红外焦平面成像技术发展现状
姓名：高洁班级：11级硕研1班学号：S11080300007
摘要
红外焦平面列阵成像技术已经进入了成熟期。本文对几种红外焦平面列阵器件如MCT、Insb 和QWIP 的最新进展作一评述，简要介绍其器件发展水平、技术路线和关键工艺。简要提及一种新颖的非制冷焦平面成像技术：光学读出微光机红外接收器。
关键词：红外焦平面列阵；碲镉汞；锑化铟；量子阱红外探测器
Abstract
Infrared focal plane array (IRFPA) imaging technology has been matured during the passed decade. In this paper an overview of recent progress to several kind of IRFPA such as MCT, Insb and QWIP is provided , focusing on new device development, technical lines and key technologies. Also, a new type of uncooled FPA imaging technigue micro !optomechanical infrared receiver with optical readout is briefly introduced.
Key words: IRFPA; MCT; Insb; QWIP
引言
红外探测器技术在20 世纪90 年代取得了飞速发展。红外焦平面列阵成像技术进入了成熟期。高性能大规格焦平面列阵已正式地应用于各种重大国家安全项目中，例如弹道导弹防御计划和重要新型武器系统。另外，新型非制冷红外焦平面技术的涌现正在促进红外技术走向第三代。美国人预言，未来几年美国红外市场将出现年均30%的连续高速增长[1]。本文简要评述了几种红外焦平面列阵器件技术的最新进展。
1. 碲镉汞红外焦平面器件
1.1器件和材料发展水平
通过调整碲镉汞(MCT)材料的组分，可以方便地调节其材料的禁带宽度，器件可以响应多个红外波段范围，因此，MCT 受到各国的高度重视。MCT 焦平面列阵器件在短波(1~3 μm)、中波(3~5μm )、长波(8~12μm )和甚长波(12~18μm )各个波段取得了全面进展。
1.1.1 短波MCT 焦平面
波音北美公司和洛克威尔科学中心合作，在替代衬底PACE-1 上生长的MCT 薄膜材料制造了大规模的焦平面列阵。低背景天文应用，代号为Hawaii-2 的器件性能参数如表1 所示[2]。多光谱遥感应用的1024*1024 元FPA，截止波长2.5 μm，在1.2*1011 phs/cm2 s 背景水平和115 K 工作温度下的平均探测率达到2.3*1013 cmHZ1/2W-1，非均匀性12.5%，量子效率74%，77 K 下平均暗电流仅为0.02 e-/s，有效像元率99.1%，100 次热循环脱焊率<0.2%[3]。
1.1.2 中波MCT 焦平面
Rockwell 使用MBE 技术在CdznTe 衬底上制备的1024*1024 元中波器件已大量生产和应用[4]. 焦平面截止波长4.8 μm，像元尺寸17μm *17μm，p-on-n 结构，SFD 读出。在工作温度78 K 下平均量子效率77%，暗电流<60 e-/s、在美国海军c凝视红外全景传感器y计划中使用了这种列阵[5]。
2003 年法国LETI/LIR 报道的640 *512 元焦平面，是在CdznTe 衬底上液相外延生长的MCT 片子上制备的。截止波长5μm，像元中心距15μm，B 离子注入n+/p 结构，快照式电荷放大（SCA）
读出，电荷容量为4.4~6.5*106e-.在视场角为f/2，帧频120 H Z下，平均噪声等效温差17 mK，非均匀性~5%，有效像元率99%，动态范围80 dB【6】
1999 年德国AIM 报道了640*480 元中波器件像元中心距24 μm，在f/1.5 视场角和2 ms 积分时间下，噪声等效温差20 mK。在线列方面，法国LETI/LIR 和Sofradir 共同发展了用于机载对地观测推帚式扫描的长线列焦平面。截止波长5.5μm，像元面积30 μm*30 μm，像元数1500 个，由5 块300 元的线列阵芯片无缺损拼接而成，总长度达到45 mm。平均探测率~3*1011 cmHZ1/2W-1，平均响应率2.3 A/W，量子效率65%，噪声等效温差4.3 mK,非均匀性7.1%，有效像元率99.6%[7]。
