CN113299671B - 一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器 - Google Patents
一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，通过在红外单色焦平面探测器衬底上原位集成超表面相控阵列，使宽谱段的红外光在透过超表面相控阵列后发生折射，折射角与光的波长一一对应，然后入射到红外单色焦平面探测器对应的亚像元位置，第一亚像元、第二亚像元、第三亚像元分别接收到不同信号，超像素单元输出单元信号，利用图像合成方法得到彩色图像。该探测器具有信号串扰小、结构简单、集成度高，利用超表面相控阵列和红外单色焦平面探测器生成红外彩色图像的优点。
Description
技术领域
本发明涉及红外焦平面探测技术与超表面相位调控技术，具体涉及超表面相控阵列设计技术、红外焦平面探测器的设计与制备技术。
背景技术
多波段红外探测器具有广阔的应用前景，它能够探测多个谱段的红外光信号，通过插值、对比等方法实现红外彩色成像，获得目标物更丰富的细节特征。
原有的红外彩色探测器，将超表面阵列结构置于平面结构红外探测器上方，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)。公开的结构中，平面结构红外探测器与超表面阵列结构之间存在空隙，折射光从空隙入射平面结构红外探测器时存在反射、二次反射等复杂的光学现象，造成了信号串扰，降低了平面结构红外探测器获得的信号强度。另外，根据超表面阵列结构对光的调控理论，当超表面阵列结构的周期尺寸远小于入射光波长时，对光的调控能力较强。公开的结构中，每个周期的表面微纳结构需覆盖红外探测器的三个像元，使得单个超表面周期尺寸接近入射光波长，限制了超表面阵列对入射光的调控能力。
发明内容
本发明提出了一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，解决了原有结构中超表面阵列与平面结构红外探测器之间空隙层导致光线二次反射造成的信号串扰问题，同时提高了器件的集成度。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，包括超表面相控阵列1，红外单色焦平面探测器2，其特征在于：
超表面相控阵列1的超表面相控阵列衬底1-2通过淀积工艺原位集成于红外单色焦平面探测器2衬底上；每个超表面相控阵列1周期与红外单色焦平面探测器2的超像素单元相对应；超像素单元中超表面相控阵列1的表面微纳结构1-1正下方为第二亚像元2-2；宽谱段红外光入射超表面相控阵列1后，透过表面微纳结构1-1的光分离，其中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。
当超像素单元中第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应的超表面相控阵列1的区域无光遮挡层时，将较短波长红外光定义为蓝光，中等波长红外光定义为绿光，较长波长红外光定义为红光，宽谱段红外光定义为白光；第一亚像元2-1接收到的信号为蓝光与白光的混合信号，第二亚像元2-2接收到的信号为绿光，第三亚像元2-3接收到的信号为红光与白光的混合信号；超像素单元输出信号，利用宽光谱光信号消除方法去除宽谱段红外光信号，然后利用RGB三原色模式获得彩色图像。
当超像素单元中第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应的超表面相控阵列1的区域有光遮挡层时，将较短波长红外光定义为蓝光，中等波长红外光定义为绿光，较长波长红外光定义为红光，第一亚像元2-1接收到的信号为蓝光信号，第二亚像元2-2接收到的信号为绿光，第三亚像元2-3接收到的信号为红光信号，超像素单元输出信号，利用RGB三原色模式获得彩色图像。
进一步，所述的一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器如图1，其特征在于：
所述的超表面相控阵列1由超表面相控阵列衬底1-2和制备在超表面相控阵列衬底1-2上的表面微纳结构1-1构成；表面微纳结构1-1可以实现相位控制，将宽谱段红外光按波长分离；超像素单元中第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应超表面相控阵列1的超表面相控阵列衬底1-2区域可以有光遮挡层，也可以无光遮挡层。
进一步，所述的一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器如图1，其特征在于：
所述的红外单色焦平面探测器2为背照射式，每一行中每三个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。
进一步，一种基于权利要求1所述的一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器的宽光谱光信号消除方法，其方法如下：：
宽光谱的红外光入射原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，透过表面微纳结构1-1后，第一亚像元2-1接收到较短波长红外光与宽谱段红外光信号，将较短波长红外光定义为蓝光，信号大小记为B，宽谱段红外光信号定义为白光，信号大小记为W，第一亚像元2-1的信号大小N1＝B+W；第二亚像元2-2接收到中等波长红外光信号，定义为绿光，信号大小记为G，第二亚像元2-2的信号大小N2＝G；第三亚像元2-3接收到较长波长红外光与宽谱段红外光信号，将较长波长红外光定义为红光，信号大小记为R，第三亚像元2-3的信号大小N3＝R+W；一个超像素单元的总信号大小记为N，N＝N1+N2+N3＝3*W；红光信号大小
