CN212539415U - 基于超表面的红外彩色探测器 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种基于超表面的红外彩色探测器，通过在红外探测器上方放置一个用超表面制作的阶梯光栅阵列，使红外光在透过超表面阵列后发生衍射，在不同方向角上分成短、中、长波红外光，然后照射到能够探测不同波段的红外探测器上，将红外探测器上接收到的信号定义为彩色RGB信号，最后合成彩色图像。该探测器具有透光率高、分色性能好、探测效率高、利用红外波段生成彩色图像的优点。
Description
技术领域
本专利涉及红外焦平面探测技术，具体涉及多色红外焦平面的设计与制备技术。
背景技术
多色红外探测器是新一代红外探测器的发展方向，具有探测光谱宽度宽的特点，能够对多波段的光谱进行探测、对比、处理。制备多色红外探测器的核心技术之一就是多波段光谱的分离与吸收。对于多色红外探测器一般采用不同波段红外光分别由不同吸收区域吸收探测的方法，见A.Rogalski，J.Antoszewski，et al.Third-generation infraredphotodetector arrays[J].Journal of Applied Physics,USA:American Institute ofPhysics,2009.105(091101)。
对于多色红外探测器，不同波段的吸收区域一般使用叠层结构，见图2。不同的吸收区垂直分布会导致制作过程中组分掺杂难以控制，且刻蚀损伤大，见杨建荣.碲镉汞材料物理与技术[M].北京:国防工业出版社,2012.430-434。各层组分掺杂不精确和刻蚀损伤大会导致探测波长的偏移，探测率下降等问题。层数越多，工艺难度越高。
发明内容
本专利的目的是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于超表面的红外彩色探测器，能够将红外光按照波长分离，用平面结构红外探测上的不同区探测吸收对应波长红外光。
本专利为了实现上述目的，采用了以下方案：
一种基于超表面的红外彩色探测器如图1，包括超表面阵列结构1，平面结构红外探测器2，其特征在于：
超表面阵列结构1置于平面结构红外探测器2上方；多波长混合的红外光垂直入射至超表面阵列结构1，出射光的折射角与波长有关；不同波长折射光偏转至平面结构红外探测器2对应区域；将短波光定义成彩色合成中的蓝光，中波光定义成彩色合成中的绿光，长波光定义成彩色合成中的红光，通过计算机技术将三束光合成彩色图像。
进一步，所述的一种基于超表面的红外彩色探测器如图1，其特征在于：所述的超表面阵列结构1由红外光学材料制成。
进一步，所述的一种基于超表面的红外彩色探测器如图1，其特征在于：
所述超表面阵列结构1对不同波长的折射角θt均由下式确定：
式中，θi表示入射角，θt表示折射角，ni为入射介质折射率，nt为超表面阵列结构1折射率，λ0表示波长，
表示超表面阵列结构1对λ0的相位梯度；所述超表面阵列结构1对不同波长入射光具有不同相位梯度。
进一步，所述的一种基于超表面的红外彩色探测器，其特征在于：所述的平面结构红外探测器2中不同波段的区域与透过超表面阵列结构1后分离的红外光波段一一对应，且这些区域周期性排列，周期大小可调。
本专利有益效果：
本专利提供的一种基于超表面的红外彩色探测器具有微型化、透射率高的优势，超表面阵列结构1能够将多波长混合的红外光在出射空间上分离，不同波长红外光对应不同的折射角。
本专利采用的平面结构红外探测器具有结构简单、工艺成熟的优势，仅需要平面器件就可以探测多波段红外光，不需要制备复杂的叠层结构红外探测器。
附图说明
图1是一种基于超表面的红外彩色探测器结构的剖面示意图，其中1为超表面阵列结构，2为平面结构红外探测器
图2是传统多色红外探测器的结构示意图。其中1为长波红外光吸收层、2为中波红外光吸收层、3为短波红外光吸收层。
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专利。但是本专利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专利内涵的情况下做类似推广，因此本专利不受下面公开的具体实施例的限制。
图1示出了基于超表面的红外彩色探测器的结构。
如图1所示，本专利实例提供的基于超表面的红外彩色探测器结构，包括超表面阵列结构1、平面结构红外探测器2。超表面阵列结构1材料为非晶硅和石英。非晶硅制作成高度为2μm，半径分别为180nm、270nm、320nm和390nm的四个纳米圆柱，四个纳米圆柱依次排列，周期性分布在石英衬底上，组成超表面阵列结构1。
红外光在透过超表面阵列结构1后会产生相位变化，不同波长具有不同的相位梯度。波长为2.8μm、3μm和3.3μm的混合红外光垂直入射至超表面阵列结构1，折射角θt的公式为：
θi表示入射角，θt表示折射角，ni为入射介质折射率，nt为超表面阵列结构1折射率，λ0表示波长，
表示超表面阵列结构1对λ0的相位梯度。
由上式可得波长为2.8μm的红外光折射角θt为44.4°，波长为3μm的红外光折射角θt为-6.86°，波长为3.3μm的红外光折射角θt为-16.8°。
波长2.8μm的折射光照射在平面结构红外探测器2的短波吸收区，波长3μm的折射光照射在平面结构红外探测器2的中波吸收区，波长3.3μm的折射光照射在平面结构红外探测器2的长波吸收区。将波长为2.8μm的红外光定义成彩色合成中的蓝光，波长为3μm的红外光定义成彩色合成中的绿光，波长为3.3μm的红外光定义成彩色合成中的红光，通过计算机技术将三束光合成彩色图像。
平面结构红外探测器2中不同波段的吸收区与透过超表面阵列结构1后分离的红外光波段一一对应，这些区域周期性排列，单个波段吸收区大小为10μm×30μm。
图2示出了传统多色红外探测器的结构。图示结构包括：短波红外光吸收层3、中波红外光吸收层2、长波红外光吸收层1。不同波长的红外光在叠层的不同吸收层被吸收。考虑到传统多色红外探测器占空比和信号灵敏度的损失，基于超表面的红外彩色探测器具有分色性能好，透光率高，能够减少光损失，提高信号灵敏度的优点是合理的。
以上所述，仅为本专利的具体实施方式，但本专利的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本专利的保护范围之内。因此，本专利的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于超表面的红外彩色探测器，包括超表面阵列结构(1)，平面结构红外探测器(2)，其特征在于：
超表面阵列结构(1)置于平面结构红外探测器(2)上方；多波长混合的红外光垂直入射至超表面阵列结构(1)，出射光的折射角与波长有关；不同波长折射光偏转至平面结构红外探测器(2)对应区域；将短波光定义成彩色合成中的蓝光，中波光定义成彩色合成中的绿光，长波光定义成彩色合成中的红光，通过计算机技术将三束光合成彩色图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外彩色探测器，其特征在于：
所述的超表面阵列结构(1)为红外光学材料阵列结构，对不同波长的折射角θt均由下式确定：
式中，θi表示入射角，θt表示折射角，ni为入射介质折射率，nt为超表面阵列结构(1)折射率，λ0表示波长，
表示超表面阵列结构(1)对λ0的相位梯度。
3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外彩色探测器，其特征在于：所述的平面结构红外探测器(2)中不同波段的区域与透过超表面阵列结构(1)后分离的红外光波段一一对应，且这些区域周期性排列，周期大小可调。
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