像素级数字长波制冷红外焦平面探测器研究进展

介绍了美国、法国等西方红外强国在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。基于像素级ADC(模数转换)数字读出电路(ROIC)的不同实现架构,阐述了美国MIT实验室、法国Sofradir及CEA-Leti公司开发的像素级ADC数字读出电路原理及像素级数字化长波制冷红外焦平面探测器的最新研究成果。最后介绍了昆明物理研究所在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破像素级ADC设计等关键技术后,研制出320×256(30?m中心距)像素级数字读出电路,并与相同规格的长波制冷红外焦平面探测器互连,主要性能参数与国外同类像素级数字化长波焦平面探测器相当。     

像素级数字化紫外焦平面读出电路的研究

为提高紫外焦平面组件成像质量,提出了可用于紫外焦平面的像素级数字化读出电路结构。针对紫外信号微弱及焦平面探测器像素面积小的特点,设计了基于电容反馈跨阻放大器(Capacitive Trans-Impedance Amplifier,CTIA)结构、模数转换器和锁存器的紫外焦平面像素级模数转换读出电路,并给出了实现像素内模数转换的工作原理。详细讨论了像素内模数转换的实现方法,各模块的设计要求及其具体实现,并基于0.35μm DP4M CMOS工艺设计制造了面阵规模128×128、像素单元面积50μm×50μm的读出电路芯片。电路性能测试与成像实验表明:电路的精度达到1mV以下,有效位数达到11位,实现了紫外焦平面读出电路的低噪声数字化输出。     

百万像素级红外焦平面器件倒装互连工艺研究

介绍了倒装互连技术的工艺原理,阐述了红外焦平面器件倒装互连的工艺特点。通过系列实验和分析,最终优化并确定了百万像素级红外焦平面器件倒装互连的工艺参数,获得了良好的互连效果。     

基于DSP + FPGA的红外焦平面像素倍增技术

文章讨论了非制冷红外热像系统的总体性能，分析了影响该热像仪综合性能的主要原因，提出性能改善的基本方法，介绍了独特的虚拟电子微扫技术的基本原理及实现方法。针对远处小目标红外图像的有用信息进行了放大处理。采用DSP＋FPGA的架构在硬件平台上得到了实现。实验证明：虚拟电子微扫技术有利于识别目标，效果良好。     

基于DSP + FPGA的红外焦平面像素倍增技术

文章讨论了非制冷红外热像系统的总体性能,分析了影响该热像仪综合性能的主要原因,提出性能改善的基本方法,介绍了独特的虚拟电子微扫技术的基本原理及实现方法。针对远处小目标红外图像的有用信息进行了放大处理。采用DSP + FPGA的架构在硬件平台上得到了实现。实验证明:虚拟电子微扫技术有利于识别目标,效果良好。     

512×8像素级数字化长波红外探测器研究

像素级数字化红外探测器具有更高的性能水平和更强的抗干扰能力,是红外探测器技术发展的重要方向之一。通过突破像素级数字化读出电路设计、低峰谷碲镉汞材料外延、器件制备工艺以及倒装互连等关键技术,研制出了一种512×8像素级数字化长波红外探测器组件,并对其性能进行了测试。此探测器的响应波段为7.85～10.17 μm,平均峰值响应率为1.4×10¹¹ LSB/W,响应率非均匀性为9.13%,有效像元率为97.5%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为4.4 mK,动态范围为90.6 dB。测试结果表明,该探测器能够满足系统要求。     

数字化红外焦平面技术

数字化红外焦平面技术是从探测器起所有信号处理都在数字域完成的红外热成像技术,是目前国际上最先进的新一代红外焦平面技术。通过将模拟-数字转换器（ADC）集成到读出电路中实现数字读出,配合数字传输和数字图像处理形成数字化红外焦平面技术。通过中波640×512数字化红外焦平面探测器读出电路、成像组件以及数字化红外焦平面热像仪的设计和测试,表明数字化红外焦平面技术具有接口简单、高抗干扰、高通道隔离度、低读出噪声、高传输带宽、高线性度、高稳定性等特点,是红外热成像系统的技术发展趋势。     

自适应虚拟电子微扫描红外焦平面像素倍增技术

在分析微位移法评价空间抽样效应理论的基础上,分析为改善红外焦平面器件系统空间分辨率不够高所采取系列措施的优缺点,并提出了一种能有效实现焦平面像素倍增的自适应虚拟电子微扫描技术,该方法能在像素倍增的同时有效地实现大边缘的增强,防止边缘模糊与锯齿效应,实验证明该方法效果良好。     

数字化中波红外焦平面探测器组件研究进展

介绍了美国、以色列、法国等西方发达国家在数字化中波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。从数字读出电路（ROIC）角度出发,阐述了上述三个发达国家开发的列级ADC数字化中波红外焦平面探测器的最新研究成果。在SWaP概念牵引下,以色列、法国都推出了小像元（中心距为10 m及以下）、高温工作、数字化输出的百万像素中波红外焦平面探测器组件。最后介绍了昆明物理研究所在数字化红外焦平面探测器组件研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破列级ADC数字读出电路关键技术后,研制出一系列中心距（15 m、20 m、25 m）的640512列级ADC数字化中波红外焦平面探测器组件,主要技术指标与国外同类数字化中波红外焦平面探测器组件相当。     

二次量化技术在像素级数字积分探测系统中的应用研究

像素级数字积分探测是一种新型的红外探测技术,其具备电荷处理能力高、动态范围大等特点,能够有效提升红外系统探测灵敏度,在各类红外弱信号探测领域具有巨大的应用潜力。像素级数字积分技术中的二次量化技术,可对在总噪声中占比较大的量化噪声进行有效抑制。对像素级数字积分探测系统中的量化步长进行优化设计以及对二次量化技术进行研究,分析量化步长的改变对像素级数字积分红外探测系统性能的影响;分析二次量化的原理及特点,研究其在应用中的关键参数设计,从而推动二次量化技术的发展,实现像素级数字积分探测系统更高灵敏度探测应用。     

