红外焦平面探测器线性度测试分析

红外焦平面器件线性度测试误差分析陈洪雷;郝立超;丁瑞军;黄爱波;张君玲【摘要】Definition of infrared FPA Jinearity,calculation and test principle are introduced. Linearity of a middle wave infrared FPA detector was tested. Test error of the linearity was analyzed. The test results can provide theoretical and experimental foundations for measuring the linearity of infrared FPA detector. The experiments prove that the error of blackbody's emissivity is the lethal factor in linearity measurement. The standard deviation of a middle wave infrared FPA's linearity was tested and it is less than 2%.%介绍了线性度测试的定义及测试方法.测试了中波红外焦平面器件的线性度,并针对实验室测量线性度带来的误差进行分析,为红外焦平面器件线性度的测量提供理论和实验依据.该实验证明了测试线性度中黑体发射率误差是致命因素；同时也测得一款中波红外焦平面产品的线性度标准偏差小于0.02 V.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)006【总页数】4页(P663-666)【关键词】焦平面;线性度;黑体发射率;标准偏差【作者】陈洪雷;郝立超;丁瑞军;黄爱波;张君玲【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院研究生院,北京100039;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083【正文语种】中文【中图分类】TN4071 引言随着红外焦平面阵列(IRFPA)技术的发展，红外成像技术在安全、空间技术、医学以及国民经济相关领域正得到日益广泛的应用［1－2］。