1.1.3 长波（8~10.5 μm）MCT 焦平面
这是一个最受关注也是资金和人力投入最多的波段，现在已能够大量提供320*240 元和256*256 元器件。Hushes-SBRC 最早报道过做在Si 衬底上的MCT 长波640*480 元焦平面。第一幅热像发布于1994 年，但高性能数据迄今尚未披露。法国LETI/LIR 报道的256*256 元焦平面，像元中心距35 μm，77 K 截止波长10.3 μm。在视场角30o条件下，噪声等效温差13 mK。由于采取了SCA读出结构，电荷容量达到5*107 e-9动态范围达85dB。在f/2.67 的视场角下，平均探测率为1.56*1011cmHZ1/2W-1，非均匀性8%[8]0。最近报道的商品化320*256 元长波组件，像元中心距为30μm。电荷容量1.2~3.7>107 e-9在f/2 视场下，噪声等效温差为20mK，动态范围80dB，非均匀性5%，失效率1%。配上0.4W 斯特林循环制冷机，组件质量仅0.6 kg [6]。LETI-Sofradir 的线列阵像元数1500 元。截止波长10μm，像元面积30 μm*30μm。在视场角28o 和2.4 ms积分时间下，量子效率为55%，响应率为4A/W，噪声等效温差12 mK，有效像元率98.3%。最近研制成的1500*2 长波器件，由5 块MCT 和10 块硅CMOS
拼接，具有死像元补偿、均匀性改善或时间延迟积分等功能[9]。
德国AIM 制造的256*256 元器件，光谱响应范围7.7~10.0 μm，像元中心距40 μm，填充因子60 %。在350 μs 积分时间和f/2.0 光学视场下，噪声等效温差18.7 mK，有效像元率99.3%[10]。
1.1.4 甚长波(>12 μm)MCT 焦平面
这一波段因其在空间应用和导弹防御计划中的重要性而受到重视 Boeing/rockwell 用在CdznTe 衬
底上MBE 生长的MCT 薄膜制备了截止波长为15.8μm(65 K)的128*128 元甚长波焦平面器件。采用As 离子注入双层平面异质结工艺，像元中心距60μm。在工作温度40 K 积分时间120μs 背景通量
8.0*1015 cm-2s 时，平均探测率达到2.76*1011cmH Z1/2W-1，不均匀性10.5%，有效像元率97.21%，输入结构为低噪声，高线性度直接注入电路[11]。
1.1.5 双色和双波段焦平面器件
SBRC 首先研制成双色同时读出的128*128 元 (MW/LW) FPA[12] DRS 已演示了320*240 元，MW/LW FPA 双波段同时读出，量子效率均大于50%[13]
1.2技术路线和关键工艺技术
碲镉汞历经40 余年的发展，全世界从事这一研究的重量级单位达十几家，长期以来都是在相互保密的情况下各自独立地发展自己的技术，形成了各具特色的技术路线。
Boeing/Rockwell
Boeing/Rockwell成功地发展了两种不同的工艺技术：PACE-1 /LPE和MCT/n-on-p 同质结
工艺以及双层平面异质结(DLPH)工艺PACE-1技术的要点是：外购MOCVD 生长的Cdte/Al203衬底片，LPE 生长短波和中波MCT 薄膜(8μm~12μm厚)并退火成p 型，B+离子注入形成n-on-p 同质结ZnS+Si02或Si3N4双层钝化，这样做出的器件在截止波长5.0 μm，77 K 温度下R0A"~1.0*106Ωcm2满足大多数高背景应用的性能要求。
MBE-DLPH技术是美国DARPA 组织协作攻关取得的重要成果，这项技术的特点是：在CdZnTe衬底利用MBE 方法原位掺铟生长n 型MCT 薄膜。MBE 原位掺铟生长较宽带隙(x+0.07)的n 型覆盖层，MBE 生长CdTe 钝化层，As 离子注入及退火形成p-on-n 结。自1992 年起，经过5 年攻关，确立了这项技术作为高性能、较低成本、可大批量生产从甚短波(VSWIR)到甚长波，VLWIR 红外焦平面列阵制造技术的地位。
1.2.2 LETI/LIR 和Sofradir
LETI/LIR 成立于1978 年主要从事红外焦平面的技术研究，Sofradir 成立于1986 年，主要使用LETI/LIR的技术、生产和销售MCT 焦平面器件。LETI/LIR开发的工艺技术路线早已广为人知。
