光电成像——非均匀性概要

可见暗电流不仅与器件的材料有关，还与器件的工作电 压、工作温度等有关，这些参数的不一致性都将引起焦 平面阵列中各探测器单元之间暗电流的差异，即引入了 非均匀性。 其通常表现为固定的非均匀性加性分量 。
第5讲 非均匀性
光电成像实时处理技术
2、器件工作状态引入的非均匀性
与红外焦平面阵列工作状态相关的条件主要有红外焦平 面阵列的工作温度及其均匀性、红外探测器单元及其读 出电路的偏臵和驱动信号的稳定性等。 这些条件的变化都将对焦平面阵列器件的工作状态产生 影响，而器件的工作状态的变化将直接对探测器的光学 增益、注入效率、读出电路的增益以及暗电流等方面产 生影响，并且这种影响在不同探测器之间也都是存在着 差异的，

IRFPA中各探测器响应率的非均匀性（包括光谱响应 的非均匀性）； 读出电路自身及读出电路与探测器耦合的非均匀性；


暗电流的非均匀性等。
以下将从器件自身、器件工作状态及外部环境等方面对红 外焦平面阵列成像系统非均匀性的产生机理进行分析。
第5讲 非均匀性
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1、器件自身非均匀性
一64元的线阵型红外焦平 面器件对手的成像图，手 的热图几乎被非均匀性引 起的竖条纹所湮没，而难 以辨认
一128×128面阵型红外焦平 面器件对均匀背景的成像， 图中同样呈现出很强的固定 图案噪声
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5.3 非均匀性产生机理分析
造成红外焦平面阵列成像非均匀性的因素是多方面的， 起主要作用的是：
2 i
化简得：
1 I d G VG qn i sVthKTN ss 2
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热生载流子 的净产生率
本征材料中载 流子浓度
电子热运 动速度
常数
1 I d G VG qn i sVthKTN ss 2
栅级 电压 少子电 荷量 俘获 截面 温度 禁带中的截 面态密度
器件自身非均匀性是红外焦平面阵列非均匀性的主体部 分。这种非均匀性主要是由器件的材料和制造工艺水平 所决定的。 因为所有的探测器和整个多路耦合传输电路被共同集成 制造在单一的基片上，所以一旦红外焦平面器件制造完 成后，这种非均匀性因素也就基本确定了。

探测像元响应率的非均匀性 信号传输的非均匀性 暗电流的非均匀性
这种因素对非均匀性的影响表现为乘性和加性关系。
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2）信号传输的非均匀性
入射光子转换为光生电荷信号后，必须注入到读出电路 实现多路信号输出。
红外焦平面阵列对读出电路的电荷传输效率有很高的要 求，存储势阱中的电荷滞留和信号的传输损失的不一致 性都将引起焦平面阵列响应输出信号的不一致性。 此外，探测器和读出电路之间还存在一个信号耦合的环 节，同样由于材料和制造工艺水平的制约，各个耦合和 输出通道的参数也不可能完全相同，从而引起输出信号 的差异，形成非均匀性。 其通常表现为固定的非均匀性乘性分量。
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根据所采用的光电效应，光子探测器又可分：
外光电探测器（真空探测器）：基于外光电效应 光电导探测器：基于光电导效应 光伏探测器：基于光伏效应
光电导效应：由于光照增加了自由载流子，使半导体的电
导率发生变化．
光伏效应：半导体的p-n结(光电二极管)，在入射光子的作用 下产生电子空穴对，然后被结上的电场分开，在探测器输出
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红外探测器的分类
从1800年W ·Herschel 发现红外线并制成涂黑灵敏温度 计以来，基于红外辐射与物质相互作用的红外探测器发 展至今，已研制出了品种繁多的结构新颖、性能各异的 红外探测器。对于种类繁多的红外探测器，有着多种不 同的分类方法。
按阵列大小不同，分为： 单元探测器（第一代） 线阵探测器（第二代）
光子探测器
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热探测器：红外辐射与物质相互作用产生热效应而工作， 热探测器吸收红外辐射后，先引起温度升高。然后由于 温度升高，伴随着发生某种物理性质的变化。测量这些 物理性质的变化既可以确定被吸收的红外辐射的能量或 者功率。 光子探测器：红外辐射与物质相互作用产生光电效应而 工作。 光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的 改变，从而引起几种电学现象，它们统称为光子效应。 常用的光子效应包括：外光电效应、内光电效应。
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3）暗电流的非均匀性
暗电流是指红外焦平面阵列器件在无辐射输入时的输出 电流，其产生于探测单元或读出电路中 。
qVd id is [exp( ) 1] k bTd
n 1 e 1 qVd ( pn )(N ) qkbTd ) 1] [exp( e (Na ) k bTd n (Nd )
开路情况下可形成光电压；如果将探测器输出短路，可产生
短路电流。
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常见材质及波段 InSb PtSi

