具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法，该装置包括包括多功能窗口和探测部分，多功能窗口包括微透镜阵列、窗口本体和滤光片阵列；所述微透镜阵列集成在窗口本体的上表面，每个微透镜单元顶面均为球冠结构，球冠的俯视投影为正方形，相邻微透镜单元球冠俯视投影的正方形相接；所述滤光片阵列镀制在窗口本体的下表面；所述滤光片阵列包括四种滤光片，分别为三种单色可见光结合红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片；所述探测部分由像素单元阵列构成，每个像素单元包括四种亚像素单元，四种亚像素单元与四种滤光片一一正对；本发明专利技术还介绍了微透镜阵列的制备方法、探测器的探测方法。本发明专利技术装置可以实现全天时探测。

All-day imaging detector with multi-function window and its preparation method

The invention relates to an all-day imaging detector with a multi-functional window and a preparation method thereof. The device comprises a multi-functional window and a detection part. The multi-functional window includes a micro-lens array, a window body and a filter array. The micro-lens array is integrated on the upper surface of the window body. The top surface of each micro-lens unit is spherical crown structure, and the overlooking projection of the spherical crown is square. The filter array includes four kinds of filters, namely, three monochrome visible light combined with infrared band bandpass filters and one infrared filter. The detection part consists of a pixel unit array, each of which includes four sub-pixel single filters. The invention also introduces the preparation method of the microlens array and the detection method of the detector. The device of the invention can realize all-day detection.

