CN111189548A - 一种多波段红外探测器及带通光窗的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波段红外探测器及带通光窗的制备方法，该红外探测器包括至少可透过两个不同波段红外辐射的带通光窗、分别将带通光窗辐射的不同波段的光信号转换为电信号的光敏元、提供窗口使带通光窗的光信号辐射至光敏元上的支撑件、对光敏元信号进行处理输出的信号处理输出部件。其通过多波段带通光窗、敏感元、光串扰遮挡片的设计，在保证探测器识别率高的基础上，大大减小了系统的体积、成本、功耗和重量，实现了可用于共孔径光学系统的低成本多波段热释电红外探测器。
Description
技术领域
本发明涉及管道监测装置领域，更具体的说是涉及一种多波段红外探测器及带通光窗的制备方法。
背景技术
红外探测器作为连接整个红外探测系统与外界的桥梁，是整个红外探测技术的核心。20世纪70年代以来，军事需求推动了红外探测器的研究与发展。当前在军事领域广泛应用于夜间情报的收集对战场进行全天候的观察和监视以及各种武器系统和火控系统的夜间观察，瞄准装甲车辆、坦克、舰船、直升飞机的夜间驾驶，导弹红外制导和空间卫星遥测等等。在民用领域也广泛用于工业、医学、农林业、消防、搜索救援以及环境保护等领域。
根据不同敏感材料的工作原理，红外探测器通常可分为光子型红外探测器和热型红外探测器。光子型红外探测器是利用光电效应制成的探测器，其原理是利用PN结的内建电场将光生载流子扫出结区而形成信号，实现探测。根据作用机理不同，光子型红外探测器又可分为光电导型、光生伏特型、光电子发射型和量子阱探测器。光子型红外探测器有许多优势，如灵敏度高、响应快、探测能力强等等，但是该探测器必须在较低温度下工作，室温下的探测率明显低于低温下的探测率，需额外使用低温容器，导致器件结构复杂、成本高昂，因此光子型探测器的应用范围有限，其主要用于军事领域，如侦查、制导和预警等，无法在民用领域进行更大规模的推广。热型红外探测器是利用探测元件吸收入射红外辐射而产生热，造成温升，并通过各种物理效应将温升转换成电量的原理制成的器件，其的响应速度慢、响应率较低、机械强度低，但它无需使用制冷设备，在室温下便可使用，且制作简单、体积小、重量轻、功耗低、价格低廉，因此热型探测器在民用领域具有更加广泛的应用。
不同目标及不同场景下目标所辐射的红外特征各有不同。例如，湿度较高环境中的温度大于350k以上的目标，中波红外辐射的大气透过率比长波的高很多，因此，应优先使用中波红外探测器；在较为干燥的环境中，温度低于350k的目标，由于此时目标的长波红外辐射比较明显，应优先采用长波红外探测器；同时，对于大多数探测目标，采用多波段红外探测可降低误判率，使识别率大幅提升。以机动车为例，发动机处于工作状态的机动车，其引擎盖，排气等区域温度较高，中波红外辐射特征明显。而其他区域温度较低，长波红外辐射特征明显。因此同时使用中波红外、长波红外两个波段同时判定，会对目标探测识别准确率起到质的提升。
然而，当前的非制冷红外探测器仅能实现单一波长（波段）红外信号的探测，容易出现误判。某些高端探测系统采用了中波红外、长波红外两套探测系统提升识别率，此种方案需要提供两套光学系统及放大电路，从而实现红外辐射的收集及电信号的放大，这使得系统的体积、功耗、成本大幅增加，限制了其应用推广。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，特研发一种多波段红外探测器及带通光窗的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种多波段红外探测器，包括：
至少可透过两个不同波段红外辐射的带通光窗；
分别将带通光窗辐射的不同波段的光信号转换为电信号的光敏元；
提供窗口使带通光窗的光信号辐射至光敏元上的支撑件；
对光敏元信号进行处理输出的信号处理输出部件。
本方案利用了热释电材料可实现宽光谱红外探测的特性，通过多波段带通光窗、敏感元、的设计，相比于现有两套光学系统及放大电路，在保证探测器识别率高的基础上，大大减小了系统的体积、成本、功耗和重量，实现了可用于共孔径光学系统的低成本多波段热释电红外探测器。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
