红外焦平面阵列技术发展现状与趋势

1、.：.；红外焦平面阵列技术开展现状与趋势跨入二十一世纪以来，红外热摄像技术的开展曾阅历了三十多个年头。其开展已从当初的 HYPERLINK chinaoptic/mech_article n _blank机械扫描机构开展到了目前的全固体小型化全 HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子自扫描凝视摄像，特别是非致冷技术的开展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、平安防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性缺点诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视加强察看仪等宽广的民用领域。 红外热摄像技术的开展速度主

2、要取决于红外探测器技术获得的进展。三十年来，红外探测器技术已从第一代的单元和线阵列开展到了第二代的二维时间延迟与积分 TDI812m的扫描和35m的640480元InSb凝视阵列，目前正在向焦平面超高密度集成探测器元、高性能、高可靠性、进一步小型 化、非致冷和军民两用技术的方向开展，正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术方向开展。1开展现状1.1超高集成度的焦平面探测器像元像可见光 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/3 n _blankCCD之类的摄像阵列一样，要提高系统成像的分辨率和目的识别才干，大幅度地提高系统焦平面红外探测像

3、元的集成度是一种重要的途径。各公司厂家都在尽力添加焦平面阵列的像元数，开展各种格式的大型或特大型红外焦平面阵列。 在13m的短波红外SWIR焦平面阵列方面，由于多年来的军用都集中在中波红外MWIR和长波红外LWIR波段，因此SWIR焦平面阵 列技术的开展遭到忽略，但由于这个波段的许多运用是MWIR和LWIR运用达不到的，因此近几年来加快了对SWIR焦平面阵列技术的开展步伐，目前的阵列 规模已到达20482048元400万元。InGaAs红外焦平面阵列：虽然实现短波红外热摄像的候选资料要求低温冷却工 作，而且HgCdTe衬底失配率高，暗电流也高，唯有In0.53Ga0.47As的晶格常数与InP

4、一样，暗电流密度低达 310-8A/cm2，R0A21062，D*1013cmHz1/2W-1室温下，其光呼应峰值在0.9m1.7m，可实现 非致冷任务的高性能红外焦平面阵列，其多年的 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/5 n _blank光纤 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/5 n _blank通讯工业运用使其具有大批量消费的才干，因此几年来日益遭到注重，美国 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器无限公司在DARPA和NVESD支持下正在加速开展这种非致冷的红外

5、焦平面阵列和摄像机技术，其阵列尺寸已到达320240元。 HgCdTe阵列：由于军用目的的需求，过去这种资料焦平面阵列技术的开展主要集中于中波和长波红外波段运用，但洛克威尔国际科学中心却不断在开展 13m波段任务的HgCdTe焦平面阵列技术，其主要目的是天文和低背景运用，该中心在90年代中期已制出HQWA-110241024元阵 列，目前已研制胜利世界上最大的HQWA-2型20482048元的阵列，该中心正在方案研制40964096元的特大型阵列。在35m的中波红外焦平面阵列方面：中波红外焦平面阵列技术的开展不断是红外焦平面中开展最快的，主要有PtSi、InSb和HgCdTe三种阵列，其阵列规

6、模已到达20482048元400万元。 PtSi阵列已构成大批量消费才干，典型阵列有640480，801512，10241024，10401040，柯达公司新近推出的产品高 达19681968元，其阵列规模已接近于400万元，HgCdTe中波焦平面阵列是目前一切焦平面中波任务阵列中集成度高，最引人注目的，洛克威尔国 际科学中心在这方面的开展处于世界领先位置，除了640480和10241024元的天文运用阵列外，近期已预备提供用户运用的阵列为 20482048元，并正在采用拼接技术研制40964096元的阵列，但任务温度低于77K。InSb阵列是这个波段运用中深受注重的器件，主要是低背景天文运用

7、阵列规格达10241024元，典型阵列还有640480和640512元。 在长波红外焦平面阵列方面，主要集中于HgCdTe，GaAlAs/GaAs多量子阱阵列，SiGe异质构造阵列和非致冷红外焦平面阵列四种。 HgCdTe阵列的开展不断较为缓慢，近几年主要集中于GaAlAs/GaAs量子阱列和非致冷任务的红外焦平面阵列技术，开展极快，阵列规模已到达了 640480元。 字串8 HgCdTe焦平面阵列技术，由于这种资料的电学特性，进展不断较为缓慢，长波HgCdTe焦平面阵列规模仅为256256元。 GaAlAs/GaAs阵列是最近几年来开展最快的，研讨的国家公司机构很多，如美国的洛克希德-马丁、