3~5um 中波
HgCdTe 2~30um（短波、中波、长波）
长波 IRFPA（8~14um）
GaAlAs/GaAs多量子阱阵列 SiGe异质结阵列 非致冷：热释电、热电堆、微测辐射热计
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尽管目前的材料制造水平已经达到了相当高的水平，但制 造器件的材料还是远未达到所要求的均匀度。 器件的材料中会出现各种晶格缺陷、掺杂不均和厚度不等 等问题，这些都会造成在材料晶片不同位臵上的探测器的 饱和电流、量子效率和截止波长等参数的不同； 其次在采用光刻法制造探测器时，由于制造工艺水平的限 制，探测器光敏面的几何尺寸也存在一定的误差，由此造 成阵列中各探测单元之间的 ij Dij Aij ij 等几个参数的差异，从而导致在均匀光照下，各个探测单 元的输出响应出现不一致的现象，即产生了不均匀性。
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第5讲 红外焦平面阵列的非均匀性及盲元
۩ 5.1 红外探测器与红外焦平面阵列 ۩ 5.2 IRFPA的非均匀性 ۩ 5.3 非均匀性产生机理 ۩ 5.4 IRFPA的盲元 ۩ 5.5 盲元产生机理
第5讲 非均匀性
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5.1 红外探测器与红外焦平面阵列
红外焦平面阵列中探测器单元个数已达几千至几十万个 单元，这就带来了一个严重的问题——即焦平面阵列的 非均匀性（Nonuniformity）问题，这是红外焦平面阵列 应用中的一个突出而必须解决的问题。
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5.2 IRFPA响应非均匀性
IRFPA成像非均匀性（Nonuniformity）定义:
像元规模：128x128、256x256、 320x240 、 512x512、 640x480、1024x1024、1968x1968
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红外焦平面阵列
由于单元红外探测器的性能已达到或接近理论极限值， 只有增加使用的探测器数目才能进一步提高系统的性能， 于是上世纪70年代产生了凝视红外探测器概念。
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红外焦平面阵列与其它红外探测器相比具有以下明显 优点：
（1）将红外探测器阵列高密度地集成在同一芯片上，
从而可以大幅度地提高系统的空间分辨率和灵敏度；
（2）实现了光机扫描向电子扫描的转变，有效地减小
了系统的体积、重量和功耗，提高了工作的可靠性；
（3）系统的工作帧频可以很高（几百帧甚至千帧以
面阵探测器 (IRFPA)（第三代）
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按响应波段不同，分为： 1~3um（短波） 3~5um（中波） 8~14um（长波） 按成像方式，分为：
扫描型（单元探测器、多元线列探测器）
凝视型（二维红外焦平面阵列） 按工作温度(是否需要致冷)，分为：
上），减少了信息迟延，适应了高速和超高速制导导 弹等武器系统图像信息获取的需求。
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红外焦平面阵列的出现不但可以研制出高灵敏度、高分辨
率、大视场的红外成像系统，而且能使成像系统的体积、 重量和功耗都得以降低。这有效地促进了红外成像技术的 推广和应用，如今其应用遍及了军事（例如预警、制导、 夜视及跟踪等）、天文和空间技术、医学、工业、日常生 活等等各个领域，并发挥着日趋重要的作用。
