1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 中芯热成科技（北京）有限责任公司，北京 100176
3 中国计量科学研究院，北京 100029
红外探测及成像具有广泛用途，在红外制导、夜视侦察、安防监控及危化品探测等方面发挥了重要作用。现有红外成像焦平面大多由碲镉汞、二类超晶格、锑化铟等块体半导体材料制成，通过倒装键合的方法实现块体材料与硅基读出电路的信号传输。倒装键合对准困难、操作复杂、对设备依赖性较强，难以满足焦平面阵列规模不断增加和像元尺寸不断减小的制备需求。为解决红外焦平面阵列规模提升的瓶颈，采用碲化汞胶体量子点，通过液相旋涂的方法，突破倒装键合限制，实现硅基读出电路直接片上集成。所制备焦平面阵列规模达1280×1024，像元间距为15 µm，80 K工作温度下探测截止波长为4.8 µm，响应非均匀性为9%，有效像元率为99.96%，最低噪声等效温差达30 mK，展现了良好的成像性能。
焦平面阵列成像 胶体量子点 百万像素 捕获型探测器 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211027
对像元尺寸为10 μm的1280×1024碲镉汞（HgCdTe）中波红外焦平面阵列的制备技术和性能进行了研究。通过B+注入制备小尺寸n-on-p平面结；采用高平整度HgCdTe外延材料和高精度的倒焊互连技术，实现高的电学连通率；采用多段温度填胶固化和边缘刻蚀工艺减轻HgCdTe器件和读出集成电路（ROICs）之间的热失配，从而降低焦平面器件失效率。在85 K焦平面工作温度下，研制探测器的光谱响应范围为3.67 μm至4.88 μm，有效像元率高达99.95%，并且探测器组件像元的平均噪声等效温差（NETD）和暗电流密度的平均值分别小于16 mK和2.1×10-8A/cm2。与像元尺寸为15 μm的探测器相比，10 μm的1280×1024中波红外探测器可获取更加精细的图像，具有更远的识别距离。目前，该技术已成功转移到浙江珏芯微电子有限公司（ZJM）的HgCdTe红外探测器产线。
红外探测器 碲镉汞 1K×1K 红外焦平面阵列 n-on-p infrared detector HgCdTe 1K×1K FPA n-on-p
随着大规模红外焦平面阵列探测器应用的日益广泛，用户对其有效像元率指标提出了越来越高的要求。分析了有效像元率提升的难点。通过优化基于垂直布里奇曼法的衬底生长以及表面加工等工艺，提高了液相外延材料质量，获得了低缺陷中波碲镉汞薄膜外延材料；通过开发碲镉汞探测器背面平坦化工艺和优化探测器与读出电路倒装互连工艺，提高了成品率。最终提升了有效像元率指标(大于998%)，获得了良好的效果。
有效像元率 红外焦平面阵列 液相外延 倒装互连 effective pixel rate infrared focal plane array liquid-phase epitaxy flip-chip interconnection
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
在红外焦平面阵列探测器（IRFPA）非均匀性校正问题中，传统的神经网络算法会出现图像边缘模糊、对比度低、“鬼影”等现象。针对此类现象，本文提出一种基于侧窗滤波改进的神经网络非均匀性校正算法。该算法首先对输入图像采用侧窗滤波获得期望图像，在去除非均匀性噪声的同时保护目标边缘细节达到提升图像质量的效果。在此基础上，通过饱和非线性函数抑制校正参数局部发散，能够有效避免校正后图像出现‘鬼影’问题。实验结果表明，使用本文提出的算法能够有效去除图像中的非均匀性噪声，且无明显“鬼影”现象。在3组测试图像序列中，平均图像粗糙度降低了30.17%。在实验计算机上连续处理400帧图像序列最大耗时为37.417 0 s，较基于双边滤波改进的对比算法耗时减少了95.05%，较基于小波主成分分析的对比算法耗时减少了45.81%。本文算法在非均匀性校正效果和算法运行效率方面具有明显优势，为小算力、低功耗移动平台实现实时非均匀性校正提供了新的研究思路。
红外焦平面阵列 非均匀性校正 侧窗滤波 神经网络 infrared focal plane array nonuniformity correction side window filter neural network 陆逸凡 1,2,3汪鸿祎 1,2,3陶文刚 1,2,3,4曹嘉晟 1,2,3[ ... ]李雪 1,2
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
4 上海科技大学,上海 200083
为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5 μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18 μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器（CTIA）输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。
小像元 红外焦平面阵列 读出电路 CTIA结构 暗电流 small pixel IRFPA ROIC CTIA structure dark current
