摘要： 紅外熱成像技術(shù)是國(guó)家安全依賴的主要探測(cè)技術(shù)手段，已在衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)隨著非致冷紅外成像技術(shù)的發(fā)展，尤其是制造成本大幅度的降低，其在工業(yè)、醫(yī)療、民用方面的應(yīng)用也日漸增多。本文介紹了紅外焦平面陣列的原理、結(jié)構(gòu)及其分類，著重分析了讀出電路的各種性能，并對(duì)國(guó)內(nèi)外研制以及生產(chǎn)情況進(jìn)行了比較。

　　關(guān)鍵詞：非致冷；熱成像；紅外焦平面；

　　一、引言

　　自從1800年赫謝爾利用水銀溫度計(jì)制作的最原始的熱敏探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了紅外輻射以來[1]，人們就開始不斷運(yùn)用各種方法對(duì)紅外輻射進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)紅外光的特點(diǎn)而加以應(yīng)用，相繼制成了各種紅外探測(cè)器，如熱敏型輻射探測(cè)器（溫差電偶探測(cè)器、電阻測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電探測(cè)器）和半導(dǎo)體光電探測(cè)器（光電導(dǎo)探測(cè)器、光伏型探測(cè)器等）。最初，人們只能以單個(gè)探測(cè)單元通過光機(jī)掃描的方式并協(xié)同低溫制冷器來實(shí)現(xiàn)圖像探測(cè)；后來，則出現(xiàn)了探測(cè)單元數(shù)目在一萬(wàn)以上，且自帶有信號(hào)讀出電路的二維N×M元焦平面陣列(FPA)探測(cè)器；而現(xiàn)今，集成了探測(cè)器后續(xù)信號(hào)處理電路，包括信號(hào)讀出電路、前放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等的第三代被稱為“靈巧”（smart）凝視的大陣列焦平面也已開始嶄露頭角[2]。

　　紅外焦平面熱像儀是一種可探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，并能通過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設(shè)備，是集光、機(jī)、電等尖端技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。因其具有較強(qiáng)的抗干擾能力，隱蔽性能好、跟蹤、制導(dǎo)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。目前許多國(guó)家，尤其是美國(guó)等西方軍事發(fā)達(dá)國(guó)家，都花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行此方面的研究與開發(fā)，并獲得了成功[3、4]。

　　二、紅外焦平面陣列原理、分類

　　1、紅外焦平面陣列原理

　　焦平面探測(cè)器的焦平面上排列著感光元件陣列，從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測(cè)器將接受到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

　　2、紅外焦平面陣列分類

　　（1）根據(jù)制冷方式劃分

　　根據(jù)制冷方式，紅外焦平面陣列可分為制冷型和非制冷型。制冷型紅外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起動(dòng)節(jié)流致冷器集成體和杜瓦瓶/斯特林循環(huán)致冷器集成體[5]。由于背景溫度與探測(cè)溫度之間的對(duì)比度將決定探測(cè)器的理想分辨率，所以為了提高探測(cè)儀的精度就必須大幅度的降低背景溫度。當(dāng)前制冷型的探測(cè)器其 探測(cè)率達(dá)到～1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探測(cè)器為～109cmHz1/2W-1，相差為兩個(gè)數(shù)量級(jí)。不僅如此，它們的其他性能也有很大的差別，前者的響應(yīng)速度是微秒級(jí)而后者是毫秒級(jí)。

　　（2）依照光輻射與物質(zhì)相互作用原理劃分

　　依此條件，紅外探測(cè)器可分為光子探測(cè)器與熱探測(cè)器兩大類。光子探測(cè)器是基于光子與物質(zhì)相互作用所引起的光電效應(yīng)為原理的一類探測(cè)器，包括光電子發(fā)射探測(cè)器和半導(dǎo)體光電探測(cè)器，其特點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、對(duì)波長(zhǎng)的探測(cè)選擇性敏感，但光子探測(cè)器一般工作在較低的環(huán)境溫度下，需要致冷器件。 熱探測(cè)器是基于光輻射作用的熱效應(yīng)原理的一類探測(cè)器，包括利用溫差電效應(yīng)制成的測(cè)輻射熱電偶或熱電堆，利用物體體電阻對(duì)溫度的敏感性制成的測(cè)輻射熱敏電阻探測(cè)器和以熱電晶體的熱釋電效應(yīng)為根據(jù)的熱釋電探測(cè)器。這類探測(cè)器的共同特點(diǎn)是：無選擇性探測(cè)（對(duì)所有波長(zhǎng)光輻射有大致相同的探測(cè)靈敏度），但它們多數(shù)工作在室溫條件下[6]。

