CN107121770A - 一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列 - Google Patents

一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列 Download PDF

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黄媛
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Abstract

本发明提供一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列，将微型混合抛物线型聚光器阵列耦合到探测器像元面上，利用混合抛物线型聚光器优良的聚光能力，提高探测器的占空比、光能利用率，从而改善焦平面探测器的灵敏度、信噪比等性能。本发明适用于焦平面探测器，为探测器探测性能的提高和探测器微小型化的发展提供了条件。

Description

一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列
技术领域
本发明涉及光电探测的技术领域，具体涉及一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列，其为可以提高探测器的灵敏度、信噪比等性能，促进探测器微小型化发展的聚光器阵列。
背景技术
当前焦平面探测器中的焦平面阵列(像元面)可分为两个部分：光敏面和死区。光敏面是焦平面阵列能够发生光电效应的区域，光敏面之间是死区，用于读出电路的设置，通过读出电路可将光敏面产生的电信号输出。由于读出电路设置的需要，导致了单元之间沟槽的最小间距只能做到光敏面的1/3左右。
光电探测器件中的重要指标之一是占空比η(填充因子)，它定义为探测器光敏面的面积(光敏面边长为b)与整个像元的面积(像元面边长为a)之比：
η＝b2/a2 (1)
探测器工作时，照射到光敏面的光可以发生光电效应，用于电信号的产生与输出；照射到死区内的光不能发生光电效应，成为无用光而损失掉。因此，光能损失在焦平面阵列中是一个不容忽视的一个问题，能量的损失会严重影响焦平面的感光灵敏度、信噪比、探测率等性能。同时，军事及空间技术中对探测器小型化和微型化提出更加急迫的需求，探测器小型化意味着阵列单元尺寸进一步缩小，由于光能的损失势必使探测器性能进一步恶化。
在探测器的设计和制作过程中，制作较大光敏面存在困难，而光敏面之间也必须留有一定间隙以供电路走线等之用，因此通过增加光敏面的方法来增大探测器占空比是会受到限制的。探测器一旦形成,再用电子学方法提高探测能力的可能性很小。因此，我们只能通过提高光能利用率来增加探测器的响应率。
现有的技术是采用微透镜阵列，将入射光束聚焦到光敏面。然而，由于透镜是成像系统，当入射光束的张角较大时，会聚的光斑仍然会有一部分在光敏面之外的死区。因此，需要研究一种更有效的聚光器阵列，使在一定张角范围内的入射光都能有效地会聚到光敏面上，消除入射到死区中的光线造成的有害辐射，这样可以提高光能利用率，增强探测器的响应率，从而改善探测器的灵敏度、信噪比、探测率等性能，同时有利于探测器的微、小型化发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：焦平面探测器存在的占空比低、光能利用率低而导致的灵敏度低、信噪比低等缺点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列，包括微型混合抛物线型聚光器阵列、光敏面阵列和像元面阵列，在焦平面探测器的焦平面处、探测器的光敏面阵列前耦合一个微型混合抛物线型聚光器阵列(1)，入射光进入微型混合抛物线型聚光器阵列后，所有以最大接收角的边缘光在经过最多一次反射后就被导引到出射口的边缘，那么以中间角度入射的光都会被反射到出射口内，利用微型混合抛物线型聚光器阵列的这种聚光性能，使原本入射到微透镜阵列像元面上的辐射，有效地会聚到探测器的光敏面阵列光敏面上。
其中，光敏面和像元面的尺寸可以确定混合抛物线型聚光器的入口直径和出口直径分别为a和b，那么其最大接收角为：
本发明的原理是：对于混合抛物线型聚光器，当入口和出口直径确定后，其最大接收角便确定了，所有以最大角度入射的光(边缘光)在经过最多一次反射后就被导引到出射口的边缘，那么以中间角度入射的光都会被反射到出射口内。至此，可实现聚光的目的。利用混合抛物线型聚光器阵列可以将原本入射到整个像元面上的光全部汇聚到光敏面上，使入射到死区的光线几乎全部得到利用。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明采用的混合抛物线型聚光器相较于微透镜阵列而言，可以对较大张角的光束进行高效的聚光，死区不会出现杂散光。
