红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组及制作方法
红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组及制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及红外制冷探测器冷光阔中的挡光环组，特别设及红外制冷探测器冷光 阔中的偏振型复合挡光环组的设计和制作方法。
【背景技术】
[0002] 随着红外光学技术的发展，红外探测器已广泛地被应用在空间探测、军事、监控、 医学W及日常生活中的各个领域，并且其对灵敏度和分辨率的需求也越来越高。在红外制 冷探测器中，探测系统的杂散福射是影响探测系统实际性能的重要因素之一。因此，抑制杂 散福射对于高精度红外制冷探测器就显得十分重要。
[0003] 在红外制冷探测器中，探测器焦平面阵列元件及其组件被封装于杜瓦腔体内。由 于探测的是红外福射，探测器在接收福射时，目标W外的区域都会福射能量，因而会对探测 器造成干扰，为此通常采用自身已被探测器冷却装置冷却的冷光阔。运样可W减少冷光阔 对探测器的热福射，同时也能保护探测器免受杜瓦内壁热福射的影响。冷光阔，是杜瓦中的 一个重要组件。一方面冷光阔主要起限制视场作用，减少背景光通量，降低背景噪声，从而 提高探测器忍片的信噪比。另一方面，冷光阔还可W有效隔离红外杂散福射W及其他电磁 福射的干扰作用，从而降低杜瓦工作时的热负荷并且能够缩短制冷启动时间，提高响应频 率。
[0004] 通过在冷光阔内部添加合适的挡光环结构，可W有效抑制进入其内部的杂散福 射，提高探测器的信噪比，进而提升红外制冷探测器的灵敏度。挡光环可W用来吸收到达其 表面的杂散福射，并增加杂散福射在到达探测面前的反射或散射次数，W促进其能量衰减， 其大小和位置设计原则如图1所示。实际应用中的挡光环结构远不能实现对杂散福射100% 的吸收率，不利于红外制冷探测器信噪比的提升，限制了高灵敏度红外探测器的应用。
[0005] 因此，为了进一步提高现有红外制冷探测器的灵敏度，有必要提供一种可对杂散 福射实现高吸收率的挡光环结构和设计方法，本发明方法可有效提高挡光环对杂散福射的 吸收能力，减少挡光环表面反射和散射的杂散福射能量，且结构简单，光机性能良好，与现 有的红外制冷探测器及挡光环结构兼容性好。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种红外制冷探测器冷光阔的偏振 型复合挡光环组及制作方法，可提高红外制冷探测器冷光阔中的挡光环对杂散福射的吸收 能力，抑制杂散福射在挡光环上发生的二次散射，进而提高红外制冷探测器的信噪比和冷 光阔效率。
[0007] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的：一种红外制冷探测器冷光阔的偏振 型复合挡光环组，包括N个挡光环，每个挡光环按照红外制冷探测器冷光阔的挡光环设计原 则确定内外径尺寸和安装位置，每个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线 性薄膜偏振器;所述的线性薄膜偏振器为与金属挡光环形状一致的透射式平片，工作波长 与红外制冷探测器的工作波长相匹配;相对于介质偏振器，线性薄膜偏振器的损伤阔值和 消光比更高，全波段消光比大于1000:1，红外波段大于10000:1。各线性薄膜偏振器的透光 轴的角度α符合下式：
[000引
[0009] 其中mod为取余函数，int为取整函数，Ν是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属 的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。
[0010] 进一步地，所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成，并经过 喷砂处理、光学发黑工艺实现表面发黑。
[0011] 进一步地，在线性薄膜偏振器非胶合面锻增透膜W减少表面反射，增加杂散福射 吸收率。
[0012] 进一步地，将线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨，W减少挡光环的侧边 反射的福射能量。
[0013] 进一步地，线性薄膜偏振器的基底为钢水玻璃，基底厚度可根据整体尺寸及结构 强度要求确定。挡光环的厚度在保证其结构强度的前提下尽可能地薄，既可W减小挡光环 的侧边反射也可W减轻冷光阔的整体重量。
[0014] 所述的红外制冷探测器冷光阔的偏振型复合挡光环组的制作方法，包括W下步 骤：
[0015] 步骤一、根据红外制冷探测器冷光阔的挡光环设计原则确定挡光环的通光口径和 位置，根据冷光阔的实际设计需求确定挡光环的数量N和外径；