红外焦平面CTIA型读出电路的设计研究蔡晶晶;刘晓东;张轩雄【摘要】In order to adapt to the trend of high pixel demand of infrared focal plane (IRFPA),it is necessary to design a smaller size and better performance pixel circuit.A capacitive transimpedance amplifier (CTIA) was selected as the circuit structure of the pixel circuit.The cascode structure was adopted for the CTIA,and the integration time was able to be adjusted by using the optional integrated capacitors.The pixel circuit was modified to reduce the area for meeting the need of high pixel.In addition,the analog signal chain was set up and analyzed by simulation.Its layout was drawn and then it was post simulated to provide a guarantee of accuracy and reliability of the readout circuit (ROIC).After optimization,the area of the pixel circuit is 18 μm × 18 μm,and the optional integrated capacitors are 60 fF and 400 fF respectively.The output swing of the analog signal chain is 2.03 V at room temperature and 1.52 V at lowtemperature,obtained in the postsimulation.The output integrated noise at low temperature is 213.6 μV,which is lower than the former structure,and can meet the requirements in the post-simulation.%为了适应红外焦平面(IRFPA)高像素的趋势,设计出面积更小、性能更优的像元电路,选择电容反馈跨阻放大器(CTIA)作为像元电路的电路结构,在CTIA中运算放大器基于共源共栅结构,采用积分电容可选的模式来调整积分时间,并基于电路高像素的需求,优化电路,减小面积.在此基础上,搭建模拟信号通路进行仿真研究,绘制版图,并进行后仿,为读出电路的正确性、可靠性提供保障.优化后的像元电路面积为18 μm×18μm,可选积分电容分别为60 fF和400 fF,后仿得到的信号通路输出摆幅常温下为2.03 V,低温下为1.52V,且低温下的积分噪声为213.6 μV,满足设计需求.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2017(039)004【总页数】7页(P346-352)【关键词】红外焦平面;读出电路;像元电路;CTIA;模拟信号通路【作者】蔡晶晶;刘晓东;张轩雄【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;复旦大学微电子学院,上海201210;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TN432红外焦平面阵列属于红外光学系统,是一种红外成像器件,广泛用于军事领域、民事领域.红外焦平面阵列由红外探测器和读出电路两部分组成[1].红外探测器将红外辐射转换成电信号,读出电路对探测器输出的电信号积分采样,采样结果通过缓冲器串行读出.读出电路既有模拟电路又有数字电路,是典型的数模混合集成电路.其中模拟电路负责对探测器电流积分、采样和传输,并提供电路所需的偏置;数字电路产生控制时序,控制读出电路积分、采样的时间节点,并根据所设置的控制字,选择窗口大小、积分模式、输出通道个数等多种功能.其中,输入级电路作为读出电路的核心部分,其性能对读出电路的噪声、功耗、面积等参数有很大影响.