本發(fā)明屬于航天航空、光學(xué)技術(shù)和信息遙感
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種大視場凝視型紅外紫外雙色預(yù)警裝置。
背景技術(shù)：
：光學(xué)預(yù)警是一種通過探測目標的輻射能量獲取目標有關(guān)信息的遙感手段，如果探測目標的輻射能量信息位于紅外波段，則為紅外預(yù)警，探測目標的輻射能量信息位于紫外波段，則為紫外預(yù)警。光學(xué)預(yù)警具有無源探測的隱蔽，抗干擾能力很強，同時具有高分辨率成像、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點。光學(xué)預(yù)警工作波段可以選擇紅外到紫外的任意光波段，同時可以根據(jù)目標源的特征采用多光譜聯(lián)合，如紅外紫外雙色預(yù)警以降低虛警率。在預(yù)警和目標探測系統(tǒng)中，大視場是極為重要的優(yōu)勢。光學(xué)預(yù)警系統(tǒng)要實現(xiàn)大視場觀測，主要有三個主要有3個技術(shù)途徑:(1)掃描成像；(2)多鏡頭拼接成像；(3)超大視場凝視成像。掃描成像利用伺服控制機構(gòu)使光軸在一定范圍內(nèi)按預(yù)定規(guī)律作一維或兩維的掃描,以增大信息獲取的立體角空域,但由于掃描需要一定的時間,不能滿足信息獲取高實時性的要求。采用多鏡頭拼接也是擴大視場的有效辦法，但是需要解決體積、重量、功耗和可靠性等一系列問題。因此，最有效的辦法是單鏡頭超大視場凝視。然而，目前的大視場鏡頭，如魚眼折射鏡頭、折反式雙鏡頭等，均存在嚴重的色差和離軸像差，不能實現(xiàn)多光譜同時探測。且上述光學(xué)鏡頭一般采用組合鏡頭的方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝調(diào)困難，而且受材料本身吸收的限制。而純反射式光學(xué)鏡頭，如卡塞格林和格里高里鏡頭等，采用雙鏡頭或者三鏡頭組合的方式，雖然不存在色差，但本身視場較小，裝調(diào)困難，同軸容易中心遮擋，光透過率較低。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種大視場凝視型紅外紫外雙光譜預(yù)警裝置，鏡頭基于全反射的原理對目標光源進行聚焦成像，不存在色差，同時采用新型紅外紫外雙色探測器，可以實現(xiàn)大視場凝視型紅外紫外雙光譜預(yù)警。一種凝視型紅外紫外雙色預(yù)警裝置，包括龍蝦眼光學(xué)鏡頭(1)、帶通濾光膜(2)、紅外紫外雙色探測器(4)以及焦平面讀出電路(5)；所述龍蝦眼光學(xué)鏡頭(1)多個排列在球面上的微小矩形元胞組成，用于對入射光子采用反射方式匯聚至焦平面上；所述帶通濾光膜(2)設(shè)置于龍蝦眼光學(xué)鏡頭(1)上，由縱向和橫向均交替拼接的紅外濾光片(2.1)和紫外濾光片(2.2)以陣列的方式形成；所述紅外紫外雙色探測器(4)由多個陣元探測器在龍蝦眼光學(xué)鏡頭(1)的焦平面(3)上陣列排布組成；每個陣元探測器對應(yīng)一個像素的探測；陣元探測器包含上電極(4.1)，紫外吸收區(qū)(4.2)，中間電極(4.3)，紅外吸收區(qū)(4.4)，下電極(4.5)，緩沖層(4.6)以及襯底(4.7)；紫外吸收區(qū)(4.2)、紅外吸收區(qū)(4.4)、緩沖層(4.6)和襯底(4.7)從上至下依次布置；紫外吸收區(qū)(4.2)為i-AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)，用于吸收紫外光；紅外吸收區(qū)(4.4)為i-AlyGa1-yN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，用于吸收紅外光；上電極(4.1)設(shè)置在紫外吸收區(qū)(4.2)的i-AlxGa1-xN層上表面的外邊緣上，中間電極(4.3)設(shè)置在紫外吸收區(qū)(4.2)的GaN層上表面的外邊緣上；下電極(4.5)設(shè)置在緩沖層(4.6)的上表面的外邊緣上；紫外吸收區(qū)(4.2)的紫外探測電流通過上電極(4.1)和中間電極(4.3)之間引出；紅外吸收區(qū)(4.4)的探測電流通過中間電極(4.3)和下電極(4.5)之間引出；紅外探測電流和紫外探測電流分別交給焦平面讀出電路(5)處理；所述焦平面讀出電路(5)分別接收各個陣列探測器輸出的紫外探測電流和紅外探測電流，并通過編碼的方式對選定的陣列探測器輸出的信號進行讀出和信號放大。