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1、红外成像装备及观察到的红外成像装备及观察到的F117图像图像紫外光紫外光红外光红外光X-射线射线GammaRaysEHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF0.1A1A1UA100A0.11101001cm0.1cm10cm1m100m 1km10km 100km10m30mm20mm15mm1mm800m300m100m20m10m0.8m0.6m0.4m红外线波长范围：红外线波长范围： 在在0.75m 1000m500m大气主要成分对红外辐射的吸收谱大气主要成分对红外辐射的吸收谱从上述关系中，可以看到黑体的热辐射非常强烈地依赖于温度，温度高的黑体，热辐射很强，其峰值波长较短。
2、实际物体的的辐射特性与黑体相似，只不过与材料种类和表面特性（辐射率）有关。物体的温度与辐射峰值波长的关系举例如表1.1所列，从表中可以看出，武器装备和军事感兴趣的目标辐射的红外线，大都在1m-10m之间，所以，前面介绍的短波红外、中波红外和长波红外三个大气窗口，在军事应用上最为重要。物体的温度与辐射峰值波长的关系举例如下：物体的温度与辐射峰值波长的关系举例如下：功能 目标 典型温差/K 对NETD的最低要求/K侦察 人的皮肤 8 1.5 侦察 穿衣服的人 2 0.4侦察 飞行器 10 2.0侦察 车辆 5 1.0侦察 船舶 2 0.4医疗诊断 皮肤温度、血液循环温度 0.2-0.5 0.05-
3、0.1天文学 行星、宇宙尘埃、气体云团等 尽可能小1.2.1 辐射度学物理量1、辐（射）能 辐能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光、红外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示，单位是焦（J）。2、辐（射）通量 辐通量e又称为辐射功率，定义为单位时间发射、传输或接收的辐射能量即e=dQe/dt,单位是瓦（W）或焦/秒（J/s）。3、辐（射）出（射）度 辐出度Me是用来反映物体辐射能力的物理量，定义为辐射体单位面积发射的辐射通量即Me=de/dS,单位为瓦/米2（W/m2）。4、辐（射）强度 辐强度Ie定义为点辐射源在给定方向上发射在单位立体角内的辐通量，用Ie表示即Ie=de/d,
4、单位为瓦/球面度（W/sr）。Ie/(dScos)=d2e/ddScos,其中为给定方向和辐射源面元法线间的夹角，单位为瓦/（球面度米2）（W/（srm2）6、辐（射）照度 在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA的辐通量与该面元面积之比，即Ee=de/dA,单位为瓦/米2（W/m2）7、单色辐（射）度量 对于单色辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量Xe来说，单色辐度量与辐度量之间均满足Xe=0Xe()d1.2.2常用辐射度学物理量与光度学物理量之间的对应关系Ie/(dScos) W/（srm2）光亮度 Iv/(dScos) Ee
5、=de/dA Ev=dv/dA lx1.2.2 辐射度学与光度学的基本定律 对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即 m K m K时，该公式与普朗克公式的误差小于1%。5、维恩公式 当 m K区域内，该公式与普朗克公式误差小于1%。6、维恩位移定律 对式m K。7、斯忒藩-玻尔兹曼定律 斯忒藩-玻尔兹曼常数，该定律表明黑体的辐出度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。本征半导体N型半导体P型半导体光照Ip2、p-n结光电效应 p-n结受光照产生载流子，使p-n结两端产生光生电动势。n区产生的光生电子和p区产生的光生空穴属多子，被势垒阻挡而不能过结，只有n区的光生空穴、p区
