数字红外焦平面探测器（特邀）

相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有很多技术优势,是红外焦平面探测器技术的重要发展方向。首先,介绍了数字红外焦平面探测器国内外的研发现状,从信号处理以及应用的角度分析了模拟红外焦平面探测器与数字红外焦平面探测器的区别与特点;然后,又详细介绍了列级ADC数字读出集成电路以及数字像元读出集成电路的架构及具体电路模块,分析了数字读出集成电路的各模块电路及与性能的关系,并展望了数字读出集成电路的技术发展趋势。随着红外焦平面探测器向大面阵、小像元及高性能发展,对数字读出集成电路也提出更高的技术要求。通过读出集成电路架构以及模块电路的技术提升,列级ADC数字读出集成电路将普遍应用于大面阵、小像元红外焦平面探测器,而数字像元读出集成电路将普遍应用于长波红外焦平面探测器。     

数字化红外焦平面技术

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。     

高性能低噪声数字读出电路

红外焦平面的数字读出是信息化发展的必然方向,其关键技术是数字读出电路。介绍了数字读出电路的发展现状和主要架构,重点分析了时间噪声和空间噪声的来源和影响,并给出低噪声设计指导。同时对线性度、动态范围和帧频等主要性能进行了讨论,设计了两款数字读出电路。采用列级ADC数字读出架构设计了640×512数字焦平面探测器读出电路,读出噪声测试结果为150 μV,互连中波探测器测试NETD为13 mK。基于数字像元读出架构设计了384×288数字焦平面探测器读出电路,互连长波探测器测试NETD小于4 mK,动态范围超过90 dB,帧频达到1 000 Hz。所设计的两款读出电路有效提升了红外焦平面的灵敏度、动态范围和帧频等性能,表明数字读出电路技术对红外探测器性能的提升具有重要作用。     

1280 × 1024，10 μm数字红外焦平面读出电路设计（特邀）

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280 × 1024, 10 μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157 μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。     

像素级数字长波制冷红外焦平面探测器研究进展

介绍了美国、法国等西方红外强国在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。基于像素级ADC(模数转换)数字读出电路(ROIC)的不同实现架构,阐述了美国MIT实验室、法国Sofradir及CEA-Leti公司开发的像素级ADC数字读出电路原理及像素级数字化长波制冷红外焦平面探测器的最新研究成果。最后介绍了昆明物理研究所在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破像素级ADC设计等关键技术后,研制出320×256(30?m中心距)像素级数字读出电路,并与相同规格的长波制冷红外焦平面探测器互连,主要性能参数与国外同类像素级数字化长波焦平面探测器相当。     

红外焦平面读出电路辐射特性研究

红外焦平面阵列在宇宙空间中使用时,受到各种辐射导致性能退化甚至功能失效。作为红外焦平面阵列的重要组成部分,CMOS读出电路受到各种辐射主要体现为电离辐射效应。通过对红外焦平面CMOS读出电路进行空间模拟辐射实验后,测试读出电路的功能以及性能参数,研究了辐射对读出电路的影响。实验结果为红外焦平面CMOS读出电路的抗辐射设计提供了参考依据。     

数字化中波红外焦平面探测器组件研究进展

介绍了美国、以色列、法国等西方发达国家在数字化中波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。从数字读出电路（ROIC）角度出发,阐述了上述三个发达国家开发的列级ADC数字化中波红外焦平面探测器的最新研究成果。在SWaP概念牵引下,以色列、法国都推出了小像元（中心距为10 m及以下）、高温工作、数字化输出的百万像素中波红外焦平面探测器组件。最后介绍了昆明物理研究所在数字化红外焦平面探测器组件研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破列级ADC数字读出电路关键技术后,研制出一系列中心距（15 m、20 m、25 m）的640512列级ADC数字化中波红外焦平面探测器组件,主要技术指标与国外同类数字化中波红外焦平面探测器组件相当。     

第三代红外焦平面探测器读出电路

对红外探测器不断增长和提高的需求催生了第三代红外焦平面探测器技术。根据第三代红外探测器的概念,像素达到百万级,热灵敏度NETD达到1 m K量级是第三代制冷型高性能红外焦平面探测器的基本特征。计算结果表明读出电路需要达到1000 Me-以上的电荷处理能力和100 d B左右的动态范围(Dynamic Range)才能满足上述第三代红外焦平面探测器需求。提出在像素内进行数字积分技术,以期突破传统模拟读出电路的电荷存储量和动态范围瓶颈限制,使高空间分辨率、高温度分辨率及高帧频的第三代高性能制冷型红外焦平面探测器得到实现。     

大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术（特邀）

长波红外探测器一直以来受到读出电路电荷存储容量的限制,导致信噪比、动态范围和灵敏度都难以提升,制约了长波红外成像系统的发展和应用。文中对比分析了模拟像元和数字像元读出电路技术,介绍了数字像元焦平面的发展现状和主要架构。采用脉冲频率调制方案设计了384×288（25 μm）和256×256 （30 μm）两款数字像元读出电路,其中比较器设计提高了功耗效率和强壮性,并耦合碲镉汞探测器形成长波数字焦平面探测器组件进行测试,结果与国内外相关工作进行比较分析,峰值噪声等效温差分别达到3.4 mK和1.9 mK,动态范围达到96 dB。测试结果表明,数字像元技术显著提升了长波红外焦平面的灵敏度和动态范围,是提高红外探测器性能的有效途径。     