1.2.3 Hushes/SBRC
Hushes/SBRC 发展了其独特的工艺技术，即无限熔体富汞垂直液相外延，VLPE / 掺杂生长/ 多层同质或异质n/p 或p/n 台面结工艺，SBRC 用了15 年时间使VLPE 发展成熟，实现了焦平面材料和器件的低成本规模生产。
Hushes/SBRC 使用大面积衬底使器件成本大幅度下降，以目前的应用来说30cm2的衬底对降低成本是一个临界尺寸，再大也不会导致器件成本进一步降低。
2 Insb 红外焦平面列阵器件
InSb 探测器在3~5 μm 波段响应，77 K 截止波长5.5 μm，由于是本征吸收，量子效率高，20 世纪90年代InSb 红外焦平面列阵器件发展成熟，在凝视军用系统中占据主导地位。
2.1 器件发展水平
InSb 红外焦平面列阵器件的发展以凝视型为主，扫描型线列焦平面只在早期有所报道，凝视InSb红外焦平面按其用途形成了不同的技术特点。低背景战略和空间应用的InSb 列阵特点为：规模大、噪声低、工作温度低、帧频低。中、高背景战术应用的InSb 列阵主要用于导弹制导和热成像，列阵特点为：规模适度、电荷处理能力强、帧频高。十多年来Hushes/SBRC 提供了从64 *58 到1024*1024 元InSb 焦平面列阵，供陆基和天基红外天文学观测使用，取得了巨大成功。
在制导应用方面，代表当前水平的是Lockheed- Martin下属的Santa Barbara Focalplane 公司研制的灵活型640*!512 元InSb 焦平面列阵，所谓灵活型是指这种列阵也可用512*512、640*480 或者400*400。在运行中，甚至可以从帧频120 Hz 窗口为640*512的大场景观视模式突然切换到帧频1000 Hz 窗口为128*128 的小视场跟踪模式，量子效率85% ，像元有效率>99.5%，功耗<105 mW[19]。
在线列阵方面，以色列SCD 成功开发了4 块拼接的2048*16 TDI InSb 长线列焦平面组件（图1）探测率达到4*1012 cmHz1/2W-1，在f/ 4.5 ，积分时间500μs 时，噪声等效温差为15 mK，响应非均匀性为3%，有效像元率99.5% ，串音率<0.5% ，功耗<100 mW[20]。
图1 4块拼接的2048*16TDI InSb长线列
2.2 技术路线和关键工艺技术
InSb 焦平面列阵器件以体生长掺碲n 型InSb 单晶为基体材料Be 或Mg 离子注入p -n 形成二极管列阵，SiO2或Si3N4钝化、淀积金属电极和CMoS 读出电路通过铟柱互连混成，再经芯片背减薄和减反射膜淀积达到量子效率的优化，对低背景应用的列阵，由于在50 K 以下掺碲InSb中空穴扩散长度急剧减小，基体材料宜采用近本征材料"以获得高量子效率。Insb 焦平面列阵的规模和产量能够迅速发展得益于Insb 体晶生长加工技术和芯片背减薄技术的成熟与完善，现在限制列阵均匀性、成品率和成本的因素已经不是材料本身的质量和尺寸而是晶片表面加工的技术和质量。Insb 焦平面的芯片背减薄是一项难度很大的工艺，芯片减薄的目标是厚度约为10μm，现在SBRC 把光学加工中的单点金刚石车削技术用于焦平面芯片减薄，对芯片厚度控制和响应率均匀性的提高取得了更好的效果。
3.量子阱光导体焦平面列阵
1985 年首次发现Gaas/Gaalas 超晶格量子阱结构的红外吸收现象后，量子阱红外探测器（GWIP）的发展十分迅速! 之后，由于观测到Gaas/GaalasGWIP 列阵存在较大的串音，并需要较低的工作温度（60，65 K%）其发展势头曾一度减缓。近年来，随着低背景空间和战略应用需求的增大和技术的进步，量子阱焦平面列阵的发展出现了新的势头。
1999 年德国AIM 研制成的GWIP 焦平面组件，光电导元的尺寸是24 u m*24 u m，电荷存储容量为7*10-6e-组件性能见表3。
GWIP 焦平面器件存在的一个问题是入射辐射在衬底表面和光栅面之间多次内反射造成了较大的光学串音! 在互连后Gaas 芯片被减薄到25 u m 以下以消除串音! 图2 是用640!512 元GWIP 焦平面器件摄取的人体热像! 图中煤气枪喷出的火焰轮廓十分清析，表明经过适当的芯片减薄"器件串音问题已经得到了解决! 现在" 通过工艺改进" 响应光谱很宽的
GWIP 焦平面也已问世" 如JPL 已研制成10~16 !m的640!512 元GWIP FPa[25]!