[0016] 步骤二、选取2N个线性薄膜偏振器，标定透光轴方向；
[0017] 步骤Ξ、将线性薄膜偏振器两两分组，每组线性薄膜偏振器的透光轴角度α由下式 确定：
[001 引
[0019] 其中mod为取余函数，int为取整函数，Ν是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属 的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。
[0020] 步骤四、将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状；
[0021] 步骤五、使用光学胶将各组线性薄膜偏振器与其对应的金属挡光环前后面胶合， 即可获得所述的红外制冷探测器冷光阔的偏振型复合挡光环组。将各挡光环对应固定于步 骤一确定的位置处，即可完成装配。
[0022] 进一步地，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的非胶合面锻增透膜的步骤， W减少表面反射，增加杂散福射的吸收率。
[0023] 进一步地，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨的 步骤，W减少挡光环的侧边反射的福射能量。
[0024] 本发明的有益效果是：
[0025] 1、利用线性薄膜偏振器的偏振吸收效应，可在原有挡光环吸收的基础上，高效吸 收入射的杂散福射，该复合挡光环相比于普通挡光环具有更高的吸收率；
[0026] 2、对于偏振态与所入射的复合挡光环的线性薄膜偏振器透光轴垂直的杂散福射， 可w基本实现完全吸收；
[0027] 3、不同复合挡光环的偏振透光轴经过设计，可W通过相互配合进一步增强吸收效 果，在散射次数相同的情况下，降低了杂散福射的出射能量；
[0028] 4、该复合挡光环设计方法简明，结构相对简单，兼容性好，适用于高灵敏度红外制 冷探测器应用。
【附图说明】
[0029] 图1是红外制冷探测器冷光阔的挡光环基本设计方法示意图；
[0030] 图2是挡光环侧边反射示意图；
[0031 ]图3是四片式挡光环偏振器透光轴角度示意图；
[0032] 图4是四片式挡光环偏振器透光轴与挡光环编号之间的关系；
[0033] 图5是包含偏振型复合挡光环的红外制冷探测器冷光阔的结构示意图；
[0034] 图6是所述偏振型复合挡光环与传统挡光环对杂散福射的吸收能力定量对比图；
[0035] 图中，一号挡光环1、二号挡光环2、Ξ号挡光环3、四号挡光环4、冷光阔结构体5、冷 光阔开口 6、探测器面7。
【具体实施方式】
[0036] W下将结合附图详细说明本发明中高效吸收杂散福射挡光环的实施方式和设计 原理。
[0037] 本发明设计的偏振型复合挡光环组是应用于高灵敏度红外制冷探测器的，目的是 为了提高红外制冷探测器冷光阔挡光环对杂散福射的吸收能力，抑制杂散福射在挡光环上 发生的二次散射，提升系统的冷光阔效率，进而提高红外制冷探测器的信噪比和探测灵敏 度。
[0038] 本发明的实施方式是，每个挡光环按照红外制冷探测器冷光阔的挡光环设计原则 确定内外径尺寸和安装位置，每个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线性 薄膜偏振器。
[0039] 所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成并通过喷砂处理、光 学发黑工艺实现表面发黑。挡光环由图1所示的基本设计原则确定其通光直径和安装位置， 环面外径由其安装位置和红外制冷探测器的冷光阔口径共同确定。下面结合图1说明挡光 环基本设计原则:首先确定红外制冷探测器的探测面对角线长度BD和冷光阔结构参数及二 者相对位置即AC与抓之间的距离;连接BM，CD，过二者交点Ρ作平行于AC的线段与冷光阔壁 轮廓线相交，由此获得挡光环1的尺寸和位置;连接A和挡光环1的P点并延长，交冷光阔壁轮 廓线于N，连接NB，与C时目交，重复上述步骤，可获得挡光环2的尺寸和位置；W此类推，可W 获得任意形状的冷光阔相对应的挡光环组合，包括挡光环数量，每片挡光环的位置及相应 口径，挡光环数量N应由实际冷光阔设计需求确定。
[0040] 挡光环的厚度在保证其结构强度的前提下尽可能地薄，既可W减小挡光环的侧边 反射，也可W减轻冷光阔的整体重量。图2给出了挡光环侧边反射的示意图，α光线为正常入 射到挡光环上的光线，其能量大部分会被挡光环吸收，而β光线入射到挡光环的侧边，经由 挡光环侧边和棱角反射常常可直接到达像面，增大了到达像面的杂散福射量，因此需要抑 制。
