國內(nèi)高光譜紅外焦平面探測器組件的研究進(jìn)展

摘要：描述了國外高光譜紅外焦平面探測器組件的發(fā)展?fàn)顩r和工程應(yīng)用情況，并介紹了國內(nèi)高光譜紅外焦平面探測器組件的研究進(jìn)展。通過分析高光譜紅外焦平面探測器的性能特點，提出了高光譜紅外焦平面探測器的研究重點。

0引言

與傳統(tǒng)的單波段紅外成像探測技術(shù)相比，多光譜紅外成像探測技術(shù)可以獲取目標(biāo)不同波段的圖像數(shù)據(jù)，即在傳統(tǒng)成像的基礎(chǔ)上獲取包含二維空間、光譜和時間等四維信息的圖像數(shù)據(jù)。該技術(shù)可在多個輻射波段上進(jìn)行探測并將信息融合處理，然后通過綜合分析目標(biāo)特征來提高目標(biāo)識別能力。多光譜紅外探測的波段寬度一般為100 ～ 400 nm，在紅外光譜區(qū)只有幾個波段，且在光譜上并不連續(xù)，因此無法探測和區(qū)分出具有診斷性光譜特征的目標(biāo)。

高光譜紅外成像探測技術(shù)將成像技術(shù)和光譜測量技術(shù)結(jié)合在一起，是紅外探測技術(shù)的一場革命。它興起于20世紀(jì)80年代，并在90年代后形成研發(fā)熱潮。該技術(shù)可在紅外波段獲取光譜寬度（連續(xù)）為10 nm左右的影像數(shù)據(jù)，并可采集上百個非常窄的目標(biāo)光譜波段信息。其中既包含二維空間信息，又包含隨波長分布的光譜輻射信息。因此，這項技術(shù)能夠精確探測目標(biāo)的光譜分布特征，形成所謂的“數(shù)據(jù)立方體”。由于具有“圖譜合一”的特性，使本來在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì)在高光譜遙感中能被探測到，如圖1所示。

圖１ 高光譜紅外成像特性的示意圖

利用高光譜紅外成像探測技術(shù)獲得的目標(biāo)的豐富光譜信息及空間影像極大地提高了目標(biāo)檢測識別能力，擴(kuò)展了傳統(tǒng)探測技術(shù)的功能，使目標(biāo)探測由定性分析轉(zhuǎn)為定量分析成為可能。它給光電探測技術(shù)帶來了一個質(zhì)的飛躍，目前已應(yīng)用于多個軍事和民用領(lǐng)域。

1國外高光譜紅外探測器組件技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

高光譜紅外探測器組件是高光譜紅外成像的核心。美國、法國、德國等國際發(fā)達(dá)國家通過近二十年的競相研制，大幅提升了紅外探測器組件的性能和可靠性，并在高光譜成像技術(shù)研究方面取得了很大進(jìn)展。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天對地觀測中的高光譜遙感領(lǐng)域，且具有軍民雙重用途。它在晝夜均具備快速精確的鑒別能力，不僅可對太空、空中及地面軍事偽裝隱身目標(biāo)進(jìn)行精確定位、動態(tài)跟蹤和準(zhǔn)確識別，而且還可以用于農(nóng)業(yè)、礦物填圖、植被生化、水體污染物等方面的陸地、海洋和氣象遙感監(jiān)測。

高光譜紅外成像系統(tǒng)采用的是面陣紅外探測器。其中，面陣長度（X方向）像元用于單波段寬幅掃描成像，而面陣寬度（Y方向）則是細(xì)分光譜通道方向?；?a href="http://ttokpm.com/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)分光棱鏡或光柵，探測器固定透過光譜帶通譜段。然后通過搭載平臺的移動掃描對地面目標(biāo)進(jìn)行探測，形成高光譜三維成像（見圖2和圖3）。

圖2 高光譜紅外成像探測器的工作示意圖

高光譜成像技術(shù)已經(jīng)在目標(biāo)特征研究等方面顯示出了巨大的魅力。許多國家先后研制出了多種類型的高光譜成像系統(tǒng)，并建立了目標(biāo)光譜成像特征庫。它們用于分析從可見光到紅外波段的多光譜信息以及實現(xiàn)高光譜圖像目標(biāo)的識別等。