較佳的，所述龍蝦眼光學(xué)鏡頭(1)的參數(shù)如下：曲率半徑r鏡面間距a鏡面深度t鏡面厚度h鏡面數(shù)量n700mm200um1mm60um3000×3000較佳的，其中紅外濾光片(2.1)的帶通范圍為8um-14um；紅外濾光片(2.1)采用對稱周期性膜系結(jié)構(gòu)，基底材料為Si，高折射率材料為PbTe，低折射率材料為ZnS；高、低折射率材料交替周期為15-20層，每層中PbTe和ZnS厚度取透射紅外波長的λ/4，厚度為2um-3um。較佳的，紫外濾光片(2.2)的帶通范圍為240nm-280nm；紫外濾光片(2.2)采用對稱性周期膜系結(jié)構(gòu)，基底材料為紫外熔石英(JGS1)，高折射率材料為HfO2，低折射率材料采用Mgf2；高、低折射率材料交替周期為150-200層，每層中HfO2和Mgf2厚度取透射紫外波長的λ/4，厚度為60nm-80nm。較佳的，襯底(4.7)采用2英寸的藍寶石或者Si襯底。較佳的，緩沖層(4.6)為厚度為1um的n-GaN，摻雜濃度約為5×1018cm-3。較佳的，上電極(4.1)、中間電極(4.3)以及下電極(4.5)均為電子束蒸發(fā)的Ti/Al金屬層，厚度為30nm-50nm。較佳的，紫外吸收區(qū)(4.2)的紫外吸收波段選為300nm～365nm；AlGaN禁帶寬度與Al組分x之間滿足如下關(guān)系：Eg(AlxGa1-xN)＝Eg(AlN)x+Eg(GaN)(1-x)-1.08x(1-x)(3)Eg(AlxGa1-xN)表示AlGaN三元半導(dǎo)體的禁帶寬度；Eg(AlN)表示AlN的禁帶寬度，Eg(GaN)表示GaN的禁帶寬度，x表示金屬Al的組分。較佳的，焦平面讀出電路(5)采用CMOS型讀出電路，紅外紫外雙色探測器(4)通過倒裝焊接銦柱將每個陣元探測器與多路傳輸器一對一地對準配接起來。本發(fā)明具有如下有益效果：(1)龍蝦眼光學(xué)鏡頭是由許多排列在球面上的微小矩形元胞組成，結(jié)構(gòu)上的球?qū)ΨQ性決定了它沒有特定的光軸，任意方向上的聚焦能力都相同，具有其它光學(xué)預(yù)警方法無法企及的大視場特性。(2)基于全反射光學(xué)成像，本身不存在色差，也不存在二級光譜的問題。(2)采用單鏡頭凝視成像，具有結(jié)構(gòu)輕巧、裝調(diào)簡單等優(yōu)點。(3)實現(xiàn)紅外、紫外光雙光譜波段探測，可以極大降低虛警率。附圖說明圖1為本發(fā)明的大視場凝視型雙色預(yù)警裝置原理圖；圖2(a)為龍蝦眼鏡頭的微觀結(jié)構(gòu)圖，圖2(b)為龍蝦眼光學(xué)聚焦原理圖；圖3為龍蝦眼光學(xué)聚焦效果仿真圖；圖4為本發(fā)明的雙色帶通濾光膜2結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明的紅外紫外雙色探測器基本結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明的單元像素讀出電路基本結(jié)構(gòu)(CTIA)；其中，1-龍蝦眼光學(xué)鏡頭，2-帶通濾光膜，3-焦平面，4-紅外紫外雙色探測器，4.1-上電極，4.2-紫外吸收區(qū)，4.3-中間電極，4.4-紅外吸收區(qū)，4.5-下電極，4.6-緩沖區(qū)，4.7-襯底，5-焦平面讀出電路。具體實施方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。一種大視場凝視型紅外紫外雙色預(yù)警裝置，如圖1所示，包括龍蝦眼光學(xué)鏡頭1、帶通濾光膜2、紅外紫外雙色探測器4、焦平面讀出電路5以及信號處理單元等。(1)龍蝦眼光學(xué)鏡頭1采用一種模仿龍蝦眼睛的仿生光學(xué)鏡頭，根據(jù)全反射的原理，可以大視場收集目標源的輻射信息并會聚到焦平面上。龍蝦是生活在深海內(nèi)的一種貝殼類生物，與人眼的結(jié)構(gòu)不同，在龍蝦眼的眼球上具有許多小立方體陣列，類似于曲面方孔微通道板。因此，龍蝦眼光學(xué)鏡頭1由許多排列在球面上的微小矩形元胞組成，與真實的龍蝦眼相似。結(jié)構(gòu)上的球?qū)ΨQ性決定了它沒有特定的光軸，任意方向上的聚焦能力都相同，因此具有其它掠入射光學(xué)系統(tǒng)無法企及的大視場特性。