光電成像非均勻性

光電成像非均勻性第一頁，共三十頁，2022年，8月28日紅外探測(cè)器的分類從1800年W·Herschel發(fā)現(xiàn)紅外線并制成涂黑靈敏溫度計(jì)以來，基于紅外輻射與物質(zhì)相互作用的紅外探測(cè)器發(fā)展至今，已研制出了品種繁多的結(jié)構(gòu)新穎、性能各異的紅外探測(cè)器。對(duì)于種類繁多的紅外探測(cè)器，有著多種不同的分類方法。

按陣列大小不同，分為：?jiǎn)卧綔y(cè)器（第一代）線陣探測(cè)器（第二代）面陣探測(cè)器(IRFPA)（第三代）第二頁，共三十頁，2022年，8月28日

按響應(yīng)波段不同，分為：

1~3um（短波）

3~5um（中波）

8~14um（長(zhǎng)波）

按工作溫度(是否需要致冷)，分為：非致冷探測(cè)器致冷型探測(cè)器

按成像方式，分為：掃描型（單元探測(cè)器、多元線列探測(cè)器）凝視型（二維紅外焦平面陣列）第三頁，共三十頁，2022年，8月28日

按結(jié)構(gòu)形式分為：?jiǎn)纹交旌鲜剑褐讣t外探測(cè)器和讀出電路分別選用兩種材料，如紅外探測(cè)器使用HgCdTe，讀出電路使用Si。

按探測(cè)機(jī)理不同，分為：熱探測(cè)器

光子探測(cè)器

按同時(shí)響應(yīng)波段數(shù)目分為：?jiǎn)紊獻(xiàn)RFPA

多色I(xiàn)RFPA（例如3~5um，8~14um）第四頁，共三十頁，2022年，8月28日熱探測(cè)器：紅外輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生熱效應(yīng)而工作，熱探測(cè)器吸收紅外輻射后，先引起溫度升高。然后由于溫度升高，伴隨著發(fā)生某種物理性質(zhì)的變化。測(cè)量這些物理性質(zhì)的變化既可以確定被吸收的紅外輻射的能量或者功率。光子探測(cè)器：紅外輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生光電效應(yīng)而工作。光子探測(cè)器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起幾種電學(xué)現(xiàn)象，它們統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。常用的光子效應(yīng)包括：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。第五頁，共三十頁，2022年，8月28日根據(jù)所采用的光電效應(yīng)，光子探測(cè)器又可分：外光電探測(cè)器（真空探測(cè)器）：基于外光電效應(yīng)光電導(dǎo)探測(cè)器：基于光電導(dǎo)效應(yīng)光伏探測(cè)器：基于光伏效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：由于光照增加了自由載流子，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化．光伏效應(yīng)：半導(dǎo)體的p-n結(jié)(光電二極管)，在入射光子的作用下產(chǎn)生電子空穴對(duì)，然后被結(jié)上的電場(chǎng)分開，在探測(cè)器輸出開路情況下可形成光電壓；如果將探測(cè)器輸出短路，可產(chǎn)生短路電流。

第六頁，共三十頁，2022年，8月28日常見材質(zhì)及波段InSb

3~5umHgCdTe

2~30um（短波、中波、長(zhǎng)波）PtSi

中波長(zhǎng)波IRFPA（8~14um）

GaAlAs/GaAs多量子阱陣列

SiGe異質(zhì)結(jié)陣列非致冷：熱釋電、熱電堆、微測(cè)輻射熱計(jì)

像元規(guī)模：128x128、256x256、320x240、512x512、

640x480、1024x1024、1968x1968第七頁，共三十頁，2022年，8月28日紅外焦平面陣列由于單元紅外探測(cè)器的性能已達(dá)到或接近理論極限值，只有增加使用的探測(cè)器數(shù)目才能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，于是上世紀(jì)70年代產(chǎn)生了凝視紅外探測(cè)器概念。所謂“凝視”是指：紅外探測(cè)器響應(yīng)景物（或目標(biāo)）的時(shí)間與取出陣列中每個(gè)探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)所需的讀出時(shí)間相比較長(zhǎng)。

