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日紅外探測器的分類從1800年W·Herschel發(fā)現紅外線并制成涂黑靈敏溫度計以來，基于紅外輻射與物質相互作用的紅外探測器發(fā)展至今，已研制出了品種繁多的結構新穎、性能各異的紅外探測器。對于種類繁多的紅外探測器，有著多種不同的分類方法。

按陣列大小不同，分為：單元探測器（第一代）線陣探測器（第二代）面陣探測器(IRFPA)（第三代）第二頁，共三十頁，2022年，8月28日

按響應波段不同，分為：

1~3um（短波）

3~5um（中波）

8~14um（長波）

按工作溫度(是否需要致冷)，分為：非致冷探測器致冷型探測器

按成像方式，分為：掃描型（單元探測器、多元線列探測器）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

按結構形式分為：單片式混合式：指紅外探測器和讀出電路分別選用兩種材料，如紅外探測器使用HgCdTe，讀出電路使用Si。

按探測機理不同，分為：熱探測器

光子探測器

按同時響應波段數目分為：單色IRFPA

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

第六頁，共三十頁，2022年，8月28日常見材質及波段InSb

3~5umHgCdTe

2~30um（短波、中波、長波）PtSi

中波長波IRFPA（8~14um）

GaAlAs/GaAs多量子阱陣列

SiGe異質結陣列非致冷：熱釋電、熱電堆、微測輻射熱計

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器的性能已達到或接近理論極限值，只有增加使用的探測器數目才能進一步提高系統(tǒng)的性能，于是上世紀70年代產生了凝視紅外探測器概念。所謂“凝視”是指：紅外探測器響應景物（或目標）的時間與取出陣列中每個探測器響應信號所需的讀出時間相比較長。

成像時，探測器相對于視場的景物是凝視不動的，因而無須光機掃描。第八頁，共三十頁，2022年，8月28日凝視紅外探測器的結構特點是：將多路信號讀出等電路與探測器陣列集成在一起，并置于光學系統(tǒng)的焦平面上成像，故稱紅外焦平面陣列器件（InfraredFocalPlaneArrays，簡稱IRFPA）。紅外焦平面技術的發(fā)展為開發(fā)高性能的第二代、第三代紅外成像系統(tǒng)奠定了技術基礎。大規(guī)模（128×128像素以上）紅外焦平面陣列是當今最先進的一類紅外探測器，也是當今國內外重點發(fā)展的紅外探測器。IRFPA兼具輻射敏感和信號處理功能，通過讀出電路將所有探測器響應信號轉換成后續(xù)信號處理模塊可直接處理的有序圖像信號。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器相比具有以下明顯

優(yōu)點：（1）將紅外探測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）實現了光機掃描向電子掃描的轉變，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，適應了高速和超高速制導導彈等武器系統(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不但可以研制出高靈敏度、高分辨率、大視場的紅外成像系統(tǒng)，而且能使成像系統(tǒng)的體積、重量和功耗都得以降低。這有效地促進了紅外成像技術的推廣和應用，如今其應用遍及了軍事（例如預警、制導、夜視及跟蹤等）、天文和空間技術、醫(yī)學、工業(yè)、日常生活等等各個領域，并發(fā)揮著日趨重要的作用。紅外焦平面技術已成為了當代紅外光電子物理和技術學科的具有帶動性的學科前沿，正主導著下一代紅外和相關技術的發(fā)展，是當今信息科學技術中關鍵領域之一。第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日紅外焦平面技術的難點就在于制造大規(guī)模、高均勻性、高性能的紅外探測器陣列，雖然這一關鍵的制造技術在發(fā)達國家已有很大的突破，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現僅有為數不多的幾家專業(yè)公司所壟斷。從80年代初以來，國內幾家紅外研究所在這方面也取得了一定的進展，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器單元個數已達幾千至幾十萬個單元，這就帶來了一個嚴重的問題——即焦平面陣列的非均勻性（Nonuniformity）問題，這是紅外焦平面陣列應用中的一個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單元之間響應輸出的不一致性，又稱之為固定圖案噪聲（FixedPatternNoise，FPN）。(a).理想輸出(b).實際有非均勻性的輸出第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日非均勻性對圖像產生強烈的干擾。