　　（3）按照結(jié)構(gòu)形式劃分

　　紅外焦平面陣列器件由紅外探測(cè)器陣列部分和讀出電路部分組成。因此，按照結(jié)構(gòu)形式分類，紅外焦平面陣列可分為單片式和混成式兩種[7]。其中，單片式集成在一個(gè)硅襯底上，即讀出電路和探測(cè)器都使用相同的材料，如圖1所示。混成式是指紅外探測(cè)器和讀出電路分別選用兩種材料，如紅外探測(cè)器使用HgCdTe，讀出電路使用Si。混成式主要分為倒裝式（圖2(a)）和Z平面式（圖2(b)）兩種。

　　（4）按成像方式劃分

　　紅外焦平面陣列分為掃描型和凝視型兩種，其區(qū)別在于掃描型一般采用時(shí)間延遲積分（TDI）技術(shù)，采用串行方式對(duì)電信號(hào)進(jìn)行讀取；凝視型式則利用了二維形成一張圖像，無需延遲積分，采用并行方式對(duì)電信號(hào)進(jìn)行讀取。凝視型成像速度比掃描型成像速度快，但是其需要的成本高，電路也很復(fù)雜。

　　（5）根據(jù)波長(zhǎng)劃分

　　由于運(yùn)用衛(wèi)星及其它空間工具，通過大氣層對(duì)地球表面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，只有穿過大氣層的紅外線才會(huì)被探測(cè)到。人們發(fā)現(xiàn)了三個(gè)重要的大氣窗口：1mm～3mm的短波紅外、3mm～5mm的中波紅外、8mm～14mm的長(zhǎng)波紅外，由此產(chǎn)生三種不同波長(zhǎng)的探測(cè)器。

　　三、讀出電路

　　讀出電路是紅外焦平面陣列當(dāng)中的十分重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于周圍物體的黑體輻射，被測(cè)物體的輻射信號(hào)相當(dāng)微小，電流大小為納安或者是皮安級(jí)，要把這么小的信號(hào)讀出可不是一件容易的事，尤其這種小信號(hào)很易受到其它噪聲的干擾，因此，選擇和設(shè)計(jì)電路就成為特別重要的方面。

　　1、自積分型讀出電路（SI ROIC）

　　在所有讀出電路結(jié)構(gòu)中，自積分（SI）電路（圖3）最為簡(jiǎn)單，僅有一個(gè) MOS 開關(guān)元件，其象元面積可以做得很小。在 SI 電路中，光生電流（或電荷）直接在與探測(cè)器并聯(lián)的電容上積分，然后通過多路傳輸器輸出積分信號(hào)。此讀出電路的輸出信號(hào)通常是取其電荷而非電壓，其后接電荷放大器，在每幀結(jié)束時(shí)需由象元外的電路對(duì)積分電容進(jìn)行復(fù)位。積分電容主要為探測(cè)器自身的電容，但也包括與之相連的一些雜散電容。在某些探測(cè)器中，此電容可能是非線性的（如光電二極管的結(jié)電容），隨積分電荷的增加，其會(huì)造成探測(cè)器的偏置發(fā)生變化，可能引起輸出信號(hào)的非線性。該電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是無信號(hào)增益，易受多路傳輸器和列放大器的噪聲干擾。

　　2、源隨器型讀出電路（SFD ROIC）

　　為了給多路傳輸器提供電壓信號(hào)，并增加驅(qū)動(dòng)能力，往往在 SI 后加緩沖放大器。實(shí)現(xiàn)此功能的通常方法是在每個(gè)探測(cè)器后接一MOSFET 源隨器（SFD），即構(gòu)成源隨器型讀出電路（圖4）。源隨器型讀出電路是一種直接積分的高阻抗放大器，探測(cè)器偏壓由復(fù)位電平?jīng)Q定，故不存在探測(cè)器偏壓初值不均勻的問題，但偏壓會(huì)隨積分時(shí)間和積分電流變化，引起探測(cè)器偏置變化。SFD電路在很低背景下具有較滿意的信噪比，但在中、高背景下，與 SI 讀出電路一樣，其也有嚴(yán)重的輸出信號(hào)非線性問題。復(fù)位 MOS 開關(guān)會(huì)帶來 KTC 噪聲，而源隨器 MOS 管的 1/f 噪聲和溝道熱噪聲也是主要的噪聲源。

