漫談短波紅外技術(shù)20160516

1、InGaAs焦平面陣列探測器為混成式短波紅外(SWIR)成像器件，由InGaAs探測器陣列(PDA)與CMOS讀出電路(ROIC)倒裝互連而成。焦平面器件技術(shù)涵蓋光電子與微電子技術(shù)范疇，器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，對設(shè)計、工藝、產(chǎn)品化等技術(shù)均有較高要求。由于軍用價值突出，國外主要廠商對InGaAs焦平面陣列探測器產(chǎn)品嚴格禁運。而目前，與國外技術(shù)相比，國內(nèi)的InGaAs焦平面探測器在面陣規(guī)模、探測靈敏度、可靠性水平、產(chǎn)品成本等方面尚存在較大差距，在民品領(lǐng)域的應(yīng)用推動有待產(chǎn)品技術(shù)水平的進一步提高。在這種情況下，短波紅外InGaAs焦平面陣列探測器在國內(nèi)民品市場的廣泛應(yīng)用受到很大限制，但另一方面，這也

2、給自主國產(chǎn)InGaAs焦平面探測器軍用技術(shù)的民用產(chǎn)業(yè)推廣帶來良好機遇。通過多年相關(guān)技術(shù)積累、項目研制與產(chǎn)品開發(fā)，我國現(xiàn)已初步形成短波紅外320X256元InGaAs焦平面探測器產(chǎn)品，目前正開展640X512元InGaAs焦平面探測器的產(chǎn)品開發(fā)。從技術(shù)能力基礎(chǔ)上，具備從材料外延、芯片制造、ROIC設(shè)計、倒裝混成、器件封裝、性能測試、可靠性考核等設(shè)計、工藝、測評、質(zhì)量控制的一體化成套能力。從軍轉(zhuǎn)民技術(shù)發(fā)展角度上，需要通過專項支持，在產(chǎn)品一致性、良率、成本、應(yīng)用技術(shù)等方面開展進一步研究，提升產(chǎn)品質(zhì)量水平，滿足民用市場的應(yīng)用需求?，F(xiàn)列舉一下技術(shù)指標：針對短波紅外InGaAs焦平面陣列探測器在民用市場中

3、的重要需求，推動該成像器件產(chǎn)品的軍轉(zhuǎn)民技術(shù)研究，實現(xiàn)軍用技術(shù)成果的民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)指標如下：面陣規(guī)格：320X256、640X512元有效像元率：三99.5%;平均峰值探測率：5E+12cmHz1/2/W;響應(yīng)光譜范圍：900nm1700nm、400nm1700nm;動態(tài)范圍：70dB;工作幀頻：30Hz;工作溫度：-40C+70C;可靠性質(zhì)量等級：GM2級。技術(shù)特點：InGaAs焦平面陣列探測器的標準響應(yīng)波段范圍為0.91.7口m，短波響應(yīng)可拓展至0.4口m,長波響應(yīng)可延伸至2.6口m，是短波紅外SWIR窗口目標信息獲取的主流成像器件，SWIR成像的廣泛應(yīng)用主要得益于該探測器技術(shù)的

4、成熟發(fā)展。基于InGaAs焦平面的短波紅外成像技術(shù)主要具有以下特點。1）高識別度：短波紅外SWIR成像主要基于目標反射光成像原理，其成像與可見光灰度圖像特征相似，成像對比度高，目標細節(jié)表達清晰，在目標識別方面，SWIR成像是熱成像技術(shù)的重要補充；2）全天候適應(yīng)：短波紅外SWIR成像受大氣散射作用小，透霧、靄、煙塵能力較強，有效探測距離遠，對氣候條件和戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)性明顯優(yōu)于可見光成像；3）微光夜視：在大氣輝光的夜視條件下，光子輻照度主要分布在1.01.8口m的SWIR波段范圍內(nèi)，這使得SWIR夜視成像相比于可見光夜視成像而言具有顯著的先天優(yōu)勢；4）隱秘主動成像：在0.91.7口m波段內(nèi)，軍用激