1 华北光电技术研究所，北京 100015
2 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室，北京 100083
报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术，获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术，制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。将芯片与双色读出电路互连，采用杜瓦封装，与制冷机耦合形成探测器组件。组件双波段50%后截止波长分别为7.7 μm（波段1）和10.0 μm（波段2）。波段1平均峰值探测率达到8.21×1010 cmW-1Hz1/2，NETD实现28.8 mK；波段2平均峰值探测率达到6.15×1010 cmW-1Hz1/2，NETD为37.8 mK，获得了清晰的成像效果，实现长/长波双色探测。
二类超晶格 长/长波 双色 焦平面阵列 type-II superlattice long-/long-wavelength dual-band focal plane array 红外与激光工程
2023, 52(7): 20230377
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学长三角研究院，浙江 嘉兴 314019
受限于复杂的分子束外延生长及倒装键合工艺，现有块体半导体红外探测器成本高昂、工艺复杂、极大制约了成像阵列规模和分辨率的进一步提升。胶体量子点作为一种新兴的半导体纳米晶体材料，因“量子限域”效应，能够实现宽谱段范围内的精准带隙调控。同时，胶体量子点可通过液相化学合成方法低成本大批量制备。此外，胶体量子点的液相加工工艺使得其可以与硅基读出电路进行直接片上电学耦合，突破了倒装键合工艺限制。因此，胶体量子点在红外探测及成像领域展现了巨大的应用前景。其中硫汞族量子点具有探测波段范围宽、物性调控易及便于硅基集成等优势，先后实现了中波红外背景限探测、双色探测及焦平面阵列成像等，在红外光电技术展示了巨大的潜力。本综述总结了近年来硫汞族胶体量子点红外光电探测技术的研究现状，并对其未来发展方向进行了展望。
硫汞族胶体量子点 红外探测器 红外焦平面阵列 红外上转换器件 光学学报
2023, 43(15): 1500001
1 中国科学院国家空间科学中心 复杂航天器系统电子信息技术重点实验室，北京 100190
2 北京理工大学物理学院 量子技术研究中心和先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室，北京 100081
3 中国科学院国家空间科学中心 空间科学卫星运控部，北京 100190
4 中国科学院大学，北京 100049
5 北京量子信息研究院，北京 100081
中长波红外成像探测器成本高昂，成为该波段高分辨成像和实时显示的巨大挑战。本文提出一种高效合并分块压缩感知方法（Multi-block Combined Compressed Sensing，MBCS），适用于基于焦平面阵列的压缩成像系统，它结合了并行采样和快速重建优势，可通过低分辨红外探测器实现低分辨并行测量和高分辨图像快速重建。与传统的基于压缩感知超分辨成像相比，该方法可提升高分辨图像重建的质量，同时实现高速重建。本文对光学系统原型和MBCS重建模型测量矩阵构建过程进行了研究，讨论了合并块大小对重建性能的影响，发现存在最优块大小使重建速度与重建质量都最优。此外，本文还实现了基于GPU加速的MBCS重建算法，用于进一步改进并行成像系统的图像重建速度。仿真和光学实验验证了该光学系统并行采样和快速重建策略的有效性，512×512分辨率成像与显示速度可达到5 Hz。
压缩成像 分块压缩感知 中红外 焦平面阵列 图像处理单元 compressive imaging blocked compressed sensing medium infrared focal plane array GPU
1 上海航天控制技术研究所，上海 201109
2 中国航天科技集团有限公司 红外探测技术研发中心，上海 201109
系统梳理了基于单元盖格雪崩光电二极管的多类距离重构方法的原理与特点，分析了适用于面阵盖格雪崩光电二极管的距离重构方法。采用激光细光束二维扫描发射覆盖探测视场和面阵盖格雪崩光电二极管焦平面阵列器件探测接收目标回波的方式，搭建了激光三维成像实验装置。采用不同距离重构方法对激光回波点云原始数据进行目标距离信息提取，以信号与背景计数的比值定量评估目标距离重构结果的差异。实验比对结果表明，空间相关处理后的信号与背景计数比值由0.5提升至6.67，提升效果明显。激光三维成像实验结果对比发现，在100 Hz成像帧频下仅有空间相关方法能重构出目标三维轮廓，验证了空间相关重构方法的优势和有效性，支撑了基于盖格雪崩光电二极管焦平面阵列高帧频远距激光三维成像技术工程应用。
激光雷达 光子计数 三维成像 盖格雪崩光电二极管 焦平面阵列 LiDAR Photon counting 3D imaging Gm-APD Focal plane array 光子学报
2022, 51(12): 1214005