8、洛克威尔国际科学中心，雷声、喷气式推进实验 室和空军研讨实验室等，日本的三菱电机和NTT，法国的汤姆逊和瑞典、加拿大、以色列的不少公司竟相研制开展，其中以喷气式推进实验室、雷声和洛克希德- 马丁公司的进展最快，目前的阵列尺寸已到达640484元，已评价了10241024元的双色阵列，正在程度集成四色阵列。 GeSi/Si异质构造红外焦平面阵列6，其任务机理类同于PtSi阵列。MBE技术的开展，为GeSi/Si、InSb和InGaAs、 GaAlAs、HgCdTe等高性能大型阵列开展提供了先进的制造技术。麻省理工学院和林肯实验室已制造了320240元和400400元的阵列，日 本三菱电机公司的阵

9、列规模已到达了512512元，只是目前GeSi/Si阵列任务温度明显低于77K。非致冷红外焦平面阵列， 由于近几年来获得的突破性进展，器件和整机系统运用技术的开展均很迅速，主要用于814m的长波红外波段探测，像美国霍尼韦尔、得克萨斯仪器、洛克希 德马丁、雷声、因迪哥系统、萨尔诺夫和波特兰前视红外系统公司等，日本三菱电机公司、英国GEC-马可尼和瑞典、加拿大等国的公司都竞相开展这种技术，竞 争几乎普及全球，开展甚为迅猛，目前常用商用阵列为320240元，640480元阵列即将问世。1.2高性能由于用采用诸如MBE、MOCVD这样的高精度控制制造 HYPERLINK chinaoptic/opti

10、c_article/2 n _blank工艺，微 HYPERLINK chinaoptic/mech_article n _blank机械加工技术和CMOS这样的大型或特大型集成多路传输器，不但实现了如10241024，20482048元这样的大型二维凝视红外焦平面阵列的高速大容量的信号处置，而且获得了高度均匀性的阵列焦平面呼应特性，进一步提高了阵列的性能。短波红外焦平面阵列，迅速实现了商用化。美国新泽西州 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器 无限公司的128128和320240元InGaAs焦平面阵列D*值1013cmHz1/2W-

11、1室温下，如冷却到250K任务 时，D*1014cmHz1/2W-1，1.31.6m的量子效率接近90，洛克威尔国际科学中心的PACE1型10241024元阵列和 HAWA2型20482048元阵列，平均量子效率65.4，光呼应不均匀性为4.3。page_break 中波红外焦平面阵列器件中，PtSi阵列经过二十来年的开展改良，性能大幅度提高，噪声等效温差NETD已优于0.1，三菱512512元 IRCSD已到达0.070.033K，801512元阵列填充因子61，NETD为0.076，最小可分辨温差0.17尼奎斯特，萨尔诺 夫的640480元阵列NETD0.18K，最小可分辨温差MRT0.0

12、4K300K，积分时间33毫秒，三菱10401040元PtSi阵 列不均匀性2；圣巴巴拉研讨中心InSb640512元阵列的NET优于20mK，10241024元天文运用的InSb阵列量子效率85 0.9m5m；洛克威尔国际科学中心PGM600-003640480元HgCdTe阵列77K量子效率68%，NET平均值为 0.013K，该中心的10241024和20482048元阵列也都具有良好的性能。 字串3 长波814m红外焦平面阵列，HgCdTe阵列开展时间最长，但阵列尺寸不大，目前的性能是非常好的，列任务温度7788K，量子效率 7075，NETD为13mk，双波段任务阵列量子效率为60%

13、；GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列开展到了今天的640480元 特大阵列，任务温度已接近或到达77K，截止波长长达14m16m，如喷气式推进实验室的640480元GaAs/AlxGa1-xAs阵列，工 作温度70K，NET为43mk，NET不均匀性为1.4，已报导了89m和1415m双色640486元阵列摄像机，这种阵列的任务温 度仍需提高到77K以上方可在系统运用方面获得大量运用的才干；非致冷的红外焦平面阵列技术是长波红外焦平面阵列技术开展的重要方向之一，近几年在技术上 获得了突破，投入批量消费，正在加紧推行运用。主要资料有VOx、Ti金属、硅、多晶硅、非晶硅、热释电和热释电铁电资

14、料几种，有热敏电阻微测辐射热计 和 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/4 n _blank薄膜热释电与热电堆几种阵列，目前已进入系统运用的阵列为320240元阵列，NETD通常优于0.1K，最正确性能为0.01K0.005K即10mk5mk，洛克希德马丁等公司已研制出640480元的最大阵列。萨尔洛夫公司采用Si3N4作绝缘层的阵列 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/3 n _blank设计，NETD可达0.005K，运用SiC时为0.01k。1.3高密度小像元尺寸大型或特大型高密度集成，特别是如100万和100万元以上探