【技术实现步骤摘要】
具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法
本专利技术属于光电探测
，具体涉及一种具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法。
技术介绍
光电探测器是由辐射引起被照射材料电导率发生改变而进行探测。光电探测器具有广泛用途，在可见光或近红外波段主要用于成像和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感等方面。传统光电探测器由分立的窗口、微透镜阵列、滤光片阵列和像素单元阵列组成，需要分别装配构成探测器。窗口是为探测器透进光波，隔绝空气进行真空封装而设计的。窗口下方的微透镜阵列可透所探测光波波段，微透镜阵列下方是不同的滤光片组成的阵列，滤波片阵列下方是位于基底上的像素单元阵列，由像素单元阵列对入射光波进行探测。每个像素单元又由多种亚像素单元分区域组合构成。现有的可见光探测器的像素单元由可探测红光（R）、绿光（G）、蓝光（B）的3个亚像素单元组成，分别称为红光（R）亚像素单元，绿光（G）亚像素单元，蓝光（B）亚像素单元，各亚像素单元上方的滤光片对入射光波进行滤波，分别选择性透过红光、绿光、蓝光，分别称为红光滤光片（R）、绿光滤光片（G）、蓝光滤光片（B）。三种滤光片在三种亚像素单元上方对应排布，上下对正。在滤光片的上方还设置有微透镜阵列，将入射的光线汇聚。三种滤光片的阵列位于像素单元阵列的正上方，红光滤光片（R）正对红光（R）亚像素单元，绿光滤光片（G）正对绿光（G）亚像素单元，蓝光滤光片（B）正对蓝光（B）亚像素单元。相应地，每个微透镜正对着下方的亚像素单元。通过设计红光（R）、绿光（G）、蓝光（B）亚像素单元不同的排列组合形式，实现可见光波段的彩色探测成像。亚像素单元对入射光波进行光电转换，进行探测，选用可见光或红外的探测材料制作敏感层，由敏感层确定了亚像素单元的工作波段。常见的光电探测器件是可见光成像或者单波段的红外器件，窗口、微透镜阵列及滤光片只能单波段透过，其波段覆盖范围窄，不能实现昼夜兼用。窗口、微透镜阵列及滤光片是分立器件，集成度低。为了解决全天时光电探测的问题，现有的可见光-红外成像探测器，白天工作的可见光成像系统与夜间工作的红外成像系统一般是分开的，在两条光路中对可见光和红外进行独立探测成像，其窗口只能工作于可见或红外单一波段，然后通过计算机采用图像配准与融合的方法将可见光图像和红外图像进行合成。这种方式会导致成像系统体积大、重量重、功耗高，限制了应用范围，因此未能满足对体积小、重量轻、功耗低的单芯片、全天时成像探测器的需求。用于全天时成像器件的探测器窗口要同时满足白天可见光彩色成像及夜间红外成像的要求，将窗口、微透镜阵列、滤波片阵列进行集成，减小其占用空间，缩短安装步骤，简化安装工艺。其中意法半导体公司于2015年申请的专利CN201510609809中提出了一种利用IR亚像素单元探测信号分别校正R、G、B亚像素单元探测信号的方法，如图1所示，透过R、G、B滤光片的光线中含有部分杂光IR，通过校正这一部分的杂光，从而得到尽可能纯的R、G、B亚像素单元探测信号，但是窗口、微透镜阵列及滤光片是分立器件，没有集成；由于透过滤光片的光谱范围在红外波段只到1.1μm，未能覆盖近红外、短波红外、中波红外及长波红外。因此使用该专利技术中滤光片的探测器只能在白天工作，不能实现全天时探测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法，将窗口、微透镜阵列、滤波片阵列进行集成，解决现有技术中探测器只能在白天工作，不能实现全天时探测的问题。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：具有多功能窗口的全天时成像探测器，包括多功能窗口和探测部分，多功能窗口包括微透镜阵列、窗口本体和滤光片阵列；所述微透镜阵列集成在窗口本体的上表面，每个微透镜单元顶面均为球冠结构，球冠的俯视投影为正方形，相邻微透镜单元球冠俯视投影的正方形相接；所述滤光片阵列镀制在窗口本体的下表面；所述滤光片阵列包括四种滤光片，分别为三种单色可见光结合红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片；所述探测部分由像素单元阵列构成，每个像素单元包括四种亚像素单元，四种亚像素单元与四种滤光片一一正对。进一步的，所述四种滤光片分别为R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片和IR滤光片，所述四个亚像素单元分别为R+IR亚像素单元、G+IR亚像素单元、B+IR亚像素单元和IR亚像素单元。进一步的，每个亚像素单元分别由宽光谱敏感层、电极和集成电路构成。上述微透镜阵列的制备方法如下，首先将铜采用单点金刚石车削的方法制备成具有凹曲面的铜模板，然后在铜模板上化学气相沉积宽光谱透射材料层，完成后降温脱去铜模板，所得宽光谱透射材料层即包括微透镜阵列和窗口本体两部分，在窗口本体的背面分区域镀制滤光片阵列，最终得到具有宽光谱透射性能的多功能窗口。上述探测器的探测方法如下，探测器白天工作时，R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片所对应的亚像素单元探测信号减掉IR滤光片所对应的亚像素单元探测信号，得到R、G、B真彩色;探测器夜间工作时，R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片和IR滤光片可透射红外，它们下方的四个亚像素单元同时探测红外，探测器在夜间正常工作。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术采用可透射可见光至红外波段光波的微透镜阵列，其对光线有汇聚的作用，微透镜阵列与滤光片阵列及亚像素阵列相对应，将原本落在亚像素单元间隙及电极等非光敏感区域的光线汇聚到亚像素单元中间的光敏感区，提高了入射光波的利用率；2.本专利技术单片窗口可实现从可见光到红外的宽光谱透过和滤波、分色、汇聚等多种功能，同时，单片结构相对于多片结构减少了散射、吸收等光学损耗；探测器兼顾白天彩色和夜间红外两种工作模式，可实现全天时成像探测；3.本专利技术窗口正面加工微透镜阵列，背面镀膜，体积小，集成度高，可缩短装配步骤，简化安装工艺，工艺兼容性好；4.本专利技术采用微透镜阵列向上，滤光片向下的方式，避免了膜层易脱落的问题，同时使得滤光片与探测单元距离更近。附图说明图1是意法半导体公司专利中像素阵列的颜色像素布局示意图；图2是具有多功能窗口的全天时成像探测器的总体结构图；图3是多功能窗口的正视图；图4是多功能窗口的俯视图；图5是具有多功能窗口的全天时成像探测器工作原理图；图6是滤光片单元在白天的工作模式示意图；图7是滤光片单元在夜间的工作模式示意图；图8是B+IR滤波区域光谱图；图9是G+IR滤波区域光谱图；图10是R+IR滤波区域光谱图；图11是IR滤波区域光谱图；图12是多功能窗口的制备流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本申请的基本原理和思路是：探测器窗口的上表面为微透镜阵列，对光线具有汇聚作用，可提高光线利用率；窗口的下表面为可见光彩色成像与红外成像兼用的滤光片，能够昼夜兼用；像素单元具有两种工作模式，白天工作时R+IR（红光+红外光）、G+IR（绿光+红外光）和B+IR（蓝光+红外光）三种亚像素单元所得探测信号可以减掉IR（红外光）亚像素单元所得探测信号部分，从而保证R+IR、G+IR、B+IR亚像素单元探测信号呈现出真彩色；夜间工作时由于可见光信号很弱，四个滤光片可透射红外，其下方的四个亚像素单元同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有多功能窗口的全天时成像探测器，包括多功能窗口（1）和探测部分（2），其特征在于，多功能窗口（1）包括微透镜阵列（3）、窗口本体（4）和滤光片阵列（5）；所述微透镜阵列（3）集成在窗口本体（4）的上表面，每个微透镜单元顶面均为球冠结构，球冠的俯视投影为正方形，相邻微透镜单元球冠俯视投影的正方形相接；所述滤光片阵列（5）镀制在窗口本体（4）的下表面；所述滤光片阵列（5）包括四种滤光片，分别为三种单色可见光结合红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片；所述探测部分由像素单元阵列构成，每个像素单元包括四种亚像素单元，四种亚像素单元与四种滤光片一一正对。

【技术特征摘要】
1.具有多功能窗口的全天时成像探测器，包括多功能窗口（1）和探测部分（2），其特征在于，多功能窗口（1）包括微透镜阵列（3）、窗口本体（4）和滤光片阵列（5）；所述微透镜阵列（3）集成在窗口本体（4）的上表面，每个微透镜单元顶面均为球冠结构，球冠的俯视投影为正方形，相邻微透镜单元球冠俯视投影的正方形相接；所述滤光片阵列（5）镀制在窗口本体（4）的下表面；所述滤光片阵列（5）包括四种滤光片，分别为三种单色可见光结合红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片；所述探测部分由像素单元阵列构成，每个像素单元包括四种亚像素单元，四种亚像素单元与四种滤光片一一正对。2.根据权利要求1所述具有多功能窗口的全天时成像探测器，其特征在于，所述四种滤光片分别为R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片和IR滤光片，所述四个亚像素单元分别为R+IR亚像素单元、G+IR亚像素单元、B+IR亚像素单元和IR亚像素单元。3.根据权利要求1或2所述具有多功能窗口的全天时成像探测器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫国，王卓曼，刘欢，白民宇，韩军，王曦，梁海锋，安妍，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61