目前,报道的输入级电路有多种结构[2],如SI (自积分)、SFD (源跟随器)、DI (直接注入)、GMI (电流镜栅调制)、BDI (缓冲直接注入)以及CTIA(电容反馈跨阻放大器)等.SI结构简单,占用面积少,但是输出无增益,需要后接电荷放大器,并且积分电容的非线性会引起输出的非线性.SFD结构简单,适用于大面积、低功耗的读出电路,在低背景下有较好的信噪比,但是其在中、高背景下,输出信号的非线性较为严重,并且源跟随器会引入较大的噪声.DI结构由注入管和积分电容构成,占用面积较小,但在低背景下,探测器光电流较小,使得注入管跨导变小,输入阻抗增大,注入效率降低,增大了电路的非线性度.GMI结构利用电流镜的复制作用,将光电流按比例放大或缩小,再进行积分.GMI相比DI有更高的灵敏度,但是GMI不能给探测器提供稳定的偏压.BDI结构是在DI结构基础上,跨接反相放大器,降低了电路的输入阻抗,提高了注入效率,改善了响应,但是面积与功耗都较大.CTIA结构虽然相较前面几种较为复杂,功耗较大,但是CTIA结构中运放与积分电容构成负反馈回路,可以提供很低的输入阻抗、较高的注入效率,能为探测器提供稳定的偏压.在从低到高的背景范围内,CTIA噪声都很小,非线性度低[3].综合考虑下,本文选取CTIA结构作为读出电路的输入级结构.传统的CTIA结构采用两级运算放大器结构,至少需要8个MOS管和一个比较大的补偿电容,占用面积大,功耗高[4].而现今,随着读出电路的规格越来越大,为了使读出电路达到百万像素,就需要增大读出电路的阵列规格,显然,如果采用传统的CTIA结构,那么读出电路的尺寸将会变大,不利于读出电路与其他模块的集成.因此,需要进一步减小像元电路的尺寸.本文采用一种基于共源共栅结构的CTIA电路[2,5],对CTIA 电路进行优化,根据电荷容量调整电容大小,采用积分电容可选的积分模式,并采用一位带宽控制结构,减小了电路面积,优化了电路功能,优化后的像元电路面积为18μm×18 μm,可选积分电容分别为60 fF和400 fF.另外,为确保电路功能的正确性,文中对读出电路的模拟信号通路进行分析研究,并在常温300 K和低温150 K下进行仿真分析,后仿得到CTIA电路在低温下积分电压为2.41 V,噪声为213.6 μV,信号通路低温下输出摆幅为1.52 V,通过后仿结果可知,电路低温下的输出摆幅需要在今后进一步优化.1.1 电容反馈跨阻放大器图1(见下页)为输入级电路的多种电路结构示意图.电路结构中的各项变量分别为:Ci 为积分电容;Vsh为采样控制信号;MUX为输出端;VSS为接地端;Vr为复位电压；Rd与Cd分别为二极管自身电阻与电容；Vb为偏置电压；Vsub为二极管的衬底电压；Vi为注入电压.其中,CTIA(电容反馈跨阻放大器)是由运算放大器和反馈积分电容构成的一种复位积分器,电路结构如图1(e)所示.积分电容位于放大器的反馈回路上,探测器的电流在反馈电容上积分,复位管将积分电容上的电荷放电,并将输出端复位至参考电平. CTIA选用共源共栅结构的运算放大器,并基于文献[2]中的电路结构进行优化.为减小单元电路面积,电路采用一位带宽控制,并调整电容大小及MOS管尺寸,CTIA电路如图2所示(见下页).图2中VDD为电源,bwl_b为带宽选择控制信号,lowg_b为积分电容选择信号,reset为复位信号,at_bloom为防溢出信号,r_sw为行选信号;Vso为采样输出信号,Ii为探测器输入电流,Vc为共源共栅结构中的偏置电压,Vo1为CTIA结构的输出电压,Vo2为像元电路中的输出电压.电路中积分电容越大,电荷容量越大,引入的噪声电子数也越大;而若积分电容太小,则会导致积分电压过高,非线性失真增加,因此在CTIA电路中采用积分电容可选的方式,由积分电容选择管实现.为了满足单元电荷容量0.3 Me,4 Me可选的指标要求,积分电容分别取值为C1=60 fF和C2=400 fF.当电容选择管栅端信号lowg_b为低电平时,积分电容为C1+C2;为高电平时,积分电容为C1.当复位管栅端信号reset为高时,探测器的电流在积分电容上开始积分;reset为低时,积分电容放电,CTIA单元输出端恢复至参考电平.当采样管栅端信号为低时,采样管导通,从CTIA输出端开始采样,采样结果输入由M9与M10构成的源极跟随器中,并传输到下一级缓冲器.出于面积以及噪声的考虑,电容C2受带宽选择管M4和积分电容选择管M5控制而分时复用,M4和M5不能同时导通.当带宽选择管导通时,会降低一些高频部分的噪声.本文采用一位带宽选择,以减少MOS管的KTC噪声,又保证了CTIA高频部分的降噪.CTIA的噪声对红外焦平面探测器微弱信号输出的信噪比有着重要的影响[6].电路中有两种噪声,分别为热噪声(KTC噪声)和闪烁噪声(1/f噪声).CTIA电路中带有复位开关,开关的打开和闭合都会产生KTC噪声.当开关断开时,噪声会随输入信号的瞬时值保存到积分采样电容上.KTC噪声是读出电路中起主要作用的噪声.闪烁噪声是MOS管在漏电流中产生的噪声.CTIA电路的总噪声是CTIA复位阶段的噪声与积分阶段的噪声之和,计算公式[7-8]为(Ci+gm,r)2+[8kTγ(+)++]式中:k是玻尔兹曼常数；T是温度；γ是体效应系数；KP是PMOS管的闪烁噪声系数；KN是NMOS管的闪烁噪声系数；COX是单位面积栅氧电容；gm是MOS管跨导；Ci是积分电容；W是MOS管栅宽；L是栅长；f是频率;Ri,a为放大器的输入电阻.从式(1)可以看出,当CTIA电路处于复位阶段时,积分电容越大,引入的噪声越大.因此,采用积分选择管是有意义的.1.2 模拟信号通路为了验证电路功能的正确性,将模拟信号通路提出,信号通路的结构如图3所示.