CN113654664B - 一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器，在平面结构红外探测芯片的衬底上制备具有光谱分离功能的波段分束阵列，入射的宽谱红外光透过红外波段分束阵列表面微纳结构区域后发生光谱分离，不同波长红外光分别照射至超像素的第一亚像元、第二亚像元和第三亚像元。经过红外波段分束阵列无表面微纳结构区域的全透红外光照射至超像素的第四亚像元。四个亚像元分别输出信号，利用图像合成得到红外彩色图像，同时利用图像增强融合技术获得目标更丰富的细节信息。该探测器具有探测波段丰富、信号利用率高、微型化，利用红外波长分束阵列与平面结构红外探测芯片构建超像素红外探测器的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超表面的光学调控与红外探测技术，具体涉及红外超表面设计、制备与红外焦平面探测器的设计、制备技术。
背景技术
红外彩色成像是利用红外探测器探测三个波长的红外光信号，通过图像处理获得红外彩色图像。红外彩色成像具有对比度高、图像细节丰富等优点。
原有的红外彩色探测器，将超表面阵列以不接触的方式置于红外探测器上方，见发明专利：一种基于超表面的红外彩色探测器(申请号：CN202010965538.1)。公开结构中，红外光在超表面阵列与平面结构红外探测芯片之间存在复杂的折射、反射和衍射现象，导致信号串扰。另外，超表面阵列与平面结构红外探测芯片之间需要支架固定，实现难度较大。
原有的红外彩色探测器，将超表面相控阵列集成在红外单色焦平面探测器衬底上，见发明专利：一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器(申请号：202110265605.3)。公开结构中，超表面相控阵列中仅有第二亚像元正上方区域入射的宽谱段红外光信号被分离，最终用于成像，第一亚像元和第三亚像元正上方区域的入射信号则需要使用遮挡或光信号消除方法剔除宽谱段红外光信号。导致每个超像素单元仅利用三分之一区域的入射信号，而且丢失了宽谱段红外光的原始信号，制约了后期图像处理能力。
发明内容
本发明提出了一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器，解决了现有红外彩色探测器中信号串扰大、超表面阵列与平面结构红外探测芯片的空隙层制备难度大的问题、可利用的光信号少，且丢失原始宽光谱红外光图像的缺点。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器，包括红外波段分束阵列1，平面结构红外探测芯片2，其特征在于：
所述的红外波段分束阵列1通过光刻、刻蚀工艺制备在红外平面结构红外探测芯片2的减薄衬底2-5上；平面结构红外探测芯片2的每个超像素单元与红外波段分束阵列1的一个周期对应；四个相邻像元组成一个超像素单元，第一个像元为第一亚像元2-1，第二个像元为第二亚像元2-2，第三个像元为第三亚像元2-3，第四个像元为第四亚像元2-4；每个像元独立输出信号；宽谱段红外光垂直平行入射红外波段分束阵列1，透过表面微纳结构区域1-1的宽谱段红外光发生波长分束，较短波长红外光照射至第一亚像元2-1、中等波长红外光照射至第二亚像元2-2、较长波长红外光照射至第三亚像元2-3，透过无表面微纳结构区域1-2的宽谱段红外光不发生波长分束，照射至第四亚像元2-4；将第一亚像元2-1、第二亚像元2-2、第三亚像元2-3的信号输出，利用假彩色合成方法获得红外彩色图像，第四亚像元2-4输出宽谱段红外光信号作为目标原始图像。
进一步，所述的一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器如图1，其特征在于：
红外波段分束阵列1由表面微纳结构区域1-1和无表面微纳结构区域1-2构成；每个表面微纳结构区域1-1和无表面微纳结构区域1-2组成红外波段分束阵列1的一个周期；超像素单元的第一亚像元2-1、第二亚像元2-2和第三亚像元2-3正上方对应红外波段分束阵列1的表面微纳结构区域1-1，第四亚像元2-4正上方对应红外波段分束阵列1的无表面微纳结构区域1-2；红外波段分束阵列1的表面微纳结构区域1-1针对特定波长的红外光按波长分束。
进一步，所述的一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器如图1，其特征在于：
所述的减薄衬底2-5的厚度其中X为像元长度，θ为宽谱段红外光透过表面微纳结构1-1发生波长分束后，较短波长红外光分离角和较长波长红外光分离角中较大的一个角度。
本发明有益效果：
本发明提出的一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器具有信号串扰小、集成度高、信号利用率高、探测波段丰富的特点，平面结构红外探测芯片2中每个超像素的四个亚像元分别接收不同波长信号，信号串扰小。透过红外波段分束阵列1的红外光都可用于成像，不需要剔除特定信号，提高了信号利用率。第一亚像元、第二亚像元、第三亚像元探测波长分束后的信号，第四亚像元获得宽谱段红外光信号，具有丰富的探测波段。
附图说明
图1是光谱分离与全透复合的超像素红外探测器结构的剖面示意图，其中1为红外波段分束阵列，1-1为表面微纳结构区域，1-2为无表面微纳结构区域，2为平面结构红外探测芯片，2-1为第一亚像元，2-2为第二亚像元，2-3为第三亚像元，2-4为第四亚像元，2-5为减薄衬底。
