硅微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成器件的制备与性能(特邀)

为了提高红外焦平面阵列性能,分别制备了硅衍射微透镜阵列和InSb红外焦平面阵列并将两者集成在一起。采用光学系统和焦平面测试系统进行了测试。结果显示双面镀制有增透膜的硅衍射微透镜阵列的衍射效率为83.6%;电压响应图显示器件没有裂纹;集成器件的工作波段为3.7~4.8μm,此时平均黑体响应率和探测率分别为4.85×10^(7)V/W和7.12×10^(9)cm·Hz^(1/2)·W^(1)。结果表明硅微透镜阵列不仅可以提高焦平面阵列占空因子,而且可以通过优化焦平面应力匹配来解决芯片裂纹问题,集成器件性能优于现有焦平面性能。

10μm 1280×1024 HgCdTe中波红外焦平面阵列探测性能提升

对像元尺寸为10μm的1280×1024碲镉汞(HgCdTe)中波红外焦平面阵列的制备技术和性能进行了研究。通过B+注入制备小尺寸n-on-p平面结;采用高平整度HgCdTe外延材料和高精度的倒焊互连技术,实现高的电学连通率;采用多段温度填胶固化和边缘刻蚀工艺减轻HgCdTe器件和读出集成电路(ROICs)之间的热失配,从而降低焦平面器件失效率。在85 K焦平面工作温度下,研制探测器的光谱响应范围为3.67μm至4.88μm,有效像元率高达99.95%,并且探测器组件像元的平均噪声等效温差(NETD)和暗电流密度的平均值分别小于16 mK和2.1×10^(-8)A/cm^(2)。与像元尺寸为15μm的探测器相比,10μm的1280×1024中波红外探测器可获取更加精细的图像,具有更远的识别距离。目前,该技术已成功转移到浙江珏芯微电子有限公司(ZJM)的HgCdTe红外探测器产线。

大规模红外焦平面阵列探测器的有效像元率研究

随着大规模红外焦平面阵列探测器应用的日益广泛,用户对其有效像元率指标提出了越来越高的要求。分析了有效像元率提升的难点。通过优化基于垂直布里奇曼法的衬底生长以及表面加工等工艺,提高了液相外延材料质量,获得了低缺陷中波碲镉汞薄膜外延材料;通过开发碲镉汞探测器背面平坦化工艺和优化探测器与读出电路倒装互连工艺,提高了成品率。最终提升了有效像元率指标(大于99.8%),获得了良好的效果。

640×512规模碲化汞量子点中波红外焦平面阵列(特邀)

中波红外成像在军事侦察、遥感测绘、航天航空等领域发挥了重要作用。现有中波红外焦平面主要采用碲镉汞、二类超晶格、锑化铟等块体半导体材料,其性能优异、稳定性高。然而,其复杂的材料制备及倒装键合工艺限制了块体半导体焦平面阵列的批量化制备及低成本应用。胶体量子点作为一种新兴液态半导体材料,具有光谱调控范围“宽”、合成规模“大”、制备成本“低”、以及加工工艺“易”等优势,为新型红外焦平面阵列研发提供了全新的思路。碲化汞量子点采用“热注法”合成,并通过旋涂方法实现与硅基读出电路的直接电学耦合,阵列规模及像元间距为640×512及15μm。在80 K工作温度下对焦平面阵列进行了性能测试,碲化汞焦平面阵列响应截止波长达到4.6μm、比探测率为2×10^(10)Jones、噪声等效温差51.26 mK(F#=2)、响应非均匀性3.42%且有效像元率高达99.99%,展现了较好的成像性能,为非倒装键合体制中波红外成像焦平面的制备提供了新的方案。

基于非制冷红外焦平面阵列的全天空红外测云系统

云的地面观测是对本地天气进行实时监测的重要工作。目前,主要采用人工目测方法进行云的地面观测,无法准确提供夜间云的资料。为了实现云的全天空昼夜自动监测,采用非制冷红外焦平面阵列(UIRFPA)和扫描的方式,通过拼图、定标、大气修正、云识别等数据处理,研制成功了全天空红外测云系统。该系统由光学测量单元、扫描单元、环境参数测量单元、采集与控制单元和数据处理单元组成。初步的观测试验表明,该系统所给出的全天空云分布图像以及云量、云族与实际天空状况一致,考虑探测器工作温度效应的非制冷红外焦平面阵列定标模型,可满足全天空云监测的辐射定量测量要求,定标处理以及云识别算法可行。

一种新的基于特征直方图分解的红外焦平面阵列无效像元判别方法

为有效地判别和剔除红外焦平面阵列(IRFPA)的无效像元,本文在分析了IRFPA有效像元响应模型的基础上,指出在均匀输入时IRFPA有效像元输出值的均值差(DOM)和标准差 (STD)特征的分布具有正态性,通过采用自适应投影匹配分解法对特征直方图进行高斯分解,进而估计出有效像元DOM和STD特征的分布区间,从而得到了判别无效像元的分类准则.针对实际IRFPA图像数据的实验表明,本文提出的无效像元的判别方法是有效的.