通过多波段带通光窗、敏感元的设计，在保证探测器识别率高的基础上，大大减小了系统的体积、成本、功耗和重量，实现了可用于共孔径光学系统的低成本多波段热释电红外探测器。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明的分解结构示意图。
图2为本发明封装完成的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种多波段红外探测器，其不仅可应用于军事领域，也可应用于民用领域，可用于车辆、人体、动物等目标红外特征的成像和识别，亦可应用于气体探测器领域；该红外探测器包括带通光窗、光敏元、支撑件、信号处理输出部件；带通光窗至少可透过两个不同波段的红外辐射，滤除其他不需要的红外辐射波段，多个可透过红外辐射的波段不同；光敏元接收带通光窗不同波段的光信号并分别将其转换为电信号；支撑件以固定带通光窗，提供窗口保证带通光窗的光信号辐射至光敏元上，保护元器件并提供气密环境；信号处理输出部件对光敏元信号进行处理并输出。采用上述结构的红外探测器，通过多波段带通光窗及敏感元件光串扰遮挡片的设计，实现了可用于共孔径光学系统的低成本多波段热释电红外探测器。该红外探测器采用一个探测器，并通过同一光学系统即可实现2个及以上波段红外辐射的探测或成像，大幅提升了当前单一波段探测器识别率低的缺陷；同时也克服了多波段探测系统采用多个探测器配合多个光学系统方案带来成本、功耗、体积、重量上的大幅增加的问题。
带通光窗至少可透过两个不同波段的红外辐射，其包括衬底和置于衬底上的光学带通薄膜，具体的，其制备方法为：
A、采用光刻胶、金属掩膜或其他手段在衬底上形成遮挡层且仅露出一区域，对该区域进行光学带通薄膜的沉积；
B、去除上一步骤沉积的遮挡层，采用光刻胶或金属研磨手段在衬底上形成遮挡层且仅露出另一区域，并对该区域进行光学带通薄膜的沉积；
C、采用步骤B的方法依次完成全部区域的光学带通薄膜的制备后去除全部遮挡层。
实施例2
基于上述实施例，由于温度变化、机械噪声等带来的噪声会影响红外探测器，为了提高红外探测器的检测精度，本实施例上述结构的基础上做了优化，即在上述结构的基础上增设光敏元的补偿元。
为了避免斜射红外辐射信号照射到光敏元上对相邻光敏元带来串扰，在光敏元之间设置遮挡片8，遮挡片对红外辐射起阻挡作用，以提高光敏元的转换的准确性，提高红外探测器识别的精度。
具体的，带通光窗仅透过不同波段红外辐射可通过不同的光学带通薄膜实现，如图1所示，带通光窗包括衬底3和至少两个置于衬底上的光学带通薄膜，光学带通薄膜可透过的红外辐射波段不同。光敏元数量与带通数量的光学带通薄膜数量相等，可成一一对应关系，即一光敏元接收处理一光学带通薄膜的光信号。
实施例3
如图1、图2所示，本实施例基于上述实施例的原理和结构并以双波红外探测器为例对方案进行说明。
双波红外探测器包括带通光窗、光敏元、遮挡片8、支撑件、补偿元、信号处理输出部件，具体的：
带通光窗包括衬底和置于衬底3两侧的第一光学带通薄膜1和第二光学带通薄膜2；对应的，光敏元、补偿元7分别有两个，光敏元包括第一光敏元5、第二光敏元6。带通光窗的衬底3可采用ZnSe、ZnS、Ge等材料。第一光学带通薄膜1和第二光学带通薄膜2分别置于衬底3两侧，分别可透过一个特定波段的红外辐射，并滤除其他不需要的红外辐射波段，例如第一光学带通薄膜1和第二光学带通薄膜2分别可以透过3~5um、8~14um远红外辐射，当然，两个光学带通薄膜可透过的波段不仅限于此，在此仅做举例说明，不做保护范围的限定。具体的其制备方法是：采用光刻胶、金属掩膜或类似手段在第二光学带通薄膜2区域形成一遮挡层，在第一光学带通薄膜1区域制备3~5um的光学带通薄膜；完成第一光学带通薄膜1的制备后，去除第二光学带通薄膜2区域的遮挡层，再次采用光刻胶、金属掩膜或类似手段在第一光学带通薄膜区域形成一遮挡层，在第二光学带通薄膜区域制备8~14um的光学带通薄膜，去除第一光学带通薄膜区域的遮挡层即可。采用光刻胶或金属进行掩膜，第一光学带通薄膜1和第二光学带通薄膜2区域交界区域可实现无缝连接，可避免造成交界处镀膜的缺失，从而大幅提升光敏元的填充率，同时避免了不必要的漏光，提高带通制备精度。