所谓“凝视”是指：红外探测器响应景物（或目标）的 时间与取出阵列中每个探测器响应信号所需的读出时间 相比较长。 成像时，探测器相对于视场的景物是凝视不动的，因而 无须光机扫描。
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凝视红外探测器的结构特点是：将多路信号读出等电路 与探测器阵列集成在一起，并臵于光学系统的焦平面上 成像，故称红外焦平面阵列器件（Infrared Focal Plane Arrays，简称IRFPA）。 红外焦平面技术的发展为开发高性能的第二代、第三代 红外成像系统奠定了技术基础。大规模（128×128像素 以上）红外焦平面阵列是当今最先进的一类红外探测器， 也是当今国内外重点发展的红外探测器。 IRFPA兼具辐射敏感和信号处理功能，通过读出电路将 所有探测器响应信号转换成后续信号处理模块可直接处 理的有序图像信号。
非致冷探测器
致冷型探测器
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按同时响应波段数目分为： 单色 IRFPA 多色 IRFPA （例如3~5um，8~14um） 按结构形式分为：
单片式
混合式：指红外探测器和读出电路分别选用两种材料， 如红外探测器使用 HgCdTe，读出电路使用 Si。 按探测机理不同，分为： 热探测器
像元(i,j)波谱 量子效率 其中 光学系统的 有效透过率
cos4 ij Rij eff int A # 2 ij 4( F )
像元(i,j)在积分 时间内的暗电荷
像元有 效面积
积分时间
成像光学系 统的 F数
像元(i,j)相对出射光 曈而言的偏轴角
第5讲 非均匀性
红外技术和红外系统的发展和应用，始终是与红外辐射 探测器的发展密切联系在一起的。 红外探测器是红外系统中最关键的元件之一，它是一种 把接收到的红外辐射能转变成相应电量的传感器。
早在十九世纪就诞生了红外探测器，但直至到了二十世纪 四十年代初德国研制出硫化铅（PbS）探测器以后，红外 探测器技术才得到了迅速的发展并应用于军事目的。目前 红外探测器已广泛应用于军事和民用的许多领域，特别是 在对目标的探测和制导跟踪方面获得了广泛的应用，并取 得了巨大的军事效益。
红外焦平面技术已成为了当代红外光电子物理和技术学 科的具有带动性的学科前沿，正主导着下一代红外和相 关技术的发展，是当今信息科学技术中关键领域之一。
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红外焦平面技术的难点就在于制造大规模、高均匀性、高 性能的红外探测器阵列，虽然这一关键的制造技术在发达 国家已有很大的突破，但在提高成品率、降低成本方面仍 具有很大难度。有效的红外焦平面制造技术现仅有为数不 多的几家专业公司所垄断。从80年代初以来，国内几家红 外研究所在这方面也取得了一定的进展，但距离高性能和 高均匀性还有一定的差距。
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1）探测像元响应率的非均匀性
光学系统截止波 物空间单元在温度 T 根据Mooney的理论，均匀照度下， IRFPA 中单个探测 长的上限和下限 下的光谱光子辐射
单元的响应输出可用电子数表示为
2 1
N ij (Ti ) Rij L( , T ) ij ( )d Dij
在一均匀辐射照射下红外焦平面阵列中各探测单元之间 响应输出的不一致性，又称之为固定图案噪声（ Fixed Pattern Noise， FPN）。
电 压 幅 度 1行信号
电 压 幅 度 1行信号
n
像元序号
nБайду номын сангаас
像元序号
(a).理想输出
(b).实际有非均匀性的输出
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非均匀性对图像产生强烈的干扰。 在线阵型器件中表现为垂直扫描方向的条带， 在凝视阵列中的空间噪声将表现为固定的图案。