绿光信号大小G＝G，蓝光信号大小
本发明有益效果：
本发明提供的一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器具有微型化、集成度高、串扰小、信号灵敏度高的优势，超表面相控阵列1原位集成在红外单色焦平面探测器2上，降低了信号串扰。超表面相控阵列1仅有部分区域存在表面微纳结构1-1，调控区域尺寸远小于入射波长，避免了衍射现象。
附图说明
图1是超像素单元中第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应超表面相控阵列1的区域无光遮挡层时，原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器结构的剖面示意图，其中1为超表面相控阵列，2为红外单色焦平面探测器。
图2是超像素单元中第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应超表面相控阵列1的区域有光遮挡层时，原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器结构的剖面示意图。
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：
图1示出了当超像素单元中第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应超表面相控阵列1的区域无光遮挡层时，原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器的剖面示意图。
如图1所示，本发明实例提供的原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器的结构图，包括超表面相控阵列1，红外单色焦平面探测器2。超表面相控阵列1由超表面相控阵列衬底1-2和制备在超表面相控阵列衬底1-2上的表面微纳结构1-1构成。超表面相控阵列衬底1-2以淀积工艺原位集成在红外单色焦平面探测器2的衬底上。红外单色焦平面探测器2为背照射式，每一行中每三个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。超像素单元中仅有第二亚像元2-2正上方对应的区域存在超表面相控阵列1的表面微纳结构1-1，第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应的区域不存在超表面相控阵列1的表面微纳结构1-1。
超表面相控阵列衬底1-2的材料为单晶硅，厚度为20μm。在超表面相控阵列衬底1-2上淀积多晶硅薄膜制备表面微纳结构1-1，结构为四个半径不同的圆柱，一个周期的圆柱半径从左到右分别为360nm、535nm、645nm、790nm，圆柱中心间隔均为2.5μm，圆柱高为3μm。表面微纳结构1-1对目标谱段红外光具有相位调控功能。像元的中心距均为10μm，入射的红外谱段波长范围为2.75μm～3.5μm。
以波长为2.75μm～3.5μm的宽谱段红外光入射，透过表面微纳结构1-1的红外光按照波长被分离开：波长2.75μm～2.95μm的光折射至第一亚像元2-1，波长2.95μm～3.1μm的光折射至第二亚像元2-2，波长3.1μm～3.5μm的光折射至第三亚像元2-3。非表面微纳结构1-1区域的宽谱段红外光不发生分离，直接入射第一亚像元2-1和第三亚像元2-3。
第一亚像元2-1接收到光波长为2.75μm～2.95μm和宽谱段红外光信号，光波长为2.75μm～2.95μm的信号定义为蓝光，信号大小记为B，宽谱段红外光信号定义为白光，信号大小记为W。第一亚像元2-1接收到的信号大小为N1＝B+W。第二亚像元2-2仅接收到光波长为2.95μm～3.1μm的信号，定义为绿光，信号大小为G。第二亚像元2-2接收到的信号大小记为N2＝G。第三亚像元2-3接收到光波长为3.1μm～3.5μm和宽谱段红外光信号，光波长为3.1μm～3.5μm的信号定义为红光，信号大小记为R。第三亚像元2-3接收到的信号大小为N3＝R+W。
将第一亚像元2-1，第二亚像元2-2，第三亚像元2-3信号输出，做宽光谱光信号消除处理：一个超像素单元接收的总信号大小为三个亚像元的信号之和，记为N，则N＝N1+N2+N3＝R+W+G+B+W，由于W＝R+G+B，得N＝3*W。因此，红光信号大小
绿光信号大小G＝G；蓝光信号大小
最后，利用RGB三原色模式合成彩色图像。
实施例2：
图2示出了当超像素单元中第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应超表面相控阵列1的区域有光遮挡层时，原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器的剖面示意图。
如图2所示，本发明实例提供的原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器的结构图，包括超表面相控阵列1，红外单色焦平面探测器2。超表面相控阵列1由超表面相控阵列衬底1-2，制备在超表面相控阵列衬底1-2上的表面微纳结构1-1和光遮挡层1-3构成。超表面相控阵列衬底1-2以淀积工艺原位集成在红外单色焦平面探测器2的衬底上。红外单色焦平面探测器2为背照射式，每一行中每三个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。超像素单元中仅有第二亚像元2-2正上方对应的区域存在超表面相控阵列1的表面微纳结构1-1，第一亚像元2-1和第三亚像元2-3正上方对应的区域存在超表面相控阵列1的光遮挡层1-3。
