红外与激光工程
2024, 53(1): 20230364
红外与激光工程
2023, 52(9): 20220890
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 200120
3 中国科学院大学，北京 100049
混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理，同时结合直接飞行时间测距的概念，可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式，建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型，并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管（Linear-Mode APD, LM-APD）作为探测器，设计了与混合测距模型适配的50 μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构，输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下，输出电压达到99.8%以上的线性度，在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差，11.355 cm的最大误差。仿真表明：混合测距兼顾精度和测量范围，适用于激光雷达三维成像领域。
混合飞行时间测距 读出电路 线性模式雪崩光电二极管 激光雷达 hybrid time-of-flight ranging readout circuit linear-mode APD lidar 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220892
1 中国科学院 上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
设计了一款基于线性模式下HgCdTe-APD的主被动双模式读出电路。被动模式下通过积分电容进行光信号的强度测量,主动模式下利用两段式TDC进行光子飞行时间(ToF)的标记。TDC采用面阵共享的数字计数器进行粗计数,像元内置时间幅度转换电路(TAC)进行精细测量,同时利用积分电容的切换修正时刻鉴别误差。焦平面阵列规模为32×32,工作温度为77 K,采用标准SMIC 0.18 μm CMOS工艺进行电路设计及版图绘制。仿真验证结果显示,电路满阱容量约为7.5 Me-,在3.2 μs的动态范围ToF分辨率小于0.5 ns, DNL和INL分别在-0.15 LSB~0.15 LSB和-0.2 LSB~0.2 LSB范围内。读出电路帧频为4.5 kHz,功耗小于180 mW。
线性模式APD 主被动探测 光子飞行渡越时间 时间精度 linear mode APD active and passive detection time of flight (ToF) time resolution
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
红外光电探测技术通常工作在无源被动的传感模式，具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、全天时工作等优点，在航天遥感、**装备、天文探测等方面都有广泛应用。至今，二代、三代红外光电探测器已大规模进入装备，高端三代也在逐步推进实用化，并出现了前沿前瞻性的新概念、新技术、新器件。本文聚焦国内外的红外技术研究现状，重点介绍红外光电探测器当前的研究热点与未来的发展趋势。首先，介绍针对战术泛在化、战略高性能的SWaP3概念。其次，综述以超高空间分辨率、超高能量分辨率、超高时间分辨率、超高光谱分辨率为特征的高端三代红外光电探测器，分析挑战光强探测能力极限的红外探测器的技术特征与实现方法。然后，论述基于人工微结构的四代红外光电探测器，重点介绍偏振、光谱、相位等多维信息融合的实现途径与技术挑战。最后，从片上数字化升级为片上智能化的角度，探讨未来极具变革性趋势的红外探测器。
红外光电探测器 SWaP3 多维信息融合 片上智能化 曲面/柔性探测器 infrared photon detector SWaP3 multi-dimensional information fusion on-chip intelligence curved/flexible photodetector
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
碲镉汞雪崩光电二极管（HgCdTe APD）是目前红外焦平面技术前沿研究之一，低温下高精度时间标记读出电路是APD焦平面的基础，直接影响到APD红外焦平面性能。时间数字转换电路（TDC）是实现高精度时间标记的方法之一。基于对低温下金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）器件的分析，设计了一款游标型TDC电路，该方法利用同步计数器量化整数倍周期，实现粗计数6 bits的输出；通过片上锁相环倍频的高频时钟来量化不足一个时钟周期的部分，以实现精计数6 bits的输出。电路采用标准互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺流片，工作在120 MHz的主频与77 K下测试得到，能够分辨最小精度为236.28 ps，其中微分非线性为-0.54~0.71 LSB，积分非线性为-1.32~1.21 LSB。
碲镉汞 e-APD 时间数字转换电路 游标型延时线 非线性度 HgCdTe e-APD time-to-digital converter circuit vernier delay line nonlinearity
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
碲镉汞雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）探测器在主被动模式下能同时获取目标物体的强度信息和时间信息，实现实时的三维探测。高精度时间标定的测试方法是验证三维测距的基础。文中分析了盖革模式和线性模式的优缺点，针对一种线性模式主被动HgCdTe APD探测器的读出电路结构进行了分析，并对TOF计算方法进行了研究，在此基础上搭建了一套高精度时间标定的测试平台，对系统和环境噪声进行了测试，得到噪声带来的时间抖动为179 ps。对测试仪器带来的固定时延进行了校准，对影响TOF精度的电压、电容、斜坡发生器的精度以及高精度电压源的精度等参数进行了理论分析，在77 K下完成了线性模式HgCdTe APD探测器的主、被动信息的测试。测试结果得到低温下电路线性度高达99.9%，饱和电荷容量为7 Me−，时间精度抖动的均方根为2.107 ns，证明该测试平台和方法能有效地评估探测器的性能，为红外精准探测提供了参考。
线性模式APD 主被动探测 飞行渡越时间 时间精度 linear mode APD active and passive detection time of flight (TOF) time resolution 红外与激光工程
2021, 50(6): 20200460
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
为了提高红外焦平面检测目标的灵敏度，目标辐射产生的载流子应尽可能长时间保持，同时应尽可能减少热激发和背景辐射激发的比例。高背景条件下长波红外读出电路的积分电容较快饱和，且长波红外探测器暗电流的非均匀性会影响焦平面的固定图形噪声。基于共模背景抑制结构以及长波碲镉汞探测器暗电流分析的基础上，设计了具有非均匀性矫正的背景抑制电路。传统的背景抑制电路采用单一共模背景抑制或差模背景抑制。差模背景抑制模块的高精度背景记忆一般在小范围区间内。本文背景抑制结构采用共模背景抑制与差模背景抑制相结合，可以在较大的背景噪声范围内有效地降低固定图形噪声以及增大动态范围。该背景抑制结构中共模背景抑制采用电压-电流转换法，差模背景抑制采用电流存储型背景抑制结构。差模背景抑制通过背景记忆时信号放大，背景抑制时信号缩小来提高背景抑制精度。电路采用标准CMOS工艺流片。测试结果表明：读出电路的FPN值为2.08 mV。未开启背景抑制时，焦平面FPN值为48.25 mV。开启背景抑制后，焦平面FPN值降至5.8 mV。基于探测器的暗电流非均匀分布，计算其理论FPN值为40.9 mV。长波红外焦平面输出信号的RMS噪声在0.6 mV左右。
背景抑制 暗电流 读出电路 长波红外 background suppression dark current readout circuit LWIR 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200266
中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
近十年碲镉汞第二代红外焦平面探测器应用呈现爆发式增长, 也是第三代焦平面技术快速发展的十年。文中对近十年来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了简单的回顾, 并结合碲镉汞红外焦平面探测器的应用, 对在碲镉汞红外焦平面探测器技术方面的研究工作和工程应用进行了总结, 最后, 对未来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了展望。
红外焦平面 碲镉汞 分子束外延 液相外延 读出电路 IRFPA HgCdTe MBE LPE ROIC 红外与激光工程
2020, 49(1): 0103010
红外与激光工程
2020, 49(4): 0404004
