本發(fā)明涉及光電探測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于焦平面探測(cè)器的微型混合拋物線型聚光器陣列，其為可以提高探測(cè)器的靈敏度、信噪比等性能，促進(jìn)探測(cè)器微小型化發(fā)展的聚光器陣列。

背景技術(shù)：

當(dāng)前焦平面探測(cè)器中的焦平面陣列(像元面)可分為兩個(gè)部分：光敏面和死區(qū)。光敏面是焦平面陣列能夠發(fā)生光電效應(yīng)的區(qū)域，光敏面之間是死區(qū)，用于讀出電路的設(shè)置，通過(guò)讀出電路可將光敏面產(chǎn)生的電信號(hào)輸出。由于讀出電路設(shè)置的需要，導(dǎo)致了單元之間溝槽的最小間距只能做到光敏面的1/3左右。

光電探測(cè)器件中的重要指標(biāo)之一是占空比η(填充因子)，它定義為探測(cè)器光敏面的面積(光敏面邊長(zhǎng)為b)與整個(gè)像元的面積(像元面邊長(zhǎng)為a)之比：

η＝b²/a²(1)

探測(cè)器工作時(shí)，照射到光敏面的光可以發(fā)生光電效應(yīng)，用于電信號(hào)的產(chǎn)生與輸出；照射到死區(qū)內(nèi)的光不能發(fā)生光電效應(yīng)，成為無(wú)用光而損失掉。因此，光能損失在焦平面陣列中是一個(gè)不容忽視的一個(gè)問(wèn)題，能量的損失會(huì)嚴(yán)重影響焦平面的感光靈敏度、信噪比、探測(cè)率等性能。同時(shí)，軍事及空間技術(shù)中對(duì)探測(cè)器小型化和微型化提出更加急迫的需求，探測(cè)器小型化意味著陣列單元尺寸進(jìn)一步縮小，由于光能的損失勢(shì)必使探測(cè)器性能進(jìn)一步惡化。

在探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，制作較大光敏面存在困難，而光敏面之間也必須留有一定間隙以供電路走線等之用，因此通過(guò)增加光敏面的方法來(lái)增大探測(cè)器占空比是會(huì)受到限制的。探測(cè)器一旦形成,再用電子學(xué)方法提高探測(cè)能力的可能性很小。因此，我們只能通過(guò)提高光能利用率來(lái)增加探測(cè)器的響應(yīng)率。

現(xiàn)有的技術(shù)是采用微透鏡陣列，將入射光束聚焦到光敏面。然而，由于透鏡是成像系統(tǒng)，當(dāng)入射光束的張角較大時(shí)，會(huì)聚的光斑仍然會(huì)有一部分在光敏面之外的死區(qū)。因此，需要研究一種更有效的聚光器陣列，使在一定張角范圍內(nèi)的入射光都能有效地會(huì)聚到光敏面上，消除入射到死區(qū)中的光線造成的有害輻射，這樣可以提高光能利用率，增強(qiáng)探測(cè)器的響應(yīng)率，從而改善探測(cè)器的靈敏度、信噪比、探測(cè)率等性能，同時(shí)有利于探測(cè)器的微、小型化發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：焦平面探測(cè)器存在的占空比低、光能利用率低而導(dǎo)致的靈敏度低、信噪比低等缺點(diǎn)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：一種適用于焦平面探測(cè)器的微型混合拋物線型聚光器陣列，包括微型混合拋物線型聚光器陣列、光敏面陣列和像元面陣列，在焦平面探測(cè)器的焦平面處、探測(cè)器的光敏面陣列前耦合一個(gè)微型混合拋物線型聚光器陣列(1)，入射光進(jìn)入微型混合拋物線型聚光器陣列后，所有以最大接收角的邊緣光在經(jīng)過(guò)最多一次反射后就被導(dǎo)引到出射口的邊緣，那么以中間角度入射的光都會(huì)被反射到出射口內(nèi)，利用微型混合拋物線型聚光器陣列的這種聚光性能，使原本入射到微透鏡陣列像元面上的輻射，有效地會(huì)聚到探測(cè)器的光敏面陣列光敏面上。

其中，光敏面和像元面的尺寸可以確定混合拋物線型聚光器的入口直徑和出口直徑分別為a和b，那么其最大接收角為：

本發(fā)明的原理是：對(duì)于混合拋物線型聚光器，當(dāng)入口和出口直徑確定后，其最大接收角便確定了，所有以最大角度入射的光(邊緣光)在經(jīng)過(guò)最多一次反射后就被導(dǎo)引到出射口的邊緣，那么以中間角度入射的光都會(huì)被反射到出射口內(nèi)。至此，可實(shí)現(xiàn)聚光的目的。利用混合拋物線型聚光器陣列可以將原本入射到整個(gè)像元面上的光全部匯聚到光敏面上，使入射到死區(qū)的光線幾乎全部得到利用。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用的混合拋物線型聚光器相較于微透鏡陣列而言，可以對(duì)較大張角的光束進(jìn)行高效的聚光，死區(qū)不會(huì)出現(xiàn)雜散光。