6、的光生电子和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结区，即为光电流。在浓度差的作用下，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散；2.2.3 光电发射效应（外光电效应） 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础，外光电效应有两个基本定律。1、光电发射第一定律斯托列托夫定律 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光子数目）与光强度成正比，即Ik=SkF0 式中Ik光电流，Sk 光强， F0 该阴极对入射光线的灵敏度。
7、2、光电发射第二定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关，即1/2mev2max=h-W 式中me 光电子的质量，vmax出射光电子的最大速度，h普朗克常数，W发射体材料的溢出功。 利用热电效应（也称热释电效应）的探测器，是由一类处于极化状态的材料构成的。在通常情况下，极化强度被表面杂散电荷抵消，不显出电性；当极化后的材料受到红外辐射时，温度升高，材料极化强度随之发生变化，杂散电荷跟不上极化强度的变化，于是表面呈现出电位差，连接外电路，就会有电信号产生。在各种热探测器中，热电探测器灵敏度高，使用方便。常用热电探测器主要有硫酸三甘肽（TGS）、钽酸锂（LiTaO
8、3）、铌酸锂（LiNbO3）、铌酸锶钡（SBN）、钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅（PbZrTiO3）和钛酸钡（BaTiO3）等，还有聚氟乙烯（PVF）、聚二氟乙烯（PVF2）等塑料薄膜。热电探测器是目前开发研究较多的一种热探测器。 由于热探测器在常温工作，结构比较简单。为了提高探测器灵敏度，减小探测器的热容是关键。办法是把芯片尺寸缩小，厚度减薄，采取绝热措施。芯片的装架可以是四周固定，中间悬空的悬空式结构；也可以用绝热性能好的材料做衬底，制成刚性较好的带衬底的结构。探测器外壳用金属材料，可以屏蔽电磁干扰，外壳内抽真空或充惰性气体保护，窗口是透红外材料。虽然热电探测器是宽光谱响应，但真正应用时
9、，也用在一定波长范围，窗口材料的透射率与工作波段应该相一致。热电探测器可以做成单元，也可做成多元。 某一型探测器杜瓦的三维剖视图不同工作温度的硫化铅探测器性能 1.硫化铅探测器 硫化铅探测器是1m-3m波段应用很广的器件。它一般为多晶薄膜结构，是光电导型器件，有单元和多元线列器件，通过镶嵌结构可多达2000元。它的阻值适中，响应率高，可以在常温工作，使用方便；在低温工作时，性能有所提高。它的主要缺点是响应时间常数较大，电阻温度系数大。目前，它在红外探测、制导、引信、跟踪、预警、测温等领域大量使用，由于硫化铅探测器工作在短波红外（1m-3m），所以适合对高温目标（如导弹和喷气式飞机的喷口尾焰）探
10、测。2.硒化铅探测器 硒化铅探测器是薄膜光电导型器件，工作在3m-5m波段，有单元和多元器件，可以在常温工作，其性能随工作温度降低有所提高，可以用半导体制冷器制冷。工作温度在200左右时，是3m-5m波段的首选器件。 不同工作温度的硒化铅探测器性能 扫积型（SPRITE）器件，是碲镉汞光电导型器件的另一种结构形式，它是20世纪80年代初英国人埃利亚特（C.T.Elliatt）研制成功的。它实际上是一种长条型结构的光电导型探测器，以光学扫描和光电信号漂移运动同步的方式，在一个长条状的碲镉汞光电导型器件内部完成信号积分叠加，相当于多元光电导探测器的串联扫描方式工作。其优点是一条扫积型器件相当于一行
11、多元线列器件再加时间延迟积分（TDI）的功能，简化了电子线路结构，主要用于红外热成像系统。3.碲镉汞探测器 碲镉汞（MCT）晶体材料是由HgTe和CdTe按一定比例合成后，在高温炉中提拉生长成的，其组成分子式为Hg1-xCdxTe，x表示摩尔组分，调整组分x值，可以连续改变探测器的响应波长，从1m到大约30m。实际应用中，三个大气窗口都有碲镉汞红外探测器应用，可以用光电导型与光伏型两种方式工作。 在1m-3m波段，它的响应速度快，比在此波段工作的硫化铅器件的响应速度提高3个数量级以上；在3m-5m波段，它可以任意调整响应峰值波长，选择探测目标最合适的波长，与锑化铟形成竞争；在8m-14m波段，