表3 AIM GWIP 焦平面性能参数
Tab.3 Specifications of AIM GWIP FPAs
Parameter Value Unit
Total pixels 640!512 个
Pixel pitch 24 !m
spectral range 8"10 !m
Integration mode snap shot/rolling
Integration time 16 ms
numbers 2.0
Operaing temperature 60 K
Frame freguency 60#120 HZ
Mean responsivity 59.3 mV/K
NETD 19.2 mK
Operability 99.92% $NETD%40 mK%
第２９卷第２期２０１０年４月红外与毫米波学报 Ｊ．ＩｎｆｒａｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ Ｖ０１．２９，Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ，２０１０ 文章编号：１００１—９０１４（２０１０）０２—００９１—０３ 一种线阵红外焦平面的图像处理方法 李言谨，危峻，胥学荣 （中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３） 摘要：根据线阵碲镉汞焦平面中少数载流子的横向收集物理特性，提出了一种改善红外焦平面图像质量的处理方法，并应用于某试验卫星的遥感图像上．这些遥感图像是采用上海技术物理研究所研制的２５６元线列焦平面组件获得的．结果表明，经处理后图像的分辨率和对比度均有显著提高． 关键词：图像处理；红外焦平面；碲镉汞 中图分类号：０４７２文献标识码：Ａ ⅡⅥＡＧＥＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＭＥＴＨＯＤＯＦＬＩＮＥＡＲＩＮＦＲＡＲＥＤ ＦＯＣＡＬＰＬＡＮＥＡＲＲＡＹ ＬＩＹａｎ—Ｊｉｎ，ＷＥＩＪｕｎ，ＸＵＸｕｅ—Ｒｏｎｇ （ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌａｔｅｒａｌｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｎｏｒｉｔｙｃａｒｒｉｅｒｓｉｎｌｉｎｅａｒ Ｉｑ∞ｄＴｅｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙ（ＩＲＦＰＡ），曲ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｉｍａｇｅｓｗ髂ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｉｓｍｅｔｈｏｄＷａＳａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｅｓ．ｗｈｉｃｈｗ１５ｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍａｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｏａｄｅｄｗｉｔｌｌ２５６?ｅｌｅｍｅｎｔＩＲＦＰＡｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｔｈｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｓａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙ（ＩＲＦＰＡ）；ＨｇＣｄＴｅ 引言 线列红外焦平面器件在空间遥感领域正得到广泛应用【ｌ。Ｊ，已经成为卫星有效载荷升级换代的关键敏感器件，显示出越来越重要的作用．国外焦平面器件研发主要机构都在为一些空间对地观察系统研制线列红外焦平面器件，长线列的红外焦平面器件已经是焦平面技术的重要发展方向之一．如法国Ｓｏ－ｆｒａｄｉｒ公司的１５００元线列碲镉汞中长波焦平面器件，采用交错排列的光敏元结构；美国ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎ为大气红外探测仪研制了十个波段的碲镉汞２６０—４００元线列焦平面器件；美国Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司为地球观察卫星研制了多波段碲镉汞１２８０元焦平面器件．在国内，上海技术物理研究所为遥感卫星研制了中短波的碲镉汞２５６元线列焦平面器件ＭＪ，在轨运行近三年，获得了大量清晰的地面遥感图像．对于以半导体ｐ－ｎ结为光敏元的红外探测器，过剩载流子具有扩散效应【５＇６Ｊ，Ｐ．ｎ结存在着横向收集效应，横向收集的范围与过剩载流子的扩散长度相当．对于碲镉汞来说，扩散长度约为十几至数十微米（依不同的组分和温度而不同），实际上增加了光敏元的有效响应面积，在成像系统中会引起相邻像元信号的串扰，从而影响图像的清晰程度．如果横向收集效应是稳定的，相邻像元响应存在着固定的关系，可以通过数学办法进行图像处理来改善图像质量．本文提出了一种线列焦平面器件图像处理方法，并对我国遥感卫星获得的图像进行了处理，在提高图像的清晰度和对比度方面，取得了明显的效果． １横向收集效应 过剩载流子的扩散运动是半导体的固有特性，如图ｌ所示，正对ｐ－ｎ结的入射红外辐射在体内产生过剩载流子电子空穴对，电子空穴对扩散到结区．电子空穴对被结区的强电场分开，形成光电流．在 收稿日期：２００９?０３－１８．修回日期：２００９－１０?０９Ｒｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ：２００９—０３—１８，ｎｖｉｓｅｄｄａｔｅ：２００９－１０—０９基金项目：创新基金资助（ＣＸＪＪ－２３９） 作者简介：李言谨（１９６０－），男，江苏东台人，研究员，主要从事航天应用红外探测组件研究，ｙａｎｊｉｎｌｉ＠ｍａｉｌ．ｓｉｔｐ．ａＣ．∞． 万方数据
红外探测技术及红外探测器发展现状 中国安防行业网2014/7/25 14:10:00 关键字：红外,探测技术,发展现状浏 览量：6731 一、技术现状 红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。 其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟，甚至可以分析物质的分子组成； 远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。 只有近红外，由于其强度小，穿透力一般，故长期以来没有引起重视，只是近些年来才成为研究热点，因为用近红外技术可以做某些成分的定量检测，最关键的是还不必破坏试样。 （一）技术优势 红外技术有四大优点：环境适应性好，在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光；隐蔽性好，不易被干扰；由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；红外系统的体积小，重量轻，功耗低。 （二）制约因素 目标的光谱特性；探测系统的性能；目标和探测口之间的环境和距离——这三大因素是红外技术发展过程中需要解决的主要问题。例如：为充分利用大气窗口，探测器光谱响应从短波红外扩展到长波红外，实现了对室温目标的探测；探测器从单元发展到多元，从多元发展到焦平面，上了两大台阶，相应的系统实现了从点源探测到目标热成象的飞跃；系统从单波段向多波段发展；发展了种类繁多的探测器，为系统应用提供了充分的选择余地。 （三）国内领先技术 红外探测器芯片一直受制于西方政府和供应商。为打破国外技术垄断，2012年4月，高德红外用2.4亿元超募资金实施“红外焦平面探测器产业化项目”。2014年2月25日，高德红外公告，公司“基于非晶硅的非制冷红外探测器”项目成果已获湖北省科技厅鉴定通