圖3 高光譜紅外成像的示意圖

1.1法國Sofradir公司的高光譜紅外探測器組件發(fā)展?fàn)顩r

1.1.1 1000 × 256和500 × 256高光譜短波紅外探測器組件

法國Sofradir公司于2000年初為歐洲空間局（ESA）成功研制出了工作波段為0.9 ~ 2.5 μm的1000 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件（稱為Saturn），然后又研制出了工作波段為0.9 ~ 2.5 μm的500 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件（稱為Neptune）。以上兩種組件統(tǒng)稱為SWIR，主要用于對地觀測高光譜成像系統(tǒng)。

意大利PRISMA項目中的高光譜成像系統(tǒng)要求將短波紅外探測器的工作波段從短波紅外擴(kuò)展到可見光。通過技術(shù)攻關(guān)，Sofradir公司研制出了工作波段在可見光至短波紅外光譜范圍內(nèi)（0.4 ~ 2.5 μm）的1000 × 256碲鎘汞高光譜探測器組件，同時還開發(fā)了工作波段為0.4 ~ 2.5 μm的500 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件（統(tǒng)稱為VISIR）。

Sofradir公司的碲鎘汞探測器采用在幾百微米厚的CdZnTe襯底上液相外延生長的碲鎘汞薄膜材料。在碲鎘汞芯片與讀出電路倒裝互連后，目標(biāo)光子必須透過CdZnTe襯底才能進(jìn)入碲鎘汞光電二極管（即探測器的背光照工作方式）。由于CdZnTe襯底會吸收波長小于0.86 μm的光子，具有CdZnTe襯底的Sofradir型和Neptune型SWIR探測器無法響應(yīng)波長小于0.8 μm的光輻射。因此，他們在不降低探測器性能的前提下研發(fā)了碲鎘汞探測器底部填充和背減薄技術(shù)，即在碲鎘汞芯片與讀出電路倒裝互連的銦柱間隙中灌入環(huán)氧樹脂膠，然后去除探測器的CdZnTe襯底。當(dāng)襯底去除后，只剩約10 μm厚的碲鎘汞芯片。此時，碲鎘汞短波紅外探測器的工作波長可小于0.4 μm。Saturn型和Neptune型VISIR探測器就是這樣去除了CdZnTe襯底。這時由于碲鎘汞芯片很薄，大大降低了碲鎘汞芯片與硅讀出電路在低溫狀態(tài)下的應(yīng)力，所以VISIR型1000 × 256碲鎘汞高光譜探測器能夠經(jīng)受1000次以上的開關(guān)機(jī)制冷工作循環(huán)，明顯提高了探測器的使用壽命。

圖４為SWIR和VISIR探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖５所示為SWIR與VISIR探測器的相對光譜響應(yīng)曲線對比情況。

圖4 SWIR和VISIR探測器結(jié)構(gòu)

圖5 SWIR與VISIR探測器的相對光譜響應(yīng)曲線

VISIR探測器將可見光探測器和短波紅外探測器合二為一，可極大簡化工作在可見光至短波紅外波段的高光譜成像系統(tǒng)。它的技術(shù)難點是，為保證探測器在工作波段內(nèi)具有較高的量子效率，需要在其碲鎘汞光敏面上鍍制厚度為0.4 ~ 2.5 μm的防反射膜層。通常碲鎘汞的折射率為3.4，反射率約為30%。通過在SWIR探測器的光敏面上鍍制厚度為1/4探測器響應(yīng)波長的ZnS材料，可使該探測器在0.8 ~ 2.5 μm光譜范圍內(nèi)達(dá)到較高的量子效率。由于0.4 ~ 2.5 μm波段太寬，若在VISIR探測器的光敏面上只鍍制ZnS一種材料，則無法在0.4 ~ 2.5 μm光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的量子效率。因此，Sofradir公司與CEA--Leti實驗室聯(lián)合開發(fā)了一種在VISIR探測器表面上鍍制多層YF3和ZnS防反射材料的方法，將VISIR探測器在0.4 ~ 2.5 μm波段的量子效率提高了10% ~ 15%（見圖6和圖7）。