红外焦平面阵列非均匀性及校正分析

大规模红外焦平面阵列器件固有的非均匀性,严重地制约着红外成像系统的性能,这是其应用中必须解决的一个关键问题。本文详尽地分析了产生非均匀性的各种因素,并对其校正原理进行了阐述,最后给出了基于参考源校正算法的仿真结果。

3～5μm红外焦平面阵列的辐射定标

设计了一套红外焦平面阵列探测器的实验室辐射定标系统,以实现在对目标进行跟踪观测的同时得到目标的红外辐射特性。以高精度的面源黑体为标准辐射源,对在3～5μm成像的中波红外相机进行了响应度标定。首先,建立定标数学模型,确定定标流程;然后,使用线性回归统计模型对响应度进行拟合和评估,并提出剔除局外点方法对拟合曲线进行优化;最后,在外场对温度和特性已知的目标进行测量。通过对实验室得到的响应度曲线和大气透过率参数进行红外辐射特性数据的反演,得到实际测量值,其与理论值的相对误差小于3%。结果表明,该优化方法能有效改善红外焦平面阵列响应度非线性引起的反演不确定度。

基于环境温度的红外焦平面阵列非均匀性校正

分析了环境变化对红外焦平面阵列信号输出的影响,提出了一种基于环境温度和目标温度的非均匀性校正算法.利用UL01011凝视型红外探测器进行信号采集,根据最小二乘原理建立了焦平面探测单元的指数响应模型.最后,利用该模型进行非均匀性校正.实验表明,算法能在较宽的环境温度范围,准确预测焦平面探测单元的响应,有效提高了非均匀性校正的精度.

一种基于场景的红外焦平面阵列非均匀性校正算法

针对IRFPA器件在工程使用中固定图案噪音会发生漂移及探测元响应呈现非线性的特征,提出了一种以二次方程表征的响应特性数学模型,并利用场景数据的卡尔曼滤波算法,对其实施双校正。本算法较基于线性模型的非均匀性校正算法具有更好的校正效果,仿真实验结果验明了算法的优越性·

红外焦平面阵列非线性响应的分析和计算

分析了导致红外焦平面阵列响应非线性的各种因素 ;并以 Hg Cd Te红外焦平面阵列为例 ,以量子效率与入射光子波长的相关性为基础 ,计算了在准理想条件下探测器响应的非线性量 ;结合非均匀性校正 ,计算了在给定区间定标后的非线性大小 ;

红外焦平面阵列盲元检测技术研究

盲元的数量及其分布对红外焦平面阵列器件成像质量的影响较大。在给出盲元定义的基础上,对盲元的各种产生机理进行了分析,并给出了具体的盲元检测方法,为盲元补偿技术的研究提供了理论基础。

128×160元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面阵列

研制了128×160元GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面阵列,它是目前国内报道的最大像元数的量子阱红外焦平面阵列.77K时,器件的平均黑体响应率Rv=2.81×107V/W,平均峰值探测率Dλ=1.28×1010cm·W-1·Hz1/2,峰值波长λp=8.1μm,器件的盲元率为1.22%.

红外焦平面阵列非均匀性自适应校正算法研究进展

实现红外焦平面阵列非均匀性自适应校正是高级红外探测系统追求的重要目标,对提高红外探测系统的空间分辨率、温度分辨率、探测距离以及辐射量的正确度量具有重要意义.归纳总结了国内外关于凝视红外焦平面阵列非均匀性自适应校正算法的部分研究工作及其进展,比较了典型自适应算法的性能和适用条件,为进一步开展红外焦平面阵列非均匀性自适应校正研究提供参考意见.

红外焦平面阵列盲元检测算法

为提高红外焦平面阵列盲元的定位精度,分析了盲元的产生机理,指出了探测器所处环境温度对探测元的探测能力以及焦平面阵列的盲元数量和位置分布的影响,提出了一种考虑环境温度差异的红外焦平面阵列盲元检测算法,精确定位了不同温度范围内的盲元位置。实验结果表明,该算法可将随环境温度改变而改变的盲元位置信息准确检测出来。

二极管原理非制冷红外焦平面阵列的集成设计

面向非制冷红外成像的低成本高性能应用,二极管原理的红外焦平面阵列的设计和工艺实现得到研究和发展。焦平面和读出电路的设计集成以及CMOS和MEMS工艺集成是此项技术的研究重点。基于SOI的二极管原理焦平面阵列在低成本的利用CMOS工艺实现大规模阵列集成方面有很大的优势。读出电路是基于标准CMOS工艺进行设计的。320×240规模的焦平面阵列利用CMOS标准工艺和MEMS工艺集成已经得到了结构实验结果。研究并测得二极管像元的正向压降的温度变化率约为-1.5 mV/K。分析和实验证明了二极管原理非制冷红外焦平面阵列的设计和工艺可行性,是一项可以低成本广泛应用的红外成像技术。

利用FPGA实现红外焦平面阵列实时非均匀性校正

实时非均匀性校正是红外成像的一项关键技术。根据红外焦平面阵列探测元光谱响应的特点和基于参照源的两点温标非均匀性校正理论,提出一种利用FPGA硬件实现红外焦平面阵列实时非均匀性两点校正的新方法。该方法动态范围大、处理速度快,适用于红外成像系统实时图像处理场合。仿真和实验结果证明是可行的。

一种提高红外焦平面阵列盲元检测精度的方法

针对红外成像系统在条纹噪声和非均匀性噪声干扰下盲元检测精度差的问题,提出了一种将小波滤波和"3σ"原则相结合的盲元检测新方法。首先用小波变换对含有条纹噪声和非均匀性噪声的图像进行预处理,再用"3σ"原则对其进行盲元检测。仿真结果表明该方法消除了噪声对盲元检测的影响,有效地解决了"3σ"原则检测精度低的问题。

辐射源定标红外焦平面阵列非均匀性校正算法研究

针对红外成像系统工程应用的实际要求,对辐射源定标红外焦平面阵列非均匀性校正的数学方法进行了研究,揭示了该实际工程问题属于函数插值或函数拟合的数学原理,并据此导出了三次样条插值、B样条最小二乘拟合及多项式最小二乘拟合等非均匀性校正算法.实验表明,该算法能有效适应红外焦平面阵列响应特性的大动态范围和非线性,校正准确度高,计算速度快.

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40μm2、球面半径60μm、单元间距1μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90%以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.