CN2226765Y - 红外探测器光学组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型采用复合双曲面反射聚光器与红外敏感芯片构成可以在低温下使用的红外探测器光学组件，由于复合双曲面反射聚光器光学效率高，长度短，使组件具有探测灵敏度高、体积小、重量轻等优点。在组装工艺上采用胶接、真空压力铟封、透镜定心包边，两端面机械包边固定以及设置特别安装定位面等技术，使组件有较高的光学对准精度和工作可靠性，特别适于空间遥感仪器的应用。

Description

红外探测器光学组件

本实用新型涉及光学系统与对辐射敏感的器件领域，是一种复合双曲面反射聚光器与红外探测器组合构成的新型红外探测器光学组件。

红外探测器是红外光电仪器的核心部件，一般是一片平面敏感芯片，为防止污染和损坏，常用一块能透过红外辐射的平板窗口封装。为了提高器件的性能，可以把封装窗口改换成透镜，也可以把透镜与敏感芯片胶接起来，构成浸没型红外探测器，这些方法都行之有效。1975年美国巴恩斯公司把直线反射光锥加在热释电红外探测芯片前面与透镜一起组成一个红外探测组件，获得了高灵敏度探测器件(参见文献：0ptical Engineer ing，Vol 14，No4 P287，1975年)并把它用在Block5D卫星上的专用气象敏感器SSH上。这项技术对提高仪器的各项性能起了重要作用，但是这种组件所采用的是直线光锥(母线为直线的圆锥体)，因而锥体很长，光学效率不高，光线在反射面上必须反射多次才能到达敏感芯片，加之锥体用铜制作，使得组件体积大，重量重。而对于空间遥感仪器来说，体积小，重量轻十分重要，对超高真空、冲击、振动、温度剧变等特殊环境条件下的可靠性也要求很高，该组件在这方面的技术保障尚不够充分，而且只能在室温下应用。

本实用新型的目的在于提供一种能在低温下使用，同时满足空间遥感仪器，体积小、重量轻、可靠性好、灵敏度高要求的红外探测器光学组件。

本实用新型通过如下技术方案达到：组件包括管壳、管座、光学部件和红外敏感芯片，采用平凸锗透镜和复合双曲面反射聚光器与红外敏感芯片同轴组合构成红外探测器光学组件。组件的聚光器与透镜的包边座之间采用胶接，管壳与管座之间采用真空压力铟封，管壳两端分别与包边座和管座包边固定。在放置红外敏感芯片的管座上设置有二个用以保证聚光器与芯片之间的小间隙要求的小平台面。锗透镜放在透镜包边座内定心后包边，红外敏感芯片放置在为保证组件光学同轴精度的管座定位面中心，以管座上的定位槽的内圆柱面定位。选择热学性质匹配的芯片衬底、管壳与包边座材料，用低温性能优良的粘胶剂完成各种胶接。管壳采用薄壳结构，外表面全部抛光镀金。

本实用新型有如下有益效果：

1、本实用新型红外探测器光学组件比由直线光锥组成的光学组件探测灵敏度可提高14％，长度缩短2.5倍，因而体积和重量显著减小，本实用新型的最大外形尺寸为φ18.5毫米×14.8毫米，重量不足8克，特别适于空间遥感应用。

2、由于采用多种保证组件安装精度和可靠性的技术措施，使组件的光学与机械的同轴性误差小于0.04毫米，对超高真空、冲击、振动、温度剧变等有较高的抗干扰能力，可靠性好。

3、实验证明，本实用新型红外探测器光学组件可以在70K以上的低温条件下正常工作。

4、本实用新型只要改换敏感芯片和透镜，不必改变其他部件，就能成为可见光或紫外光辐射探测器光学组件。

本实用新型附图说明如下：

图1为本实用新型的结构剖示图。

图2为本实用新型的管壳部分剖示图。

图3为本实用新型配合面清根槽示意图，如图2中I部位的放大示意图。

本实用新型设计人推荐以下最佳实施例：

为了提高仪器的灵敏度，能在低温下工作，同时适应空间遥感仪器体积小、重量轻、可靠性高等方面的要求，本实用新型采用等光程原理设计出复合双曲面反射聚光器，该聚光器的反射面是一个旋转对称四次曲面，对于入射的子午光线，只需反射一次就能到达敏感芯片上，因而光学效率很高，对于表面镀铝的复合双曲面反射聚光器，光学效率可达94％，而对具有同等聚光比的表面镀铝的直线反射光锥，光学效率约为80％，采用复合双曲面聚光器代替直线光锥可以使锥体长度显著减小，在同样接收视场和同样聚光比条件下，锥体长度可缩短2.5倍，加之聚光器用超硬铝制作，使器件的体积和重量显著减小。聚光器的光学反射表面采用光学复制技术获得。为了提高器件的可靠性，本实用新型采用胶接与在真空中用机械手压力铟封相结合的技术实现组件密封，并且在组件的两端用滚边法包边进一步固定，使组件能经受超高真空、冲击、振动、温度剧变等恶劣环境，透镜先用机械包边法在光学车床上对中包边，再以较高的精度装入组件的前部，红外敏感芯片在显微镜下以机械外圆定心，随管座装入组件的后部。在固定红外敏感芯片的柯伐管座上，专门设置了两个小台面，它与聚光器的下端面紧靠，采取这个办法可以保证芯片与聚光器小口之间的小间隙要求，同时使敏感芯片在冲击、振动等条件下不致损坏。其具体结构请参见图1。