数字化红外焦平面噪声分析研究

基于自行设计的TDI线列红外焦平面数字化读出电路,设计一款带有驱动IRFPA器件和数字化数据采集功能的红外焦平面测试系统,分别进行数字化线列读出电路电注入方式、中波红外焦平面和长波红外焦平面的噪声分析以及红外探测器比较关心的NETD的分析,并对积分时间、焦平面阵列注入区和偏置电压对红外探测性能的影响做了区分论证。     

红外焦平面阵列读出电路技术分析

从红外焦平面技术的发展背景出发,论述了读出电路在红外焦平面信号传输中的作用;讨论了用于实现红外焦平面阵列读出电路的一些实施技术;并对各种实现技术进行了分析比较;最后提出了红外焦平面阵列读出电路今后的研究方向。     

致冷型红外CMOS读出集成电路的发展现状

致冷型红外读出集成电路经历了20多年的发展,其技术已日臻完善,CMOS读出电路是当今读出电路的主流,其发展趋势是减小像元间距,增加焦平面阵列像元数而又不降低其光电性能.将滤波电路、A/D转换等功能器件集成在同一芯片上也是读出电路的发展方向.     

红外焦平面阵列CMOS读出电路参数的计算机辅助测试系统

读出电路是红外焦平面器件研究的关键技术之一,本文研制出一种用于CMOS读出电路参数测试的计算机辅助测试系统。该系统可靠、精度高,有完整的软硬件环境,以适应各种读出电路的测试。     

基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计

大规模、高集成度的红外焦平面器件是实现高空间分辨率红外成像的核心。针对高集成度的红外焦平面技术发展,文中设计了一款15 m中心距640512的红外焦平面读出电路。为提升器件信噪比和积分时间,提出了一种22四个像元分时复用积分电容共享技术方案,单元采用直接注入（DI）结构作为输入级,使得读出电路最大电荷容量可达20 Me-/像元。电路有两档电荷容量可选,可满足不同光电流信号的读出要求。为了减小噪声的注入及提高缓冲器偏置电流的精度,为信号传输链路设计了相应的偏置电路。电路仿真结果表明,电路帧频108 Hz,功耗低于110 mW,线性度可高达99.99%。电路采用了CSMC 0.18 m 1P4M 3.3 V工艺加工流片,常温测试结果显示电路工作电流正常,偏置开关可控,功能正常。     

碲镉汞焦平面器件CMOS读出电路的发展

通过对近年来的部分文献资料进行归纳分析,介绍了碲镉汞焦平面器件CMOS读出电路(ROIC)的发展动态.讨论了读出电路的有关概念.列出了部分前放电路的单元结构,并分析了它们的工作特点.介绍了积分时间、积分电容以及多路传输等因素对读出电路设计的影响.     

阵列式日盲紫外成像CMOS读出集成电路及凸点连接的制作

可以广泛应用于军事和工农业生产上的CMOS紫外焦平面阵列(UVFPA)是近年来比较热门的研究课题.它可以比较容易地实现日盲式紫外探测和可见光盲式紫外探测.但在CMOS UVFPA的研制中,读出集成电路(ROIC)成了制约其发展的很重要的一环.ROIC芯片是实现探测器的信号输出的重要部件.混成式CMOS UVFPA要借助于先进的微电子封装工艺将ROIC与探测器阵列集成在一起.其中则需要制备用于高密度、高精确度互连的阵列凸点.我们通过蒸发结合光刻法和电镀法分别制备了线度为30μm×30μm的16×16凸点阵列.并对两种制备方法做了比较,在分析了制作的凸点的质量后,认为经过改进的蒸发结合光刻法可以制作高质量的阵列凸点.     

Time Delay Integration and In-Pixel Spatiotemporal Filtering Using a Nanoscale Digital CMOS Focal Plane Readout

A digital focal plane array (DFPA) architecture has been developed that incorporates per-pixel full-dynamic-range analog-to-digital conversion and orthogonal-transfer-based realtime digital signal processing capability. Several long-wave infrared-optimized pixel processing focal plane readout integrated circuit (ROIC) designs have been implemented, each accommodating a 256 times 256 30-mum-pitch detector array. Demonstrated in this paper is the application of this DFPA ROIC architecture to problems of background pedestal mitigation, wide-field imaging, image stabilization, edge detection, and velocimetry. The DFPA architecture is reviewed, and pixel performance metrics are discussed in the context of the application examples. The measured data reported here are for DFPA ROICs implemented in 90-nm CMOS technology and hybridized to Hg_xCd_1-xTe (MCT) detector arrays with cutoff wavelengths ranging from 7 to 14.5 mum and a specified operating temperature of 60 K-80 K.