高帧频红外焦平面探测器在红外**系统、光谱成像和高速测温中有着重要应用。目前,我国高帧频红外焦平面技术还比较落后,这严重制约着我国高端红外**装备、光谱成像技术、高速测温仪器的发展。针对高帧频红外成像应用,设计并流片加工了一款384×288面阵、像元间距为25 μm的数字读出电路,与长波HgCdTe红外探测器芯片进行倒装互连,形成混合探测器芯片,并封装于金属真空杜瓦中,再配置斯特林制冷机,成功研制出了高帧频384×288长波数字红外探测器组件。经测试,所研制器件最高帧频达到1012 Hz,噪声等效温差(NETD)为16.8 mK,动态范围达到95.2 dB。采用所研制器件成功捕捉到了打火机点火瞬间的红外图像,该图像清晰呈现了火焰产生、迸出的过程,获得了良好的成像效果。

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 μm 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。

本文介绍了国外非制冷红外成像系统在**热瞄具(Thermal Weapon Sight, 简称 TWS)、手持热像仪、驾驶视觉增强(Driving Vision Enhancer, 简称 DVE)、轻型反坦克导弹、小型无人机等陆军装备中的应用现状; 分析了用于陆军装备的非制冷红外成像系统中探测器及成像机芯组件的技术特点; 提出了应用于陆军装备的非制冷红外成像系统的探测器及机芯组件的技术发展趋势。

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 μm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 μm、20 μm、25 μm)的640×512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。

介绍了欧美发达国家在高工作温度碲镉汞中波红外探测器上的工艺技术路线及典型产品技术指标。对昆明物理研究所研制的基于标准 n-on-p(Hg空位掺杂)工艺的中波 640×512(15 .m)探测器进行了高工作温度性能测试, 测试结果显示器件性能基本达到国外产品的同期研制水平。

随着非制冷探测器技术的迅猛发展,中大规模、高灵敏度的非制冷焦平面器件实现工程化应用。使用非制冷焦平面器件的红外成像导引头具有效费比高、结构紧凑、易维护等优点,已成为红外成像导引头的重要成员之一。介绍了国内外几款采用非制冷红外成像导引头的反坦克导弹、精确攻击导弹、精确炸弹、反舰导弹,以及所使用的非制冷焦平面器件的性能参数,总结了用于红外成像制导系统的非制冷焦平面器件的特点及发展趋势。

研制出一种应用于单铟柱结构的长/中波双色叠层碲镉汞 640×512焦平面 CMOS读出电路(ROIC)。根据单铟柱结构的双色叠层碲镉汞探测器实际应用需求, 读出电路设计了单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号分时多路积分(TDMI)/读出等四种工作模式可选功能。输入级单元电路分别采用长/中波信号注入管、复位管、积分电容及累积电容, 并分别采用读出开关缓冲输出。为提高读出电路的适应性, 各色信号通路分别设计了抗晕管以提高探测器的抗晕能力; 读出电路采用快照(Snapshot)积分模式, 单色积分时具有先积分后读出(ITR)/边积分边读出(IWR)可选功能; 当读出电路工作在单色或双色信号顺序模式时, 各色积分时间可调; 此外读出电路具有多种规格及任意开窗模式。该读出电路采用 0.35.m 2P4M标准 CMOS工艺, 工作电压 3.3 V。读出电路具有全芯片电注入测试功能, 测试结果表明, 在 77 K条件下, 读出电路的四种积分/读出模式工作正常, 单色信号输出摆幅达 2.3 V, 功耗典型值为 65 mW。

介绍了碲镉汞( MCT)双色红外焦平面探测器的研制背景, 及美、英、法等西方发达国家的发展现状。从读出电路(ROIC)设计角度出发, 重点阐述了上述 3个发达国家的碲镉汞双色焦平面器件结构类型和相应读出电路设计特点。最后介绍了国内昆明物理研究所在碲镉汞双色焦平面读出电路研究方面取得的进展。昆明物理研究所研制出两种碲镉汞双色焦平面读出电路, 一种是适用于双铟柱半平面器件结构的 128×128双色信号同步积分读出电路, 另外一种是适用于单铟柱叠层器件结构的 640×512双色信号 TDMI(时分多路积分)读出电路。两种读出电路芯片在 77 K条件下正常工作, 主要功能及性能指标与国外同类产品相当。

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.

研制出一种高性能弹用凝视型碲镉汞（ MCT）中波红外焦平面 CMOS读出电路（ ROIC）芯片。读出电路采用快照（ Snapshot）积分模式，具有积分后读出（ ITR）、积分同时读出（ IWR）、长/短帧组合（ COMBINED）积分和长 /短帧插入（ INTERLACED）积分 4种模式可选功能，有效解决高灵敏度和大动态范围的矛盾；其他特征包括抗晕、多级增益可选、串口功能控制，以及全芯片电注入测试功能。该读出电路采用 0.35.m DPTM标准 CMOS工艺，工作电压 5.0 V。测试结果体现了良好的性能：在 77 K条件下，全帧频可到 250 Hz（插入积分模式），功耗典型值为 20 mW。