第三代红外成像器（上）

1 引言 第二代致冷和非致冷焦平面列阵的扩散可能会使美国士兵目前所拥有的夜战优势成为泡影.为了保持美国军队及其盟军所享有的优势,美国陆军夜视与电子传感器管理局正研究第三代焦平面技术.包括致冷和非致冷焦平面列阵在内的三种第三代器件现已确定,它们是:具有双色或者三色波段的高性能、高分辨率致冷成像器;中高性能非致冷成像器;成本很低、可一次性使用的非致冷成像器.     

第三代成像传感器系统概念

第二代前视红外传感器已开始在战场上使用,这种传感器不是基于采用平行扫描和时间延迟与积分技术的长波红外(8 μm-12μm)HgCdTe探测器,就是基于中等规模(640×480元)的中波红外(3μm-5 μm)InSb凝视探测器.根据目前的研究与发展工作,科技界已把其注意力转向对未来第三代前视红外传感器的定义上.已建模的第三代传感器性能超过第二代传感器,这使得第三代传感器在未来的战场上具有更强的杀伤力和存活力.本文介绍关于第三代传感器的设想以及对第三代焦平面列阵探测器的要求.现已区分出三类传感器.高性能传感器将包含一个兆元数或者更大的列阵,并且至少具有两种颜色.更高的操作温度将也是这里的目标,因此,可以减小系统的功耗和重量.本文还设想了一种高性能的非致冷型传感器,其某些方面的性能介于第一代和第二代致冷型探测器之间,但其成本、重量和功耗却要小得多.最终的第三代传感器是一种成本很低的微型传感器.由于其体积小,重量轻,成本低,这种传感器将开辟一个全新的红外市场.未来无人管理的一次性使用的传感器、微型无人驾驶飞机以及装在头盔上的红外摄像机便属于这类新成果.     

为第三代红外系统选择探测器

为第三代热成像系统选择正确的探测器技术的决定直接产生于对这些系统的期望和要求。现已明确,第三代热成像器仍需要更高的分辨率以及进行多光谱探测和敏感偏振光的能力。本文分析四种可以选择的技术,它们是HgCdTe探测器、非致冷微测辐射热计、基于锑化物的材料和量子阱红外光电探测器。根据每种技术的成熟度、所冒的风险以及技术之间的差距,本文断言,量子阱红外光电探测器最适合非战略应用(非低背景状态)。从理论上来看,以三元和超晶格锑化物为基础的材料族是最佳选择对象,但考虑到其不够成熟的工艺以及所冒的风险,本文并未推荐这种材料。本文预料非致冷探测器将广泛进入低端和中端市场。由于源源不断的资金以及在战略上的重要性,HgCdTe探测器仍将不断取得进步。     

德国AIM公司的第三代焦平面列阵红外探测组件（下）

3双色HgCdTe 图4对双色探测器的特殊优点作了简单的解释。导弹逼近告警(MAW)系统,例如使用中波红外器件的MAW系统,通常会受到由植被或者海洋反射的太阳光引起的大量虚警的困扰,     

德国AIM公司的第三代焦平面列阵红外探测组件（上）

根据一般的认识,第三代红外探测组件可望提供先进的功能度,例如更多的像元、多色或者多波段、更高的帧速率和更高的温度分辨率等。本文介绍德国AIM公司用以研制第三代焦平面列阵红外探测组件的工艺状况。为了以80M像元/s的像元速率达到高达800Hz的全帧速率,AIM公司设计了一种间距为40μm的256x256元高速列阵器件。一种读出电路被设计成能在以快速积分模式进行扫描的同时进行凝视,从而以高达800Hz的帧速率进行近全帧积分。一个具有14bit深数字输出的微型指令与控制电路,一块能够把基于非线性自学景像的校正模型也考虑进去的非均匀性校正插件板,这两种电路已与集成的探测器制冷器装置(IDCA)一起研制出来。 在双色/双波段能力方面,AIM公司已研制出一种序贯多色组件以便为用户提供一种可从正反两方面分析光谱选择探测的灵活工具。这种组件基于384×288元的中波红外或者长波红外HgCdTe探测器。一只四个小面上可装滤光片或者细光栅扫描仪板的转轮为光谱的选择提供了方便。AIM公司的可编程MVIP图像处理技术被用以探测器的控制和非均匀性校正。MVIP可为每个滤光片位置单独设置积分时间和非均匀性校正系数以获得相似的性能,从而精确评估红外光谱选择的效果。同时,一种双色探测器焦平面列阵也正在研制之中。这种焦     

第三代红外系统所需的探测器

红外成像系统是利用热红外辐射来产生被观察场景的红外辐射图的。这种红外成像系统常常被称作前视红外系统。在现代战场上,红外成像系统有着各种各样的用途,例如,它们可以用于地面、航空及航天监视系统;武器夜间瞄准具;飞机导航、领航系统以及夜间火力控制系统等。     

非致冷热成像用的铁电体（上）

在英国,非致冷的热成像（ＴＩ）使用铁电体热辐射计的大型列阵,热辐射计（即热辐射探测器）的元件的间距为４０μｍ～１００μｍ。利用铁电陶瓷材料的热电性质来制作热辐射计灵敏元,混成列阵（亦称混合列阵）工艺用焊料信把灵敏元件与读出电路连接起来,这种技术已经成功地生产了大量的二维列阵器件。然而,一种创新技术正在研究之中,它把铁电材料直接沉积在硅读出集成电路上,形成具有适当微结构形状之中,它把铁电材料直接沉积     

