拼接红外探测器技术研究

红外探测器作为空间红外预警卫星的核心部件,随着红外探测器性能的不断提升,采用更大规模,更多谱段的红外探测器焦平面阵列是未来预警用红外探测器的发展趋势。通过多芯片,多谱段集成拼接制备出线列规模更长的红外探测器,以满足红外预警卫星大视场、高分辨率以及多光谱探测的能力。本文对国内外多芯片,多谱段拼接红外探测器组件发展现状以及技术路线进行对比,对小型化拼接探测器在其他领域的使用前景展望,最后点出大尺寸拼接红外探测器研制目前存在的主要问题。     

16通道微型集成滤光片制备技术的研究

多光谱成像光谱技术正在向光谱通道更多、集成度更高、体积小和重量更轻的方向发展,而用于分光的多通道滤光片是其关键光学元件,需要相应发展新型多光谱窄带集成滤光片制备技术.提出了组合刻蚀法布里-珀罗(F-P)滤光片间隔层的方法,将光学薄膜制备技术,离子束刻蚀技术与掩膜法技术相结合,形成新的多通道集成滤光片的制备方法.并在单个微型基片上,成功制备了集成16通道窄带线阵滤光片,获得的单元滤光片几何线宽为0.7mm,相对半峰全宽优于1.0%,透射峰定位精度优于0.25%.这一方法不但可满足集成度更高的滤光器件的要求,而且拓展了薄膜制备的方法.     

中波红外双通道带通滤光片的研制

采用在单晶锗基底的两面分别设计中波红外带通滤光膜和中波红外负滤光膜的方法,设计了一种光谱性能优良的中波红外双通道带通滤光片。以适当的工艺技术完成了膜层的制备,并测试了实验样片的红外透射率光谱。结果显示,制备的中波红外双通道带通滤光片的通带透过率以及截止带截止深度均良好。由实验结果分析可知,镀膜材料蒸发角的变化和各层膜厚误差的累积,是导致实验片的测试光谱在截止带内出现两个较强的次峰,以及中间截止带略微偏移的主要原因。     

中短波红外双带通低温滤光片的设计与制备

双带通滤光片可以在元件的任意一个几何位置上同时透过两个光谱通道,从而实现双光谱通道的同时探测。文中研制了一种在100 K低温下使用的短波和中波红外双带通滤光片,选用Ge和SiO分别作为高低折射率膜层,在蓝宝石（Al₂O₃）基片上设计了具有Fabre-Perot(F-P)结构的短波通道滤光膜系和中波通道滤光膜系,它们在另一通带位置兼具增透能力,组合形成了包含短波通道(2.60~2.85 μm)和中波通道(4.10~4.40 μm)的双带通滤光片。Ge和SiO薄膜分别以电子束和电阻热蒸发的方式在高真空环境中完成沉积。测试结果显示,在100 K低温下,短波和中波通道的平均透射率分别达到91.2%和87.7%,顶部波纹幅度分别为2.1%和3.8%,波长3.00~3.95 μm光谱区域内的截止深度低于0.1%。该双带通滤光片在低温下的光学性能满足光学成像仪器的光谱应用要求,有利于更加精确的红外遥感和探测。     

3.5～4.0μm低温光谱带通滤光片的设计与研制

新一代气象卫星对红外带通滤光片的光谱控制提出了很高的要求:滤光片在工作温度(92K)下的光谱曲线被严格限定在一个由内、外框组成的区域之内。分别采用Ge和SiO作为高低折射率膜层材料,设计了含有4个谐振腔的带通膜系来提升通带边缘的陡度;对带通膜系中反射膜层的光学厚度进行了优化调整,压缩了通带内的波纹;根据膜层材料的折射率-温度变化特性,设计出了低温条件下符合光谱要求的带通滤光片。采用真空蒸发和光学极值监控的方法,研制出了92K低温下符合内、外框限制要求的带通滤光片,其通带内的峰值透射率达到93.2%,平均透射率达到91%,波纹幅度控制在5.2%以内。     