圖６ VISIR探測器的光敏面上有/無防反射膜時的量子效率

圖7 VISIR探測器的光敏面上有/無防反射膜時的光譜響應(yīng)曲線

目前，Neptune型和Saturn型碲鎘汞高光譜探測器組件的主要性能參數(shù)見表1，外形見圖8和圖9。

表1 Sofradir公司高光譜短波紅外探測器組件的技術(shù)指標(biāo)

圖8 Neptune型碲鎘汞高光譜探測器組件

圖9 Saturn型碲鎘汞高光譜探測器組件

Neptune型和Saturn型VISIR及SWIR高光譜探測器組件至今已應(yīng)用于多種高光譜紅外成像系統(tǒng)，包括法國國防部觀測衛(wèi)星載SPIRALE系統(tǒng)、意大利空間局的高光譜觀測衛(wèi)星載PRISMA系統(tǒng)以及日本高光譜觀測衛(wèi)星載HYSUI系統(tǒng)等等。其中，Saturn型高光譜探測器組件的具體應(yīng)用情況如下：（1）為歐洲空間局的航空棱鏡實驗（APEX）任務(wù)提供了4套組件；（2）為比利時高光譜項目提供了1套組件；（3）為以色列無人機(jī)高光譜項目提供了2套組件；（4）為日本HISUI項目提供了5套組件；（5）為意大利PRISMA項目提供了8套組件；（6）為印度未來任務(wù)的預(yù)研項目提供了4套組件；（7）為哨兵——5衛(wèi)星用TROPOMI項目提供了2套組件。

2013年，Sofradir公司在Neptune型和Saturn型高光譜探測器組件技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展了兩項空間項目研究。

第一個項目是先進(jìn)科學(xué)儀器Micr-Omega-Mascot?；贜eptune型和Saturn探測器組件，這款儀器被安裝在日本的HAYABU-SA2科學(xué)任務(wù)上。根據(jù)任務(wù)要求，該探測器的光譜響應(yīng)范圍為0.9 ~ 3.5μm，飛行模型樣機(jī)于2013年底交付。

第二個項目是Sofradir公司生產(chǎn)的空間用Saturn型高光譜探測器組件的改進(jìn)型，即為高光譜成像應(yīng)用的出口產(chǎn)品。該組件采用Thales低溫公司制造的高可靠性LSF系列斯特林制冷機(jī)，在30000 h運(yùn)行時間內(nèi)的可靠性高于99%。圖10所示為這種探測器組件的外形結(jié)構(gòu)。

圖10 空間用改進(jìn)型Saturn探測器組件

在未來5年里，Sofradir公司預(yù)計每年提供5至10套用于航空或航天領(lǐng)域的Saturn型探測器組件（1000 × 256）。

1.1.2 1016 × 440高光譜中波/長波紅外探測器組件

航空高光譜成像的應(yīng)用需求已擴(kuò)展至中波紅外和長波紅外波段。為滿足可見光至長波紅外波段的高光譜成像要求，Sofradir公司研制出了像元間距為25 μm的1016 × 440高光譜中波/長波紅外探測器組件（主要技術(shù)指標(biāo)見表2，組件外形見圖11）。兩種探測器的讀出電路相同，皆采用基于1000 × 256探測器組件技術(shù)優(yōu)化的杜瓦結(jié)構(gòu)和高可靠性斯特林制冷機(jī)，可承受高強(qiáng)度的機(jī)械振動與沖擊環(huán)境條件。

圖11 1016 × 440高光譜中波/長波紅外探測器組件

表2 Sofradir公司1016 × 440高光譜探測器組件的技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 1024 × 1024高光譜短波紅外探測器組件