焦平面红外探测器应用现状 0 引言 红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。近年来，红外探测器的需求不断增加。据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163.5亿美元，复合年均增长率为7.71%。 红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致冷探测器目前主要是非晶硅和氧化钒探测器，致冷型探测器主要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器Ⅱ类超晶格等。 在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。 1 焦平面红外探测器应用现状 热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、低噪声等效温差、快速响应等优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有碲镉汞（HgCdTe）、InAs / InGaSb Ⅱ类超晶格、GaAs / AlGaAs量子阱等。近年来量子点红外光探测器也引起广泛关注，量子点红外光探测器在理论上具有很多优点，但实际制备的量子点红外光探测器与理论预测的还是有一定差距。表1对几种常用的光子型焦平面红外探测器进行了比较。 在精确制导领域，主流制导方式有红外制导和雷达制导，这两种方式各有优势，在某些特定的场合，红外制导更是显示出其不可替代性。与雷达制导的主动探测相比，红外探测是
焦平面、像平面、主距、焦距辨析 图1凸透镜成像原理 首先看图 1，其中A是正立的蜡烛，A’是其倒立的实像，O是透镜光心，F点是焦距，2F是2倍焦距点。现明确几个概念： 1. 光心（O）：optical centre，可以把凸透镜的中心近似看作是光心。 2. 焦点（F1、F2）：focal，透镜(或曲面镜)将光线会聚后所形成的点。简单的说焦距 是焦点到光心的距离。 3. 焦平面：focal plane，与成像系统的光轴垂直且包含成像系统焦点的平面。 4. 焦距（F）：focal length，物镜后主点至焦点的距离，物理学中通常用小写f表示， 但是计算机视觉中通常用大写F表示，用小写f表示主距。本文采用计算机视觉 中表示。 5. 像距（v）：像到平面镜(或透镜的光心)之间的距离，或相片到光心距离，如图 2。 6. 物距（u）：指物体到透镜的光心之间的距离。 由图 1可以看出： 1. 跟主轴平行的光线，折射后通过焦点； 2. 通过焦点的光线，折射后跟主轴平行； 3. 通过光心的光线经过透镜后方向不变。
图2成像公式 图3凸透镜成像规律
表1凸透镜成像规律 图4像平面、焦平面、焦距、像距 主距（f）：principle distance，摄影物镜的后节点到像平面（image plane，即成像平面）的垂直距离，或者通常认为是光心到像平面垂直距离。所以主距和像距是相同的概念。但是由于在计算机视觉中通常用f表示主距，而物理学中通常表示焦距，而焦距和主距又比较接近，所以人们经常混淆。 根据成像规律和成像公式都可以得到，主距大于焦距。照相机实际成像如图 5：
红外技术的发展现状与发展趋势 第一部分红外技术的发展及主要应用领域 红外技术的发展 1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳利用水银温度计来研究太阳光的能量分布发现了红外辐射，从那时起，人们就致力于研究各种红外探测器以便更好地研究和探测红外辐射。在红外探测器发展中，以下事件具有重要意义： 上世纪70年代，热成像系统和电荷耦合器件被成功地应用。 上世纪末以焦面阵列（FPA）为代表的红外器件被成功地应用。 红外技术的核心是红外探测器。 红外探测器 单元红外探测器：如InSb（锑化铟）、HgCdTe（碲镉汞）、非本征硅，以及热电等探测器。 线列：以60元、120元、180元和256元等，可以拼接到1024元甚至更多元。 4N系列扫描型焦平面阵列：如211所的研制生产的4x288。 凝视型焦平面阵列(IRFPA)： 致冷型256x256、320x240、384x288，更大规模的如640x512，1024×1024和1280×720 元阵列也已有了； 非致冷型160×120、320x240已广泛应用于各个行业中，384x288、640x480也已开始应用。 红外探测器按其特点可分为四代： 第一代（1970s－80s）：主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像； 第二代（1990s－2000s）：是以4x288为代表的扫描型焦平面； 第三代：凝视型焦平面； 第四代：目前正在发展的以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型为主要特点的系统芯片，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段探测与识别能力。 目前非制冷焦平面探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计，根据使用的热敏电阻材料的不同可以分为氧化钒探测器和非晶硅探测器两种。 非制冷焦平面阵列探测器的发展，其性能可以满足部分的军事用途和几乎所有的民用领域，真正实现了小型化、低价格和高可靠性，成为红外探测成像领域中极具前途和市场潜力的发展方向。 氧化钒技术由美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功，目前其专利授权BAE、L-3/IR、 FLIR-INDIGO、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产。非晶硅技术主要由法国的 CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产。 目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力，其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握，日本和以色列则由美国取得技术许可，在其国内生产和有限制地使用。对我国的出口则设置了更多严格的限制，如大家遇到的帧频限制。
红外技术应用及发展前景
目录 一、摘要 (2) 二、红外技术的起源与发展 (3) 三、红外技术的应用 (4) 1、红外热像仪 (4) 2、红外光谱仪 (4) 3、红外传感器 (5) 四、红外技术的发展前景 (5) 1．红外技术的发展及主要应用领域 (5) 2．红外技术产业的主要领域方向 (6) 五、对红外技术课堂的意见及建议 (7)
