红外焦平面阵列技术现状和发展趋势

一、引言

自从1800年赫谢尔利用水银温度计制作的最原始的热敏探测器发现了红外辐射以来^[1]，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器，如热敏型辐射探测器（温差电偶探测器、电阻测辐射热计、热释电探测器）和半导体光电探测器（光电导探测器、光伏型探测器等）。最初，人们只能以单个探测单元通过光机扫描的方式并协同低温制冷器来实现图像探测；后来，则出现了探测单元数目在一万以上，且自带有信号读出电路的二维N×M元焦平面阵列(FPA)探测器；而现今，集成了探测器后续信号处理电路，包括信号读出电路、前放、模数转换器等的第三代被称为"灵巧"（smart）凝视的大阵列焦平面也已开始崭露头角^[2]。

红外焦平面热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并能通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，是集光、机、电等尖端技术于一体的高科技产品。因其具有较强的抗干扰能力，隐蔽性能好、跟踪、制导精度高等优点，在军事领域获得了广泛的应用。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功^[3、4]。

二、红外焦平面阵列原理、分类

1、红外焦平面阵列原理
焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。

2、红外焦平面阵列分类
（1）根据制冷方式划分
根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体^[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～10¹¹cmHz^1/2W^-1，而非制冷型的探测器为～10⁹cmHz^1/2W^-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。

（2）依照光辐射与物质相互作用原理划分
依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下^[6]。

（3）按照结构形式划分
红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种^[7]。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图1所示。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式（图2(a)）和Z平面式（图2(b)）两种。

（4）按成像方式划分
红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分（TDI）技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。

（5）根据波长划分
由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口：1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm～14mm的长波红外，由此产生三种不同波长的探测器。

<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]-->

三、读出电路

读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。对于周围物体的黑体辐射，被测物体的辐射信号相当微小，电流大小为纳安或者是皮安级，要把这么小的信号读出可不是一件容易的事，尤其这种小信号很易受到其它噪声的干扰，因此，选择和设计电路就成为特别重要的