设计了一款64×64面阵规格、片上集成存储器的超高速红外焦平面数字读出集成电路,将其与中波红外焦平面探测器芯片进行了互连,成功研制出超高速64×64中波红外图像传感器。实验结果表明,所研制超高速红外图像传感器的帧频达到1 MHz,存储深度为100帧,对黑体温度呈现近似线性响应,具有优于3.6 K的温度分辨率。

高帧频红外焦平面探测器在红外**系统、光谱成像和高速测温中有着重要应用。目前,我国高帧频红外焦平面技术还比较落后,这严重制约着我国高端红外**装备、光谱成像技术、高速测温仪器的发展。针对高帧频红外成像应用,设计并流片加工了一款384×288面阵、像元间距为25 μm的数字读出电路,与长波HgCdTe红外探测器芯片进行倒装互连,形成混合探测器芯片,并封装于金属真空杜瓦中,再配置斯特林制冷机,成功研制出了高帧频384×288长波数字红外探测器组件。经测试,所研制器件最高帧频达到1012 Hz,噪声等效温差(NETD)为16.8 mK,动态范围达到95.2 dB。采用所研制器件成功捕捉到了打火机点火瞬间的红外图像,该图像清晰呈现了火焰产生、迸出的过程,获得了良好的成像效果。

温度传感器是制冷型红外焦平面探测器的重要组成部分, 它用于测量探测器工作温度, 其输出用于制冷机控制, 从而控制探测器温度。探测器的工作温度将直接影响探测器的性能, 如信噪比、探测率和盲元率等。针对传统PN结温度传感器需要模拟信号处理电路及易受电磁干扰的弊端, 设计了一种基于CMOS工艺的集成式数字温度传感器, 可以集成到红外焦平面探测器读出电路中, 直接通过SPI接口输出数字测温值。设计的集成式数字温度传感器采用0.35 μm CMOS工艺流片, 芯片面积为380 μm×500 μm(不包含PAD), 在电源电压2.5 V和采样频率6.1次/s条件下, 功耗为300 μW, 分辨率0.061 6 K。在77 K温度下输出的RMS噪声为0.148 K。测试结果表明, 集成式数字温度传感器可以应用于制冷型红外焦平面探测器温度测量。

数字化红外焦平面技术是从探测器起所有信号处理都在数字域完成的红外热成像技术, 是目前国际上最先进的新一代红外焦平面技术。通过将模拟 -数字转换器(ADC)集成到读出电路中实现数字读出, 配合数字传输和数字图像处理形成数字化红外焦平面技术。通过中波 640×512数字化红外焦平面探测器读出电路、成像组件以及数字化红外焦平面热像仪的设计和测试, 表明数字化红外焦平面技术具有接口简单、高抗干扰、高通道隔离度、低读出噪声、高传输带宽、高线性度、高稳定性等特点, 是红外热成像系统的技术发展趋势。