摘要 红外技术的英文名称是：Infrared Technique。红外技术的内容包含四个主要部分，红外辐射的性质，红外元件、部件的研制、把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械、红外技术在军事上和国民经济中的应用。 红外技术发展的先导是红外探测器的发展。60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。 红外应用产品种类繁多，应用广泛。红外线自1800年被发现以来，人们对她的研究从来没有停止过，目前已经开发出了众多的应用产品，从医疗、检测、航空到军事等领域，几乎处处都能看到红外的身影。本文选择了红外热像、红外通讯、红外光谱仪、红外传感器等几个比较大的产品领域做介绍。红外技术的发展前景十分的广阔，在军用和民用领域都有着极其广阔的应用。按应用领域可分为：安防领域、消防领域、电力领域、企业制程控制领域、医疗领域、建筑领域、遥感领域等。 最后，提出对这门课程的意见及建议。我认为每节课都应有具体的任务，明确的目的和要求，每节课都给学生留有思考的空间。课堂教学的形式是多样的，教学形式是实现教学目的一种手段，是为课堂教学服务的。 关键字：红外辐射外探测器红外线
红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，
红外焦平面探测器普及知识 红外焦平面阵列（IR FPA）技术已经成为当今红外成像技术发展的主要方向。红外焦平面阵列像元的灵敏度高，能够获取更多的信息以及更高的可变帧速率。红外焦平面阵列探测器对入射的红外能量进行积分，然后产生视频图像，经过调节后被提供给视频显示器，以供人观察。焦平面阵列每个像元的输出是一种模拟信号，它是与积分时间内入射在该元件上的红外能量成正比的。但是由于制造工艺和使用环境的影响，即使对温度均匀的背景，焦平面背景中所有像元产生的输出信号也是不一致的，即红外焦平面阵列器件的非均匀性（Nonuniformity,NU）。为了满足成像系统的使用要求，需要对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。 从生产工艺而言，单纯从提高焦平面阵列质量的角度来降低其非均匀性，不仅困难而且造价昂贵。因此，通过校正算法减小非均匀性对红外焦平面阵列成像质量的影响，提高成像质量，不仅是必须的，同时具有很高的经济价值和应用价值。目前，对红外图像质量的改善，一般是根据红外焦平面阵列对于温度响应的不一致性，采用非均匀性校正的方法，提高红外图像的质量。主要有两类校正方法：基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法。在实际应用中，普遍采用的是基于红外参考辐射源定标的校正方法。但是，采用参考辐射源定标的校正方法校正的红外图像，因红外焦平面阵列器件由于长时间的工作，受到时间、环境等因素的影响，红外图像质量逐渐下降，出现类似细胞状和块状的斑纹，影响了红外图像的质量。所以，需要在基于参考辐射源定标的校正方法的基础上，对于红外图像的质量进行改善。 国内外现状和发展趋势 自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，总是在不断地辐射能量。红外热成像技术就是把这种红外热辐射转换为可见光，利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节，将红外图像转化为可见图像。利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标，具有隐蔽性好、抗干扰、易识别伪装、获取信息丰富等优点。因此，红外热成像技术在海上救援、天文探测、遥感、医学等各领域得到广泛应用。 红外热成像系统可以分为制冷和非制冷两种类型，制冷型有第一代和第二代之分，非制冷型可分为热释电摄像管和热电探测器阵列。第一代热成像系统主要由红外探测器、光机扫描器、信号处理电路和视频显示器组成，其中红外探测器是系统的核心器件，一般是分离式探测器。这种
摘?要?近红外光谱是目前国际公认的最有应用价值的分析技术之一，它在国民经 济中日益发挥着越来越重要的作用。本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。关键词?近红外光谱 化学计量学 在线分析 快速分析 现场分析 Abstract Near infrared spectroscopy (NIR) has been recognized as one of the most valu-able application technologies, which is playing more and more important roles in national economy. In this paper, the research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology in the past five years both home and abroad are introduced, and the NIR research and development suggestions for our country are proposed in detail. Key words Near infrared spectroscopy Chemometrics On-line analysis Rapid analysis On-site analysis 近红外光谱分析技术发展和应用现状 The research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology 引?言? 从1800年英国科学家赫歇耳（W Herschel ）发现近红外光，到1881年英国天文学家阿布尼（W Abney ）和E R Festing 用Hilger 光谱仪拍摄下48个有机液体的近红外吸收光谱（700~1100nm ），发现近红外光谱区（NIR ）的吸收谱带均与含氢基团有关，到1968年美国农业部的工程师K Norris 博士将近红外光谱用于农产品的快速分析，到1974年瑞典化学家S Wold 和美国华盛顿大学的B R Kowalski 教授创建化学计量学学科（Chemometris ），唤醒现代近红外光谱技术这个沉睡的分析“巨人”，到上世纪80年代末光纤在光谱中的应用，推动在线近红外光谱技术的应用和发展，到本世纪之初微机电系统（MEMS ）技术使NIR 仪器越来越小型化，到近些年近红外光谱化学成像（NIR Chemical Imaging ）技术的兴起和应用，现代近红外光谱分析技术走过200余年的发展历程，近红外光谱从光谱中的垃圾箱（因其宽且重叠严重的谱带而无法通过传统方法进行分析应用），发展成为当前很多领域不可或缺的一种分析手段[1~7]。 在这200余年尤其是近20年的发展过程中，近红外 光谱仪器得到不断改进和完善，针对不同样品类型的测量附件也逐渐完备、化学计量学算法日趋普及，近红外光谱技术在工业（尤其是大型流程工业）应用中的优势逐渐被人们所认识，迅速被应用到实验室快速分析、现场分析以及在线分析中，为企业带来丰厚的效益。更为重要的是，在一些行业近红外光谱技术成为促进技术进步（例如生产工艺的改革）以及提高科学管理（例如保证产品质量）的重要手段之一，已成为现代优化操作和控制系统中的一个重要组成部分。 国内外已有较多文献对近红外光谱技术（包括仪器、光谱成像、化学计量学算法与软件、应用等）做详尽的综述[8~13]，本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。 1?国际NIR 技术和应用现状 1.1?技术现状 近红外光谱分析技术是由光谱仪、化学计量学软件和校正模型3部分构成的，在线分析系统往往还包括取样与预处理、数据通讯等部分。 褚小立1?袁洪福2Chu?Xiaoli 1?Yu?Hongfu 2 （1.石油化工科学研究院?北京?100083；2.北京化工大学?北京?100029） (1.Research Institute of Petroleum Processing, Beijing, 100083; 2.Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100083)