目前，Neptune型和Saturn型高光譜探測器組件可以滿足大多數(shù)高光譜成像系統(tǒng)的需求。而針對未來的空間觀測用高光譜成像系統(tǒng)，Sofradir公司自2011年以來研制了規(guī)模更大、光譜響應(yīng)范圍更寬的高光譜短波紅外探測器，即下一代全色（Next-Generation Panchromatic，NGP）探測器。這種像元間距為15 μm的1024 × 1024探測器的光譜響應(yīng)延伸至紫外波段，同時還具有響應(yīng)率非均勻性和光電響應(yīng)高、噪聲小、損耗低、抗輻照以及可靠性強(qiáng)等性能（主要技術(shù)指標(biāo)見表3）。圖12為NGP探測器在0.9 ~ 2.5 μm波段獲得的紅外圖像。

表3 Sofradir公司下一代全色高光譜紅外探測器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2德國AIM公司的高光譜紅外探測器組件發(fā)展?fàn)顩r

為滿足目標(biāo)識別、氣象、氣體探測等航空航天領(lǐng)域的高光譜紅外成像應(yīng)用需求，德國AIM公司于2008年成功研制出了ActIR-384型和ActIR-1024型碲鎘汞高光譜紅外探測器組件（典型工作溫度為150 K，后截止波長為2.5 μm）。圖13為ActIR-384型高光譜紅外探測器組件的示意圖。

為了實現(xiàn)ActIR-1024型紅外探測器用硅讀出電路在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝生產(chǎn)線上的流片加工，該探測器成像方向上1024個像元的中心間距設(shè)計為24 μm，光譜方向上256個像元的中心間距設(shè)計為32 μm，讀出電路的長度設(shè)計為27 mm。圖14和圖15所示分別為ActIR-1024型紅外探測器的像元排列和組裝示例。表4列出了兩種探測器組件的主要技術(shù)指標(biāo)。

圖12 1024 × 1024高光譜短波紅外探測器組件的成像效果

圖13 ActIR-384型高光譜短波紅外探測器組件

圖14 ActIR-1024型高光譜短波紅外探測器的像元排列

AIM公司的碲鎘汞探測器制造技術(shù)及方法與Sofradir公司相同。他們也成功研發(fā)了碲鎘汞探測器底部填充和背減薄技術(shù)，有效去除了碲鎘汞探測器的CdZnTe襯底，使碲鎘汞短波紅外探測器的工作波長可小于0.4 μm。ActIR-1024型高光譜探測器可以經(jīng)受9000次以上的開關(guān)機(jī)制冷工作循環(huán)，大大提高了探測器的使用壽命。

2國內(nèi)高光譜紅外探測器組件的發(fā)展?fàn)顩r

在國外發(fā)達(dá)國家對我國高端紅外探測器組件實行嚴(yán)密技術(shù)封鎖的情況下，通過國家的大力支持，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、昆明物理研究所以及中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所（以下簡稱“中國電科十一所”）等單位重點對中波紅外、長波紅外、短波紅外碲鎘汞探測器組件進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，極大地推動了我國碲鎘汞紅外探測器組件的技術(shù)進(jìn)步。

近幾年，我國高光譜紅外成像技術(shù)在航天領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，但國內(nèi)高光譜碲鎘汞紅外探測器組件技術(shù)發(fā)展較晚。在國內(nèi)公開發(fā)表的技術(shù)資料中，沒有發(fā)現(xiàn)國內(nèi)同行單位相關(guān)產(chǎn)品的研制和應(yīng)用情況。本文僅介紹中國電科十一所在這方面的研制狀況。

針對未來的高光譜紅外成像應(yīng)用需求，中國電科十一所在現(xiàn)有碲鎘汞紅外探測器組件研制技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展了高光譜紅外探測器組件的自主研制，并研制出了1024 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件。圖16、圖17和圖18所示分別為該探測器的像元分布及尺寸、盲元分布和相對光譜響應(yīng)。圖19和圖20分別為探測器及探測器／杜瓦組件照片和探測器組件照片。圖21所示為組件外形和接口尺寸。該組件計劃應(yīng)用于機(jī)載高光譜紅外成像系統(tǒng)（主要技術(shù)指標(biāo)見表5）。