短/中波双色碲镉汞红外探测器性能分析研究

介绍了国内外双色红外探测器的发展现状,并报道了中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“中电十一所”）自行研制的像元间距为30 μm的Si基320×256短/中波双色红外探测器的性能。在77 K测试条件下,短波和中波两个波段的盲元率分别为0.88%和1.47%,平均峰值探测率分别为2.21×10¹² cm·Hz^1/2·W^-1和2.13×10¹¹ cm·Hz^1/2·W^-1,后截止波长分别为3.129 μm和 5.285 μm,且短波向中波波段的光谱串音为1.38%,中波向短波波段的光谱串音为2.82%。同时,该探测器在双波段具有较好的成像效果,为后续更大面阵、更佳性能的多波段探测器研究提供了基础。     

美研制长波红外／中波红外自适应焦平面列阵

美国洛克韦尔科学公司目前正在研制一种长波红外／中波红外白适应焦平面列阵,该列阵由一个双波段红外焦平面列阵和一个直接与之耦联的MEMS可调谐滤光片列阵组成。MEMS滤光片在长波红外可进行窄     

一种具有抗静电反红外诱导滤光片的设计与制备

对一种具有抗静电反红外且在可见及近红外高透过的滤光片进行了研究。采用诱导滤光片的设计理论讨论了膜层厚度及薄膜常数对滤光片透射率及反射区的影响规律,采用离子束辅助沉积方式和磁控溅射的方式对设计膜系进行了制备工艺研究,重点讨论了不同工艺条件下金属层的薄膜常数的变化规律及其对滤光片性能的影响。最终设计的滤光片在750~850 nm谱段具有高达90%以上的透过率、2 500 nm以后谱段反射率高达90%,表面电阻小于300 ,该滤光片具有很好的抗静电及反红外性能。     

长波红外和中波红外超光谱傅里叶变换成像器

Kestrel公司已设计出一种装在飞机上的双波段红外傅里叶变换超光谱成像器,目前正在制造这台仪器。预定安装在Cessna206上的这台成像器具有一个15度的视场,其瞬时视场为1.0毫弧度。该仪器使用512个光谱通道,在2000cm^-1至3000cm^-1范围内,其目标光分辨率优于1.5cm^-1,在850cm^-1至1250cm^-1范围内则优于0.4cm^-1。为达到这些前所未有的光谱分辨率,仪器将采用各种光谱增强技术。光学系统的计算机模拟已演示出亚波数分辨率和超过900的信噪比。     

空间用红外探测器拼接技术研究

随着空间遥感相机性能的不断提升,采用更大规模、更多谱段的红外焦平面阵列是未来航天用红外探测器的发展趋势,以满足相机大视场、高分辨率及多光谱探测的能力。目前,单探测器模块的研制受到探测器材料、硅读出电路加工工艺的限制,探测器规模、分辨率、谱段数量等指标无法满足使用要求。因此,通过机械拼接或光学拼接的方式制备大规模、多谱段红外焦平面阵列是必须的工程途经。本文对航天工程用大规模、多谱段红外探测器拼接方式进行了对比分析,给出了各种常见拼接方式的特点,总结了关键技术和核心指标。     

红外焦平面阵列多次采样滤波技术

针对红外图像信噪比不高和当前常用的二维时间延迟积分(2D-TDI)算法仅适用于静止和缓慢运动目标场合的问题,分析了信号的采集原理以及噪声特性,提出了红外焦平面阵列(IRFPA)多次采样滤波技术,通过对一帧图像的同一像元点进行多次采样的方法,在降低红外图像的随机时间域噪声的同时,保证其能够应用于快速运动目标场合;图像对比和数据测试结果表明:红外焦平面阵列多次采样滤波技术不仅具有与2D-TDI算法同等的提高红外图像信噪比的能力--将红外图像的NETD降低到原红外图像的1/√n倍(n为对同一像元点的有效采样次数),而且突破了2D-TDI算法应用场合的限制,其能够适应于快速运动目标场景,对红外热像仪的性能提升有重要意义.     