红外焦平面阵列简介.doc 红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分
根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到,1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为,109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测(对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度)，但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分
第35卷 第4期 红 外 技 术 V ol.35 No.4 2013年4月 Infrared Technology Apr. 2013 187〈综述与评论〉 THz 焦平面探测器及其成像技术发展综述 金伟其1，田 莉1，王宏臣2，蔡 毅1，王 鹏2 （1.北京理工大学光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081； 2.烟台睿创微纳技术有限公司，山东 烟台 26400） 摘要：THz 探测器作为THz 成像系统的核心器件，一定程度上制约着THz 成像技术的发展，鉴于 单元/多元探测器的光机扫描成像模式存在的问题，THz 焦平面探测器成像成为THz 探测技术发展 的方向。介绍了近年来国内外在THz 焦平面探测器，特别是基于VO x 的THz 焦平面探测器及其成 像技术的研究进展，分析了THz 焦平面探测器及其成像模式的发展前景。本文对于研究THz 成像 技术及应用的发展具有重要的参考意义。 关键词：THz 成像；THz 探测器；焦平面；VO x 非制冷探测器；热释电非制冷探测器 中图分类号：TN224 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2013)04-0187-08 Review of THz Focal Plane Detector and the Development of Its Imaging Technology JIN Wei-qi 1，TIAN Li 1，WANG Hong-chen 2，CAI Yi 1，WANG Peng 2 (1.Ministry of Education Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System , School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology , Beijing 10081, China 2.Yantai Raytron Technology Co ., Ltd , Yantai 264000, China ) Abstract ：As the core device of the THz imaging system, the development of THz detectors restricts the development of THz imaging technology. Because there are many problems in the unit/multiple-detector optical mechanical scanning imaging mode, THz focal plane array (FPA) detector imaging becomes the development direction of the THz detection technology. This article describes the research advances of the THz focal plane array detectors especially the THz focal plane array detector which based on the VO x uncooled FPA and its imaging technology both at home and abroad in recent years. This paper also analyzes the development prospects of the THz focal plane detector and its imaging mode, the paper has reference significance to the research of the development and application of THz imaging technology. Key words ：THz imaging ，THz detector ，focal plane array(FPA)，VO x uncooled detector ，Pyro-electric uncooled detector 0 引言 太赫兹（Terahertz ，THz ）波是指频率在0.1～ 10 THz （波长为30 μm ～3 mm ）之间的电磁波，处 于毫米波（通常为1～10 mm ）与红外波（通常为1～ 20 μm ）之间，即通常所认为的电子学和光学的交 界区域。近年来，由于太赫兹波具有瞬态性、宽带 性、高时间和空间相干性、低能性以及独特的传输 特性等特点，使其在安全检测、波谱分析、成像与通信、化学、生物、材料科学和药学等领域展现出 广泛的应用前景，成为国内外研究的重要方向之一。 THz 技术主要有波谱和成像两种应用模式[1]，根据THz 辐射特性又可分为连续THz 辐射和脉冲THz 辐射，其不同的组合具有相应的特点，适合于不同的应用条件。通常THz 传感和成像系统主要包括THz 辐射源、THz 传感器以及相关的辅助部件（光
学院 微电子技术前沿讲座 题目：红外线技术 学院：电子与信息工程学院 班级： 学号： 姓名： 2012年12月23日一，摘要 红外技术的英文名称是：Infrared Technique。红外技术的内容包含四个主要部分： 1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。
2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。 3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。 4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。自760nm至400μm的电磁波称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。关键词：红外辐射，电磁波，广泛的用途，红外线。 二，红外线的发现 红外技术发展的先导是红外探测器的发展。红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由英国科学家赫歇尔于1800年发现，又称为红外热辐射，他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒介。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm之间；中红外线，波长为(2.5-3)～(25-40)μm之间；远红外线，波长为(25-40)～l000μm 之间。 1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。 19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。 30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。 40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测