一种新型红外焦平面片上模数转换电路

基于串行单斜率积分的原理,提出了一种新型的像素级红外焦平面片上8位模数转换电路.设计了一个8×8像素阵列组成的完整读出电路芯片,并进行了版图设计和电路仿真.每个单元像素电路采用直接注入方式输入,输出与输入电流成正比的数字脉冲信号,经每列单元共享的计数器计数输出.采用独特的数字电路列共享结构,电荷注入补偿等技术,具有结构简单、面积小等特点.仿真及测试结果表明,该芯片能较好地完成红外焦平面信号读出及模数转换功能,单元面积80 μm×80 μm,单元功耗50 μW,量化等级达到8位,芯片实测量化误差小于4 LSB,帧速可达460 f/s.     

用于图像传感器的模数转换器研究进展

随着物联网、移动设备等应用的发展,图像传感器作为信息感知重要的窗口,需求不断增长。模数转换器是图像传感器的重要组成部分,负责将探测到的模拟信号转换为数字信号,不仅增加了系统的抗干扰能力,提升了系统的性能,还有助于在片内实现数据处理,提高系统集成度。为了适应图像传感器朝着大阵列、高帧频、低功耗、小像素尺寸等方向的发展趋势,模数转换器在速度、功耗、面积等方面存在挑战。文章概述了应用于图像传感器的模数转换器的几种主要架构,分析了这几种架构的优缺点,总结了研究进展以及未来的发展方向。     

采用电压复位技术的像素级模数转换器

This paper presents a 50 Hz 15-bit analog-to-digital converter(ADC) for pixel-level implementation in CMOS image sensors.The ADC is based on charge packets counting and adopts a voltage reset technique to inject charge packets.The core circuit for charge/pulse conversion is specially optimized for low power,low noise and small area.An experimental chip with ten pixel-level ADCs has been fabricated and tested for verification.The measurement result shows a standard deviation of 1.8 LSB for full-scale output.The ADC has an area of 4545 m2 and consumes less than 2 W in a standard 1P-6M 0.18 m CMOS process.     

红外焦平面读出电路集成数字输出

为了实现红外焦平面数字化输出,设计了一种集成片上模数转换的焦平面读出电路,包括一个512512的读出电路单元阵列和列共享的逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)。单元读出电路采用了直接注入(DI)结构作为输入级,输出的信号通过多路传输送到模数转换器。设计的逐次逼近型的模数转换器中的比较器采用的是由前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器组成的高速比较器,数模转换器(DAC)采用的是三段式的电荷按比例缩放和电压按比例缩放相结合的结构。在Cadence和Synopsys设计平台下对模拟和数字部分电路分别进行设计、仿真与版图设计。电路工艺采用GLOBALFOUNDRIES公司0.35 m CMOS 3.3 V工艺加工流片。测试结果显示SAR ADC有效位数为8.2位,转换频率超过150 k Samples/s,功耗低于300 W,满足焦平面100帧频以及低功耗的需求。     

国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展

非制冷红外焦平面阵列探测器是目前发展最为迅速的红外探测器种类之一,并已广泛渗透到军事和民事应用中.本文重点阐述几种国外具有代表性的非制冷红外焦平面探测器的现状及其发展趋势.     

非制冷红外焦平面阵列进展

非制冷红外成像技术已广泛应用于军事和民用领域,一直是人们关注的焦点之一,其核心部件是非制冷红外焦平面阵列(IRFPA:Infrared Focal Plane Array)。综述了几种具有代表性的非制冷IRFPA的探测原理、发展历史和现状。它们是:热敏电阻型、热释电型、热电堆型、二极管型、热-电容型非制冷IRFPA和应用光力学效应的非制冷IRFPA、基于法布里-珀罗微腔阵列的非制冷IRFPA。     

基于15位像素级模数转换器的640×512规格中波红外成像用48 mW数字读出电路

提出了一种用于中波红外成像的基于15位像素级单斜率模数转换器的低功耗数字读出电路。像素级模数转换器采用一种新型功耗自适应的脉冲输出型比较器,只有当斜坡电压信号接近积分电压时,比较器才产生功耗。此外,比较器输出脉冲信号,降低了15位量化结果存储器上消耗的动态功耗。该存储器采用三管动态结构,仅占约54 μm²面积,以满足15 μm像素中心距的面积约束。量化结果以电流模式读出到列级,避免相邻列总线间的电压串扰。基于0.18 μm CMOS工艺,采用该结构,设计并制造了640×512 规格的数字读出电路。测试结果表明,在120 Hz的帧频下,功耗仅为48 mW,总积分电容为740 fF,电荷处理能力为8.8 Me^-。在满阱状态,等效到积分电容的噪声电压为116 μV,峰值信噪比为84 dB。     

利用傅里叶变换测量红外焦平面器件响应光谱

利用傅里叶变换测量光谱的方法具有大通量、高信噪比的优势,在红外测试领域具有重要的应用价值。利用步进扫描和时间分辨的方法,可以同步傅里叶变换红外光谱仪动镜移动和焦平面器件的输出,获得高质量的干涉图,从而计算得到器件的响应光谱。在本系统测量范围400~10000 cm-1内,所得光谱的分辨率可以达到4 cm-1。     

红外焦平面热成像技术的发展

文中介绍了国外焦平面热成像技术发展的概况,阐述了发展中需要考虑的一些问题及今后的发展趋势。