15、测器元集成焦平面阵列要求高精度的超大规模集成 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/4 n _blank电路加工技术如亚微米和微 HYPERLINK chinaoptic/mech_article n _blank机械加工技术，焦平面阵列技术的开展很大程度上取决于超大规模集成 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/4 n _blank电路的进展。DRAM每个单元仅要求一个晶体管，而红外焦平面阵列读出 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/4 n _blank电路那么需三个或更多的晶体管，而且其中有一个必需

16、是低噪声模拟的，目前DRAM消费程度 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/3 n _blank设计规格为0.25m，预消费 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/3 n _blank设计规 格已是0.18m，在这样先进加工条件下，焦平面阵列多路传输器和探测器元尺寸都可进一步减少，阵列元数集成度更高，图1是焦平面阵列技术开展与微细加 工技术的开展趋势关系。目前的红外焦平面阵列由于采用亚微米加工技术，像元尺寸大为减少，实现了小像元高密度的红外焦平面集成的进一步开展。由于微细加工 技术的开展，PtSi阵列的像元尺寸已小达2020m2和

17、1717m2，如柯达KIR390019681968元阵列和日本三菱 10401040元阵列，HgCdTe阵列已小达1818m，如洛克威尔科学中心的HAWA-220482048元阵列，其 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/3 n _blank设计规格为0.8m，洛克希德马丁红外摄像公司的640480元非致冷红外焦平面阵列的像元尺寸减少为2828m2，雷声和喷气式推进实验室的89m和1415m波段任务的双色GaAlAs/GaAs量子阱阵列像元尺寸小达2525m。 1.4多色任务随着红外焦平面阵列制造技术的迅速进展，由于许多实践运用的需求，近期在双色或多色红外焦平

18、面阵列技术开展方面获得了显著的进展，如美国加州理工学院喷气式推进实验室空间微 HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子中 心、雷声先进红外中心和空军研讨实验室最近研制出的89m和1415m的双色640486元GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列及其摄 像机，雷声、美国陆军研讨NASAGooddard航天飞行中心和洛克威尔科学中心共同研制的11.2m和16.2m截止波长的256256元 GaAs/GaAlAs量子阱红外焦平面阵列，这些机构都是在加紧开展这种二色和多色焦平面阵列,都是在原来单色焦平面阵列获得极大进展的 HYPERLINK chi

19、naoptic/mech_article/1 n _blank根底上迅速地研制出了这种双色阵列。但这种技术目前的任务温度尚不到77K，同时探测器像元要求二种任务电压，长波敏感区需极高的偏压8V实现长波红外探测，虽然电压可调，但不能同时提供二个波段的数据。2未来的开展趋势上面已表达了进入二十一世纪以来红外焦平面技术的开展现状与趋势，2021年时的红外焦平面阵列技术开展将是人们非常关注的课题，那么2021年时红外焦平面阵列技术的开展将是什么结果呢？目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术开展的转变时期。各有关公司厂家着眼于2021年市场需求，正在加紧确定第三代红外焦平面

20、阵列技术的概念，目前各有关公司和厂家机构的留意力已转向第三代红外焦平面阵列 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器的开展。第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种要求：焦平面上探测器像元集成度为106元，阵列格式1K1K，至少双色任务，高的任务温度，以便实现低功耗和小型轻量化的系统运用，非致冷任务红外焦平面阵列 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器的性能到达或接近目前第二代致冷任务红外焦平面阵列 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank

21、传感器的程度，必需是极低本钱的微型 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器，甚至是一次性运用的 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器。第三代红外焦平面阵列 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器有以下三种：即： 1大型多色高温任务的红外焦平面阵列，探测器像元集成度106元，阵列格式10001000，10002000，和40964096元，像 元尺寸1818m2，目前芯片尺寸2222mm2，未来的芯片应更大，高的量子效率，能存储

22、和利用探测器转换一切的光 HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子，自顺应帧速480Hz，双色或多色任务，运用斯特林或热电温差电致冷器，任务在120180K，光呼应不均匀0.05%，NETD50mk(f/1.8)，构造上单片或混合集成，可以是三维的。 字串1 2非致冷红外焦平面阵列，无须温度稳定或致冷，用于分布孔径 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/3 n _blank设计，分量仅1盎司，30mW功率，焦平面探测器元集成度106元，阵列格式10001000元，像元尺寸为25m25m，NETD10mK(f/1)，

23、或60mK(f/2.5)，低本钱、低功耗、中等性能，用于分布孔径 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/3 n _blank设计中获取适用信息。3非致冷任务的微型 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器，焦平面探测器像元集成度仅160120元320240元，像元尺寸50m50m25m25m，NETD50mK(f/1.8)，输入功率10mW以下，分量1盎司，尺寸2立方英寸，低本钱。最终的第三代红外焦平面阵列将是极低本钱的微型 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _bla