5、光光源技術(shù)成熟（1.06口m、1.55口m），這使得短波紅外InGaAs焦平面成像在隱秘主動成像應(yīng)用中具有顯著的對比優(yōu)勢；5）光學(xué)配置簡便：從光學(xué)上，玻璃光窗在SWIR波段范圍內(nèi)具有很高的透過率，這賦予SWIR成像一個重要的技術(shù)優(yōu)點，這允許SWIR相機可裝配于一個保護窗口內(nèi)實現(xiàn)高靈敏成像，當應(yīng)用于某種特定平臺或場合時，這將提供極大的靈活性。目前，國外對InGaAs焦平面探測器技術(shù)的研究已有20余年，技術(shù)成熟度高，軍民兩用推廣快，應(yīng)用成效顯著。國內(nèi)研究起步較晚、發(fā)展重視不足，與國外先進水平相比，國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀至少落后十年。SWIR技術(shù)還值得一提的就是他的透霧穿過霧、煙和霾。SWIR相機的成像波段為

6、0.91.7微米。不像長波紅外熱成像相機，SWIR相機不能在完全黑暗的環(huán)境下成像。SWIR的特別之處在于可在較深的陰影中提取圖像細節(jié)，并能穿透窗戶。大氣光學(xué)中被稱為夜空照明是星空發(fā)光強度的五到七倍，幾乎全部落到了SWIR波段。一個SWIR相機和這種夜光照明下可在沒有月亮的夜晚十分清晰地看到物體，并能夠通過網(wǎng)絡(luò)分享這些圖片。SWIR相機還可幫助作戰(zhàn)人員有效穿過霧、煙和霾。作為重要的軍民兩用技術(shù)，短波紅外InGaAs焦平面陣列探測器的軍轉(zhuǎn)民技術(shù)推廣有其必要性。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于場地監(jiān)控、早期火情預(yù)警、森林防火、駕駛視覺增強、防偽安檢、光伏芯片檢測、硅基半導(dǎo)體材料與工藝檢測、激光光學(xué)檢測、工業(yè)測溫、

7、化工檢測、濕氣監(jiān)測等諸多領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展與工業(yè)轉(zhuǎn)型升級有重要意義。應(yīng)用案例一紅外高光譜紅外高光譜相對可見光高光譜在成分分析上更具優(yōu)勢。因為研究發(fā)現(xiàn)像水分，生命體等在紅外波段有更好的表征。從空中或衛(wèi)星，例如在采集的地質(zhì)參數(shù)，高光譜成像已經(jīng)證明了它的價值，如有關(guān)湖泊的水質(zhì)環(huán)境相關(guān)的問題回答。微觀尺度上的方法，該方法可以應(yīng)用到良好的優(yōu)點，適用于生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)樣品分析。此外，高光譜成像可以完美地適合工業(yè)過程監(jiān)控廢物分類，水果和蔬菜的檢驗，濕度測量，脂肪分析。應(yīng)用案例二醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時域OCT和頻域OCTOpticalCoherenceTomography:它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。主要應(yīng)用在眼科，在癌變前細胞的變化，也可利用在皮膚癌，胃腸組織和動脈癌變的研究。在OCT應(yīng)用中，利用1310nm紅外光的原因是這一波長的光比可見光和近紅外波長的光在散射介質(zhì)中傳播更遠，可探測深度更深（根據(jù)瑞利散射原理）。按技術(shù)分類為時域OCT和頻域OCT。應(yīng)用案例三短波紅外線烤漆燈的工作原理短波紅外不同于中、長波的遠紅外，其波長具有很強的滲透力，直入漆層，使涂漆層基本（車身外殼）的溫度迅速升高產(chǎn)生自發(fā)熱效應(yīng)，涂層中的水分（或溶劑）則迅速由