[0041] 所述的线性薄膜偏振器为透光轴方向确定的透射式平片，工作波长与红外制冷探 测器的工作波长相匹配，纳米颗粒偏振薄膜W钢水玻璃为基底。线性薄膜偏振器厚度非常 小，约0.2mm。相对于介质偏振器，线性薄膜偏振器 的损伤阔值和消光比更高，全波段消光比 大于1:1000,红外波段大于1:10000。
[0042] 选取两倍于挡光环数量N的线性薄膜偏振器，标定透光轴方向，每组偏振器的透光 轴角度相差Δ 丫，由公式(1)确定：
[0043]
(1)
[0044] 其中N是挡光环总个数。图3W四片式挡光环为例说明了各组偏振器的透光轴分 布，第a，b，c，d组偏振器透光轴角度分别为0°，45°，90°，135°。
[0045] 将标定好的偏振器两两分组，分别对应于各挡光环，同组的两个偏振器透光轴方 向保持一致，各组的透光轴方向由公式(2)确定：
[0046]
(巧
[0047] 其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是挡光环编号，为从巧。 N的正整数。图4W四片式挡光环为例说明了偏振器透光轴与挡光环编号之间的关系。
[004引将各线性薄膜偏振器的非胶合面锻增透膜，增加偏振器基底材料对入射杂散福射 的透过率，降低由于偏振器表面反射产生的二次福射。
[0049] 将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状，并将侧边磨成毛面，喷涂 黑墨W降低侧边反射的福射能量，使用光学胶将各组偏振器与其对应的金属挡光环的前后 面胶合，注意保持透光轴方向；将各挡光环对应固定于由红外制冷探测器的挡光环设计原 则确定的位置处，完成装配。W包含四片式挡光环的红外制冷探测器为例，装配完成后的包 含偏振型复合挡光环的红外制冷探测器冷光阔的结构示意图如图5所示，包含一号挡光环 1、二号挡光环2、Ξ号挡光环3、四号挡光环4、冷光阔结构体5、冷光阔开口 6、探测器面7。根 据所述的偏振器透光轴分布方式，分别将a组偏振器胶合到一号挡光1环两侧，C组偏振器胶 合到二号挡光环2两侧，b组偏振器胶合到Ξ号挡光环3两侧，d组偏振器胶合到四号挡光环4 两侧。
[0050] 下面说明本发明的基本原理。根据光在界面反射时的菲涅耳公式，对于介质而言 有公式：
[0053] 公式(3)(4)分别给出了入射光在与入射面垂直分量(S分量)和与入射面平行分量 (P分量)光强的反射比，ηι，Π 2分别为入射介质和出射介质的折射率，01，θ2分别为入射角和 出射角。
[0054] 对于金属表面的反射而言，有公式：
[0057] 公式(5)(6)分别给出了入射光在与入射面垂直分量(s分量)和与入射面平行分量 (P分量)光强的反射比，η为金属的折射率，K为金属的衰减系数，θι分别为入射角。
[0058] 由公式（3)(4)(5)(6)可看出，当光在介质或金属表面发生反射时，S分量和Ρ分量 的反射比并不相同，对于偏振度为0的自然光而言，当其入射到光学系统时，若在光学件或 结构件表面发生反射时，其偏振度会相应提高。
[0059] 线性透射式偏振器对于入射光具有消光效应，取决于入射光偏振方向与偏振器透 光轴方向夹角Θ，消光效果强弱遵循光学原理中的马吕斯定律：
[0060] I = I〇C〇S^0 (7)
[0061 ] 其中Ιο为入射光强。对于自然光而言，当其通过偏振器时，出射光强会衰减为入射 光强的一半，对于完全偏振光而言，存在一个特定的偏振器角度，可W使其对入射光的衰减 效果强于对自然光的效果。实际的偏振并不能在θ = 90°时彻底消光，称偏振器的最小透射 光强与最大透射光强之比为偏振器的消光比，消光比反映了偏振器达到最佳消光效果时光 强的衰减水平。
[0062] 如上所述，当光入射到光学系统时，由于在光学件或结构件表面发生反射产生杂 散福射或杂散福射时其偏振度会提高，当其通过合适的偏振器时就可W大大衰减其光强。
[0063] 对于本发明中的偏振型复合挡光环而言，主要在W下方面综合实现消光：
[0064] 1.入射到偏振器的杂散福射会由于偏振消光效应衰减光强，且出射光的偏振态为 与偏振器透光轴平行的线偏光；
[0065] 2.经过喷砂和光学发黑处理的传统挡光环可W吸收透射过偏振器的杂散福射；
[0066] 3.经过挡光环反射的杂散福射偏振态进一步发生变化，W不同于同一片偏振器透 光轴的角度出射，再次实现偏振消光并W新的线偏振态出射；
[0067] 4.出射的特定角度线偏振态的杂散福射若入射到别的挡光环，由于各挡光环的偏 振器透光轴方向不同且符合公式(2)分布，将会对该杂散福射具有较好的抑制效果；
[0068] 5.偏振器材料对入射杂散福射也具有吸收效应。