最左侧为红外探测器,中间部分为CTIA型读出电路,最右侧为读出电路的缓冲电路,OUT 为输出端,电路中设计了三级缓冲.读出电路选用CTIA作为前级放大器,探测器电流在CTIA的反馈电容上积分,并由放大器进行采样、保持,由M9和M10构成的源极跟随器的输出端接入下一级缓冲器,最后通过多级缓冲器与跟随器输出.缓冲器一般输入电阻大,输出电阻小,常用的缓冲器有两种结构:源极跟随器和单位增益缓冲器.由图3可知,在信号通路中,CTIA单元电路后接多级缓冲器,且均为差分输入的单位增益缓冲器,与输出端相连的是跟随器电路.跟随器电路结构如图4所示,由差分放大器构成,负的输入一端与输出端相连,构成单位增益缓冲器,pd为上拉信号.跟随器比较重要的性能有驱动能力、跟随特性、稳定性等[8].输出摆幅反映跟随特性,它是使所有晶体管都工作在饱和区的输出电压的范围.如果输出电压过低,M4和M5工作在线性区;如果输出电压过高,M2工作在线性区.因此,跟随器的输出摆幅的计算公式为式中:VGST是过驱动电压.经计算可以得到摆幅为[0.3 V,3.2 V].动态范围是读出电路的一个重要的性能参数,定义为输出摆幅与输出噪声之比[9],计算公式为式中:Vsw是读出电路的输出摆幅,Voutrms是读出电路的输出积分噪声.动态范围反映了读出电路的信噪比,在实际电路中,需要根据探测器光电流的信号范围来确定读出电路的动态范围[3].红外焦平面的探测器采用光子型探测器.光子型探测器是一种基于光电效应的红外探测器,由于红外线的频率较低,所以探测器材料的禁带宽度必须足够小.常温下窄禁带半导体载流子的热激发会导致大量载流子从禁带跃迁到导带,会对电路造成干扰.因此,通常使探测器保持在低温下.电子系统在低温下有许多优点[10],例如迁移率增加,工作速度提高;互连线导电性提高,信号传输时间缩短;电路的开关速度、噪声容限以及增益带宽积都得到改善.低温特性在本文表现为噪声减小,延迟时间缩短,功耗降低等.因此,本文将比较常温300 K和低温150 K下CTIA电路的仿真结果,并加以分析.采用0.13 μm CIS工艺在Cadence Spectre软件下对CTIA及信号通路进行仿真.在常温300 K与低温150 K下分别对信号通路进行瞬态仿真,图5是常温下CTIA 的瞬态曲线,可以看出,当积分电容积分完成后,采样控制信号Vsh由高电平变为低电平,开始采样.图6(见下页)为不同输入电流下的瞬态曲线,探测器电流的改变不影响积分电压的大小,积分电压只与积分电容有关,同时探测器电流越大,放电越快.带宽选择管M4和积分电容选择管M5栅压的不同使得积分电容与带宽限制电容有三组取值,瞬态仿真曲线如图7所示(见下页).当积分电容选择管关断时,积分电容为C1,电容放电较为缓慢;当积分电容选择管导通时,积分电容为C1+C2,放电较快.从图7中还可以发现,当积分电容Ci相同时,带宽限制电容Cb的不同值不影响CTIA电路中积分电容的积分及复位.图8为300 K和150 K下的积分电压,可以看出,常温300 K时CTIA的积分范围为(0.38 V,2.74 V),150 K时积分范围为(0.21 V,2.52 V).以探测器电流取值1.5 nA为例,对CTIA电路和信号通路进行交流仿真,得到CTIA 的开环增益为110 dB,带宽为2.98 MHz.另外,为得出电路的等效输出噪声,对CTIA 及信号通路进行噪声分析.通过仿真分析可知,在输出噪声中热噪声起主导作用.在后面的定量分析中采用输出积分噪声作为衡量标准,积分噪声计算方法[11]为对CTIA和信号通路分别仿真噪声,计算输出积分噪声,得到的CTIA输出积分噪声见表1.信号通路在300 K下的输出积分噪声为408.7 μV,150 K下的输出积分噪声为317.6 μV.同时,根据式(1)估算出150 K下CTIA的输出积分噪声的理论值为236.33 μV,仿真结果与理论值的对比见表1.随后对缓冲器及跟随器分别进行直流扫描分析,以获取输出摆幅的大小.以图4的跟随器为例,将输入电压设置为变量,从0到3.3 V进行直流扫描分析,按照正负5 mV 的误差,得到输出摆幅,结果见表2.其他缓冲器的输出摆幅的仿真方法与跟随器一致.由于各缓冲器的MOS管参数不一致,三级缓冲器的输出摆幅均不相同.在信号通路中,信号需要通过多级缓冲器与跟随器,对信号通路进行仿真,按照正负误差10 mV,得到300 K下输出范围为(0.64 V,2.74 V),输出摆幅为2.10 V;150 K下输出范围为(0.77 V,3.14 V),由于150 K下电路积分电压是2.52 V,所以输出范围是(0.77 V,2.52 V),输出摆幅为1.75 V,数据如表2所示.从表2可以发现,通路的输出摆幅比单级缓冲器小,这是因为通路的负载阻抗比单级缓冲器大,拉低了输出摆幅.由式(3)计算可知,300 K时读出电路的动态范围是74 dB,150 K时的动态范围为74 dB.同时,根据前文得到的理论值计算可得,150 K时CTIA的动态范围是78.6 dB.比较可知,仿真的结果与理论值相差不大,满足设计要求.采用0.13 μm CIS工艺,在Virtuoso Layout XL中绘制CTIA电路及模拟信号通路的版图.CTIA单元电路的版图如图9所示,面积18 μm×18 μm.