非制冷焦平面阵列太赫兹相机

【来源：中国电子报】 　　■华北光电技术研究所 陈苗海 所洪涛　　红外辐射是在可见光红光之外直至与毫米波相接，处于0.76μm-1000μm的电磁谱段，一切高于热力学温度(绝对温度)零度的物体，都不断地发射红外辐射。因此，开发利用这个重要的红外光谱波段的技术及其产品，具有极大的实用价值。 　　红外技术应用广泛　　由于红外辐射是人眼看不见的光线，所以首先在军事上引起重视。在第二次世界大战中，已经出现主动式红外夜视仪。急迫的军用需求，推动红外技术持续迅猛发展。进入20世纪50年代，随着高灵敏度红外探测器的出现，基于红外技术的一批武器装备相继诞生，在夜视、侦察、报警、前视、制导、火控、跟踪、观瞄、光电对抗等现代武器装备上，红外技术成为不可缺少的重要技术手段。　　红外探测器是各种红外技术发展的核心。以美国为例，单元红外探测器如InSb、HgCdTe、非本征锗和硅，以及热电等探测器工艺成熟，早已商品化，且在军事装备中得到应用。自上世纪70年代中后期开始，以60元、120元和180元光导碲镉汞线列探测器为代表的通用组件得到广泛应用。自上世纪80年代初期开始，便加强对红外焦平面阵列(IRFPA)探测器的研制，器件格式有4N系列扫描型焦平面阵列和凝视型焦平面阵列。目前这种IRFPA探测器已用于新系统的设计，并已在伊拉克战争中得到应用。正在发展高价值平台如导航、瞄准吊舱等使用的，其规模大致为640×480元阵列的IRFPA阵列，以及发展更大规模的如1024×1024和2048×2048元阵列。上世纪80年代初，美国推出了非制冷微测辐射热计和非制冷热电探测器IRFPA。目前，非制冷红外焦平面阵列已有160×120、320×240、640×480的产品。　　红外技术本身是军民通用的，红外测温、红外成像已在工业、交通、电力、石化、农业、医学等民用领域广泛应用，成为自动控制、在线监测、非接触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影像检查等重要方法。例如，目前使用得最多最广泛的领域，如用于车库、电梯门的安全传感器、电视机遥控器、便携式红外温度计、夜间起作用的光电电灯开关、PC计算机到键盘及打印机的红外耦合，以及在公共厕所中自动开关水龙头的红外开关等。各种红外电光眼还用于记录校准航迹、滑雪、赛跑等方面。　　中国已形成完整红外技术研究生产体系　　中国的红外技术研究工作是在新中国成立后才开展的。“一五”期间国家正式下达了红外技术研究的任务，中国科学院和工业部门的一批单位正式开始了有组织的红外技术研究工作。首先研究的是工作波段在1μm-3μm的硫化铅红外探测器，数年之后，又相继开展了锑化铟红外探测器(3μm-5μm)、锗掺汞探测器(8μm-14μm)和碲镉汞探测器(8μm-14μm)的研究工作，以及硫酸三甘肽、钽酸锂、钛酸铅、铌酸锶钡等热电探测器的研究，并得到一定应用。　　改革开放以来，红外技术得到迅速发展，目前中国已经开展了从单元、线列到红外焦平面的探测器研究工作。锑化铟、碲镉汞、硅化铂、多量子阱，都有了相当的基础。红外材料、红外探测器、光学材料、光学元件、镀膜、光机加工以及相配套的杜瓦瓶、制冷器、前放、专用信号读出处理电路等，已经形成了完整的研究生产体系。　　中国红外探测器产品已布满1μm-3μm、3m-5μm和8μm-14μm三个大气窗：光子探测器有光导、光伏、量子阱等结构；热探测器有热敏电阻，温差电偶与电堆、热电等类型。多种焦平面阵列已走出实验室，获得实际应用。与此相应的红外应用技术也取得了迅速发展。　　上世纪90年代中前期我国研制出第一代热像仪，其技术性能与国外相当。本世纪初，我国自行开发成功第二代热成像若干关键技术，为我国红外技术的升级换代起了重要作用。目前，我国研制的第一代和第二代热成像仪，可以满足陆、海、空三军武器系统的各种性能需要。　　在民用领域，自上世纪70年代以来，各种红外测温仪、红外热像仪、火车轴温检测仪、红外分析仪器、星载红外遥感仪等，也逐渐发展成熟，开始批量生产应用。　　据中国光协红外分会的不完全统计，2001年全国主要红外产品销售额约为8.5亿元，2003年销售总额超过10亿元。在2005年继续保持了稳定的发展趋势，其中红外材料的产业增长明显，国内主要的红外材料厂家2005年比2004年至少增长20%，2006年预计将增长40%，一般的企业也将增加10%左右；在红外传感器的生产销售方面，2005年增长不大，与2004年基本持平，2006年预计略增2%左右；红外热像仪与测温仪(包括工业用、医用)的市场竞争较激烈，2005年产值较2004年没有太大的增长，其应用市场有待进一步开发。　　