[0069] 下面举例说明本发明所述的挡光环的最理想效果:若杂散福射W近似自然光的偏 振态入射，设其光强为1〇,线偏振方向为90°，当其入射到第一片透光轴方向为0°的挡光环 时，设挡光环的消光比为1:10000,则光强Ιι = 〇.5Ιο;设偏振器的材料对入射红外光的吸收 率为2%，挡光环的吸收率为90%，则从挡光环反射的光强为12 = 0.0491〇;根据菲涅耳公式 (3)(4)可计算反射光的偏振态变化，近似设反射光偏振主轴与偏振器透光轴夹角为5°，贝^ 出射光强13 = 0.98*0.049*cos2(5°)*I〇- 0.0471ο,当此杂散福射进入另一与其偏振方向垂 直的复合挡光环时，出射光强为 14 = 0.047*10-5*0.98*0.1*0.98*cos2(5° )*Ι〇 = 4.48*1〇-81〇。本发明与传统挡光环的吸收能力对比如图6所示。本发明综合了偏振吸收、透射材料吸 收和传统挡光环的吸收Ξ种原理，即使实际情况中的杂散福射偏振态各异，总体吸收效果 仍明显强于传统挡光环的吸收效果，对于高灵敏度的红外探测器应用具有显著意义。
【主权项】
1. 一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，包括N个挡光环，每个挡光环按 照红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定内外径尺寸和安装位置，其特征在于，每 个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线性薄膜偏振器;所述的线性薄膜偏 振器为与金属挡光环形状一致的透射式平片，工作波长与红外制冷探测器的工作波长相匹 配;各线性薄膜偏振器的透光轴的角度α符合下式：其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡 光环的序号，m为从1到N的正整数。2. 根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在 于，所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成，并经过喷砂处理、光学发 黑工艺实现表面发黑。3. 根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在 于，在线性薄膜偏振器非胶合面镀增透膜以减少表面反射，增加杂散辐射的吸收率。4. 根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在 于，将线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨，以减少挡光环的侧边反射的辐射能量。5. -种权利要求1所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组的制作方法， 其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、根据红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定挡光环的通光口径和位 置，根据冷光阑的实际设计需求确定挡光环的数量N和外径； 步骤二、选取2N个线性薄膜偏振器，标定透光轴方向； 步骤三、将线性薄膜偏振器两两分组，每组线性薄膜偏振器的透光轴角度α由下式确 定：其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡 光环的序号，m为从1到N的正整数。 步骤四、将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状； 步骤五、使用光学胶将各组线性薄膜偏振器与其对应的金属挡光环前后面胶合，即可 获得所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组。6. 根据权利要求5所述的偏振型复合挡光环组的制作方法，其特征在于，在步骤五之前 还包括对线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜的步骤，以减少表面反射，增加杂散辐射的 吸收率。7. 根据权利要求5所述的偏振型复合挡光环组的制作方法，其特征在于，在步骤五之前 还包括对线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨的步骤，以减少挡光环的侧边反射的 福射能量。
【专利摘要】本发明公开了一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组及制作方法，所述偏振型复合挡光环组包括N个挡光环，每个挡光环按照红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定内外径尺寸和安装位置，各挡光环由金属挡光环及相应的线性薄膜偏振器胶合而成。本发明可在原有挡光环的基础上，提高其对杂散辐射的吸收能力，抑制杂散辐射在挡光环上发生的二次散射，设计方法简明，结构相对简单，兼容性好，可有效提高红外制冷探测器的冷光阑效率，得到更高的信噪比和探测灵敏度。