12、它是目前最成熟、应用最广、最受重视的长波红外探测器。光电导型碲镉汞探测器有30元、60元、120元、180元等系列化产品；光伏型碲镉汞探测器有64元、128元、256元等，高频器件工作带宽可达1Gz以上，广泛用于热成像、跟踪、制导、告警等领域。不同x值碲镉汞光电导探测器的光谱探测率 4.锑化铟探测器 工作在3m-5m波段，有光电导型与光伏型两种。光电导型器件可以在常温工作，但性能稍低，不如低温时高。常用锑化铟探测器工作在77K，以光伏型为主，有单元和多元器件，线列可长达256元以上。它的灵敏度高、响应速度快，是目前3m-5m波段最成熟、应用最广的探测器，广泛用于热成像、制导、跟踪、探测、告警。
13、用于制导时可以迎头或全方位攻击空中目标。5.锗掺杂（Ge：X）探测器 它是一种杂质光电导型探测器，以锗材料为基体，掺入不同杂质会有不同的响应波长。它工艺简单、灵敏度高。在碲镉汞探测器成熟之前（约20世纪60年代），锗掺汞是工作在8m-14m的主要长波探测器。为了减少热激发的影响，长波锗掺杂器件必须在很低的温度下工作，一般在30K以下，由于制冷比较困难，因此限制了它的应用。6.硅掺杂（Si：X）探测器它也是一种杂质光电导探测器，以硅材料为基体，掺入不同杂质会有不同的响应波长。因为它也必须工作在很低的温度，应用受到限制。但由于它可以和Si信号处理电路单片集成，仍受到一定重视。 7.双色（或多色）探
14、测器 它是具有两个或更多波段光谱响应的器件。它可以有单片式，如不同x值得碲镉汞分层结构，低x值组分在上，高x值组分在下，分别制作成深浅不同的PN结；可以有异质双层材料组成，也可以用不同波段探测器叠层而成。当它受到红外线照射时，会有两个波段信号输出，如3m-5m InSb/8m-12m HgCdTe双色器件，或Hg0.74Cd0.26Te/Hg0.8Cd0.2Te双色器件等，双色InSb/HgCdTe器件光谱响应如图所示。3.4.1 光电探测器的噪声 光电流或光电压实际上是在一定时间间隔中的平均值，输出信号是在平均值上下的随机起伏，这种随机的、瞬间的、幅度不能预知的起伏称为噪声。 一般光电测量系
15、统的噪声可分为三类，如图：背景目标光学系统探测器信号处理前放显示光子噪声探测器噪声信号放大及处理电路噪声3.5.1 组件和结构 红外探测器的功能是进行光-电转换，它通常需要制冷和低噪声前置放大等一些比较特殊的工作条件，因此选配好制冷器、前置放大器、光学元件等配套件对于保证探测器发挥应有的性能非常重要。因此，通常将探测器和制冷器，前置放大器、光学元件等组装在一起，构成一个结构紧凑的组合件，简称为探测器组件。 探测器组件是探测器和其工作必须的配套件组合在一起的一个完整功能部件，它可以做为整体维修或更换。这些配套件都是为了充分发挥探测器性能潜力而配调配装的，因此进行探测器配套件的配调时，必须熟悉探测
16、器的性能和特点，进行一对一的装调。经过多年实践，探测器的使用者和制造厂家都有一个共同的认识：最后由探测器生产厂家配好杜瓦、光学元件、前置放大器和制冷器，以一个完整功能组件形式提供给用户，给使用者提供极大方便，便于推广使用，便于维修更换。国外早已从20世纪70年代开始，作为标准产品，以“通用组件”提供给用户使用。 这里仅以军队中使用最多的低温工作的光电探测器为例加以介绍，其主要组成部分和功能如下： 微型制冷器的出现和发展，与军用红外技术的需求有着十分密切的关系，目前已经成为现代制冷技术研究的一个重要分支。微型制冷器的特点是结构微型化、功耗低、制冷效率高等，专门适合于要求特殊制冷环境的武器装备使用
17、。目前，用于红外探测器制冷的制冷器已有许多成熟的产品，其中有灌液式杜瓦、气体节流（J-T效应）制冷器、斯特林制冷机、辐射制冷器和半导体温差电制冷器等。1.灌液式制冷器 把液态制冷工质，如液态氮或液态空气直接灌入杜瓦内进行制冷。这种制冷方式简单易行、制冷温度稳定、无振动，不引起探测器的附加噪声。用它可以把大多数常用的红外探测器冷却到所需的工作温度。另有一种灌液式制冷器是把液体制冷工质（如液氮）储存在单独容器中，靠双向传输原理，用一根软管把液体制冷工质不断注入到探测器杜瓦中实现探测器制冷。但这种制冷方式必须要有液态工质供应源。2.气体节流制冷器 它是基于气体的焦耳-汤姆逊效应（J-T效应）而获得低
