一、红表焦平面阵列道理

　　焦平面探测器的焦平面上分列着感光元件阵列，从无限远处发射的红表线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样维持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终投递监督系统形成图像
。

　　二、红表焦平面阵列分类

　　(1)凭据造冷方式划分

　　凭据造冷方式，红表焦平面阵列可分为造冷型和非造冷型
。造冷型红表焦平面目前重要选取杜瓦瓶/急剧起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体 [5]
。由于布景温杜纂探测温度之间的对比度将决定探测器的梦想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低布景温度
。当前造冷型的探测器其 探测率达到～1011cmhz1/2w-1，而非造冷型的探测器为～109cmhz1/2w-1，相差为两个数量级
。不仅如此，它们的其他机能也有很大的差距，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级
。

　　(2)遵循光辐射与物质相互作用道理划分

　　依此前提，红表探测器可分为光子探测器与热探测器两大类
。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为道理的一类探测器，蕴含光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测活络度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器通常工作在较低的环境温度下，必要致冷器件
。 热探测器是基于光辐射作用的热效应道理的一类探测器，蕴含利用温差电效应造成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性造成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为凭据的热释电探测器
。这类探测器的共同特点是：无选择性探测(对所有波长光辐射有大体一样的探测活络度)，但它们无数工作在室温前提下[6]
。

　　(3)依照结构大局划分

　　红表焦平面阵列器件由红表探测器阵列部门和读出电路部门组成
。因而，依照结构大局分类，红表焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]
。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用一样的资料，如图1所示

；斐墒绞侵负毂硖讲馄骱投脸龅缏繁鹄胙∮昧街肿柿，如红表探测器使用hgc dte，读出电路使用si

；斐墒街匾治棺笆(图2(a))和z平面式(图2(b))两种
。

　　(4)按成像方式划分

　　红表焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型通常选取功夫延长积分(tdi)技术，选取串行方式对电信号进行读取;凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延长积分，选取并行方式对电信号进行读取
。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其必要的成本高，电路也很复杂
。

　　(5)凭据波长划分

　　由于使用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表表指标进行探测，只有穿过大气层的红表线才会被探测到
。人们发现了三个沉要的大气窗口：1mm～3mm的短波红表、3mm～5mm的中波红表、8mm～14mm的长波红表，由此产生三种分歧波长的探测器
。

　　三.读出电路

　　读出电路是红表焦平面阵列傍边的极度沉要的环节
。对于周围物体的黑体辐射，被测物体的辐射信号相当微幼，电流大幼为纳安或者是皮安级，要把这么幼的信号读出可不是一件容易的事，尤其这种幼信号很易受到其它噪声的滋扰，因而，选择和设计电路就成为出格沉要的方面
。

　　1.自积分型读出电路(si roic)

　　在所有读出电路结构中，自积分(si)电路(图3)最为单一，仅有一个 mos 开关元件，其象元面积能够做得很幼
。在 si 电路中，光生电流(或电荷)直接在与探测器并联的电容上积分，而后通过多路传输器输出积分信号
。此读出电路的输出信号通常是取其电荷而非电压，其后接电荷放大器，在每帧实现时需由象元表的电路对积分电容进行复位

；值缛葜匾讲馄髯陨淼牡缛，但也蕴含与之相连的一些杂散电容
。在某些探测器中，此电容可能长短线性的(如光电二极管的结电容)，随积分电荷的增长，其会造成探测器的偏置产生变动，可能引起输出信号的非线性
。该电路的另一个弊端是无信号增益，易受多路传输器和列放大器的噪声滋扰
。

　　2.源随器型读出电路(sfd roic)

　　为了给多路传输器提供电压信号，并增长驱动能力，往往在 si 后加缓冲放大器
。实现此职能的通常步骤是在每个探测器后接一mosfet 源随器(sfd)，即组成源随器型读出电路(图4)
。源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器，探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压初值不均匀的问题，但偏压会随积分功夫和积分电流变动，引起探测器偏置变动
。sfd电路在很低布景下拥有较中意的信噪比，但在钟注高布景下，与 si 读出电路一样，其也有严沉的输出信号非线性问题
。复位 mos 开关会带来 ktc 噪声，而源随器 mos 管的 1/f 噪声和沟路热噪声也是重要的噪声源
。

　　3.直接注入读出电路(di roic)