模拟信号通路的版图如图10所示,面积406.65 μm×57.26 μm.使用Calibre工具验证所绘版图,均通过 DRC与LVS检查.使用QRC提取版图的寄生参数,再利用所提取的参数进行后仿,得到如下结果:a. CTIA电路在300 K下积分范围为(0.42 V,2.64 V);150 K下积分范围为(0.28 V,2.41 V).b. 缓冲器、跟随器及信号通路的输出摆幅见表3,可以发现低温下输出摆幅变化较大.c. CTIA的输出积分噪声结果如表4所示,信号通路在300 K下的输出积分噪声是279.1 μV,在150 K下输出积分噪声为209.1 μV.从表1中可以看出,CTIA的输出积分噪声的理论值与前仿结果相差不大,后仿结果与之相比相差亦不大,符合电路的设计指标.现将仿真结果与文献[12]、文献[13]的结果进行比较,对比结果如表5所示,本文像元电路的尺寸为18 μm×18 μm,优于文献[12]与文献[13]的像元尺寸;输出摆幅占电源电压的比值为46%,优于文献[12]中的36%;以单个CTIA的功耗作为评判标准,本文中的CTIA的功耗优于文献[12],但劣于文献[13],有待提高.红外焦平面读出电路基于CTIA单元电路,采用共源共栅放大器结构,选择可选积分电容的积分模式,优化电路,减小单元电路面积.根据设计需求调整了积分电容的大小与CTIA电路结构,使得CTIA单元电路的面积达到18 μm×18 μm的要求.单元电路面积越小,相同面积下的像元数量就越多,因此适用于大面阵的读出电路.优化后CTIA电路150 K下的噪声为213.6 μV,输出摆幅为1.52 V (电源电压为3.3 V),满足设计需求.另搭建模拟信号通路,并对信号通路进行仿真,通过仿真可知信号通路输出积分噪声较小,150 K下输出积分噪声为209.1 μV,通过前、后仿的结果对比,可以发现低温下跟随器的输出摆幅前后有较大差别.对比发现,该电路像元尺寸明显优于之前所报道的文献.但是也需要注意到电路的输出摆幅与之相较也略有减小,电路噪声略有增大,需要在今后的研究中继续优化电路的摆幅与噪声问题.【相关文献】[1] ROGALSKI A,ANTOSZEWSKI J,FARAONE L.Third-generation infrared photodetector arrays[J].Journal of Applied Physics,2009,105:091101.[2] 沈科.基于CTIA的快照式红外读出电路研究[D].成都:电子科技大学,2009.[3] 郝立超.甚长波红外探测器信号读出电路结构研究[D].上海:中国科学院研究生院(上海技术物理研究所),2014.[4] 王霄,史泽林.CTIA型读出电路结构优化研究[J].微电子学与计算机,2014,31(11):64-68.[5] FLIR.ISC9809 low background 320 specification[Z].America:FLIR System,2002.[6] VERMEIREN J,VAN BOGGET U,VAN HOREBEEK G,et al.Low-noise,fast frame-rate InGaAs 320×256 FPA for hyperspectral applications[C]∥Processing of SPIE,Infrared Technology and Applications XXXV.Orlando:SPIE,2009.[7] 王攀,丁瑞军,叶振华.短波IRFPAs读出电路CTIA输入级的优化设计[J].激光与红外,2013,43(12):1363-1367.[8] JOHNSON J F,LOMHEIM T S.Focal-plane signal and noise model-CTIA ROIC[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2009,56(11):2506-2515.[9] 关有光,周文超,田小强.探测器动态范围对光束质量β因子测量的影响分析[J].激光与光电子学进展,2011,48(7):070401.[10] 赵宏亮.基于红外成像系统的低温读出电路设计技术研究[D].天津:天津大学,2012.[11] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].CHEN G C,CHENG J,ZHANG R Z,译.Xi′an:Xi′an Jiaotong University Press,2003:192-194.[12] 翟永成,丁瑞军.320×256大电荷容量的长波红外读出电路结构设计[J].红外与激光工程,2016,45(9):73-78.[13] WANG G N,LU W G,LIU D H,et al.Column-level passive sample and column-shared active readout structure for high speed,low power ROIC[J].ElectronicsLetters,2015,51(5):390-392.。