18、温的制冷器。也即是利用高压气体通过小孔节流，绝热降压膨胀时变冷的效应而制成的一种制冷器。利用不同的高压气体作为制冷工质，可以实现不同的制冷温度，从制冷器的一端通入常温高压气体，其另一端就会出现低温液体。例如，高压氮气经过节流制冷器后就会变成液态氮，高压空气通过节流制冷器后就会变成液态空气。 气体节流制冷器的优点是体积小、重量轻。冷却速度快、工作可靠，特别适合于安装在空间很小而且制冷时间较短的导弹寻的头中的红外探测器制冷。它所需要的气源由高压气瓶供给，或用小压缩机直接供应高压气体。它们对工质的纯度要求很高，气体中含有水汽或杂质是不允许的，因为水汽或杂质随工质经节流后温度降低，会因冻结而堵塞节流孔
19、，使节流制冷器无法工作。目前，红外探测器所用的节流制冷器主要有自调式和快启动式两种。3.微型斯特林制冷机 微型斯特林制冷机工作原理类似家用电冰箱，但它以氦气（或空气）为工质，通过闭合压缩-膨胀循环原理实现制冷。斯特林制冷机是一个闭合密封系统，氦气在机内循环。其结构紧凑，质量为1kg-3kg，启动时间2min-10min，制冷功率0.2W-1.5W，输入功率为30W-80W。这种制冷器只要通电就能制冷工作，不需要更多的后勤保障，使用方便，是目前军用红外整机中最受重视的一种制冷机。目前用于红外探测器制冷的斯特林制冷机有两种结构：一种是整体式斯特林制冷机，探测器芯片直接装配耦合到制冷机的冷指，真空杜
20、瓦的封装将冷指与探测器同时密封，其结构非常紧凑、体积很小，缺点是由于运动部件的振动会引起探测器噪声，使用这种制冷机时应采取预防影响探测器振动的措施；另一种是分置式斯特林制冷机，压缩机和制冷部分分开一定距离（一般为30cm-50cm），中间由一条柔性管道连接，把压缩机的振动隔开，降低振动对探测器性能的影响，同时两部分可以分开放置，最适合随动系统使用。斯特林制冷机的制冷温度可以控制，一般可达77K，军用斯特林制冷机的工作寿命要求大于5000h。4.辐射制冷器 这种制冷器专为在宇宙空间工作的人造卫星或宇宙飞船上的红外探测器制冷。宇宙空间是超低温和超高真空环境，相当于一个温度约4K的黑体。辐射制冷器是
21、根据宇宙空间的这一特殊环境，利用辐射传热原理来制冷。辐射制冷器的主体称为辐射器，形状像喇叭，喇叭筒（或棱锥）外壁加绝热层，内壁加工成镜面，抛光镀金，呈向外倾斜的几何体，锥顶为一冷片，探测器装在冷片上，辐射器把宇宙空间的冷量反射聚集到冷片上，对探测器制冷。 辐射制冷器是一种不需要任何动力、无振动、高可靠、长寿命的被动制冷器。它对卫星上红外探测器制冷应用非常成功，唯一需要注意的是不能使辐射器对着太阳等热源，所以卫星必须有姿态控制装置。辐射制冷器制冷温度可以达到100K-200K，制冷功率为几毫瓦到几十毫瓦。5.半导体制冷器（也称温差电制冷器） 它是利用温差发电的逆效应。当电流通过不同半导体构成的回
22、路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象，称为珀耳帖效应。这种现象于1834年由珀耳帖发现。但真正把它作为微型制冷器用于红外器件制冷，则是20世纪40年代至50年代以后的事。其制冷量的大小，取决于所用的半导体材料和所通电流的大小。半导体制冷器的制冷效果用冷端与热端的温差来衡量。为了取得好的制冷效果，对制冷器热端采取散热措施是必要的。半导体制冷器有单级和多级结构，半导体制冷器适合于给在195K-300K之间工作的探测器制冷。红外系统红外探测器属探测微弱信号的低噪声器件，选配好低噪声前置放大器很重要。1.对前置放大器的噪声要求 以长波光电导型碲镉汞
23、探测器为例，探测器阻值为50-100，噪声电压一般为210-9VHz-1/2。假若要求信噪比为5的条件下系统能正常工作，此时输出信号只有110-8V。经过前放后，要保持探测器输出的信噪比基本不变，或不会严重降低，那么前置放大器的等效输出噪声天平应该在110-9VHz-1/2以下为宜。另外，前放自身的噪声系数是引起信噪比恶化的重要因素。因此，前放噪声系数应小于2dB，这个要求是很高的。2.前置放大器典型参数 仍以碲镉汞光电导型探测器为例，前置放大器的典型参数如下：最佳输入源阻抗：约50；放大倍数：5103；等效输入噪声：110-9VHz-1/2 输出阻抗：100；放大器带宽：低频：3.5Hz：前