加强非制冷焦平面和热成像仪发展　　最初，红外技术的发展和应用是围绕着军事目的进行的，市场的发育也主要归功于军事应用的牵引和推动。由于近年来的非制冷焦平面阵列探测器如微测辐射热计等的发展，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。从美国的情况看，红外热成像设备在民用系统的销售额已由1991年占其总销售额的22%上升到了目前的37.7%，预计在今后几年将会上升到50%以上。其中，增长幅度最大的是非制冷焦平面热成像仪，其年增长率超过了50%。因此，国内在继续加强关键性的军用红外探测技术如制冷型长波和中波焦平面阵列探测器技术及其系统研制的同时，采取切实措施，加强非制冷焦平面及其热成像仪发展。　　近几年来，中国的红外产品市场发展较快而又平稳。但由于国产的红外产品品种少，一些红外产品的核心件如非制冷焦平面阵列等核心器件，又来自国外，严重地制约了国内红外市场的发展。　　中国的红外技术仍处于产业化的进程中。随着机构体制改革的深化，面向市场，面向应用，面向世界，这几年出现了许多按现代企业制度建立的新企业，包括各类合作、合资公司。随着这些公司以及一些外资公司的红外产品纷纷进入中国内地市场，而且有少数公司的市场占有率提高得很快，已经在中国市场上占据相当的优势，这种市场发展趋势，必将对中国的红外技术和产业的发展起到积极的推动作用，必将激励和加快具有完全中国自主知识产权的红外技术产品的问世，也必将带来更广阔的红外产品应用市场。(责任编辑：十一点五十九)

红外焦平面列阵的发展朝两个不同的方向进行：一种是低温制冷工作的光子型红外探测器列阵，如HgCdTe、InSb和PtSi等；另一种是室温工作的非制冷探测器列阵。制冷型探测器列阵的制作难度大，且需要昂贵的制冷系统，由其构成的热像仪通常用于敏感的军事领域。 由于非制冷红外焦平面探测器列阵具有室温工作、无需制冷、光谱响应与波长无关、制备工艺相对简单、成本低、体积小巧、易于使用、维护、可靠性好等优点，因此形成了一个新的富有生命力的发展方向，其目的是以更低的成本、更小的尺寸和更轻的重量来获得极好的红外成像性能。近年来，已研制成功三种不同类型的非制冷红外焦平面探测器列阵：a． 热电堆：根据塞贝克效应检测热端和冷端之间的温度梯度，信号形式是电压。b． 测辐射热计：探测温度变化引起载流子浓度和迁移率的变化，信号形式是电阻。c． 热释电：探测温度变化引起介电常数和自发极化强度的变化，信号形式是电荷。 在这三种器件中，测辐射热计列阵的发展最为迅速，并且取得了令人瞩目的成就。它采用类似于硅工艺的硅微机械加工技术进行制作，为了实现有效的热绝缘，一般采用桥式结构。探测器与硅读出电路之间通过两条支撑腿实现电互连。测辐射热计的灵敏度主要取决于它与周围介质的热绝缘，即热阻。热阻越大，可获得的灵敏度就越高。目前测辐射热计列阵的温度分辨率可达0.1K，不久将达到0.03至0.05K。对于工业应用来说，这种性能已相当令人满意了。用它构成的热像仪在尺寸、重量和价格方面可与可见光摄录机相媲美，在不远的将来可望获得广泛的应用，是一个新的经济增长点。 非制冷测辐射热计列阵技术也许是红外热成像技术在过去20年取得的最重要的进展。90年代以来，非制冷测辐射热计列阵已形成产品进入市场。美国波音公司研制的U3000型320 X 240 元非制冷测辐射热计列阵和美国Amber公司研制的320 X 240 元非制冷测辐射热计列阵热像仪Sentinel，双双荣膺美国1997年光电子领域优秀奖。美国FLIR公司销售到中国的非制冷焦平面热像仪，就是采用此类探测器。2000年，法国Sofradir公司生产出了他们的第一只非制冷焦平面红外探测器，它是采用由多晶硅材料制备的单片式电阻型微测辐射热计技术,该项技术由法国国家红外实验室转移至Sofradir公司生产，探测器列阵规模320×240，像元中心距45µ m，填充因子大于80%，噪声等效温差（NETD）达到100mK（典型值），器件的性能指标达到了当今世界先进水平

固体光图像传感器的器件技术的开展现状与趋向　　1、固体光摄像器件—理想的星载光图像传感器　　固体光电子图像传感器技术包括可见光硅图像传感器和短波、中波和长波红外焦平面阵列技术。由于图像传感器器件的不时开展，目前的固体图像传感器从可见光和近红外波段的CCD器件开展到了短波、中波和长波红外焦平面阵列。