第28卷第3期Vol.28No.3红外与激光工程Infrared and Laser Engineering1999年6月J un.1999红外焦平面探测器的非均匀性与校准方法研究胡晓梅(航天工业总公司津航技术物理研究所　天津　300192)文摘:　红外焦平面成像系统是红外成像技术发展的趋势,文中研究了红外焦平面探测器本身参数的非均匀性和对焦平面红外成像系统中探测器非均匀性的校准机理,并介绍焦平面成像信息处理系统实现的基本技术路线。

对目前国内外先进红外焦平面成像系统中普遍采用的两点温标校准法和扩展两点温标校准法进行了原理讨论。

并阐述了国内外实验室里正处在起步阶段的其它非均匀性校准方法(如神经网络法和时域滤波法)。

关键词: 红外焦平面阵列 非均匀性 校正 两点法 扩展两点法 高通滤波 神经网络Study on IRFPA nonuniformity and its correctionHu Xiaomei(Jinhang Inst.of Technical Physics CASC,　Tianjin,　China,　300192)Abstract:The infrared focal plane array imaging system is the trend of infrared imaging technolo2 gy.The main specifications and parameters of infrared focal plane array(IRFPA)non2uniformity and the application approaches of IRFPA non2uniformity correction are presented in this paper.Above all, the approaches of two2temperature points correction(TPC)and expanding two2temperature points correction(ETPC)are discussed in detail,as the further research in this area,temporal high2pass fil2 tering correction(THPFC)and artificial neural network correction(ANNC)are presented simply at the same time.K eyw ords: IRFPA Non2uniformity Correction Two2temperature points Expanding two2temperature points High2pass filtering Neural network1　引　言红外焦平面器件是一种兼具辐射敏感和信号处理功能的新一代红外探测器,采用焦平面探测器的成像系统具备如下优点:(1)实现了由光机扫描成像向电信息处理成像的革命;(2)大大减小了成像系统的体积、质量、功耗;(3)系统涉及的专业面变窄,机械 1999203218收稿作者简介:胡晓梅　女　30岁　工程师　从事图像信息处理方面的研究工作。

一种应用于线列TDI型红外焦平面的数字化读出电路尹士畅;喻松林;于艳【摘要】对于红外焦平面的数字化一直是当前的研究热点之一,如何满足红外焦平面器件的功耗和面积要求,同时还能达到足够高的转换速率和转换精度是目前存在的一个的难点.针对线列TDI型红外焦平面的特点,提出一种新型SAR型ADC的方法并设计相应的读出电路,通过在SMIC 0.18 μm工艺下模型的仿真,该读出电路可以达到最高80.2 dB的信噪比的情况下,功耗仅为230 μW.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)005【总页数】4页(P540-543)【关键词】逐次逼近;线列型;红外焦平面;时间延迟积分;读出电路;信噪比【作者】尹士畅;喻松林;于艳【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN2161 引言近年来，为了提高红外焦平面阵列输出信号的信噪比，以及线列型焦平面阵列的扫描速度，人们越来越倾向于在读出电路的选择上采用时间延迟积分TDI(timedelay integration)的结构［1－3］。

同时逐次逼近(successive approximation register，SAR)型 ADC也由于其转换速率快、面积小、功耗低在许多便携式以及低功耗场合中应用越来越广泛。