【IPC分类】G02B5/00, G02B5/30
【公开号】CN105487149
【申请号】CN201610016780
【发明人】黄潇, 张娴婧, 白剑
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月11日
【技术领域】
[0001] 本发明设及红外制冷探测器冷光阔中的挡光环组，特别设及红外制冷探测器冷光 阔中的偏振型复合挡光环组的设计和制作方法。
【背景技术】
[0002] 随着红外光学技术的发展，红外探测器已广泛地被应用在空间探测、军事、监控、 医学W及日常生活中的各个领域，并且其对灵敏度和分辨率的需求也越来越高。在红外制 冷探测器中，探测系统的杂散福射是影响探测系统实际性能的重要因素之一。因此，抑制杂 散福射对于高精度红外制冷探测器就显得十分重要。
[0003] 在红外制冷探测器中，探测器焦平面阵列元件及其组件被封装于杜瓦腔体内。由 于探测的是红外福射，探测器在接收福射时，目标W外的区域都会福射能量，因而会对探测 器造成干扰，为此通常采用自身已被探测器冷却装置冷却的冷光阔。运样可W减少冷光阔 对探测器的热福射，同时也能保护探测器免受杜瓦内壁热福射的影响。冷光阔，是杜瓦中的 一个重要组件。一方面冷光阔主要起限制视场作用，减少背景光通量，降低背景噪声，从而 提高探测器忍片的信噪比。另一方面，冷光阔还可W有效隔离红外杂散福射W及其他电磁 福射的干扰作用，从而降低杜瓦工作时的热负荷并且能够缩短制冷启动时间，提高响应频 率。
[0004] 通过在冷光阔内部添加合适的挡光环结构，可W有效抑制进入其内部的杂散福 射，提高探测器的信噪比，进而提升红外制冷探测器的灵敏度。挡光环可W用来吸收到达其 表面的杂散福射，并增加杂散福射在到达探测面前的反射或散射次数，W促进其能量衰减， 其大小和位置设计原则如图1所示。实际应用中的挡光环结构远不能实现对杂散福射100% 的吸收率，不利于红外制冷探测器信噪比的提升，限制了高灵敏度红外探测器的应用。
[0005] 因此，为了进一步提高现有红外制冷探测器的灵敏度，有必要提供一种可对杂散 福射实现高吸收率的挡光环结构和设计方法，本发明方法可有效提高挡光环对杂散福射的 吸收能力，减少挡光环表面反射和散射的杂散福射能量，且结构简单，光机性能良好，与现 有的红外制冷探测器及挡光环结构兼容性好。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种红外制冷探测器冷光阔的偏振 型复合挡光环组及制作方法，可提高红外制冷探测器冷光阔中的挡光环对杂散福射的吸收 能力，抑制杂散福射在挡光环上发生的二次散射，进而提高红外制冷探测器的信噪比和冷 光阔效率。
[0007] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的：一种红外制冷探测器冷光阔的偏振 型复合挡光环组，包括N个挡光环，每个挡光环按照红外制冷探测器冷光阔的挡光环设计原 则确定内外径尺寸和安装位置，每个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线 性薄膜偏振器;所述的线性薄膜偏振器为与金属挡光环形状一致的透射式平片，工作波长 与红外制冷探测器的工作波长相匹配;相对于介质偏振器，线性薄膜偏振器的损伤阔值和 消光比更高，全波段消光比大于1000:1，红外波段大于10000:1。各线性薄膜偏振器的透光 轴的角度α符合下式：
[000引
[0009] 其中mod为取余函数，int为取整函数，Ν是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属 的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。
[0010] 进一步地，所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成，并经过 喷砂处理、光学发黑工艺实现表面发黑。
[0011] 进一步地，在线性薄膜偏振器非胶合面锻增透膜W减少表面反射，增加杂散福射 吸收率。
[0012] 进一步地，将线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨，W减少挡光环的侧边 反射的福射能量。
[0013] 进一步地，线性薄膜偏振器的基底为钢水玻璃，基底厚度可根据整体尺寸及结构 强度要求确定。挡光环的厚度在保证其结构强度的前提下尽可能地薄，既可W减小挡光环 的侧边反射也可W减轻冷光阔的整体重量。
[0014] 所述的红外制冷探测器冷光阔的偏振型复合挡光环组的制作方法，包括W下步 骤：