成像時(shí)，探測(cè)器相對(duì)于視場(chǎng)的景物是凝視不動(dòng)的，因而無須光機(jī)掃描。第八頁，共三十頁，2022年，8月28日凝視紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：將多路信號(hào)讀出等電路與探測(cè)器陣列集成在一起，并置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上成像，故稱紅外焦平面陣列器件（InfraredFocalPlaneArrays，簡(jiǎn)稱IRFPA）。紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展為開發(fā)高性能的第二代、第三代紅外成像系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模（128×128像素以上）紅外焦平面陣列是當(dāng)今最先進(jìn)的一類紅外探測(cè)器，也是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的紅外探測(cè)器。IRFPA兼具輻射敏感和信號(hào)處理功能，通過讀出電路將所有探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成后續(xù)信號(hào)處理模塊可直接處理的有序圖像信號(hào)。第九頁，共三十頁，2022年，8月28日紅外焦平面陣列與其它紅外探測(cè)器相比具有以下明顯

優(yōu)點(diǎn)：（1）將紅外探測(cè)器陣列高密度地集成在同一芯片上，從而可以大幅度地提高系統(tǒng)的空間分辨率和靈敏度；（2）實(shí)現(xiàn)了光機(jī)掃描向電子掃描的轉(zhuǎn)變，有效地減小了系統(tǒng)的體積、重量和功耗，提高了工作的可靠性；（3）系統(tǒng)的工作幀頻可以很高（幾百幀甚至千幀以上），減少了信息遲延，適應(yīng)了高速和超高速制導(dǎo)導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)圖像信息獲取的需求。第十頁，共三十頁，2022年，8月28日紅外焦平面陣列的出現(xiàn)不但可以研制出高靈敏度、高分辨率、大視場(chǎng)的紅外成像系統(tǒng)，而且能使成像系統(tǒng)的體積、重量和功耗都得以降低。這有效地促進(jìn)了紅外成像技術(shù)的推廣和應(yīng)用，如今其應(yīng)用遍及了軍事（例如預(yù)警、制導(dǎo)、夜視及跟蹤等）、天文和空間技術(shù)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、日常生活等等各個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮著日趨重要的作用。紅外焦平面技術(shù)已成為了當(dāng)代紅外光電子物理和技術(shù)學(xué)科的具有帶動(dòng)性的學(xué)科前沿，正主導(dǎo)著下一代紅外和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，是當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)中關(guān)鍵領(lǐng)域之一。第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日紅外焦平面技術(shù)的難點(diǎn)就在于制造大規(guī)模、高均勻性、高性能的紅外探測(cè)器陣列，雖然這一關(guān)鍵的制造技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已有很大的突破，但在提高成品率、降低成本方面仍具有很大難度。有效的紅外焦平面制造技術(shù)現(xiàn)僅有為數(shù)不多的幾家專業(yè)公司所壟斷。從80年代初以來，國(guó)內(nèi)幾家紅外研究所在這方面也取得了一定的進(jìn)展，但距離高性能和高均勻性還有一定的差距。紅外焦平面陣列中探測(cè)器單元個(gè)數(shù)已達(dá)幾千至幾十萬個(gè)單元，這就帶來了一個(gè)嚴(yán)重的問題——即焦平面陣列的非均勻性（Nonuniformity）問題，這是紅外焦平面陣列應(yīng)用中的一個(gè)突出而必須解決的問題。第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日5.2IRFPA響應(yīng)非均勻性

IRFPA成像非均勻性（Nonuniformity）定義:

在一均勻輻射照射下紅外焦平面陣列中各探測(cè)單元之間響應(yīng)輸出的不一致性，又稱之為固定圖案噪聲（FixedPatternNoise，F(xiàn)PN）。(a).理想輸出(b).實(shí)際有非均勻性的輸出第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日非均勻性對(duì)圖像產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。