24、nk传感器，将占领整个红外市场，其未来的运用将是无人操作的一次性运用 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器，如微型无人驾驶航空飞行器，头盔安装式红外摄像机和微型机器人等。表1列出了第三代红外焦平面阵列 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器的特点。表1第三代红外焦平面阵列特征高性能多色致冷 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器高性能非致冷 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blan

25、k传感器非致冷微型 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/1 n _blank传感器焦平面阵列格式1000100010002000200020004096409610001000160120320240像元尺寸18m18m1密尔1密尔2密尔2密尔任务波段双色或多色812m封装真空高真空中等真空中等真空制冷器 HYPERLINK chinaoptic/mech_article n _blank机械或热电温差制冷器非致冷非致冷任务温度120K180K室温，无需温度稳定室温，无需温度稳定目的最大作用间隔 最大杂波抑制低本钱，低功耗，中等性能一次性运用，10mW功率3结论

26、 进入二十一世纪，红外焦平面阵列技术开展已获得了举世瞩目的成就，已从第一代线阵列开展到了今天的二维TDI和大型凝视焦平面阵列，目前正在向焦平面探 测器元高集成度106元的高密度、小像元25m25m18m18m、高性能、多色和低本钱的方向开展；非致冷红外焦平面阵列 技术近几年获得的突破为红外焦平面阵列技术开辟了更加宽广运用领域，市场急剧扩展，这种焦平面阵列是未来开展低本钱红外焦平面阵列的重要途径；目前的红外 焦平面阵列性能和废品率已大幅度提高，已具有一定规模的消费才干，运用领域正等待着这一才干的大幅度提高。显然，目前的红外焦平面阵列技术开展正处在向第 三代阵列技术开展的转机时期，各有关公司厂家机

27、构正在研讨确定2021年前第三代红外焦平面阵列的概念。预期这一技术的开展将会进入新的开展时期。 跨入二十一世纪以来，红外热摄像技术的开展曾阅历了三十多个年头。其开展已从当初的 HYPERLINK chinaoptic/mech_article n _blank机械扫描机构开展到了目前的全固体小型化全 HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子自扫描凝视摄像，特别是非致冷技术的开展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、平安防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性缺点诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视

28、加强察看仪等宽广的民用领域。 红外热摄像技术的开展速度主要取决于红外探测器技术获得的进展。三十年来，红外探测器技术已从第一代的单元和线阵列开展到了第二代的二维时间延迟与积分 TDI812m的扫描和35m的640480元InSb凝视阵列，目前正在向焦平面超高密度集成探测器元、高性能、高可靠性、进一步小型 化、非致冷和军民两用技术的方向开展，正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术方向开展。我们通常把 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学分成几何 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n

29、 _blank光学、物理 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学和量子 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学。 几何 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学是从几个由实验得来的根本原理出发，来研讨光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描画光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是动摇 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学在某些条件下的近似或极限。 物理 HYPERL

30、INK chinaoptic/optic_article n _blank光学是从光的动摇性出发来研讨光在传播过程中所发生的景象的学科，所以也称为动摇 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学。它可以比较方便的研讨光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的景象。 动摇 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学的 HYPERLINK chinaoptic/mech_article/1 n _blank根底就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。动摇 HYPERLINK chi

31、naoptic/optic_article n _blank光学不详论介电常数和磁导率与物质构造的关系，而偏重于解释光波的表现规律。动摇 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时景象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散景象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的景象的影响。 量子 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学 1900年普朗克在研讨黑体辐射时，为了从 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/1 n _

32、blank实际上推导出得到的与实践相符甚好的阅历公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能延续变化，只能取一份份的分立值。 1905年，爱因斯坦在研讨 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/6 n _blank光电效应时推行了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他以为光能并不像电磁波 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/1 n _blank实际所描画的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在 HYPERLINK chinaoptic/elec_article/6 n _blank光电

33、效应中，当光子照射到金属外表时，一次为金属中的 HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子全部吸收，而无需电磁 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/1 n _blank实际所估计的那种累积能量的时间， HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子把这能量的一部分用于抑制金属外表对它的吸力即作逸出功，余下的就变成 HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子分开金属外表后的动能。 这种从光子的性质出发，来研讨光与物质相互作用的学科

34、即为量子 HYPERLINK chinaoptic/optic_article n _blank光学。它的 HYPERLINK chinaoptic/mech_article/1 n _blank根底主要是量子力学和量子电动力学。 光的这种既表现出动摇性又具有粒子性的景象既为光的波粒二象性。后来的研讨从 HYPERLINK chinaoptic/optic_article/1 n _blank实际和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的一切物质，包括 HYPERLINK chinaoptic/elec_article n _blank电子、质子、中子和原子以及一切的宏观事物，也都有与其本身质