24、放噪声系数：2dB；高频20kHz 输出动态范围：60dB。3.针对探测器参数进行选配前置放大器 由于各种不同探测器的性能参数范围很宽，不可能以通用前放的形式适用不同类型的探测器，而必须根据探测器参数进行选配。（1）对低阻（约100）红外探测器，采用低源阻抗的双极型低噪声器件作为前置放大器第一级，并采用电压放大形式。工程用前置放大器噪声系数小于3dB。（2）对高阻（约10M）红外探测器，采用MOS型低噪声场效应管作为前置放大器第一级，并采用电流放大形式。工程用前置放大器噪声系数小于3dB。因为各种探测器性能有很大差别，同一种探测器性能也有一定的离散性，在工程整机研制中，要针对探测器参数进行前放
25、设计，对器件进行一对一的调试，以取得最佳效果。对多元探测器，还要在前放设计中对器件不均匀性采取补偿措施。为了减小体积和质量，前置放大器多采取二次集成的方式，特别对于多元探测器，在一个管壳中可能封装多个前置放大器，或者多个前置放大器混合集成在一起。4.1.1 红外焦平面阵列 红外焦平面阵列（IRFPA）是新一代红外探测器，在单元和多元红外探测器的基础上，结合了微电子芯片工艺技术，发展了元数多、规模大、功能强、集成化的红外探测器，已经成为现代军用红外成像系统的首选器件。红外焦平面阵列的出现，有力地促进了红外技术应用的发展，它可以使红外整机结构简化、性能提高、可靠性提高，使红外武器装备的性能大幅度地
26、提升，已经在红外热成像、侦察夜视、精确制导、搜索跟踪、监视预警、和光电对抗等军用系统中得到广泛应用，成为先进光电武器装备的关键组成部分。红外焦平面阵列代表了红外探测器的发展方向，是各技术先进国家争相发展的一项关键技术。 上一章所介绍的单元和多元红外探测器，均属分立元件形式，要取出每个探测元件的光电信号，必须有两条信号引出线。对于多元探测器，可以共用一条“地线”，而另一条信号线则必须从各个分立的元件单独引出。如果探测器元数增多，信号引出线也相应增多。对于军用最多的高性能光子探测器，为保证制冷到低温工作，探测器芯片被封装在高真空杜瓦中，信号引出线通过杜瓦外壳引出，同时又要保证杜瓦的高真空密封。例如
27、，一只120的得探测器，至少要有121条（通常126条-132条）引出线，这么多线从杜瓦外壳中引出，要保证杜瓦真空密封性，难度很大。与信号引出线相对应，每根信号线都要配一个低噪声前置放大器，信号放大后才便于后续处理，因此使用非常不便，功耗也大。 所以，使用分立形式的多元红外探测器，一般都在200元以下。元数再多，困难更大，很难保证其可靠性。20世纪70年代到80年代美国发展了以60元、120元、180元碲镉汞光电导探测器为典型代表的通用组件，称为第一代红外探测器，适应当时技术水平，得到了广泛应用。利用微电子工艺和集成电路技术，使红外探测器在焦平面上完成光电转换和信息处理功能，组成几千个甚至几十
28、万个高密度的探测器阵列成为可能。所以把这种在探测器芯片上既完成光电转换又实现信号处理功能的多元红外探测器称为红外焦平面阵列。InSb探测器器件的结构示意图红外焦平面阵列可以从不同的角度进行分类，根据在使用中的主要特征，按工作温度、光电信号与处理电路的耦合方式、光学系统的扫描方式和探测器元数及排列形式进行分类如下：制冷是高性能红外光子探测器的主要工作条件。目前非制冷型探测器主要是热型探测器，均为凝视型工作；单片式红外焦平面阵列，目前使用的只有肖特基势垒型探测器和部分热探测器。至于探测器材料和工作波段与分立式探测器是一样的。例如1m-3m HgCdTe；3m-5m HgCdTe、InSb、PtSi
29、;8m-12m HgCd、GaAs/AlGaAs多量子阱等。 IRFPA是探测器芯片与信号处理芯片耦合互连后的整体，其中十分突出的问题是探测器的光电信号如何注入到信号处理电路的输出级、IRFPA探测器和读出电路之间如何实现电耦合以及信号的传输处理和输出。在IRFPA中的每个探测器将入射光子转换成电荷后产生的信号必须注入到多路传输器（CCD或CMOS），进行多路传输后读出。探测器与读出电路之间的输入电路必须满足许多要求和约束条件，才能尽可能减小注入信号的损失。多路传输器的噪声、耦合过程与传输过程的噪声应低于探测器噪声，才不致降低探测器的信噪比。由于IRFPA中每个探测元的信号都要单独且一一对应地
