红外与激光工程
2024, 53(1): 20230364
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 中芯热成科技（北京）有限责任公司，北京 100176
3 中国计量科学研究院，北京 100029
红外探测及成像具有广泛用途，在红外制导、夜视侦察、安防监控及危化品探测等方面发挥了重要作用。现有红外成像焦平面大多由碲镉汞、二类超晶格、锑化铟等块体半导体材料制成，通过倒装键合的方法实现块体材料与硅基读出电路的信号传输。倒装键合对准困难、操作复杂、对设备依赖性较强，难以满足焦平面阵列规模不断增加和像元尺寸不断减小的制备需求。为解决红外焦平面阵列规模提升的瓶颈，采用碲化汞胶体量子点，通过液相旋涂的方法，突破倒装键合限制，实现硅基读出电路直接片上集成。所制备焦平面阵列规模达1280×1024，像元间距为15 µm，80 K工作温度下探测截止波长为4.8 µm，响应非均匀性为9%，有效像元率为99.96%，最低噪声等效温差达30 mK，展现了良好的成像性能。
焦平面阵列成像 胶体量子点 百万像素 捕获型探测器 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211027
对像元尺寸为10 μm的1280×1024碲镉汞（HgCdTe）中波红外焦平面阵列的制备技术和性能进行了研究。通过B+注入制备小尺寸n-on-p平面结；采用高平整度HgCdTe外延材料和高精度的倒焊互连技术，实现高的电学连通率；采用多段温度填胶固化和边缘刻蚀工艺减轻HgCdTe器件和读出集成电路（ROICs）之间的热失配，从而降低焦平面器件失效率。在85 K焦平面工作温度下，研制探测器的光谱响应范围为3.67 μm至4.88 μm，有效像元率高达99.95%，并且探测器组件像元的平均噪声等效温差（NETD）和暗电流密度的平均值分别小于16 mK和2.1×10-8A/cm2。与像元尺寸为15 μm的探测器相比，10 μm的1280×1024中波红外探测器可获取更加精细的图像，具有更远的识别距离。目前，该技术已成功转移到浙江珏芯微电子有限公司（ZJM）的HgCdTe红外探测器产线。
红外探测器 碲镉汞 1K×1K 红外焦平面阵列 n-on-p infrared detector HgCdTe 1K×1K FPA n-on-p
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
第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言，n+-n--p结构以及良好的钝化工艺能够有效的抑制暗电流的产生，从而在高工作温度条件下获得较好的探测器性能。基于自行开发的成结模拟器，对n+-n--p结构的高温器件进行了工艺仿真和器件仿真，获得成结过程的制备参数，并结合抑制表面漏电的组分梯度钝化工艺，将高工作温度下的暗电流抑制至理论极限，研制出可以在更高温度工作下的碲镉汞n-on-p红外焦平面探测器。经测试，中波n-on-p红外焦平面器件在不同工作温度下性能优异，在80K工作温度下噪声等效温差（NETD）达到了6.1 mK，有效像元率为99.96%；而在150K工作温度下噪声等效温差（NETD）为11.0 mK，有效像元率为99.50%，达到了同类器件的理论极限。
碲镉汞 n+-n--p 高工作温度 红外焦平面 HgCdTe n+-n--p high operation temperature（HOT） infrared focal plane array
台面型锑化铟红外焦平面探测器的制作工艺简单，量子效率高，但是填充因子较低且会随着像元尺寸的减小而进一步降低。减小台面腐蚀深度可以提高探测器的填充因子，但会增大串音。介绍了一种新型微透镜阵列的设计与制备方法，以提高锑化铟红外探测器的填充因子并减小串音。与现有的热回流微透镜阵列相比，该微透镜阵列的填充率、表面粗糙度以及尺寸均匀性能得到了较好的兼顾，可直接在锑化铟红外探测器表面制作，工艺简单。结果显示，探测器的串音降低26%，光响应提高22%。
红外焦平面探测器 锑化铟 微透镜阵列 infrared focal plane detector InSb microlens array