[0015] 步骤一、根据红外制冷探测器冷光阔的挡光环设计原则确定挡光环的通光口径和 位置，根据冷光阔的实际设计需求确定挡光环的数量N和外径；
[0016] 步骤二、选取2N个线性薄膜偏振器，标定透光轴方向；
[0017] 步骤Ξ、将线性薄膜偏振器两两分组，每组线性薄膜偏振器的透光轴角度α由下式 确定：
[001 引
[0019] 其中mod为取余函数，int为取整函数，Ν是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属 的挡光环的序号，m为从1到N的正整数。
[0020] 步骤四、将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状；
[0021] 步骤五、使用光学胶将各组线性薄膜偏振器与其对应的金属挡光环前后面胶合， 即可获得所述的红外制冷探测器冷光阔的偏振型复合挡光环组。将各挡光环对应固定于步 骤一确定的位置处，即可完成装配。
[0022] 进一步地，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的非胶合面锻增透膜的步骤， W减少表面反射，增加杂散福射的吸收率。
[0023] 进一步地，在步骤五之前还包括对线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨的 步骤，W减少挡光环的侧边反射的福射能量。
[0024] 本发明的有益效果是：
[0025] 1、利用线性薄膜偏振器的偏振吸收效应，可在原有挡光环吸收的基础上，高效吸 收入射的杂散福射，该复合挡光环相比于普通挡光环具有更高的吸收率；
[0026] 2、对于偏振态与所入射的复合挡光环的线性薄膜偏振器透光轴垂直的杂散福射， 可w基本实现完全吸收；
[0027] 3、不同复合挡光环的偏振透光轴经过设计，可W通过相互配合进一步增强吸收效 果，在散射次数相同的情况下，降低了杂散福射的出射能量；
[0028] 4、该复合挡光环设计方法简明，结构相对简单，兼容性好，适用于高灵敏度红外制 冷探测器应用。
【附图说明】
[0029] 图1是红外制冷探测器冷光阔的挡光环基本设计方法示意图；
[0030] 图2是挡光环侧边反射示意图；
[0031 ]图3是四片式挡光环偏振器透光轴角度示意图；
[0032] 图4是四片式挡光环偏振器透光轴与挡光环编号之间的关系；
[0033] 图5是包含偏振型复合挡光环的红外制冷探测器冷光阔的结构示意图；
[0034] 图6是所述偏振型复合挡光环与传统挡光环对杂散福射的吸收能力定量对比图；
[0035] 图中，一号挡光环1、二号挡光环2、Ξ号挡光环3、四号挡光环4、冷光阔结构体5、冷 光阔开口 6、探测器面7。
【具体实施方式】
[0036] W下将结合附图详细说明本发明中高效吸收杂散福射挡光环的实施方式和设计 原理。
[0037] 本发明设计的偏振型复合挡光环组是应用于高灵敏度红外制冷探测器的，目的是 为了提高红外制冷探测器冷光阔挡光环对杂散福射的吸收能力，抑制杂散福射在挡光环上 发生的二次散射，提升系统的冷光阔效率，进而提高红外制冷探测器的信噪比和探测灵敏 度。
[0038] 本发明的实施方式是，每个挡光环按照红外制冷探测器冷光阔的挡光环设计原则 确定内外径尺寸和安装位置，每个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线性 薄膜偏振器。
[0039] 所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成并通过喷砂处理、光 学发黑工艺实现表面发黑。挡光环由图1所示的基本设计原则确定其通光直径和安装位置， 环面外径由其安装位置和红外制冷探测器的冷光阔口径共同确定。下面结合图1说明挡光 环基本设计原则:首先确定红外制冷探测器的探测面对角线长度BD和冷光阔结构参数及二 者相对位置即AC与抓之间的距离;连接BM，CD，过二者交点Ρ作平行于AC的线段与冷光阔壁 轮廓线相交，由此获得挡光环1的尺寸和位置;连接A和挡光环1的P点并延长，交冷光阔壁轮 廓线于N，连接NB，与C时目交，重复上述步骤，可获得挡光环2的尺寸和位置；W此类推，可W 获得任意形状的冷光阔相对应的挡光环组合，包括挡光环数量，每片挡光环的位置及相应 口径，挡光环数量N应由实际冷光阔设计需求确定。
[0040] 挡光环的厚度在保证其结构强度的前提下尽可能地薄，既可W减小挡光环的侧边 反射，也可W减轻冷光阔的整体重量。图2给出了挡光环侧边反射的示意图，α光线为正常入 射到挡光环上的光线，其能量大部分会被挡光环吸收，而β光线入射到挡光环的侧边，经由 挡光环侧边和棱角反射常常可直接到达像面，增大了到达像面的杂散福射量，因此需要抑 制。