本文提出了一种将SAR型ADC应用于线列TDI型红外焦平面的电路设计，并通过电路仿真得到了很好的结果。

2 TDI结构和逐次逼近型ADC的简介2．1 TDITDI的结构如图1所示，TDI结构需要一行n个红外探测器像元，其中n表征TDI 的级数。

在线列型红外焦平面阵列在扫描的过程中，该n个红外探测器像元在不同的时刻探测同一位置，最后将n个探测器像元的信号累加［4－6］。

我们总是假定在不同的时间内，各个像元上的噪声都是非相关噪声，那么根据多相关采样原理，经过n个像元的数据累加之后，总信号的信噪比是单个像元信噪比的倍，从而提高了信号的信噪比。

第7卷　第1期2014年2月　 中国光学 Chinese Optics Vol.7　No.1　Feb.2014 收稿日期:2013⁃10⁃13;修订日期:2013⁃12⁃15 基金项目:激光与物质相互作用国家重点实验室创新基金资助项目(No.SKL111102)文章编号　2095⁃1531(2014)01⁃0144⁃06红外焦平面阵列非线性校正曲线测量方法王　飞∗,戢运峰,冯　刚,徐作冬,邵碧波(西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西西安710024)摘要:针对红外焦平面阵列强度响应的非线性失真现象,本文提出了一种基于单波长激光器测定红外焦平面阵列非线性校正曲线的方法,设计出用于测量的实验装置,并通过实验研究获得了实测的非线性校正曲线。

结果表明,该方法规避了红外焦平面阵列光谱响应不均匀性的影响,满足了装置器件在工程技术中通用性和实用性的需要,在简单易行的同时保证了较高的测量精度。

关　键　词:红外焦平面阵列;非线性;校正中图分类号:TN215 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140701.0144Method for measuring nonlinear calibrated curveof infrared focal plane arraysWANG Fei ∗,JI Yun⁃feng,FENG Gang,XU Zuo⁃dong,SHAO Bi⁃bo(State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter ,Northwest Institute ofNuclear Technology ,Xi′an 710024,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :wf 97@Abstract :As for the nonlinear effects of infrared focal plane arrays intensity response,a nonlinear calibration method is proposed based on single wavelength laser.Experimental equipment is designed for measuring,and the nonlinear calibration curve of the focal plane array is obtained through the measuring equiprment.Experi⁃mental results show that this method aviods the influence of infrared focal plane arrays spectral response non⁃uniformity,and meets the requirement of generality and practicability of the device in the engineering technol⁃ogy,which ensures the high accuracy of measurement as well as simpleness.Key words :infrared focal plane arrays;nonlinear;calibration1　引　言 运用成像法[1]进行红外激光的光斑参数测量要求所用的红外焦平面阵列具有良好的线性响应特性,但红外焦平面阵列对入射激光能量的光电响应特性往往不满足严格的线性变化规律,而是表现出一定的非线性响应特征,这主要包括两方面,即“死区”的存在和非线性饱和效应[2⁃5],从而影响光斑参数测量结果的准确性。

中短波红外焦平面探测器暗电流测试分析及相关性能研究宇宙大爆炸初期宇宙的演变一直是天文学家研究的热点，该时期的宇宙辐射信息主要集中在中短波红外光波段。

中短波HgCdTe红外焦平面探测器能同时满足天文观测的低暗电流、大面阵规模和低盲元率的三大需求，被广泛用于天文探测器的研制。

随着中短波HgCdTe红外焦平面探测器的发展，其暗电流越来越小，这就对暗电流I—V特性的测试方法提出了更高的要求。

另一方面，HgCdTe红外焦平面探测器的制备工艺过程复杂，导致器件产生盲元的因素较多，使盲元的成因分析变得复杂，同时器件规模的不断扩大，进一步增加了盲元分析的难度。

本文围绕中短波HgCdTe红外焦平面探测器，研究了两种微弱电流测试方法，运用改进后的测试系统测试了中短波HgCdTe探测器的暗电流并结合器件工艺进行了分析，利用数据关联分析以及结合X射线CT成像实验的方法研究了器件中出现“响应率盲元对”的原因。