基于线列红外探测器的图像增强算法研究

针对线列红外探测器扫描成像特点,提出了一种基于平台直方图统计的红外图像增强算法。仿真结果表明,该算法能够校正扫描型热像仪由盲、闪元引起的黑白道,提高图像的对比度,修正全局灰度等级,锐化图像中的边缘细节,对扫描成像系统的红外图像具有较好的增强效果。     

长波碲镉汞探测器的原位集成微透镜技术研究

采取原位集成的方式在红外焦平面探测器芯片的入光侧制备微透镜阵列以达到增强信号以及减小串音的作用,通过光学分析获得了匹配不同中心距器件的微透镜结构设计,在长波碲镉汞320×256,50 μm和30 μm中心距的探测器上验证了原位集成的微透镜阵列能够有效地通过汇聚光线,使信号增强分别达到28 %和61 %。对于超高灵敏度红外探测以及SWaP和超大规模红外探测器研究具有重大意义。     

InGaAs可见/短波红外焦平面探测器新进展

In_1-xGa_xAs是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料,其光谱响应截止波长可随合金组分x值的不同在0.87 μm (GaAs)~3.5 μm (InAs)范围内变化。 InGaAs材料在光通讯领域的广泛应用和可在常温下工作的特点,使其成为焦平面成像领域的研究热点。国际市场已有商业化产品,主要应用于民用、军用、航空、空间遥感等领域。在介绍In_1-xGa_xAs短波红外焦平面探测器的主要特性及研制进展的基础上,重点介绍了国际上在InGaAs光谱响应范围向可见光扩展的研究动向。     

中长波红外探测器非线性度分析

线性度作为评价探测器性能参数的一个重要指标,直接影响着用户的使用状况。以中长波两个波段的探测器作为实验器件,分析讨论了以全波段黑体辐照功率与像元响应率线性拟合及以波段辐照功率与输出信号电压进行线性拟合的两种不同的评价方案。全波段黑体辐照功率拟合出的线性度结果较差,非线性度在6 %左右,而采用波段辐照功率拟合出的非线性度均在0.5 %以内。最终确定以波段辐照功率拟合出的线性度有较高的准确性,为直观评价探测器性能的优劣提供了指导依据。     

碲镉汞焦平面器件背面减薄技术

采用机械抛光和机械化学抛光的方法进行碲镉汞焦平面器件的碲锌镉衬底背面减薄,最后利用专用腐蚀液腐蚀的方法将碲锌镉衬底全部去除,碲镉汞完全露出;器件测试结果表明减薄后的MW1280×1024器件经受高低温循环冲击的可靠性显著提高。     

In0.53Ga0.47As/InP红外探测器材料与线列器件

采用LPMOCVD技术生长了In0.53Ga0.47As红外探测器器件结构材料,其晶格失配为2.19×10-4.利用锌扩散制备探测器单元和1×256线列器件,光谱响应范围为O.90～1.70 μm,量子效率为73%,在零偏压下,暗电流为1.62×10-8A,动态零压电阻为2.72×105Ω.单元探测器波段探测率为1.71×1012cmHz1/2W-1.     

AlGaAs/GaAs quantum well infrared photodetector focal plane array based on MOCVD technology

128 × 128, 128 × 160 and 256 × 256 AlGaAs/ GaAs quantum well infrared photodetector (QWIP) focal plane arrays (FPA) as well as a large area test device are designed and fabricated. The device with n-doped back-illuminated AIGaAs/GaAs quantum structure is achieved by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) epitaxial growth and GaAs integrated circuit processing technology. The test device is valued by its dark current performance and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra at 77 K. Cut off wavelengths of 9 and 10.9 μm are realized by using different epitaxial structures. The blackbody detectivity DB* is as high as 2.6 × 109 cm· Hz1/2·W-1. The 128 × 128 FPA is flip-chip bonded on a CMOS readout integrated circuit with indium (In) bumps. The infrared thermal images of some targets under room temperature background have been successfully demonstrated at 80 K operating temperature. In addition, the methods to further improve the image quality are discussed.     

基于MOCVD技术的长波AlGaAs/GaAs量子阱红外焦平面探测器

采用n型掺杂背面入射AlGaAs/GaAs量子阱结构,用MOCVD外延生长和GaAs集成电路工艺,设计制作了大面积AlGaAs/GaAs QWIP单元测试器件和128×128、128×160、256×256 AlGaAs/GaAs QWIP焦平面探测器阵列。 用液氮温度下的暗电流和傅里叶红外响应光谱对单元测试器件进行了评估,针对不同材料结构,实现了9 μm和10.9 μm的截止波长; 黑体探测率最高达到2.6×109 cm·Hz1/ 2·W-1 。 将128×128 AlGaAs/GaAs QWIP阵列芯片与CMOS读出电路芯片倒装焊互连,成功演示了室温环境下目 标的红外热成像;并进一步讨论了提高QWIP组件成像质量的途径。