中国电子科技集团公司第十一研究所, 北京100015
随着红外焦平面探测器阵列规模的不断扩大，由多层结构低温热失配形变导致的杜瓦可靠性问题愈发突出，对焦面低温形变的定量化表征需求越来越迫切。基于超长线列红外焦平面探测器冷箱组件开展焦面低温形变研究，针对多层结构粘接造成的焦面低温形变进行了理论仿真。设计了一种探测器工作温度90 K下焦面低温形变的测试方法。对比分析面形测试结果与仿真计算，低温下焦面整体下移，但变形曲线呈拱形。仿真得出两边芯片向下凹约924 m，中间位置芯片向下凹136 m。实验得出两边芯片向下凹约40 m，中间位置芯片向下凹10 m。数据差异与仿真材料的参数设置有关。验证了仿真结果的合理性，可为超长线列探测器焦面多层结构设计提供参考依据。
低温形变 理论仿真 面形测试 材料参数 红外焦平面探测器 low-temperature deformation theoretical simulation profile test material parameters infrared focal plane detector
1 昆明物理研究所，云南昆明 650223
2 空军装备部驻北京地区第一军事代表室，北京 100083
3 空军装备部驻昆明地区军事代表室，云南昆明 650031
对于在低温背景条件下应用的红外焦平面探测器，在其设计阶段首先需要确认的是探测器在低温背景下的主要性能参数是否满足应用需求。通过单元探测器的基本理论公式，从性能测试的角度，推导出了焦平面探测器主要性能指标的理论计算公式，包括峰值响应率、噪声、峰值探测率、动态范围等。提出了红外焦平面探测器主要性能参数计算的设计流程，并通过实例对长波红外焦平面探测器在低温背景下的性能参数进行了计算、设计及验证，实测结果与理论计算符合较好。表明了理论公式及设计流程具有较好的实用性，可为红外焦平面探测器的应用设计提供参考。
红外焦平面探测器 低温背景 性能参数 计算及设计 infrared FPA detector，low temperature background
1 中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009
2 2. 航空制导武器航空科技重点实验室，河南洛阳 471009
由于红外焦平面探测器受到制造工艺等限制，图像不可避免地会存在非均匀性。传统神经网络算法会留下“鬼影”的问题，本文改进传统神经网络算法，利用引导滤波图像作为期望模板，防止图像的边缘被滤波器平滑。当场景运动时，通过时域迭代的策略来不断进行非均匀性校正参数的更新。为了抑制算法中常见的鬼影现象，设计了基于空域局部方差和时域场景变化率相结合的自适应学习率，利用前后的校正参数自适应调整阈值。实验仿真表明，本文所提的算法相比于传统算法均方根误差下降 45.45%左右，可以在校正图像非均匀性的同时很好地抑制“鬼影”现象。
红外焦平面 非均匀性校正 基于场景 神经网络 引导滤波 infrared focal plane, non-uniformity correction, s
上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海201620
为了消除非制冷红外焦平面阵列上红外成像结果的非均匀性与成像过程中产生的盲元，提高了图像的对比度以及红外图像的实时处理能力。搭建了基于武汉高德红外公司生产的120×90红外焦平面探测器的电子学实验平台。利用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)的并行处理和流水化处理的能力，在FPGA上实现了非均匀性校正中的两点校正、基于中值滤波的盲元补偿、直方图均衡化以及伪彩色变换。实验结果表明，在200 MHz的输入时钟条件下，这种红外图像实时处理模块处理一帧图像耗时604 s，实时性强。该研究对于非制冷红外焦平面阵列应用优化具有一定的实际意义。
现场可编程门阵列 非制冷红外焦平面 红外图像处理 field-programmable gate array uncooled infrared focal plane infrared image processing