2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在現(xiàn)有的工藝上容易實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為一種適用于焦平面探測(cè)器的微型混合拋物線型聚光器陣列；

圖2為混合拋物線型聚光器聚光到光敏面的原理示意圖；

圖3為適用于焦平面探測(cè)器的微透鏡陣列；

圖4為微透鏡聚光到光敏面的原理示意圖；

圖5為混合拋物線型聚光器和微透鏡的透光率-入射光束張角曲線圖；

圖6.1、6.2、6.3、6.4依次是入射光張角為0°、5°、15°、25°時(shí)混合拋物線型聚光器的出射光照度圖；

圖7.1、7.2、7.3、7.4依次是入射光張角為0°、5°、15°、25°時(shí)微透鏡的出射光照度圖；

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為混合拋物線型聚光器陣列，2為光敏面陣列，3為像元面陣列，4為微透鏡陣列，5為微透鏡陣列的基底。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖具體說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式。

如圖1所示，一種適用于焦平面探測(cè)器的微型混合拋物線型聚光器陣列由混合拋物線型聚光器陣列1、光敏面陣列2、像元面陣列3組成，與傳統(tǒng)的透鏡耦合系統(tǒng)相比，一種基于非成像光學(xué)的耦合系統(tǒng)采用基于非成像光學(xué)的混合拋物線型結(jié)構(gòu)。如圖2所示，直線ac平行于拋物線bc的對(duì)稱(chēng)軸，d點(diǎn)是拋物線bc的焦點(diǎn)。根據(jù)拋物線的特性可知，所有平行于拋物線bc的對(duì)稱(chēng)軸方向的光線都會(huì)被拋物線bc反射并會(huì)聚到其焦點(diǎn)d處。同理，平行于bd方向的光線會(huì)聚到c點(diǎn)。也就是說(shuō)，拋物鏡反射的邊緣光線進(jìn)入混合拋物線型聚光器之后，在里面被反射，然后從混合拋物線型聚光器的出射孔徑的邊緣c、d兩點(diǎn)射出。ac、bd兩條光線就是入射的邊緣光線，只要入射的邊緣光線能夠出射，那么介于邊緣光線之間的所有入射光線(除去吸收和損耗)都會(huì)從c、d兩點(diǎn)之間出射。至此，可實(shí)現(xiàn)聚光的目的。根據(jù)光敏面和像元面的尺寸可以確定混合拋物線型聚光器的入口直徑和出口直徑分別為a和b，那么其最大接收角為：

對(duì)于理想混合拋物線型聚光器，當(dāng)入射光最大張角小于時(shí)，全部都能從出口射出。

現(xiàn)有的焦平面探測(cè)器一般都采用微透鏡陣列來(lái)提高占空比，如圖3所示是微透鏡陣列的原理圖，其中，4是微透鏡陣列，5是微透鏡陣列的基底，微透鏡陣列將入射光聚焦到光敏面上，提高了占空比。圖4是透鏡聚光的原理圖，由于基底緊連著光敏面，而微透鏡要把入射光聚焦到光敏面，因此透鏡的焦距近似等于基板厚度。圖3中透鏡的直徑為a、兩個(gè)面的曲率分別為c1和c2(c2＝0)、透鏡和基底的折射率都為n，那么基底的厚度l等于透鏡的焦距f：

假設(shè)混合拋物線型聚光器和微透鏡對(duì)入射光的透過(guò)率為t，那么采用它們之后探測(cè)器的占空比為：

對(duì)于像元尺寸為150μm×150μm，光敏面尺寸為50μm×50μm的探測(cè)器陣列，當(dāng)采用微透鏡陣列，透鏡口徑為150μm、焦距341.02μm，透鏡和基底的折射率為n＝1.543(kf1玻璃)；當(dāng)采用微型混合拋物線型聚光器陣列，聚光器入射口徑為150μm、出射口徑50μm、高度為282.8μm、最大接收角19.5°。入射光束總光通量100w、張角從0°到30°，利用tracepro軟件進(jìn)行建模和光線追跡之后，對(duì)比透鏡和混合拋物線型聚光器的透光率，得到圖5的透光率-入射光束張角的曲線圖，圖中紅色曲線代表混合拋物線型聚光器、藍(lán)色曲線代表透鏡。我們可以看到，隨著入射光的張角大于5°時(shí)，微透鏡的透光率低于拋物線型聚光器。這是由于透鏡是成像系統(tǒng)，當(dāng)入射光束的張角較大時(shí)，會(huì)聚的光斑有一部分會(huì)在光敏面之外的死區(qū)，而混合拋物線型聚光器則不會(huì)出現(xiàn)這種情況。所以當(dāng)入射光束角度較大時(shí)，微透鏡陣列相較于微透鏡陣列更有利于占空比的提高。

一種適用于焦平面探測(cè)器的微型混合拋物線型聚光器陣列主要用于焦平面探測(cè)中。

本發(fā)明未詳細(xì)公開(kāi)的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。