龍蝦眼的基本聚焦原理如圖2所示，入射的光子在反射面上發(fā)生全反射而改變?nèi)肷浞较?，通過特殊的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，使入射的光子匯聚至焦平面，實現(xiàn)對光子的聚焦功能。反射面的中心沿圓周向均勻分布在半徑為r的圓弧上，且延長線都通過這一圓弧的曲率中心O。設(shè)龍蝦眼光學(xué)器件的焦點為F，焦距為f，目標源的物距為ls，則像距l(xiāng)f可以根據(jù)球面反射鏡的高斯公式求出1ls-1lf=1f=2r---(1)]]>當目標源距離龍蝦眼鏡頭很遠時，ls＝∞，物距即平行入射光線匯聚在龍蝦眼的焦平面上。如圖2所示，龍蝦眼鏡頭的主要參數(shù)包括：鏡面曲率半徑r，方孔鏡面間距a，孔深度t，方孔鏡面厚度h,鏡面數(shù)量n。表1中給出了設(shè)計的龍蝦眼鏡頭主要參數(shù)值。其中龍蝦眼鏡頭的視場主要由鏡面數(shù)量和鏡面間距決定，具體可以表示為FOV=2βc=(a+t)(n-2)r---(2)]]>根據(jù)表1中的參數(shù)值，可以得到鏡頭的焦距約為350mm，視場角可以達到±32°。表1龍蝦眼鏡頭仿真參數(shù)值曲率半徑r鏡面間距a鏡面深度t鏡面厚度h鏡面數(shù)量700mm200um1mm60um3000×3000圖3中，給出了龍蝦眼鏡頭聚集效果仿真示意圖，可以看出由于大視場的特性，目標光子信號會在焦平面的不同位置形成典型的十字焦斑像。對于表1參數(shù)中的龍蝦眼鏡頭，直徑約為0.5cm的焦平面半導(dǎo)體探測器即可滿足成像要求。(2)帶通濾光膜2帶通濾光膜2，設(shè)置于龍蝦眼鏡頭上，作為過濾膜，過濾預(yù)警波段以外的其他輻射信息，降低虛警率。帶通濾光膜2采用干涉濾光片。干涉濾光片是利用干涉的原理，可使光譜中任意波長范圍很狹窄的單色光選擇性的投射。干涉濾光片的基本結(jié)構(gòu)是采用具有高折射率和低折射率的不同介質(zhì)膜交替組成。帶通濾光膜2的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，包含紅外濾光片2.1和紫外濾光片2.2兩部分。濾光片是由紅外、紫外濾光片采用拼接的方式交替組成的薄膜陣列。紅外濾光片2.1和紫外濾光片2.2均為尺寸在μm級的正方形小片。理論上，正方形小片的尺寸越小，焦平面接收的光線越接近真實分布?？紤]到實加工難度，各紅外濾光片2.1和紫外濾光片2.2的正方形小片的邊長均為20um-30um量級，接近焦平面探測器單像素尺寸即可。其中紅外濾光片2.1的帶通范圍為8-14um，平均透過率＞90％，截止區(qū)域的平均透過率＜1％。采用對稱周期性膜系設(shè)計，基底材料為Si，高折射率材料為PbTe，低折射率材料為ZnS。高低折射率材料交替周期為15-20層，每層中PbTe和ZnS厚度取透射紅外波長的λ/4，約為2-3um。紫外濾光片2.2的帶通范圍為240-280nm，平均透過率＞60％，截止區(qū)域的平均透過率＜3％，采用對稱性周期膜系設(shè)計，基底材料為紫外熔石英(JGS1)，高折射率材料為HfO2，低折射率材料采用Mgf2。高低折射率材料交替周期為150-200層，每層中HfO2和Mgf2厚度取透射紫外波長的λ/4，約為60-80nm。(3)紅外紫外雙色探測器3基于AlGaN/GaN新型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，通過合理的能帶設(shè)計，可以實現(xiàn)紅外紫外雙光譜同時探測。光探測器的性能取決于材料的吸收特性，AlGaN寬帶隙半導(dǎo)體因其獨特的材料性質(zhì)(如擊穿電場高、穩(wěn)定性好、高輻射硬度和高響應(yīng)率等)，可用來制造紫外光探測器，其工作波長從中紫外到近紫外區(qū)(200～400nm)。AlGaN半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，通過調(diào)節(jié)Al的組分可以覆蓋365-200nm的紫外波段區(qū)，因此對于紫外光的探測不存在難度，但是其本身并不吸收紅外光，因此需要合理設(shè)計AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)參數(shù)，以期通過異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶階吸收來達到對紅外光的探測效果。