30、进入信号处理电路，而高密度的探测器分布，给设计信号输入电路所限定的空间太小，又无法容纳更多的电路元件，因此必须设计专用的输入、传输处理和输出电路。它既应满足性能指标的要求，又要在线路复杂程度与元件数量相同的条件下仅占有很小的有效面积。此外，IRFPA探测器专用集成电路的难点还在于，这些模拟电路的设计性能还必须能在低温制冷条件下工作，达到所要求的性能。 探测器与CCD或CMOS之间已经发展了多种输入、输出电路。其中输入电路有直接注入（DI）、缓冲直接注入（BDI）和栅调制（GM）等；在CMOS中还采用每个探测器配一元跟随器（SFC）和电容互阻抗放大器（CTIA）等方法。而输出电路目前应用最广的、
31、最通用的读出电路类型有CCD、MOSFET开关。至于信号处理可分为焦平面上处理和焦平面外处理两类。下面分别予以介绍 。1.CCD读出电路 CCD读出电路已被广泛地应用于可见光至红外的摄像系统，同时也被用于单片式和混合式IRFPA信号传输，CCD读出电路是由金属-绝缘体-半导体（MIS）栅组成，这些MIS栅可使模拟电荷包按顺序转移至输出电路。CCD的优点是线性度好、响应均匀、噪声低、功耗小。2.MOSFET读出电路 右图为MOSFET开关读出电路的基本结构原理图。每一个探测器的阳极接至公共地线，阴极通过MOS开关耦合到输出视频线。在垂直方向上的一列MOSFET开关的控制栅连接在一起，水平扫描寄存
32、器一次选通一列二极管，垂直扫描寄存器选通水平方向某一行总线。用这种方法可以按顺序对每一像素分别寻址。由各个像素输出的信号电荷被转移到多路传输器读出，形成视频信号。在读出周期结束时，每一探测器由复位开关MOSFET复位。视频线路连接到以读出前置放大器MOSFET为源极的输出电路，以低输出阻抗将视频输出与外电路接通。模拟电路包括选择开关、复位开关和前置放大器，它们都集成在同一硅芯片上。这样MOSFET读出电路的密度可以做得很高，这就为电荷存储腾出了较多的空间，与比较好的噪声特性结合可以达到很大的动态范围。另外硅工艺技术对MOSFET的设计是高度标准化的，因此可以实现高成品率和低成本。此外，某些时序
33、和开关电路可以做在硅芯片上，因此对读出电路的接口电路要求非常简单，这样就减少了从杜瓦引出的时钟信号的数目。 包含了成千上万个探测器的IRFPA，给探测器特性的描述带来了新的情况与要求，如何描述焦平面阵列的特性对研究器件和使用器件来说都是极其重要的。用通常描述单元探测器特性的参数来描述焦平面阵列是远远不够的，因为还必须要有能反映出它的平面特性的参数。不仅应测定像元的响应率、探测率，而且需要测定它们的平均值与不均匀情况，要测定它的瞬态噪声、空间噪声和焦平面噪声，要了解探测元之间的串扰情况、占空因子、无效像元或死像元的占有率等。由于在焦平面上的各像元的信号不能直接读出，必须经过多路传输器或CCD传输
34、后由读出电路读出。焦平面上的光敏元将光电信号以“电荷包”形式注入传输器，在传输器输出端将信号电荷再转换成信号电压或信号电流后读出，所以涉及到“注入效率”、“传输效率”和“转换率”等因子。成千上万的探测元的性能客观上存在不一致性，也就是存在一个均匀性问题。通常在参数测量前，在片外需先进行非均匀性校正。面对着不同材料、不同读出电路和不同功能，焦平面的测量及其性能评价是件极其复杂的工作，需要测试系统具有多功能性、通用性和高度的自动化。在焦平面阵列封装以后，用一些特征参数来描述焦平面阵列性能，向用户作出说明。下表列出了红外焦平面阵列的主要评价参数。特性参数定义或说明探测器元数与结构4N型探测元多排长列
35、形式，如（4288）、（4480）元等面阵型探测元排成二维面阵形式，如（320240）元等探测材料中波、长波、非制冷制备不同工作波段或工作温度IRFPA所用功能材料，如HgCdTe、PtSi、InSb、a-Si、VOx制冷形式斯特林制冷工作温度可低于77K节流制冷工作温度77K、80K等非制冷室温光电转换特性响应率探测器接收单位辐射功率所产生的电压或电流信号平均响应率焦平面上各有效像元响应率的平均值平均探测率焦平面上各有效像元探测率的平均值占空因子焦平面上各有效像元的光敏面积的总和与光敏芯片的总面积之比响应均匀性响应率不均匀性各像元响应率均方根差与平均响应率之比死像元响应率小于平均响应率1/1