目前，中國電科十一所研制的1024 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件主要在有效像元率方面與法國產(chǎn)品尚有差距。下一步將根據(jù)用戶的工程需求，優(yōu)化探測器增益和組件結(jié)構(gòu)等設(shè)計，進(jìn)一步提高探測器制備工藝技術(shù)水平，減少盲元數(shù)量，提高探測器像元性能的穩(wěn)定性。

圖15 ActIR-1024型高光譜短波紅外探測器、探測器杜瓦以及探測器組件

表4 德國AIM公司高光譜紅外探測器組件的技術(shù)指標(biāo)

3結(jié)束語

目前，國際上普遍研制和使用的碲鎘汞高光譜紅外探測器組件具備高效處理微弱光電信號的能力，并具有高增益、低噪聲性能，其每行像元的增益可獨(dú)立設(shè)置。在工程應(yīng)用中，通常設(shè)置較長的探測器積分時間。探測器的暗電流會對高光譜紅外系統(tǒng)的性能產(chǎn)生明顯影響，所以探測器應(yīng)盡可能地減小暗電流。

當(dāng)高光譜紅外探測器組件用于高光譜紅外成像時，每行像元分別進(jìn)行光機(jī)掃描成像。如果其中有1個盲元或不穩(wěn)定像元，那么就會破壞紅外圖像的一列像素，其對成像質(zhì)量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通用的面陣紅外探測器成像。因此，高光譜紅外系統(tǒng)對探測器盲元和像元性能穩(wěn)定性的要求非?？量?。

暗電流水平是碲鎘汞紅外探測器光電性能的決定因素。它取決于探測器結(jié)構(gòu)和制備工藝水平，是紅外探測器研究的核心。紅外探測器的盲元主要由碲鎘汞材料和碲鎘汞光電二極管芯片制備工藝中引入的缺陷導(dǎo)致。世界各國研制的碲鎘汞紅外探測器對此均無法避免。盲元數(shù)量取決于碲鎘汞材料和芯片制備工藝技術(shù)水平，難以完全消除。

圖16 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器的像元分布及尺寸

圖17 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器的盲元分布

圖18 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器的相對光譜響應(yīng)

圖19中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器及探測器/杜瓦組件

圖20 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器組件的實物圖

國外發(fā)達(dá)國家的碲鎘汞紅外探測器研究起步早，基礎(chǔ)研究投入大，探測器理論基礎(chǔ)、技術(shù)條件和工藝水平領(lǐng)先于我國。目前，他們研制的高光譜短波紅外探測器組件已經(jīng)普遍應(yīng)用于航空、航天軍事或民用高光譜成像探測領(lǐng)域，正在進(jìn)行高光譜中波／長波紅外探測器組件的高光譜成像工程應(yīng)用，并進(jìn)一步開發(fā)了從短波紅外延伸至紫外波段的更大規(guī)模的高光譜紅外探測器組件。發(fā)達(dá)國家占據(jù)著高光譜紅外探測器組件和高光譜成像技術(shù)的制高點，在軍事和民用目標(biāo)信息資源獲取及定性探測上具有明顯優(yōu)勢。為保持此優(yōu)勢，他們對我國嚴(yán)格禁運(yùn)高光譜紅外探測器組件的關(guān)鍵元器件。

圖21 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器組件的外形和接口尺寸

表5 中國電科十一所高光譜紅外探測器組件的技術(shù)性能

因此，我國應(yīng)自主研發(fā)具有先進(jìn)結(jié)構(gòu)的碲鎘汞紅外探測器，大力開展相關(guān)基礎(chǔ)研究，提升探測器基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)水平，降低探測器的暗電流，減少盲元。這樣才能形成工作在可見光至長波紅外波段的大規(guī)模碲鎘汞高光譜紅外探測器組件的實用化產(chǎn)品，趕超世界先進(jìn)國家，早日實現(xiàn)高光譜紅外探測器組件在高光譜成像中的工程應(yīng)用，從而在軍用目標(biāo)精確探測、識別和對抗方面取得主動。

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