支撑件包括管帽4和封闭管帽的管座11，管帽4上设置一与光学带通薄膜、带通光窗相匹配的窗口，光学带通薄膜、光敏元分别置于窗口的两端，补偿元与光敏元同侧但不与窗口有重叠，以避免红外辐射照射到补偿元上。
信号处理输出部件包括用于信号处理的PCB板9和用于信号输出的管脚10，管脚10穿出管座以输出信号至后级系统。此处PCB板上集成2路分别根据补偿元信息、光敏元电信号对信号进行放大的信号处理电路，信号处理电路可采用现有电路实现，其具体电路不是本方案的重点，再此不赘述。光敏元、遮挡片8、补偿元固定在PCB板上，PCB板对其提供支撑。遮挡片8置于光敏元之间，避免斜射红外辐射信号照射到相邻的敏感元上，从而带来光串扰。遮挡片8的材质为红外不透过材质，同时要具有良好的隔热性和较低的热容，避免劣化敏感元的频率响应特性。如图1、2所示，双波红外探测器的带通光窗成方形，可将窗口设置为方形孔，若带通光窗成圆形或其他形状，窗口做适应性调整即可，以保证红外辐射可照射到敏感元上，并具有足够的视场，同时阻挡红外辐射不能照射到补偿元7上。此外，其还起到支撑带通光窗3，并起到保护器件，提供气密环境的作用。
需要说明的是，本技术方案的保护范围不仅限于双波红外探测器，多波段红外探测器亦可按上述原理实现，所不同的仅在于光学带通薄膜和光敏元的数量、对应补偿元的数量、管帽窗口的形状、信号处理输出部件的PCB板对应电路数量和管脚数量的分别，其余结构可参照实施例2各部件实现。对应的，若为四波段红外探测器，带通光窗的制备方法为：
采用光刻胶或金属研磨手段在第二、第三、第四个光学带通薄膜区域形成一遮挡层，对第一个光学带通薄膜的区域进行光学带通薄膜的制备；
去除第二、第三、第四个光学带通薄膜区域的遮挡层，采用光刻胶或金属研磨手段在第一、第三、第四个光学带通薄膜区域形成一遮挡层，对第二个光学带通薄膜的区域进行光学带通薄膜的制备；
去除第第一、第三、第四个光学带通薄膜区域的遮挡层，采用光刻胶或金属研磨手段在第一、第二、第四个光学带通薄膜区域形成一遮挡层，对第三个光学带通薄膜的区域进行光学带通薄膜的制备；
去除第第一、第二、第四个光学带通薄膜区域的遮挡层，采用光刻胶或金属研磨手段在第一、第二、第三个光学带通薄膜区域形成一遮挡层，对第四个光学带通薄膜的区域进行光学带通薄膜的制备；去除第一、第二、第三个光学带通薄膜区域的遮挡层即可。本方案的带通光窗基于光刻胶和或金属研磨手段，光学带通薄膜的制备、遮挡层的去除手段等没有做具体介绍的均为为现有技术，在此不做赘述。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多波段红外探测器，其特征在于，包括：
至少可透过两个不同波段红外辐射的带通光窗；
分别将带通光窗辐射的不同波段的光信号转换为电信号的光敏元；
提供窗口使带通光窗的光信号辐射至光敏元上的支撑件；
对光敏元信号进行处理输出的信号处理输出部件。
2.根据权利要求1所述的一种多波段红外探测器，其特征在于，所述带通光窗包括衬底和至少两个置于衬底上的光学带通薄膜，所述光学带通薄膜的可透过的红外辐射波段不同。
3.根据权利要求1所述的一种多波段红外探测器，其特征在于，所述支撑件包括管帽和封闭管帽的管座，所述管帽上设置一与光学带通薄膜、带通光窗相匹配的窗口，所述光学带通薄膜、光敏元分别置于窗口的两端。
4.根据权利要求1所述的一种多波段红外探测器，其特征在于，还包括用于补偿光敏元噪声信号的补偿元。
5.根据权利要求1所述的一种多波段红外探测器，其特征在于，所述信号处理输出部件包括用于信号处理的PCB板和用于信号输出的管脚。
6.根据权利要求1所述的一种多波段红外探测器，其特征在于，所述光敏元之间设置有遮挡片。
7.一种带通光窗的制备方法，其特征在于，所述带通光窗为权利要求1至6中任一所述的带通光窗，括以下步骤：
采用光刻胶或金属掩膜手段在衬底上形成遮挡层且仅使一区域未覆盖，对该区域进行光学带通薄膜的沉积；
去除上一步骤沉积的遮挡层，采用光刻胶或金属研磨手段在衬底上形成遮挡层且仅使另一区域未覆盖，并对该区域进行光学带通薄膜的沉积；
采用步骤B的方法依次完成全部区域的光学带通薄膜的制备后去除全部遮挡层。
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