与星载反束光导摄像管相比起来，由于固体图像传感用具有一系列优点，十分适用于用作空间星载图像传感器，如：　　(1)体积小，重量轻;　　(2)无图像扭曲;　　(3)光响应工作波段宽，可见光硅CCD和CMOS图像传感器的光谱响应可从紫外区延伸到红外区，而红外焦平面的光谱响应波段掩盖了从1mm～14mm和远红外更宽的电磁波谱区;　　(4)高分辨率，可在焦平面上集成数十万、百万乃至千万像元的大格式阵列、完成大视场空间传感器;　　(5)同焦平面信号处置，像CCD、CMOS和各种红外焦平面阵列器件，由于微型加工技术的开展，可采用混合式或单片集成方式把焦平面上光电转换的焦平面探测器阵列与信号处置电路集成微小的集成电路块，完成同焦平面信号处置;　　(6)采用电子自扫描或注视工作形式工作，简化和完整取消机械扫描，完成系统小型化和微型化;　　(7)低功耗工作，数伏电压下即可工作;　　(8)低本钱;　　(9)牢靠性高。　　总之，小型化的小体积、轻重量、低功耗、低价钱和高性能、高牢靠性的固体空间光图像传感器为空间系统的设计和应用提供了极大的灵敏性。　　2、可见光固体图像传感器　　可见光固体图像传感器已使成像技术完成了小型、低功耗、低本钱和便携式应用、使成像系统技术了发作了反动性的变化。虽然迄今为止已开展了多种固体摄像器件，但是CCD器件和已在快速开展的CMOS图像传感器却占领了整个该范畴的95%的份额，CMOS是继CCD之后的后起之秀。　　(1)图像传感器件　　CCD图像传感器件技术已开展了三十多年，早已是成熟和提高应用到各种军用和民用系统的器件，在红外焦平典型面阵列技术适用化之前很长一段时间极受军用注重，目前仍在可见光波段普遍采用。　　①像元集成度：摄像阵列像元的几是摄像系统分辨率性能的关键性要素，目前的CCD器件已可依据系统应用目的请求同芯片集成或多芯片拼接，或多器件组合成恣意像素数的器件。　　· 线阵：常用单芯片像元集成度为512、1024、2048、4096、5000、7450和8000等;多芯片像元集成是用二个或多个单线阵芯片组合起来构成数万像元的专长线阵列，常用作星载或机载多光谱传感器;　　· 时间延迟与积分(TDI)阵列：常用的单芯片是2048×96、2048×144和4096×96的阵列;多芯片是用多个单芯片拼合起来，常用作星载或机载推帚式扫描传感器，加拿大的DLSA公司制造的这种传感器在全球很有名;　　· 面阵列：大格式阵列像元集成度为1024×1024、2048×2048、4096×4096 少数如科学研讨和天文应用方面阵列达7000×9000、8192×8192和9126×9126元，最大的9126×9126元阵列是美国Farchild Imaging公司研制的;　　②像元尺寸：CCD的像元尺寸不能太小，过小将影响曝光性能，目前的大格式阵列像元尺寸已小达7.0mm×7.0µm;　　③灵活度，通常为几个Lux~Lux-1，加上加强器处于微光工作形式时为Lux-3;采取冷却时为Lux-5~Lux-7;　　④分辨率：大型阵列通常的电视分辨线为1000×1000TV线，依据系统请求可更高，光学尺寸通常为2/3、1/2、1/3、1/4in.，目前最小已做到1/7in.。　　(2)CMOS图像传感器件　　由于CMOS图像传感器件与CCD相比功耗更低，可完成极高帧速工作和低本钱化，.本钱仅为CCD的1/4，因此开展极快，可能最终在某些范畴取代CCD。　　① 像元集成度：由于器件技术的停顿，目前的像元集成度常用的为几十万到100万像素，如512×480和1280×1000，已能制出4096×4096和6144×6144元的阵列;　　② 像元尺寸：由于制造技术的不时改良，像元尺寸已可小达3.3mm×3.3mm;　　③ 高灵活度：在近红外光谱区(900nm)光电转换效率高达50%;　　④ 宽动态范围：CMOS的动态范围通常为60dB以上，已到达170dB;DALSA CMOS-1M28/1M751024×1024元摄像机的动态范围也高达1,000,000:1。　　⑤ 高帧速和超高帧速：随着CMOS图像传感器技术的开展，2003年中不时报道了高帧速和超高帧速CMOS图像传感器，美、日公司在高帧速工作方面获得了显著的停顿.。DALSA和红湖公司的CMOS图像传感器帧速居然高达100000frame/s。　　⑥ 功耗：CMOS最明显的特性是低功耗，目前高帧速工作时仅为50mW。　　(3)趋向　　CMOS图像传感器是目前和将来该范畴正在开展中的主流技术。CCD主要是在应用上想方法，依据不同的应用目的和系统设计计划组合应用。由于CCD图像传感器技术极为成熟， 预期最终CMOS图像传感器难以取代CCD图像传感器，将是二者长期共存的场面。但是， CMOS图像传感用具有本钱低、集成度高、低功耗的突出优点，假如再处理了影响性能和图像质量的噪声问题，CMOS就将成为极佳选择。　　3、红外焦平面阵列　　红外焦平面阵列技术的开展已惹起了商界和军界军火商的极大关注。红外焦平面阵列技术对军事配备更新换代的深远影响正在改动现代战场作战的特性和概念。　　刚完毕的伊拉克倒“萨”战争再次显现了在现代战争