[0041] 所述的线性薄膜偏振器为透光轴方向确定的透射式平片，工作波长与红外制冷探 测器的工作波长相匹配，纳米颗粒偏振薄膜W钢水玻璃为基底。线性薄膜偏振器厚度非常 小，约0.2mm。相对于介质偏振器，线性薄膜偏振器 的损伤阔值和消光比更高，全波段消光比 大于1:1000,红外波段大于1:10000。
[0042] 选取两倍于挡光环数量N的线性薄膜偏振器，标定透光轴方向，每组偏振器的透光 轴角度相差Δ 丫，由公式(1)确定：
[0043]
(1)
[0044] 其中N是挡光环总个数。图3W四片式挡光环为例说明了各组偏振器的透光轴分 布，第a，b，c，d组偏振器透光轴角度分别为0°，45°，90°，135°。
[0045] 将标定好的偏振器两两分组，分别对应于各挡光环，同组的两个偏振器透光轴方 向保持一致，各组的透光轴方向由公式(2)确定：
[0046]
(巧
[0047] 其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是挡光环编号，为从巧。 N的正整数。图4W四片式挡光环为例说明了偏振器透光轴与挡光环编号之间的关系。
[004引将各线性薄膜偏振器的非胶合面锻增透膜，增加偏振器基底材料对入射杂散福射 的透过率，降低由于偏振器表面反射产生的二次福射。
[0049] 将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状，并将侧边磨成毛面，喷涂 黑墨W降低侧边反射的福射能量，使用光学胶将各组偏振器与其对应的金属挡光环的前后 面胶合，注意保持透光轴方向；将各挡光环对应固定于由红外制冷探测器的挡光环设计原 则确定的位置处，完成装配。W包含四片式挡光环的红外制冷探测器为例，装配完成后的包 含偏振型复合挡光环的红外制冷探测器冷光阔的结构示意图如图5所示，包含一号挡光环 1、二号挡光环2、Ξ号挡光环3、四号挡光环4、冷光阔结构体5、冷光阔开口 6、探测器面7。根 据所述的偏振器透光轴分布方式，分别将a组偏振器胶合到一号挡光1环两侧，C组偏振器胶 合到二号挡光环2两侧，b组偏振器胶合到Ξ号挡光环3两侧，d组偏振器胶合到四号挡光环4 两侧。
[0050] 下面说明本发明的基本原理。根据光在界面反射时的菲涅耳公式，对于介质而言 有公式：
[0053] 公式(3)(4)分别给出了入射光在与入射面垂直分量(S分量)和与入射面平行分量 (P分量)光强的反射比，ηι，Π 2分别为入射介质和出射介质的折射率，01，θ2分别为入射角和 出射角。
[0054] 对于金属表面的反射而言，有公式：
[0057] 公式(5)(6)分别给出了入射光在与入射面垂直分量(s分量)和与入射面平行分量 (P分量)光强的反射比，η为金属的折射率，K为金属的衰减系数，θι分别为入射角。
[0058] 由公式（3)(4)(5)(6)可看出，当光在介质或金属表面发生反射时，S分量和Ρ分量 的反射比并不相同，对于偏振度为0的自然光而言，当其入射到光学系统时，若在光学件或 结构件表面发生反射时，其偏振度会相应提高。
[0059] 线性透射式偏振器对于入射光具有消光效应，取决于入射光偏振方向与偏振器透 光轴方向夹角Θ，消光效果强弱遵循光学原理中的马吕斯定律：
[0060] I = I〇C〇S^0 (7)
[0061 ] 其中Ιο为入射光强。对于自然光而言，当其通过偏振器时，出射光强会衰减为入射 光强的一半，对于完全偏振光而言，存在一个特定的偏振器角度，可W使其对入射光的衰减 效果强于对自然光的效果。实际的偏振并不能在θ = 90°时彻底消光，称偏振器的最小透射 光强与最大透射光强之比为偏振器的消光比，消光比反映了偏振器达到最佳消光效果时光 强的衰减水平。
[0062] 如上所述，当光入射到光学系统时，由于在光学件或结构件表面发生反射产生杂 散福射或杂散福射时其偏振度会提高，当其通过合适的偏振器时就可W大大衰减其光强。
[0063] 对于本发明中的偏振型复合挡光环而言，主要在W下方面综合实现消光：
[0064] 1.入射到偏振器的杂散福射会由于偏振消光效应衰减光强，且出射光的偏振态为 与偏振器透光轴平行的线偏光；
[0065] 2.经过喷砂和光学发黑处理的传统挡光环可W吸收透射过偏振器的杂散福射；
[0066] 3.经过挡光环反射的杂散福射偏振态进一步发生变化，W不同于同一片偏振器透 光轴的角度出射，再次实现偏振消光并W新的线偏振态出射；
[0067] 4.出射的特定角度线偏振态的杂散福射若入射到别的挡光环，由于各挡光环的偏 振器透光轴方向不同且符合公式(2)分布，将会对该杂散福射具有较好的抑制效果；
[0068] 5.偏振器材料对入射杂散福射也具有吸收效应。