红外焦平面成像技术发展现状 姓名：高洁班级：11级硕研1班学号：S11080300007 摘要 红外焦平面列阵成像技术已经进入了成熟期。本文对几种红外焦平面列阵器件如MCT、Insb 和QWIP 的最新进展作一评述，简要介绍其器件发展水平、技术路线和关键工艺。简要提及一种新颖的非制冷焦平面成像技术：光学读出微光机红外接收器。 关键词：红外焦平面列阵；碲镉汞；锑化铟；量子阱红外探测器 Abstract Infrared focal plane array (IRFPA) imaging technology has been matured during the passed decade. In this paper an overview of recent progress to several kind of IRFPA such as MCT, Insb and QWIP is provided , focusing on new device development, technical lines and key technologies. Also, a new type of uncooled FPA imaging technigue micro !optomechanical infrared receiver with optical readout is briefly introduced. Key words: IRFPA; MCT; Insb; QWIP 引言 红外探测器技术在20 世纪90 年代取得了飞速发展。红外焦平面列阵成像技术进入了成熟期。高性能大规格焦平面列阵已正式地应用于各种重大国家安全项目中，例如弹道导弹防御计划和重要新型武器系统。另外，新型非制冷红外焦平面技术的涌现正在促进红外技术走向第三代。美国人预言，未来几年美国红外市场将出现年均30%的连续高速增长[1]。本文简要评述了几种红外焦平面列阵器件技术的最新进展。 1. 碲镉汞红外焦平面器件 1.1器件和材料发展水平 通过调整碲镉汞(MCT)材料的组分，可以方便地调节其材料的禁带宽度，器件可以响应多个红外波段范围，因此，MCT 受到各国的高度重视。MCT 焦平面列阵器件在短波(1~3 μm)、中波(3~5μm )、长波(8~12μm )和甚长波(12~18μm )各个波段取得了全面进展。 1.1.1 短波MCT 焦平面 波音北美公司和洛克威尔科学中心合作，在替代衬底PACE-1 上生长的MCT 薄膜材料制造了大规模的焦平面列阵。低背景天文应用，代号为Hawaii-2 的器件性能参数如表1 所示[2]。多光谱遥感应用的1024*1024 元FPA，截止波长2.5 μm，在1.2*1011 phs/cm2 s 背景水平和115 K 工作温度下的平均探测率达到2.3*1013 cmHZ1/2W-1，非均匀性12.5%，量子效率74%，77 K 下平均暗电流仅为0.02 e-/s，有效像元率99.1%，100 次热循环脱焊率<0.2%[3]。
红外焦平面阵列 红外测量技术2009-12-08 21:07:23 阅读110 评论0 字号：大中小订阅 1、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 2、红外焦平面阵列分类 （1）根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 （2）依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下[6]。 （3）按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图1所示。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式（图2(a)）和Z平面式（图2(b)）两种。 （4）按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分（TDI）技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。 （5）根据波长划分 由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口：1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm ～14mm的长波红外，由此产生三种不同波长的探测器。 三、读出电路
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势 一、焦平面APD探测器的背景及特点 焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。 1、APD 雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。 2、APD阵列的分类 按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。 （1）Geiger-mode APD阵列的特点 优点： 1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测； 2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离 分辨率，厘米量级； 3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式； 4）较低的功耗，体积小，集成度高； 5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要 前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。 缺点： 1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其 可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。 2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。 （2）线性模式APD阵列的特点 优点： 1）光子探测率高，可达90%以上； 2）有较小的通道串扰效应； 3）具有多目标探测能力； 4）可获取回波信号的强度信息； 5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。 缺点： 1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD） 2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采 样、阈值比较、存储等操作）。（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。 其中Si的由于波长在1um左右，由于材料限制很难做到大于32*32的阵列，再考虑到人眼安全以及军事对高功率激光的需求，工作波长在：1.5um的InGaAs APD及HgCdTe APD为研究的热点内容。