紅外紫外雙色探測器4由多個陣元探測器在龍蝦眼鏡頭1的焦平面3上陣列排布組成；每個陣元探測器對應(yīng)一個像素的探測，如圖5所示，包含上電極4.1，紫外吸收區(qū)4.2，中間電極4.3，紅外吸收區(qū)4.4，下電極4.5，緩沖層4.6，襯底4.7。紫外吸收區(qū)4.2、紅外吸收區(qū)4.4、緩沖層4.6和襯底4.7從上至下依次布置；紫外吸收區(qū)4.2為i-AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)，紅外吸收區(qū)4.4為i-AlyGa1-yN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)。上電極4.1設(shè)置在紫外吸收區(qū)4.2的i-AlxGa1-xN層上表面的外邊緣上，中間電極設(shè)置在紫外吸收區(qū)4.2的GaN層上表面的外邊緣上，并與i-AlxGa1-xN層錯開。下電極4.5設(shè)置在緩沖層4.6的上表面的外邊緣上。襯底4.7根據(jù)AlGaN材料的外延需求可以采用2英寸的藍寶石或者Si襯底。緩沖層4.6為厚度約為1um的n-GaN，摻雜濃度約為5×1018cm-3。緩沖層4.6的作用是為提高上面探測器吸收層的外延質(zhì)量，同時通過下電極引出紅外吸收區(qū)電流。由于電極接觸層均為n型GaN，上電極4.1，中間電極4.3，下電極4.5均為為電子束蒸發(fā)Ti/Al金屬層，厚度約為30-50nm。紫外吸收區(qū)4.2的i-AlxGa1-xN為本征不摻雜吸收層。選取紫外吸收波段選為300～365nm，通過AlGaN材料本身吸收來達到探測效果。AlGaN禁帶寬度與Al組分關(guān)系滿足如下關(guān)系：Eg(AlxGa1-xN)＝Eg(AlN)x+Eg(GaN)(1-x)-1.08x(1-x)(3)Eg(AlxGa1-xN)表示AlGaN三元半導(dǎo)體的禁帶寬度；Eg(AlN)表示AlN的禁帶寬度，Eg(GaN)表示GaN的禁帶寬度，x表示金屬Al的組分；根據(jù)公式(3)，當AlGaN中的Al組分超過0.35，即進入300nm的日盲紫外吸收區(qū)，因此Al組分x采用0.35。紅外吸收區(qū)4.4的紅外波段選擇在長波紅外波段8～14μm，采用AlGaN/GaN的導(dǎo)帶階差吸收來達到探測效果。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶階可以通過下式計算：ΔEg＝Eg(AlGaN)-Eg(GaN)＝1.63x+1.08x2(4)ΔEc＝0.8Eg＝1.3x+0.86x2(5)ΔEg表示AlGaN三元半導(dǎo)體的禁帶寬度與GaN的禁帶寬度的差值；ΔEc表示導(dǎo)帶階差，根據(jù)上式，i-AlxGa1-xN/GaN多量子阱的Al組分x取值范圍在0.05到0.09之間。紫外吸收區(qū)4.2的探測電流通過上電極4.1和中間電極4.3引出，即上電極4.1和中間電極4.3之間的電壓差即體現(xiàn)紫外吸收區(qū)4.2的探測電流。紅外吸收區(qū)4.4的探測電流通過中間電極4.3和下電極4.5引出，即中間電極4.3和下電極4.5之間的電壓差即體現(xiàn)紅外吸收區(qū)4.4的探測電流。紅外電流和紫外電流分別交給后面的焦平面讀出電路5處理。(4)焦平面讀出電路5讀出電路(ROIC)完成焦平面探測器轉(zhuǎn)換后電信號的放大、采樣保持以及多路傳輸。讀出電路采用CMOS型讀出電路，紅外紫外雙色探測器與讀出電路之間的連接采用平面混合式，即通過倒裝焊接銦柱將紅外紫外雙色探測器正面的每個陣元探測器與多路傳輸器一對一地對準配接起來，通過編碼的方式對選定的像素進行讀出和信號放大，然后進行圖像處理。每個像素的單元讀出電路采用電容反饋互導(dǎo)放大器型(CTIA)，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。CTIA是由運放和反饋積分電容構(gòu)成的一種復(fù)位積分器，紅外紫外雙色探測器電流在反饋電容上積分，其增益大小由積分電容確定，具有低噪聲、輸出線性度好的優(yōu)點。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3