[0069] 下面举例说明本发明所述的挡光环的最理想效果:若杂散福射W近似自然光的偏 振态入射，设其光强为1〇,线偏振方向为90°，当其入射到第一片透光轴方向为0°的挡光环 时，设挡光环的消光比为1:10000,则光强Ιι = 〇.5Ιο;设偏振器的材料对入射红外光的吸收 率为2%，挡光环的吸收率为90%，则从挡光环反射的光强为12 = 0.0491〇;根据菲涅耳公式 (3)(4)可计算反射光的偏振态变化，近似设反射光偏振主轴与偏振器透光轴夹角为5°，贝^ 出射光强13 = 0.98*0.049*cos2(5°)*I〇- 0.0471ο,当此杂散福射进入另一与其偏振方向垂 直的复合挡光环时，出射光强为 14 = 0.047*10-5*0.98*0.1*0.98*cos2(5° )*Ι〇 = 4.48*1〇-81〇。本发明与传统挡光环的吸收能力对比如图6所示。本发明综合了偏振吸收、透射材料吸 收和传统挡光环的吸收Ξ种原理，即使实际情况中的杂散福射偏振态各异，总体吸收效果 仍明显强于传统挡光环的吸收效果，对于高灵敏度的红外探测器应用具有显著意义。
【主权项】
1. 一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，包括N个挡光环，每个挡光环按 照红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定内外径尺寸和安装位置，其特征在于，每 个挡光环包括金属挡光环和胶合于金属挡光环两侧的线性薄膜偏振器;所述的线性薄膜偏 振器为与金属挡光环形状一致的透射式平片，工作波长与红外制冷探测器的工作波长相匹 配;各线性薄膜偏振器的透光轴的角度α符合下式：其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡 光环的序号，m为从1到N的正整数。2. 根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在 于，所述的金属挡光环由适用于红外制冷探测器的金属材料制成，并经过喷砂处理、光学发 黑工艺实现表面发黑。3. 根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在 于，在线性薄膜偏振器非胶合面镀增透膜以减少表面反射，增加杂散辐射的吸收率。4. 根据权利要求1所述一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组，其特征在 于，将线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨，以减少挡光环的侧边反射的辐射能量。5. -种权利要求1所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组的制作方法， 其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、根据红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定挡光环的通光口径和位 置，根据冷光阑的实际设计需求确定挡光环的数量N和外径； 步骤二、选取2N个线性薄膜偏振器，标定透光轴方向； 步骤三、将线性薄膜偏振器两两分组，每组线性薄膜偏振器的透光轴角度α由下式确 定：其中mod为取余函数，int为取整函数，N是挡光环总个数，m是线性薄膜偏振器所属的挡 光环的序号，m为从1到N的正整数。 步骤四、将各组线性薄膜偏振器切割成对应金属挡光环的形状； 步骤五、使用光学胶将各组线性薄膜偏振器与其对应的金属挡光环前后面胶合，即可 获得所述的红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组。6. 根据权利要求5所述的偏振型复合挡光环组的制作方法，其特征在于，在步骤五之前 还包括对线性薄膜偏振器的非胶合面镀增透膜的步骤，以减少表面反射，增加杂散辐射的 吸收率。7. 根据权利要求5所述的偏振型复合挡光环组的制作方法，其特征在于，在步骤五之前 还包括对线性薄膜偏振器的侧边磨为毛面并喷涂黑墨的步骤，以减少挡光环的侧边反射的 福射能量。
【专利摘要】本发明公开了一种红外制冷探测器冷光阑的偏振型复合挡光环组及制作方法，所述偏振型复合挡光环组包括N个挡光环，每个挡光环按照红外制冷探测器冷光阑的挡光环设计原则确定内外径尺寸和安装位置，各挡光环由金属挡光环及相应的线性薄膜偏振器胶合而成。本发明可在原有挡光环的基础上，提高其对杂散辐射的吸收能力，抑制杂散辐射在挡光环上发生的二次散射，设计方法简明，结构相对简单，兼容性好，可有效提高红外制冷探测器的冷光阑效率，得到更高的信噪比和探测灵敏度。
【IPC分类】G02B5/00, G02B5/30
【公开号】CN105487149
【申请号】CN201610016780
【发明人】黄潇, 张娴婧, 白剑
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月11日
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