[發(fā)明專利]紅外焦平面陣列探測器單元、紅外成像系統(tǒng)及校正方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310179002.7
• 申請日: 2013-05-13
• 公開（公告）號: CN103308184A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉海濤;姜利軍;劉翔;尹茂林;馬志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大立科技股份有限公司
• 主分類號: G01J5/22
• 分類號: G01J5/22;G01J5/06
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務(wù)所(普通合伙) 31218
• 代理人: 孫佳胤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及紅外探測器領(lǐng)域，尤其涉及一種紅外焦平面陣列探測器單元、紅外成像系統(tǒng)及其非均勻性校正方法。

背景技術(shù)

紅外探測器技術(shù)（尤其是非制冷紅外探測器技術(shù)）在過去的十幾年內(nèi)得到飛速發(fā)展。一方面，非制冷焦平面技術(shù)由最初的中、小規(guī)模，發(fā)展到大規(guī)模的640×480陣列，甚至是1024×1024非制冷焦平面陣列。另一方面，像元尺寸也由50μm、35μm、25μm逐步縮小到17μm甚至以下。非制冷焦平面探測器憑借其體積小、成本低、可靠性好等優(yōu)點，在工業(yè)、電力、醫(yī)療、消防等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著電路水平及制造工藝的改進，非制冷焦平面的靈敏度逐步提高，也推動非制冷紅外熱成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，尤其在輕武器瞄具、駕駛員視力增強器、手持式便攜熱像儀等輕武器方面，非制冷熱成像系統(tǒng)更具優(yōu)勢，有望在近年內(nèi)逐步取代價格高、體積笨重的制冷型熱成像系統(tǒng)。

非制冷紅外探測器一般是指熱探測器，即通過探測紅外輻射的熱效應(yīng)來工作。常用的紅外熱探測器包括熱電堆、熱釋電、以及微測輻射熱計。其中，采用微橋結(jié)構(gòu)的微測輻射熱計（Microbolometer）日漸成為絕對主流的非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)。微測輻射熱計通過檢測紅外輻射熱效應(yīng)引起的熱敏電阻的阻值變化而探測相應(yīng)的輻射強度。入射到探測器光敏元（像元）上的紅外輻射被吸收后，引起像元溫度的升高，這時像元的電阻值隨著其溫度升高而發(fā)生變化。通過檢測像元電阻值的變化來進一步探測紅外輻射信號的強弱。

微測輻射熱計的特點在于采用表面微加工工藝制作出懸空于CMOS讀出電路（ROIC）襯底之上，以細長懸臂梁支撐的業(yè)界通稱為微橋結(jié)構(gòu)的像元。成千上萬個相同的像元構(gòu)成的二維陣列稱為焦平面陣列。微橋結(jié)構(gòu)的性能直接影響焦平面的靈敏度及成像效果，首先要具有良好的熱絕緣性能，以利于把吸收的紅外輻射最大化地轉(zhuǎn)化為溫度變化；其次，要求具有較低的熱質(zhì)量，以保證足夠小的熱時間常數(shù)和一定的成像頻率；第三，要求具有較高的紅外吸收效率。

對于入射輻射引起的像元阻值微弱變化，必須通過靈敏的CMOS電路來檢測。檢測電阻變化的電路有很多種，目前比較通用的方法是采用電容跨阻放大器（CTIA）電路。其單元電路原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中R_p代表探測器的一個像元，R_p采用絕熱微橋結(jié)構(gòu)，與襯底之間具有良好的熱隔離以利于最大化地將吸收的輻射轉(zhuǎn)化為熱效應(yīng)。R_b代表盲元，所謂的盲元一般是與襯底導(dǎo)熱良好或無紅外輻射吸收能力的結(jié)構(gòu)。盲元包含與像元具有相同電學特性的熱敏電阻材料，但是其電阻值不會隨入射紅外輻射變化。在探測器工作時，流過R_p的電流包含由紅外輻射引起的微小電流變化（電阻變化），而流過R_b的電流不受紅外輻射影響，相對是“恒定”的。因此通過CTIA電路對像元電流與盲元電流的差分積分可檢測出由紅外輻射引起的像元阻值的微小變化。

對于實際的焦平面陣列，由于制造工藝、材料特性等存在的微小的不一致性，使得每個像元之間在絕熱、熱質(zhì)量、紅外吸收率、像元阻值、像元電阻溫度系數(shù)（TCR）等方面存在一定的差異。其結(jié)果是即使當探測器面對一個溫度均勻的黑體時，各個像元的輸出之間也不完全一致，這種現(xiàn)象在業(yè)界稱為非均勻性。焦平面輸出非均勻性在成像時表現(xiàn)為空間噪聲。微測輻射熱計焦平面的空間噪聲可能遠大于其信號響應(yīng)，這極大地制約了焦平面的有效輸出動態(tài)范圍，影響紅外成像效果，甚至有可能使焦平面完全不能成像。

目前，紅外焦平面陣列探測器的非均勻性大多通過在紅外成像系統(tǒng)的后端的控制處理電路采用兩點校正等方式來加以修正。所謂的兩點校正是通過采集兩個不同黑體溫度下的焦平面輸出，經(jīng)過計算后對探測器各個像元的增益（Gain）及偏移量（Offset）進行校正。但是，由于這些后端校正都是對已經(jīng)放大輸出并經(jīng)過A/D采樣后的信號進行處理，其校正效果無疑存在一定的局限性，并且為探測器的使用以及系統(tǒng)成本帶來不利影響。而且，在探測器輸出以后的校正無法解決非均勻性對焦平面陣列輸出動態(tài)范圍的限制。因此如果能夠把非均勻性校正功能集成至焦平面陣列的芯片內(nèi)部，在信號積分和放大輸出前即完成一定的校正功能，將無疑顯著提高探測器的性能。特別是對于大陣列規(guī)模、小像元尺寸的先進焦平面產(chǎn)品更具意義。

發(fā)明內(nèi)容