在線陣型器件中表現(xiàn)為垂直掃描方向的條帶，

在凝視陣列中的空間噪聲將表現(xiàn)為固定的圖案。一64元的線陣型紅外焦平面器件對(duì)手的成像圖，手的熱圖幾乎被非均勻性引起的豎條紋所湮沒，而難以辨認(rèn)一128×128面陣型紅外焦平面器件對(duì)均勻背景的成像，圖中同樣呈現(xiàn)出很強(qiáng)的固定圖案噪聲第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日5.3非均勻性產(chǎn)生機(jī)理分析

造成紅外焦平面陣列成像非均勻性的因素是多方面的，起主要作用的是：

IRFPA中各探測(cè)器響應(yīng)率的非均勻性（包括光譜響應(yīng)的非均勻性）；讀出電路自身及讀出電路與探測(cè)器耦合的非均勻性；

暗電流的非均勻性等。以下將從器件自身、器件工作狀態(tài)及外部環(huán)境等方面對(duì)紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)非均勻性的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日1、器件自身非均勻性

器件自身非均勻性是紅外焦平面陣列非均勻性的主體部分。這種非均勻性主要是由器件的材料和制造工藝水平所決定的。因?yàn)樗械奶綔y(cè)器和整個(gè)多路耦合傳輸電路被共同集成制造在單一的基片上，所以一旦紅外焦平面器件制造完成后，這種非均勻性因素也就基本確定了。

探測(cè)像元響應(yīng)率的非均勻性

信號(hào)傳輸?shù)姆蔷鶆蛐?/p>

暗電流的非均勻性第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日1）探測(cè)像元響應(yīng)率的非均勻性

根據(jù)Mooney的理論，均勻照度下，IRFPA中單個(gè)探測(cè)單元的響應(yīng)輸出可用電子數(shù)表示為其中物空間單元在溫度T下的光譜光子輻射像元有效面積光學(xué)系統(tǒng)的有效透過率光學(xué)系統(tǒng)截止波長(zhǎng)的上限和下限像元(i,j)在積分時(shí)間內(nèi)的暗電荷像元(i,j)相對(duì)出射光曈而言的偏軸角成像光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)像元(i,j)波譜量子效率積分時(shí)間第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日盡管目前的材料制造水平已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，但制造器件的材料還是遠(yuǎn)未達(dá)到所要求的均勻度。等幾個(gè)參數(shù)的差異，從而導(dǎo)致在均勻光照下，各個(gè)探測(cè)單元的輸出響應(yīng)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，即產(chǎn)生了不均勻性。這種因素對(duì)非均勻性的影響表現(xiàn)為乘性和加性關(guān)系。器件的材料中會(huì)出現(xiàn)各種晶格缺陷、摻雜不均和厚度不等等問題，這些都會(huì)造成在材料晶片不同位置上的探測(cè)器的飽和電流、量子效率和截止波長(zhǎng)等參數(shù)的不同；其次在采用光刻法制造探測(cè)器時(shí)，由于制造工藝水平的限制，探測(cè)器光敏面的幾何尺寸也存在一定的誤差，由此造成陣列中各探測(cè)單元之間的第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日2）信號(hào)傳輸?shù)姆蔷鶆蛐?/p>

入射光子轉(zhuǎn)換為光生電荷信號(hào)后，必須注入到讀出電路實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)輸出。紅外焦平面陣列對(duì)讀出電路的電荷傳輸效率有很高的要求，存儲(chǔ)勢(shì)阱中的電荷滯留和信號(hào)的傳輸損失的不一致性都將引起焦平面陣列響應(yīng)輸出信號(hào)的不一致性。此外，探測(cè)器和讀出電路之間還存在一個(gè)信號(hào)耦合的環(huán)節(jié)，同樣由于材料和制造工藝水平的制約，各個(gè)耦合和輸出通道的參數(shù)也不可能完全相同，從而引起輸出信號(hào)的差異，形成非均勻性。其通常表現(xiàn)為固定的非均勻性乘性分量。第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日3）暗電流的非均勻性