36、0的像元过热像元噪声电压大于焦平面平均噪声电压10倍的像元盲元死像元和过热像元的总和空间噪声响应率不均匀性与平均响应信号电压的乘积频率特性积分时间像元累积辐照信号产生信号电荷的时间帧周期相邻帧间隔时间（最长积分时间）噪声特性焦平面噪声电压平均瞬态噪声电压与空间噪声电压的平方和的根噪声等效温度噪声电压与目标温度产生的电压相等时，目标与背景的温度之差称为噪声等效电压动态特性动态范围表征焦平面阵列能探测辐射信号大小的相对范围空间分辨特性串扰焦平面阵列某一像元被激活时，阵列中其它像元出现不需要的信号称为串扰。通常以该信号与被激活像元信号的比值百分数表示光谱特性相对光谱响应探测器的响应波长范围红外焦平面
37、阵列的主要评价参数 阵列格式/元320256失效像元/(%)1最大工作电压/V7像元尺寸/（mm）3030工作温度/K80芯片功耗/W50芯片有效面积/（mmmm）9.67.8制冷方式斯特林制冷机探测器制冷器组件功耗/W8（稳定状态）工作波段/m3-5阵列固有MUX噪声/V200工作环境温度/-45- +70信号处理电路技术CMOS采样格式闪视组件质量/g约600噪声等效温差/mK10（中等）输出速率/MHz5中波锑化铟IRFPA基本参数（BAE系统公司产品 阵列格式/元384288失效像元/(%)1最大工作电压/V7像元尺寸/（mm） 2020工作温度/K120芯片功耗/W60芯片有效面积/
38、（mmmm）7.685.76制冷方式斯特林制冷机探测器制冷器组件功耗/W5（稳定状态）工作波段/m3-5阵列固有MUX噪声/V100工作环境温度/-45- +70信号处理电路技术CMOS采样格式闪视组件质量/g约600噪声等效温差/mK14（中等）输出速率/MHz5中 波 碲 镉 汞IRFPA基本参数（BAE系统公司产品） 阵列格式/元320256失效像元/(%)1最大工作电压/V7像元尺寸/（mm）3030工作温度/K70芯片功耗/W50芯片有效面积/（mmmm）9.67.68制冷方式斯特林制冷机探测器制冷器组件功耗/W10（稳定状态）工作波段/m8-10阵列固有MUX噪声/V100工作环境
39、温度/-45- +70信号处理电路技术CMOS采样格式闪视组件质量/g约600噪声等效温差/mK20（中等）输出速率/MHz5长波碲镉汞IRFPA基本参数（BAE系统公司产品） 阵列格式/元256256488640量子效率/(%)11像元间距/m3020动态范围/dB6464工作波段/m1-51-5本底噪声/电子数200200填充因子/(%)8880噪声等效温差NETD/0.090.09响应/(mV/K)1010帧频/Hz6060PtSi SBDFPA典型参数 20世界70年代开始，利用金属有机气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）方法，选择一定的衬底材料，在衬底上依次交替生长组分不同或
40、掺杂不同的两种半导体超波层材料，形成一种完全新颖的材料，称为超晶格材料，其性质取决于A和B两种材料的性质及它们的层厚。例如GaAs（A）和AlGaAs（B）层，形成具有ABABA型结构的材料。由于两种材料能带的差别，形成了高低不同的GaAs势阱层和AlGaAs势垒层。载流子被红外光激发后。从不能导电的基态跃迁到在外电场作用下可以作定向运动的激发态，实现光电效应。量子阱探测器响应峰值在中、长波红外宽光谱范围可调，其响应波长是由势阱宽度和势垒高度确定的，即由GaAs层的厚度和AlxGa1-xAs中的x值决定的。但它的相对响应光谱很窄，只有1m-2m。由于分立式量子阱器件的性能达不到成熟的光子探测器
41、的水平，因此量子阱红外光电探测器（QWIP）基本上不做单元或少量多元的分立式器件；但它可以采用集成电路技术制作，适合制作多元器件和多色器件，均匀性好。因此量子阱器件主要在大规模集成器件中才显出优势。 由于材料A和B及它们的厚度可有很大的选择余地，因而人为地创造了一大类具有与自然界中存在的材料完全不同特性的材料。目前根据A和B两种材料能带的差别，分为、类三种超晶格材料，其中发展最快的为类AlGaAs/GaAs超晶格材料，其中AlGaAs为势垒，GaAs为势阱，当势垒高度较高（大于0.5eV）及较厚（大于20nm）时，电子的运动被限制在势阱中，这种情况下的超晶格材料称为量子阱（QW）材料，如果有很
