601与子模块光窗架603的组合体与光窗架主体604激光焊接形成由5个“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接成的光窗组件6。

6)将由5个“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接形成的光窗组件6与线列杜瓦底板7进行对中装配，并通过激光焊实现高气密焊接。

以上就完成了用于杂光抑制和光通量均匀化的30000元长线列探测器封装结构。

Claims (6)

1.一种能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构，包括拼接式线列探测器(1)、探测器拼接基板(2)、探测器过渡基板(3)、滤光片及“田”字型冷屏组件(4)、辐射屏(5)、“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接形成的光窗组件(6)、线列杜瓦底板(7)，其特征在于：

所述的拼接式线列探测器(1)按“品”字形拼接并胶接固化在探测器拼接基板(2)上，探测器拼接基板(2)与探测器过渡基板(3)通过探测器拼接基板安装孔(204)将二者螺接固定，滤光片及“田”字型冷屏线列拼接组件(408)由5个滤光片及“田”字型冷屏组件(4)首尾拼接组成，并与探测器拼接基板(2)通过滤光片支架安装孔(205)螺接固定，辐射屏(5)与探测器过渡基板(3)通过辐射屏与探测器过渡基板安装孔(301)进行螺接固定，由5个“Z”字型内含6个分立通光孔的子光窗拼接形成的光窗组件(6)与线列杜瓦底板(7)由激光焊接进行密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构，其特征在于：所述的探测器拼接基板(2)选用可伐或因瓦材料，在探测器拼接基板(2)子模块胶接位置外的部分处进行喷砂后镀黑镍，探测器拼接基板其余表面镀金。

3.根据权利要求1所述的一种能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构，其特征在于：所述的滤光片及“田”字型冷屏组件(4)包括滤光片(401)、滤光片支架(402)、冷屏(405)；滤光片支架(402)设计成多支脚桥式接构，支脚中心预留有滤光片支架与拼接基板安装孔(404)；滤光片支架(402)上的桥上面四周围墙结构作为滤光片支架与冷屏焊接区(403)；滤光片支架(402)与冷屏(405)除焊接区(403)外的表面镀黑镍处理；冷屏(405)制作为“田”字槽。滤光片(401)胶接在滤光片支架(402)上，滤光片支架(402)与冷屏(405)装配后在冷屏焊接区(403)进行激光焊接形成一体。

4.根据权利要求1所述的一种能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构，其特征在于：所述的辐射屏(5)上表面开有30个矩形孔，矩形孔的长度和宽度的尺寸要求比子模块光窗(601)上的通光包络矩形的长宽都大1-2mm。辐射屏(5)下表面距离冷屏(405)上表面的距离为2-3mm；辐射屏(5)上表面与子模块光窗(601)下表面的距离为3-5mm。辐射屏(5)上表面矩形通光孔(501)，通过局部镀黑镍形成比辐射屏(5)上矩形孔长宽单边都大2-3mm的矩形黑镍环(502)，辐射屏(5)其它部位抛光和镀金处理。

5.根据权利要求1所述的一种能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构，其特征在于：所述的光窗组件(6)包括子模块光窗(601)、子模块光窗架(603)和光窗架主体(604)；子模块光窗(601)加工成“Z”型板式结构，在子模块光窗(601)上形成与探测器子模块数对应的6个通光区域(602)，不透光区域通过镀金层挡光，实现红外探测器各子模块光学窗口的物理隔离，子模块光窗架(603)和光窗架主体(604)选用可伐材料，子模块光窗(601)和子模块光窗架(603)通过共晶或铟焊气密焊接后，再通过激光焊实现5个子模块光窗架(603)和光窗架主体(604)的连接成的光窗组件(6)。

6.一种实现如权利要求1所述的一种能抑制杂光均匀光通量的线列探测器封装结构的方法，其特征在于步骤如下：

1)拼接式线列探测器(1)由多个小规模探测器通过拼接并胶接固化在探测器拼接基板(2)上；

2)将探测器拼接基板(2)与探测器过渡基板(3)进行高精度对中组装，并将32个M2的螺钉贯穿探测器拼接基板上预留的安装孔(204)与探测器过渡基板(3)螺接固定；

3)将滤光片(401)采用两端胶接方式固化在滤光片支架(402)上，滤光片支架(402)与冷屏(405)完成装配后，通过滤光片支架焊接区(403)进行高强度的激光焊接形成一体化组件；

4)将5个滤光片及“田”字型冷屏组件(4)首尾线列拼接组装形成滤光片及“田”字型冷屏线列拼接组件(408)。并通过32个M2的螺钉贯穿滤光片支架与拼接基板安装孔(404)与探测器拼接基板(2)螺接固定；

5)将辐射屏(5)与探测器拼接基板(2)进行高精度对中装配，并与探测器过渡基板(3)通过辐射屏与探测器过渡基板安装孔(301)进行螺接固定；

6)将“Z”字型内含6个分立通光孔的子模块光窗(601)拼接行成的光窗组件(6)与线列杜瓦底板(7)进行对中装配，并通过激光焊实现高气密焊接。