论文的主要内容如下：研究了HgCdTe探测器微弱电流I—V特性测试方法并搭建了新的测试系统，使暗电流I—V特性的测试能力比原有测试方法(系统)提高2~3个数量级。

分析了测试系统噪声的来源，根据不同噪声的特点采取相应的降噪方法，提出了振动引起噪声的机理，并通过改进器件的电学连接方式降低了制冷设备的振动噪声，最终使系统误差小于10fA；计算了实际测试时冷屏辐射引起的暗电流大小，得到了满足中短波HgCdTe探测器暗电流测试需求的全封闭冷屏温度关系；详细分析了测试系统电容效应对器件微弱暗电流I—V特性测试的影响，通过实验确定了满足中短波HgCdTe探测器暗电流测试所需的时序方案。

测试并分析了不同衬底中波HgCdTe红外探测器的变温暗电流I—V特性。

对器件的R—V特性进行了拟合分析，得到不同衬底的中波HgCdTe探测器在液氮温度下的暗电流的主要成分为产生复合电流，且CZT衬底器件的SRH寿命大于Si衬底器件，Si衬底器件大于GaAs衬底器件；准确测试了Si基衬底中波HgCdTe探测器的变温暗电流特性，通过对比发现了实验样品比国际上报道的器件的优值因子在不同温度下均相差2~3个数量级，通过比较分析器件制备工艺过程的差异，且将变温暗电流特性分为高温和低温两个温度区间进行了分析，得到在高温区间引起探测器性能差异的原因或为Hg空位掺杂p型层与非本征掺杂p 型层少子寿命上的差异，在低温区间的差异可能由于n型层中存在离子注入损伤导致材料的SRH寿命偏低。

红外焦平面探测器原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述红外焦平面探测器是一种具有广泛应用价值的光电探测器，它能够对红外辐射进行高效、高灵敏度的检测和测量。

红外焦平面探测器的原理是基于材料的红外辐射响应特性以及焦平面阵列的工作原理。

红外焦平面探测器在许多领域中具有重要的应用，包括军事、安防、医疗、航空航天等。

它能够实现夜视、目标探测、温度测量等功能，在战争、反恐、火灾救援等工作中发挥着不可替代的作用。

红外焦平面探测器的工作原理是利用材料与红外辐射的相互作用，将红外辐射转化成电信号。

通过光学系统将红外辐射聚焦到焦平面阵列上，每个像素都能够独立地检测和测量红外辐射信号。

这些信号经过放大和处理后，可以得到目标的红外辐射分布情况和强度。

红外焦平面探测器的核心部件是焦平面阵列，它由众多微小的探测单元组成。

这些探测单元通常采用半导体材料，如硅基或砷化镓等。

它们具有很高的响应度和灵敏度，能够在较低的红外辐射强度下实现可靠的探测和测量。

随着红外焦平面探测技术的不断发展，红外焦平面探测器的性能和应用领域也在不断扩展。

新的材料和工艺的应用使得红外焦平面探测器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更广的波段范围。

未来，红外焦平面探测器有望在军事侦察、航空航天探测、医疗诊断等领域取得更多的突破和应用。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构本文主要围绕红外焦平面探测器的原理展开论述，共分为以下几个部分：第二部分：红外焦平面探测器的基本原理这一部分将介绍红外焦平面探测器的基本概念及其组成结构。

首先会对红外辐射的特性进行简要描述，为后续理解红外焦平面探测器的工作原理打下基础。

然后，将详细介绍红外焦平面探测器的组成结构，包括光学系统、红外感光器件等部分，以帮助读者了解其工作原理的关键要素。

第三部分：红外焦平面探测器的工作原理这一部分将深入探讨红外焦平面探测器的工作原理。

首先会对红外焦平面探测器的工作过程进行整体概述，包括信号采集、信号处理等环节。

焦平⾯APD探测器的国内外技术现状和发展趋势.红外焦平⾯探测器的国内外技术现状和发展趋势焦平⾯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%^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）G M-APD俞出信号在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俞出为饱和电流，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-APD2 ）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）。