42、多相同量子阱叠加就组成了多量子阱（MQW）材料。1991年已经出现了AlGaAs/GaAs MQW材料制成的（128128）元混合式IRFPA，这种器件的均匀性好，动态范围大，可达83.2dB，并且1/f噪声很低，适宜制成凝视IRFPA。 近年来MQW IRFPA有了快速发展，（640480）元长波红外焦平面阵列的成像性能与现有的碲镉汞IRFPA性能相当。双色或多色多量子阱IRFPA已经提供使用，而且其长波性能也显示出优势，此外也正在研究利用类和类的超晶格材料，研制长波红外探测器并已取得了进展。参数LWIR像元（8m-9m）VLWIR像元（14m-15m）参数LWIR像元（8m-9m）VLWI
43、R像元（14m-15m）阵列格式/元640486640486截止波长（50%）/m9.115.0像元间距/m2525像元合格率/(%)99.798像元尺寸/（mm）23232323未修正时不均匀性/（%）54无光学耦合二维周期性光栅二维周期性光栅修正后不均匀性/（%）0.03无工作温度/K4040量子效率/(%)12.98.9微分电阻/21012/(f/2视场)71011/(f/2视场)D*BB/(cmHz1/2W-1)2.91010(f/2视场)1.11010(f/2视场)峰值波长/m8.414.4NETD/mK29(f/2视场)74(f/2视场)峰值响应率（mAW-1）509（UB=-2V
44、）382（UB=-2V）长波（640486）元QW IRFPA的基本参数。 高性能红外光子探测器工作在低温，必须制冷，它的成本高且结构比较复杂，使用不便， 长期以来，人们一直探索在不制冷条件下工作的IRFPA。由于已有的常温工作探测器大都是热探测器，单个探测器性能比制冷型光子探测器大约低两个数量级，响应速度又慢，因此军事上很少使用。但对大面阵的凝视型红外焦平面阵列，情况就不同了。凝视成像不需要光机扫描，在一帧时间内器件对景物辐射进行积分，然后以电扫描的方式，从各元取出信号。由于采样时间很短，所以积分时间主要由帧频时间决定，假若30帧/s图像（可与电视兼容），积分时间约为33ms，在此时间内还可
45、多次采样积分，使信号增强。这就给原来性能较低、响应较慢的热探测器提供了在一般场合应用的可能。第一，在电视制式下，IRFPA的响应时间就是帧时间（约33ms），而多数热探测器的响应速度都可达毫秒级，所以响应速度不成问题；第二，单元热探测器一般性能较低，但对MN个元件的焦平面阵列来说，它的信噪比可提高到单元器件的（MN）1/2倍，这个性能达到了低温工作的扫描型第一代探测器组件的成像水平，完全可以满足一般民用需要和部分低端军用需要。 严格地讲，非制冷IRFPA的迅速发展并不是材料灵敏度有了大幅度提高，主要是由于凝视型红外焦平面阵列的成像工作方式，使器件可以有较长的积分时间，得以发挥出热型探测器的潜力
46、；再有，就是材料和器件与硅工艺的兼容性。可生产性以及电子元器件集成方面的特性决定的。20世界80年代到90年代，在非制冷IRFPA制造技术上取得了突破性进展，美、英、法等国都研制出了非制冷IRFPA，既有单片式的微测辐射热计阵列，也有混合式的热探测器阵列，目前这两种焦平面器件产品都已经商品化。 非晶硅和氧化钒（VOx）是目前用的比较多的热敏电阻型非制冷焦平面阵列材料。非晶格也称无定形硅（a-Si），用它制作微测辐射热计阵列，采用硅工艺技术，在微桥已做好信号处理电路的硅芯片上加工出由很小的两条腿支撑的架空微桥阵列，在微桥上沉淀无定形硅层，在无定形硅层上制作微测辐射热计，微桥腿构成阵列元与硅电路之
47、间的电连接，并使微测辐射热计阵列元与硅电路隔热，它是一种单片式结构的非制冷IRFPA；二氧化钒（VO2）微测辐射热计是在已做好读出电路的Si芯片上，采用溅射或气相淀积技术制备VO2薄膜，并在其上制作微测辐射热计光敏元，再与信号处理电路进行互连，形成单片式的非制冷IRFPA。另外，常用钛酸锆铅（PZT）、钛酸锶钡（BST）、钽酸钪铅（PST）等材料制作热型探测器光敏元，然后与硅信号处理电路互连，构成一种混合式结构热电IRFPA，它已成功用于热像仪等多种红外仪器。郝晓剑，李仰军.光电探测技术与应用.北京：国防工业出版社.2009.梅遂生，王戎瑞.光电子技术（第二版）.北京：国防工业出版社.2008.宋丰华.现代光电器件技术及应用.北京：国防工业出版社.2004.季红.红外技术基础与应用.北京：科学技术出版社.1979谢谢大家