图2是平面结构红外探测芯片2的一个超像素单元俯视图，X为每个像元的长度，Y为每个像元的宽度。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1：
如图1所示，本发明实例提供的光谱分离与全透复合的超像素红外探测器的结构图，包括红外波段分束阵列1和平面结构红外探测芯片2。利用研磨等工艺将平面结构红外探测芯片2的衬底减薄，获得减薄衬底2-5，然后，利用电子束光刻(EBL)、反应耦合等离子刻蚀(ICP)工艺在减薄衬底上加工获得红外波段分束阵列1的表面微纳结构区域1-1和无表面微纳结构区域1-2。每个红外波段分束阵列1的周期对应平面结构红外探测芯片2的四个像元，分别为第一亚像元2-1、第二亚像元2-2、第三亚像元2-3、第四亚像元2-4，四个像元组成一个超像素。第一亚像元2-1、第二亚像元2-2和第三亚像元2-3正上方对应红外波段分束阵列1的表面微纳结构区域1-1，第四亚像元2-4正上方对应红外波段分束阵列1的无表面微纳结构区域1-2。
如图2所示，本发明实例提供的平面结构红外探测芯片2超像素单元的俯视图，包括第一亚像元1、第二亚像元2、第三亚像元3和第四亚像元4。
垂直平行入射的宽谱段红外光波长范围为2.75μm～3.5μm。平面结构红外探测芯片2为背照射的Si基碲镉汞中波红外探测芯片。平面结构红外探测芯片2超像素单元的俯视图如图2，图中每个亚像元长度X为宽度Y为1μm。波长分束后的较短波长红外光分离角约为13.2°，较长波长红外光分离角θ为14°左右，根据/>确定平面结构红外探测芯片2的减薄衬底2-5厚度H为8μm。利用电子束光刻(EBL)和反应耦合等离子刻蚀(ICP)等工艺在减薄衬底2-5上制作红外波段分束阵列1。红外波段分束阵列1的表面微纳结构区域1-1包含四个半径不同的圆柱，从左至右半径分别为180nm、270nm、320nm和390nm，圆柱中心间隔1μm，圆柱高度为2μm。表面微纳结构区域1-1位于平面结构红外探测芯片2的第一亚像元2-1、第二亚像元2-2和第三亚像元2-3正上方。平面结构红外探测芯片2的第四亚像元2-4正上方为无表面微纳结构区域1-2。
透过表面微纳结构区域1-1的宽谱段红外光发生波长分束，较波长为2.75μm～2.95μm的红外光照射至第一亚像元2-1、波长为2.95μm～3.1μm的红外光照射至第二亚像元2-2、波长为3.1μm～3.5μm红外光照射至第三亚像元2-3。透过无表面微纳结构区域1-2的宽谱段红外光不发生波长分束，照射至第四亚像元2-4。超像素单元的四个亚像元信号独立输出。利用假彩色合成方法对第一亚像元2-1、第二亚像元2-2和第三亚像元2-3的信号进行处理，获得红外彩色图像。第四亚像元2-4输出的宽谱段红外光信号作为目标原始图像。
Claims (3)
1.一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器，包括红外波段分束阵列(1)，平面结构红外探测芯片(2)，其特征在于：
所述的红外波段分束阵列(1)通过光刻、刻蚀工艺制备在平面结构红外探测芯片(2)的减薄衬底(2-5)上；平面结构红外探测芯片(2)的每个超像素单元与红外波段分束阵列(1)的一个周期对应；四个相邻像元组成一个超像素单元，第一个像元为第一亚像元(2-1)，第二个像元为第二亚像元(2-2)，第三个像元为第三亚像元(2-3)，第四个像元为第四亚像元(2-4)；每个像元独立输出信号；宽谱段红外光垂直平行入射红外波段分束阵列(1)，透过表面微纳结构区域(1-1)的宽谱段红外光发生波长分束，较短波长红外光照射至第一亚像元(2-1)、中等波长红外光照射至第二亚像元(2-2)、较长波长红外光照射至第三亚像元(2-3)，透过无表面微纳结构区域(1-2)的宽谱段红外光不发生波长分束，照射至第四亚像元(2-4)；将第一亚像元(2-1)、第二亚像元(2-2)、第三亚像元(2-3)的信号输出，利用假彩色合成方法获得红外彩色图像，第四亚像元(2-4)输出宽谱段红外光信号作为目标原始图像。
2.根据权利要求1所述的一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器，其特征在于：
所述的红外波段分束阵列(1)由表面微纳结构区域(1-1)和无表面微纳结构区域(1-2)构成；每个表面微纳结构区域(1-1)和无表面微纳结构区域(1-2)组成红外波段分束阵列(1)的一个周期；超像素单元的第一亚像元(2-1)、第二亚像元(2-2)和第三亚像元(2-3)正上方对应红外波段分束阵列(1)的表面微纳结构区域(1-1)，第四亚像元(2-4)正上方对应红外波段分束阵列(1)的无表面微纳结构区域(1-2)；红外波段分束阵列(1)的表面微纳结构区域(1-1)针对特定波长的红外光按波长分束。
3.根据权利要求1所述的一种光谱分离与全透复合的超像素红外探测器，其特征在于：
所述的减薄衬底(2-5)的厚度为：
其中X为像元长度，θ为宽谱段红外光透过表面微纳结构产生波长分束后，较短波长红外光分离角和较长波长红外光分离角中较大的一个角度。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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