在線陣型器件中表現為垂直掃描方向的條帶，

在凝視陣列中的空間噪聲將表現為固定的圖案。一64元的線陣型紅外焦平面器件對手的成像圖，手的熱圖幾乎被非均勻性引起的豎條紋所湮沒，而難以辨認一128×128面陣型紅外焦平面器件對均勻背景的成像，圖中同樣呈現出很強的固定圖案噪聲第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日5.3非均勻性產生機理分析

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

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)境等方面對紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)非均勻性的產生機理進行分析。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。因為所有的探測器和整個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。

探測像元響應率的非均勻性

信號傳輸的非均勻性

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

根據Mooney的理論，均勻照度下，IRFPA中單個探測單元的響應輸出可用電子數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系統(tǒng)的有效透過率光學系統(tǒng)截止波長的上限和下限像元(i,j)在積分時間內的暗電荷像元(i,j)相對出射光曈而言的偏軸角成像光學系統(tǒng)的F數像元(i,j)波譜量子效率積分時間第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日盡管目前的材料制造水平已經達到了相當高的水平，但制造器件的材料還是遠未達到所要求的均勻度。等幾個參數的差異，從而導致在均勻光照下，各個探測單元的輸出響應出現不一致的現象，即產生了不均勻性。這種因素對非均勻性的影響表現為乘性和加性關系。器件的材料中會出現各種晶格缺陷、摻雜不均和厚度不等等問題，這些都會造成在材料晶片不同位置上的探測器的飽和電流、量子效率和截止波長等參數的不同；其次在采用光刻法制造探測器時，由于制造工藝水平的限制，探測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單元之間的第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日2）信號傳輸的非均勻性

入射光子轉換為光生電荷信號后，必須注入到讀出電路實現多路信號輸出。紅外焦平面陣列對讀出電路的電荷傳輸效率有很高的要求，存儲勢阱中的電荷滯留和信號的傳輸損失的不一致性都將引起焦平面陣列響應輸出信號的不一致性。此外，探測器和讀出電路之間還存在一個信號耦合的環(huán)節(jié)，同樣由于材料和制造工藝水平的制約，各個耦合和輸出通道的參數也不可能完全相同，從而引起輸出信號的差異，形成非均勻性。其通常表現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的輸出電流，其產生于探測單元或讀出電路中?；喌茫旱诙?，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，還與器件的工作電壓、工作溫度等有關，這些參數的不一致性都將引起焦平面陣列中各探測器單元之間暗電流的差異，即引入了非均勻性。其通常表現為固定的非均勻性加性分量。電子熱運動速度常數柵級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、紅外探測器單元及其讀出電路的偏置和驅動信號的穩(wěn)定性等。這些條件的變化都將對焦平面陣列器件的工作狀態(tài)產生影響，而器件的工作狀態(tài)的變化將直接對探測器的光學增益、注入效率、讀出電路的增益以及暗電流等方面產生影響，并且這種影響在不同探測器之間也都是存在著差異的，從而導致了整個焦平面陣列器件響應輸出的不均勻性。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、與外界相關的非均勻性

紅外光學系統(tǒng)，如透過率的均勻性及冷反射等因素，以及紅外光學系統(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器單元接收的輻照度不同，從而導致了探測器單元響應輸出之間的非均勻性。這類非均勻性與外界條件密切相關，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，而且它們在焦平面器件的研制和紅外熱成像系統(tǒng)的設計中是很難直接觀測到

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器件的結構

IRFPA器件的工作狀態(tài)有關，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，這些問題如果不經過處理，則會大大降低成像信號的輸出信噪比。盲元，或稱失效元，是指IRFPA器件中的響應過高和過低的探測器單元。盲元的數量及其分布對器件性能的影響很大，如果盲元數過多，在成像時不經過相應的處理，則會在圖像中出現大量的亮點或暗點，嚴重影響成像質量。通過盲元補償剔除過亮或過暗的像元，可提高IRFPA的成像質量，具有很高的應用價值和意義。第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日盲元的定義對于盲元的定義，主要是從器件對黑體輻射的響應程度作為量化指標的。先給出兩個有關的紅外焦平面參數定義。

?像元響應率（Pixelsresponsivity）

?像元噪聲電壓（Pixelnoisevoltage）

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