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红外焦平面阵列技术现状和发展趋势

时间:2009-03-02 18:47来源: 作者: 点击:
红外热成像技术是国家安全依赖的主要探测技术手段,已在卫星、导弹、飞机等军事领域获得了广泛的应用。同时随着非致冷红外成像技术的发展,尤其是制造成本大幅度的降低,其在
  [6]

(3)按照结构形式划分
    红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此,按照结构形式分类,红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。其中,单片式集成在一个硅衬底上,即读出电路和探测器都使用相同的材料,如图1所示。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料,如红外探测器使用HgCdTe,读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式(图2(a))和Z平面式(图2(b))两种。

(4)按成像方式划分
红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种,其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分(TDI)技术,采用串行方式对电信号进行读取;凝视型式则利用了二维形成 一张图像,无需延迟积分,采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快,但是其需要的成本高,电路也很复杂。

(5)根据波长划分
    由于运用卫星及其它空间工具,通过大气层对地球表面目标进行探测,只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口:1mm~3mm的 短波红外、3mm~5mm的中波红外、8mm~14mm的长波红外,由此产生三种不同波长的探测器。

 

三、读出电路\"\"

    读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。对于周围物体的黑体辐射,被测物体的辐射信号相当微小,电流大小为纳安或者是皮安级,要把这么小的信号读出可不是一件容易的事,尤其这种小信号很易受到其它噪声的干扰,因此,选择和设计电路就成为特别重要的方面。

1、自积分型读出电路(SI ROIC) 

在 所有读出电路结构中,自积分(SI)电路(图3)最为简单,仅有一个 MOS 开关元件,其象元面积可以做得很小。在 SI 电路中,光生电流(或电荷)直接在与探测器并联的电容上积分,然后通过多路传输器输出积分信号。此读出电路的输出信号通常是取其电荷而非电压,其后接电荷 放大器,在每帧结束时需由象元外的电路对积分电容进行复位。积分电容主要为探测器自身的电容,但也包括与之相连的一些杂散电容。在某些探测器中,此电容可 能是非线性的(如光电二极管的结电容),随积分电荷的增加,其会造成探测器的偏置发生变化,可能引起输出信号的非线性。该电路的另一个缺点是无信号增益, 易受多路传输器和列放大器的噪声干扰。

2、源随器型读出电路(SFD ROIC) \"\"

为 了给多路传输器提供电压信号,并增加驱动能力,往往在 SI 后加缓冲放大器。实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一MOSFET 源随器(SFD),即构成源随器型读出电路(图4)。源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器,探测器偏压由复位电平决定,故不存在探测器偏压初值 不均匀的问题,但偏压会随积分时间和积分电流变化,引起探测器偏置变化。SFD电路在很低背景下具有较满意的信噪比,但在中、高背景下,与 SI 读出电路一样,其也有严重的输出信号非线性问题。复位 MOS 开关会带来 KTC 噪声,而源随器 MOS 管的 1/f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声源。

3、直接注入读出电路(DI ROIC)
    直接注入(DI)电路(图5)是第二代探测器(即探测器阵列)使用最早的读出前置放大器之一。它首先用于 CCD 红外焦平面阵列,现也用于 CMOS 红外焦平面阵列。在此电路中,探测器电流通过注入管向积分电容充电,实现电流到电压的转换,电压增益的大小主要与积分电容的大小有关,当然也受电源电压的 限制。此电路在中、高背景辐射下,注入管的跨导(

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