2、本发明结构简单，在现有的工艺上容易实现。
附图说明
图1为一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列；
图2为混合抛物线型聚光器聚光到光敏面的原理示意图；
图3为适用于焦平面探测器的微透镜阵列；
图4为微透镜聚光到光敏面的原理示意图；
图5为混合抛物线型聚光器和微透镜的透光率-入射光束张角曲线图；
图6.1、6.2、6.3、6.4依次是入射光张角为0°、5°、15°、25°时混合抛物线型聚光器的出射光照度图；
图7.1、7.2、7.3、7.4依次是入射光张角为0°、5°、15°、25°时微透镜的出射光照度图；
图中附图标记含义为：1为混合抛物线型聚光器阵列，2为光敏面阵列，3为像元面阵列，4为微透镜阵列，5为微透镜阵列的基底。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明具体实施方式。
如图1所示，一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列由混合抛物线型聚光器阵列1、光敏面阵列2、像元面阵列3组成，与传统的透镜耦合系统相比，一种基于非成像光学的耦合系统采用基于非成像光学的混合抛物线型结构。如图2所示，直线AC平行于抛物线BC的对称轴，D点是抛物线BC的焦点。根据抛物线的特性可知，所有平行于抛物线BC的对称轴方向的光线都会被抛物线BC反射并会聚到其焦点D处。同理，平行于BD方向的光线会聚到C点。也就是说，抛物镜反射的边缘光线进入混合抛物线型聚光器之后，在里面被反射，然后从混合抛物线型聚光器的出射孔径的边缘C、D两点射出。AC、BD两条光线就是入射的边缘光线，只要入射的边缘光线能够出射，那么介于边缘光线之间的所有入射光线(除去吸收和损耗)都会从C、D两点之间出射。至此，可实现聚光的目的。根据光敏面和像元面的尺寸可以确定混合抛物线型聚光器的入口直径和出口直径分别为a和b，那么其最大接收角为：
对于理想混合抛物线型聚光器，当入射光最大张角小于时，全部都能从出口射出。
现有的焦平面探测器一般都采用微透镜阵列来提高占空比，如图3所示是微透镜阵列的原理图，其中，4是微透镜阵列，5是微透镜阵列的基底，微透镜阵列将入射光聚焦到光敏面上，提高了占空比。图4是透镜聚光的原理图，由于基底紧连着光敏面，而微透镜要把入射光聚焦到光敏面，因此透镜的焦距近似等于基板厚度。图3中透镜的直径为a、两个面的曲率分别为c1和c2(c2＝0)、透镜和基底的折射率都为n，那么基底的厚度L等于透镜的焦距f：
假设混合抛物线型聚光器和微透镜对入射光的透过率为T，那么采用它们之后探测器的占空比为：
对于像元尺寸为150μm×150μm，光敏面尺寸为50μm×50μm的探测器阵列，当采用微透镜阵列，透镜口径为150μm、焦距341.02μm，透镜和基底的折射率为n＝1.543(KF1玻璃)；当采用微型混合抛物线型聚光器阵列，聚光器入射口径为150μm、出射口径50μm、高度为282.8μm、最大接收角19.5°。入射光束总光通量100W、张角从0°到30°，利用TracePro软件进行建模和光线追迹之后，对比透镜和混合抛物线型聚光器的透光率，得到图5的透光率-入射光束张角的曲线图，图中红色曲线代表混合抛物线型聚光器、蓝色曲线代表透镜。我们可以看到，随着入射光的张角大于5°时，微透镜的透光率低于抛物线型聚光器。这是由于透镜是成像系统，当入射光束的张角较大时，会聚的光斑有一部分会在光敏面之外的死区，而混合抛物线型聚光器则不会出现这种情况。所以当入射光束角度较大时，微透镜阵列相较于微透镜阵列更有利于占空比的提高。
一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列主要用于焦平面探测中。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列，包括微型混合抛物线型聚光器阵列(1)、光敏面阵列(2)和像元面阵列(3)，其特征在于：在焦平面探测器的焦平面处、探测器的光敏面阵列(2)前耦合一个微型混合抛物线型聚光器阵列(1)，入射光进入微型混合抛物线型聚光器阵列(1)后，所有以最大接收角的边缘光在经过最多一次反射后就被导引到出射口的边缘，那么以中间角度入射的光都会被反射到出射口内，利用微型混合抛物线型聚光器阵列(1)的这种聚光性能，使原本入射到微透镜阵列(4)像元面上的辐射，有效地会聚到探测器的光敏面阵列(2)光敏面上。
2.根据权利要求1所述的适用于焦平面探测器的微型混合抛物线型聚光器阵列，其特征在于：光敏面和像元面的尺寸可以确定混合抛物线型聚光器的入口直径和出口直径分别为a和b，那么其最大接收角为：
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