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国内外短波红外成像探测器发展现状(一)

发表时间:2023-05-10 09:00作者:海丰汇小丰

红外线指波长在0.78~1 000 μm 的电磁波,大气中对红外辐射吸收比较少的三个波长称之为“大气窗口”,国防应用中称之为短波红外、中短波红外和长波红外。

短波红外(SWIR)波长在1~3 μm,主要采用日光、月光、星光等反射成像,与可见光成像原理类似,在分辩率和细节方面与黑白可见光图象相当,这也使得总体目标便于识别,并且在微光夜视、精确制导、空间遥感、近红外光谱分析、工业控制、生物医疗和航空航天等领域获得广泛应用。

下面以两个篇章详细介绍世界各国短波红外探测器的发展状况。


▍美国

▍SensorsUnlimited Incorporation(SUI)公司

在全球范围内SWIR 销售市场具备领先地位,相继推出了功能强大的面阵、线阵扫描SWIR 产品。这家公司的技术路线为InGaAs 线阵一般采用正照明,读出电路(ROIC)与每一个像素间采用引线键合方式实现电学连接;二维面阵采用背照明,InGaAs 阵型与ROIC 中间则采用In 柱倒装焊方法连接。技术优势为高量子效率和高灵敏,响应波长包含标准化的0.9~1.7 μm,同时向可见光方向扩展至0.5 μm,其中在0.95 μm 处量子效率可以达到90%,下图为SUI 产品量子效率图。

图1 SUI产品量子效率图

FLIR公司

报道了A6260 系列短波红外热像仪,配备640×512规格的InGaAs 探测器,最大帧频为180 Hz,适合抓拍高速场景,可测量400 ℃ 以上的温度,适合于烤箱、熔炉等需要高温测量的应用;后续推出的Tau SWIR热像仪,利用相关双采样技术(CDS) 有效降低噪声,结构紧凑,易于集成。


Teledyne Princeton Instruments公司

推出的NIRvana:LN 相机,拥有同类相机中最低的暗电流噪声,为10 e/pixel/s @−190 ℃,积分时间可达一个小时,非常适合天文观测;同时,NIRvana 系列还可以用于量子点荧光实验、纳米管成像。麻省理工学院的Bawendi 实验室,在2017 年利用NIRvana 640,实现了清晰的小鼠体内成像;2021 年,Jana Zaumseil教授的团队,使用NIRvana 640 成功对单壁碳纳米管进行成像。

表1 美国部分SWIR公司的最新发展情况


▍法国

▍Sofradir公司

自2006 年开始研究高品质的InGaAs 材料,于2007年推出CACTUS 320 InGaAs 阵列,像素规格为320×256,像元中心距为30 μm,采用电容反馈跨阻放大器(CTIA)结构的商业ROIC,以及半导体制冷器 (Thermo Electric Cooler,TEC) 进行温度冷却。于2012 年开始生产CACTUS 640 组件,该组件具有25 μm 中心距的640×512 InGaAs 阵列。CACTUS 320 和CACTUS 640 组件专为0.9~1.7 μm(可拓展到可见光波段) 的夜天光低通量辐射探测设计。

由于CACTUS 系列组件的成功应用,Sofradir 获得了法国国防部的支持,开发像元中心距15 μm 的640×512 InGaAs 组件,并于2013 年底开始生产SNAKE-SW系列产品,响应波段覆盖0.9~1.7 μm 波段,阵列规格为640×512,像元尺寸为15 μm,最大帧频为300 Hz,量子效率为70%,ROIC 噪声为30 e,在0.2 V 偏压下暗电流为30 fA,阵列可操作性为99.9%,未校正的不均匀性为4%,使用TEC 制冷器。

2014 年10 月,Sofradir公司推出了像元中心距15 μm 的1 024×1 024 可见光-短波红外NGP 探测器,响应波长为0.35~2.5 μm,材料为HgCdTe,采用抗反射涂层后,峰值量子效率高达98%,NGP 探测器被选择用于Sentinel-5 任务,于2021 年搭载MetOp-SG 卫星升空,用于从极地轨道上对地球大气层进行监测。Sofradir 于2017 年6 月15 日宣布,正在开发第一款2048×2048、15 μm 中心距的短波红外探测器,并在量子效率、暗电流、积分时间和噪声方面进一步提高和优化,更好地应用于天文观测。


New Imaging Technologies (NIT) 公司

SWIR 技术进行了大量的研发投资,采用对数读出的方式,推出了动态范围高达120 dB InGaAs 探测器,覆盖0.9~1.7 μm 波段。

表2 NIT SWIR产品的研发情况


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