暗電流是指紅外焦平面陣列器件在無輻射輸入時(shí)的輸出電流，其產(chǎn)生于探測(cè)單元或讀出電路中。化簡(jiǎn)得：第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日可見暗電流不僅與器件的材料有關(guān)，還與器件的工作電壓、工作溫度等有關(guān)，這些參數(shù)的不一致性都將引起焦平面陣列中各探測(cè)器單元之間暗電流的差異，即引入了非均勻性。其通常表現(xiàn)為固定的非均勻性加性分量。電子熱運(yùn)動(dòng)速度常數(shù)柵級(jí)電壓少子電荷量本征材料中載流子濃度熱生載流子的凈產(chǎn)生率俘獲截面溫度禁帶中的截面態(tài)密度第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日2、器件工作狀態(tài)引入的非均勻性與紅外焦平面陣列工作狀態(tài)相關(guān)的條件主要有紅外焦平面陣列的工作溫度及其均勻性、紅外探測(cè)器單元及其讀出電路的偏置和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定性等。這些條件的變化都將對(duì)焦平面陣列器件的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，而器件的工作狀態(tài)的變化將直接對(duì)探測(cè)器的光學(xué)增益、注入效率、讀出電路的增益以及暗電流等方面產(chǎn)生影響，并且這種影響在不同探測(cè)器之間也都是存在著差異的，從而導(dǎo)致了整個(gè)焦平面陣列器件響應(yīng)輸出的不均勻性。由此還可以看出，同一紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)在不同的工作條件下可以有不同的非均勻性效果。第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日3、與外界相關(guān)的非均勻性

紅外光學(xué)系統(tǒng)，如透過率的均勻性及冷反射等因素，以及紅外光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射條件和外界的電磁環(huán)境等的變化將直接或間接地引起焦平面陣列中各探測(cè)器單元接收的輻照度不同，從而導(dǎo)致了探測(cè)器單元響應(yīng)輸出之間的非均勻性。這類非均勻性與外界條件密切相關(guān)，使得同一紅外焦平面陣列器件在不同的成像系統(tǒng)中、在不同的工作條件和環(huán)境下有著不同的非均勻性效果，而且它們?cè)诮蛊矫嫫骷难兄坪图t外熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是很難直接觀測(cè)到

第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日總之，引起紅外焦平面成像系統(tǒng)的非均勻性的因素

IRFPA器件的材料

IRFPA器件的結(jié)構(gòu)

IRFPA器件的工作狀態(tài)有關(guān)，還有多種外界因素

成像系統(tǒng)光路

背景輻射

電磁環(huán)境等。第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日5.4盲元但由于制造材料、工藝等因素的影響（材料的不均勻性，掩膜誤差、缺陷等），紅外焦平面陣列器件存在不可避免盲元問題，這些問題如果不經(jīng)過處理，則會(huì)大大降低成像信號(hào)的輸出信噪比。盲元，或稱失效元，是指IRFPA器件中的響應(yīng)過高和過低的探測(cè)器單元。盲元的數(shù)量及其分布對(duì)器件性能的影響很大，如果盲元數(shù)過多，在成像時(shí)不經(jīng)過相應(yīng)的處理，則會(huì)在圖像中出現(xiàn)大量的亮點(diǎn)或暗點(diǎn)，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。通過盲元補(bǔ)償剔除過亮或過暗的像元，可提高IRFPA的成像質(zhì)量，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和意義。第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日盲元的定義對(duì)于盲元的定義，主要是從器件對(duì)黑體輻射的響應(yīng)程度作為量化指標(biāo)的。先給出兩個(gè)有關(guān)的紅外焦平面參數(shù)定義。

?像元響應(yīng)率（Pixelsresponsivity）

?像元噪聲電壓（Pixelnoisevoltage）

第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日像元響應(yīng)率像元響應(yīng)率R(i,j)定義為：IRFPA在一定幀周期和一定動(dòng)態(tài)范圍條件下，像元對(duì)每單位輻照功率