多光谱红外超像元光电探测器和成像器

本发明提供一种可探测四个以上不同红外波段的多光谱超像元光电探测器．该超像元光电探测器包括两个或多个亚像元光电探测器,每个亚像元光电探测器包括一个能在两个或多个相关红外波段共振的衍射共振光学腔．通过探测在施加两个或多个偏压时的红外辐射并产生各亚像元光电探测器在每个偏压值处的光谱响应曲线,便能够计算出对每个红外波段的响应．这种超像元光电探测器可用于军用和医学成像等方面,并能够覆盖一个很宽的红外光谱区域．     

第三代红外搜索和跟踪（IRST）系统

红外搜索和跟踪系统是现代战争中重要的关键系统之一,随着军事的需要以及红外焦平面阵列的迅速发展,已经开始第三代红外搜索和跟踪系统的研究.第三代IRST系统的主要特点是探测和识别距离远,具有360°水平全景覆盖范围,单波段或双波段工作.本文主要介绍正在研制的几种典型的IRST系统,包括法国Thales的"月女神"IRST、法国Sagem的VAMPIR NG IRST、以色列Rafael的海上观察者等系统.未来的IRST系统将是多波段、多功能系统,能够实现全空域探测.文中还介绍了一些新的解决方案,如采用球形传感器和曲面焦平面,改善IRST系统的能力.     

多色红外成像器件

本发明提供一种多色红外成像器件,它有一个包含一层中波红外探测层和一层长波红外探测层的焦平面列阵．红外焦平面列阵表面有许多个像元．另外,该成像器件还带有用以接收中波红外和长波红外辐射的光具．     

第三代红外焦平面探测器读出电路

对红外探测器不断增长和提高的需求催生了第三代红外焦平面探测器技术。根据第三代红外探测器的概念,像素达到百万级,热灵敏度NETD达到1 mK量级是第三代制冷型高性能红外焦平面探测器的基本特征。计算结果表明读出电路需要达到1000 Me－以上的电荷处理能力和100 dB左右的动态范围（Dynamic Range）才能满足上述第三代红外焦平面探测器需求。提出在像素内进行数字积分技术,以期突破传统模拟读出电路的电荷存储量和动态范围瓶颈限制,使高空间分辨率、高温度分辨率及高帧频的第三代高性能制冷型红外焦平面探测器得到实现。     

非致冷成像器市场将迅速增长

半导体产业的发展正在呈下降趋势,这是半导体产业所经历过的最严重的经济衰退。但大多数业内预测人员认为,新的技术将会继续创造大量商业机会。     

非致冷微热辐射计敏感器的多种用途（上）

美国洛克希德马丁红外成像系统公司正在研制既可用于军事应用又可用于商业应用的低成本、高性能、非致冷红外成像产品,这些产品均基于一种微热辐射计技术,即一种将晶片级硅工艺同一种能够产生优良成像性能的器件结构相结合的硅微切削敏感器。本文介绍几种正在使用洛克希德马丁公司的微热辐射计敏感器的应用。为了确定敏感器装入军用商用产品 能力,已对我们的基本非致冷敏感器的性能进行了装入军用和商用产品后的能力,已对我们的     

适合多种应用的先进焦平面列阵（上）

红外成像技术的优势越来越明显．其应用也越来越广泛．因此,人们对红外焦平面列阵提出了新的要求,这些要求同时影响着探测器和集成读出电路的发展．由于各种应用具有不同的要求．而人们又没法制成可满足所有要求的通用焦平面列阵,因此嚣要根据用户的要求来设计焦平面列阵．提得更多的要求是更大的规榕、更高的灵敏度、更小的像元和更多的功能度。此外还必须达到以低成本进行批量生产的目的。本文从焦平面列阵的两个方面,即探测器和读出集成电路,采说明如何满足不断提高的要求．对于探测器,本文同时介绍致冷型和非致冷型探测器,其中分别提到利用分子束外延技术生长的HgCdTe探测器和氧化钒(VOx)微测辐射热计．读出集成电路已发展到具有智能特征以及片上信号处理和片上模／数转换功能的水平．     

第三代红外探测器的发展与选择

随着军事应用对高性能、低成本红外技术的需求,红外探测器像元数目从少于100元的一代发展到10万元中等规模的二代,到百万像素的三代,何谓第三代?在众多的材料和器件中,可作为第三代红外探测器的材料以及器件有哪些?在红外探测器技术飞速发展的今天,我们该作如何的选择?结合以上问题,对当前国际上作为第三代红外探测器选择的碲镉汞、量子阱以及Ⅱ类超晶格探测器材料、器件进行了分析,总结了第三代红外探测器的特征,为国内第三代红外探测器的发展提供选择与参考.     

用CMOS工艺制作的超低成本非致冷红外探测器列阵

非致冷红外探测器由于具有成本低、重量轻、功率低、光谱响应宽以及工作时间长等优点,在红外成像应用领域已受到了广泛关注。非致冷红外探测技术在各种民间应用和驾驶员夜间视觉增强、安全相机、热分析、探矿以及火情探测中具有很多潜在的用途。