所说的复合双曲面聚光器4，其大口直径5.6mm，小口直径1.9mm，长度6.5mm，内表面为镀铝光学镜面，母线方程为1.966x²－1.333y²＋15.555xy－72.54x－155.715y＋446.447＝0，锥体用超硬铝合金LY12CZ制作，其小口端面也是光学镜面，由金刚石刀具高速切削形成平凸形锗透镜1，表面镀有抗反射膜，先放入机械包边座2，然后在光学车床上以光轴为旋转轴车削外圆，并定心包边。包边座2和聚光器4之间用低温密封胶3封接。组件管壳5用超硬铝材料LY12CZ制作，在其前后端设计加工薄壁结构13和14，请参见图1和图2，组件封装时，将薄壁结构13和14滚边固定装入组件的零件。在管壳尾端开有一条宽1.3mm，深0.8mm的圆环密封槽18，在真空系统中封装时，用机械手压入铟环6，实现组件密封。在复合双曲面聚光器的安装位置上设计加工清根槽17，参见图1和图3。配合定位面15和16有较高的加工精度。为有利于压力铟封，管壳尾端设有一条1×45°的倒角带19。红外敏感芯片8位于柯伐管座7的中心，柯伐管座7上有一环形定位槽12，宽1.5mm，深1.2mm，敏感芯片以此槽的内圆柱面定位在芯片衬底9上面，芯片衬底材料为白宝石，厚0.2mm，敏感芯片与衬底之间，衬底与管座之间用低温胶粘接固定。管壳的定位面16与芯片安装定位面(即环形定位槽12内圆面)紧密配合，保证组件有较高的光学机械同轴精度，可达0.04毫米以内。为使敏感芯片8与聚光器4之间的距离在0.1mm以下，同时保证芯片在恶劣环境下(冲击、振动、温度剧变等)不致损坏，在柯伐管座7上专门设计了两个小平台面10，它们在与两个管脚11垂直的方向上，与聚光器的小口端面紧靠，敏感芯片8表面到两个小台面之间的距离可在显微镜下精确测定并加以调整。为使组件能在低温下可靠工作，对组件所用的各种材料进行了热性能计算分析，选用与它们相匹配的低温胶完成需要的胶接，设计时尽量减少组件各部分的热容。管壳外表面抛光镀金，降低组件的辐射热吸收。红外敏感芯片8的偏置电压及电信号输出通过管脚11引接。整个组件的外形最大尺寸为φ18.5毫米×14.8毫米，通过组件管壳5的φ14的外壁在致冷器的冷块上安装定位，组件重量不足8克。

利用本实用新型试制成功的大面积长波碲镉汞红外探测组件和锑化铟红外探测组件的探测率分别达到1.38×10¹¹厘米·赫^1/2·瓦^-1(敏感芯片面积为2.1×2.1mm²，波长范围6-20μm，工作温度80k)和5.1×10¹¹厘米·赫^1/2·瓦^-1(芯片面2.2×2.2mm²，波长范围3.7-4.6μm，温度105k)，均达到了90年代初的国际先进水平，其探测灵敏度与直线光锥组件相比，约提高14％。

Claims (2)

1、一种红外探测器光学组件，包括管壳(5)、管座(7)、光学部件和红外敏感芯片(8)，其特征在于：

a.采用平凸锗透镜(1)和复合双曲面反射聚光器(4)与红外敏感芯片(8)同轴组合构成组件；

b.组件的聚光器(4)与包边座(2)之间采用胶接，管壳(5)与管座(7)之间采用真空压力铟封，管壳(5)两端分别与包边座(2)和管座(7)包边固定；

c.在放置红外敏感芯片(8)的管座(7)上设置两个保证聚光器与芯片之间的小间隙要求的小平台面(10)；

d.锗透镜(1)定心包边于包边座(2)中，红外敏感芯片(8)放置在管座(7)的中心，以管座上的定位槽(12)的内圆柱面定位，聚光器(4)与管壳(5)以配合定位面(15)定位，管壳(5)与管座(7)以定位槽(12)的内圆柱面定位。

2、根据权利要求1所述的红外探测器光学组件，其特征在于组件中所用复合双曲面反射聚光器(4)的内表面为采用光学复制方法制作的光学镜面，其母线方程式为1.966x²－1.333y²＋15.555xy－72.54x－155.715y＋446.447＝0，其基体材料为超硬铝合金，其小口端面也是光学镜面。