超表面相控阵列衬底1-2的材料为单晶硅，厚度为20μm。在超表面相控阵列衬底1-2上淀积多晶硅薄膜制备表面微纳结构1-1，结构为四个半径不同的圆柱，一个周期的圆柱半径从左到右分别为360nm、535nm、645nm、790nm，圆柱中心间隔均为2.5μm，圆柱高为3μm，然后在超表面相控阵列衬底1-2上淀积金膜制备光遮挡层1-3，金膜厚度为1μm。表面微纳结构1-1对目标谱段红外光具有相位调控功能。像元的中心距均为10μm，入射的红外谱段波长范围为2.75μm～3.5μm。
以波长为2.75μm～3.5μm的宽谱段红外光入射，透过表面微纳结构1-1的红外光按照波长被分离开：波长2.75μm～2.95μm的光折射至第一亚像元2-1，波长2.95μm～3.1μm的光折射至第二亚像元2-2，波长3.1μm～3.5μm的光折射至第三亚像元2-3。光遮挡层1-3区域的宽谱段红外光被反射。
第一亚像元2-1接收到光波长为2.75μm～2.95μm信号，定义为蓝光，信号大小记为B。第二亚像元2-2仅接收到光波长为2.95μm～3.1μm的信号，定义为绿光，信号大小记为G。第三亚像元2-3接收到光波长为3.1μm～3.5μm信号，定义为红光，信号大小记为R。所以，第一亚像元2-1接收到的信号大小为N1＝B，第二亚像元2-2接收到的信号大小为N2＝G，第三亚像元2-3接收到的信号大小为N3＝R。
将第一亚像元2-1，第二亚像元2-2，第三亚像元2-3信号输出，一个超像素单元接收的总信号大小为三个亚像元的信号之和，记为N，则N＝N1+N2+N3＝R+G+B。信号只含有R、G、B三原色，最后，利用RGB三原色模式合成彩色图像。
Claims (4)
1.一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，包括超表面相控阵列(1)，红外单色焦平面探测器(2)，其特征在于：
所述的超表面相控阵列(1)的超表面相控阵列衬底(1-2)通过淀积工艺原位集成于红外单色焦平面探测器(2)衬底上；每个超表面相控阵列(1)周期与红外单色焦平面探测器(2)的超像素单元相对应；超像素单元中超表面相控阵列(1)的表面微纳结构(1-1)正下方为第二亚像元(2-2)；宽谱段红外光入射超表面相控阵列(1)后，透过表面微纳结构(1-1)的光分离，其中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)；
当超像素单元中第一亚像元(2-1)和第三亚像元(2-3)正上方对应的超表面相控阵列(1)的区域无光遮挡层时，将较短波长红外光定义为蓝光，中等波长红外光定义为绿光，较长波长红外光定义为红光，宽谱段红外光定义为白光；第一亚像元(2-1)接收到的信号为蓝光与白光的混合信号，第二亚像元(2-2)接收到的信号为绿光，第三亚像元(2-3)接收到的信号为红光与白光的混合信号；超像素单元输出信号，利用宽光谱光信号消除方法去除宽谱段红外光信号，然后利用RGB三原色模式获得彩色图像；
当超像素单元中第一亚像元(2-1)和第三亚像元(2-3)正上方对应的超表面相控阵列(1)的区域有光遮挡层时，将较短波长红外光定义为蓝光，中等波长红外光定义为绿光，较长波长红外光定义为红光，第一亚像元(2-1)接收到的信号为蓝光信号，第二亚像元(2-2)接收到的信号为绿光，第三亚像元(2-3)接收到的信号为红光信号，超像素单元输出信号，利用RGB三原色模式获得彩色图像。
2.根据权利要求1所述的一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，其特征在于：
所述的超表面相控阵列(1)由超表面相控阵列衬底(1-2)和制备在超表面相控阵列衬底(1-2)上的表面微纳结构(1-1)构成；表面微纳结构(1-1)实现相位控制，将宽谱段红外光按波长分离；超像素单元中第一亚像元(2-1)和第三亚像元(2-3)正上方对应超表面相控阵列(1)的超表面相控阵列衬底(1-2)区域有光遮挡层，或者无光遮挡层。
3.根据权利要求1所述的一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，其特征在于：
所述的红外单色焦平面探测器(2)为背照射式，每一行中每三个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)。
4.一种基于权利要求1所述的一种原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器的宽光谱光信号消除方法，其特征在于方法如下：
宽光谱的红外光入射原位集成超表面相控阵列的红外彩色焦平面探测器，透过表面微纳结构(1-1)后，第一亚像元(2-1)接收到较短波长红外光与宽谱段红外光信号，将较短波长红外光定义为蓝光，信号大小记为B，宽谱段红外光信号定义为白光，信号大小记为W，第一亚像元(2-1)的信号大小N1＝B+W；第二亚像元(2-2)接收到中等波长红外光信号，定义为绿光，信号大小记为G，第二亚像元(2-2)的信号大小N2＝G；第三亚像元(2-3)接收到较长波长红外光与宽谱段红外光信号，将较长波长红外光定义为红光，信号大小记为R，第三亚像元(2-3)的信号大小N3＝R+W；一个超像素单元的总信号大小记为N，N＝N1+N2+N3＝3*W；红光信号大小
绿光信号大小G＝G，蓝光信号大小
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