　　3、直接注入讀出電路（DI ROIC）

　　直接注入（DI）電路（圖5）是第二代探測(cè)器（即探測(cè)器陣列）使用最早的讀出前置放大器之一。它首先用于 CCD 紅外焦平面陣列，現(xiàn)也用于 CMOS 紅外焦平面陣列。在此電路中，探測(cè)器電流通過注入管向積分電容充電，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，電壓增益的大小主要與積分電容的大小有關(guān)，當(dāng)然也受電源電壓的限制。此電路在中、高背景輻射下，注入管的跨導(dǎo)（gm）較大，這主要是因積分電流較大的緣故。此時(shí)，讀出電路輸入阻抗較低，光生電流的注入效率相對(duì)較高。在低背景下，因注入管的跨導(dǎo)減小，使讀出電路的輸入阻抗增大，會(huì)降低光生電流的注入效率。在一定的范圍內(nèi)，DI 電路的響應(yīng)基本上是線性的。但因各象元注入管閾值電壓的不均勻性，會(huì)在焦平面陣列輸出信號(hào)中引入空間噪聲，因而抑制焦平面陣列的空間噪聲是一個(gè)非常棘手的問題。

　　4、反饋增強(qiáng)直接注入讀出電路（FEDI ROIC）

　　反饋增強(qiáng)直接注入電路（FEDI）以 DI 讀出電路為基礎(chǔ)，在注入管柵極和探測(cè)器間跨接一反相放大器（圖6），其目的是在低背景下，進(jìn)一步降低讀出電路的輸入阻抗，從而提高注入效率和改善頻率響應(yīng)。視反饋放大器的增益不同，F(xiàn)EDI的最小工作光子通量范圍可以比 DI 低一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)，響應(yīng)的線性范圍也比 DI 的更寬。但象元的功耗和面積也隨之增加了，面積的增加對(duì)現(xiàn)在日益發(fā)展的光刻技術(shù)并非什么大問題，但功耗的增大就很不利。

　　5、電流鏡柵調(diào)制讀出電路（CM ROIC）

　　電流鏡柵調(diào)制電路（CM）可使讀出電路在更高的背景輻射條件下工作（圖7）。通常，讀出電路的積分電容是在象元電路內(nèi)，因受面積的限制，故不可能做得很大。在高背景的應(yīng)用中，很大的背景輻射電流可使積分電容電壓很快地處于飽和狀態(tài)，從而使讀出電路失去探測(cè)信號(hào)的功能。CM 讀出電路可避免這種情況的發(fā)生，這種電路的電流增益與探測(cè)器輸出電流的平方根成反比例關(guān)系，即隨探測(cè)器輸出電流的增大，電流增益自動(dòng)減小。但是，CM 電路不能為探測(cè)器提供穩(wěn)定和均勻的偏置，其響應(yīng)也是非線性的。因而，此讀出電路的總體性能受限。

　　6、電阻負(fù)載柵調(diào)制讀出電路（RL ROIC）

　　電阻負(fù)載柵極調(diào)制電路（RL）的構(gòu)造思想和目的與 CM 幾乎一樣（圖8），其效果也差不多，只是因用電阻替代了 MOS 管，可使象元 1/f 噪聲更小，并提高了探測(cè)器偏壓的均勻性。由于大電阻的制造與數(shù)字 CMOS 工藝是不兼容的，RL 的阻值不可能很大。此外，因電路結(jié)構(gòu)的原因，當(dāng)探測(cè)器電流很小時(shí)，此讀出電路的均勻性和線性度都相當(dāng)差。在大多數(shù)的應(yīng)用中，需要對(duì)其輸出增益和偏移進(jìn)行校正才能獲得滿意的效果，故此類讀出電路不見常用。

　　7、電容反饋跨阻抗放大器（CTIA ROIC）

　　CTIA 是由運(yùn)放和反饋積分電容構(gòu)成的一種復(fù)位積分器（圖9），探測(cè)器電流在反饋電容上積分，其增益大小由積分電容確定。它可以提供很低的探測(cè)器輸入阻抗和恒定的探測(cè)器偏置電壓，在從很低到很高的背景范圍內(nèi)，都具有非常低的噪聲。且輸出信號(hào)的線性度也很好。此電路的功耗和芯片面積較一般的電路大，復(fù)位開關(guān)也會(huì)帶來 CKT 噪聲，這也許是它眾多優(yōu)良性能中的一點(diǎn)不足之處。

　　8、電阻反饋跨阻放大器（RTIA ROIC）