　　直接注入(di)电路(图5)是第二代探测器(即探测器阵列)使用最早的读出前置放大器之一
。它首吓酌于 ccd 红表焦平面阵列，现也用于 cmos 红表焦平面阵列
。在此电路中，探测器电流通过注入管向积分电容充电，实现电流到电压的转换，电压增益的大幼重要与积分电容的大幼有关，当然也受电源电压的限度
。此电路在钟注高布景辐射下，注入管的跨导(gm)较大，这重要是因积分电流较大的缘故
。此时，读出电路输入阻抗较低，光生电流的注入效能相对较高
。在低布景下，因注入管的跨导减幼，使读出电路的输入阻抗增大，会降低光生电流的注入效能
。在肯定的领域内，di 电路的响应根基上是线性的
。但因各象元注入管阈值电压的不均匀性，会在焦平面阵列输出信号中引入空间噪声，因而抑造焦平面阵列的空间噪声是一个极度辣手的问题
。

　　4.反馈加强直接注入读出电路(fedi roic)

　　反馈加强直接注入电路(fedi)以 di 读出电路为基础，在注入管栅极和探测器间跨接一反相放大器(图6)，其主张是在低布景下，进一步降低读出电路的输入阻抗，从而提高注入效能和改善频率响应
。视反馈放大器的增益分歧，fedi的最幼工作光子通量领域能够比 di 低一个或几个数量级，响应的线性领域也比 di 的更宽
。但象元的功耗和面积也随之增长了，面积的增长对此刻日益发展的光刻技术并非什么大问题，但功耗的增大就很不利
。

　　5.电流镜栅调造读出电路(cm roic)

　　电流镜栅调造电路(cm)可使读出电路在更高的布景辐射前提下工作(图7)
。通常，读出电路的积分电容是在象元电路内，因受面积的限度，故不成能做得很大
。在高布景的利用中，很大的布景辐射电流可使积分电容电压很快地处于鼓和状态，从而使读出电路失去探测信号的职能
。cm 读出电路可预防这种情况的产生，这种电路的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系，即随探测器输出电流的增大，电流增益自动减幼
。但是，cm 电路不能为探测器提供不变和均匀的偏置，其响应也长短线性的
。因而，此读出电路的总体机能受限
。

　　6.电阻负载栅调造读出电路(rl roic)

　　电阻负载栅极调造电路(rl)的机关思想和主张与 cm 险些一样(图8)，其成效也差不多，只是因用电阻代替了 mos 管，可使象元 1/f 噪声更幼，并提高了探测器偏压的均匀性
。由于大电阻的造作与数字 cmos 工艺是不兼容的，rl 的阻值不成能很大
。此表，因电路结构的原因，当探测器电流很幼时，此读出电路的均匀性和线性度都相当差
。在大无数的利用中，必要对其输出增益和偏移进行校对能力获得中意的成效，故此类读出电路不见常用
。

　　7.电容反馈跨阻抗放大器(ctia roic)

　　ctia 是由运放和反馈积分电容组成的一种复位积吩祺(图9)，探测器电流在反馈电容上积分，其增益大幼由积分电容确定
。它能够提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的布景领域内，都拥有极度低的噪声
。且输出信号的线性度也很好
。此电路的功耗和芯单方面积较通常的电路大，复位开关也会带来 ckt 噪声，这也许是它多多良好机能中的一点不及之处
。

　　8.电阻反馈跨阻放大器(rtia roic)

　　rtia 和 ctia 类似，只是由电阻包办了积分电容和复位开关(图10)
。此电路无积分职能，故只能提供与探测器电流成比例的陆续输出电压，如要提供高的输出增益，必要大的反馈电阻，但大的电阻占用芯单方面积大，且不合适数字 cmos 工艺
。因而，读出电路阵列险些不用此电路结构
。

　　以上是八种典型读出电路的机能和特点，可凭据分歧的利用和机能需要进行选用
。当然，其中某些机能参数也不是至死不变的，可随工艺水平的发展而变动，如单元面积和成本会随集成电路工艺的进取而得到缓解
。最后要指出的是，这些根基电路大局通过某些变动和组合可衍生出新的机能更好的读出电路
。

　　四.国内表发展情况简述

　　我国非致冷焦平面阵列技术已初步获得进展
。 1995年，中国科学院长春景学精密机械钻研所利用微机械加工技术研造成功了低成本线阵32×128象元硅微测热辐射计阵列，其噪声等效温差(netd)为0.3k，存储功夫为1ms
。而由中国科学院上海技术物理钻研所承担迪胙酸锶钡铁电薄膜资料钻研项目已于2000年12月通过中国科学院上海分院鉴定 [8] 
。该项目选取新工艺造备的baxsr1-xtio3铁电薄膜资料机能达到国际当先水平
。1987年，美国ti公司演示的第一代非致冷热释电探测器所使用的就是这种铁电薄膜资料
。这些钻研成就批注，我国的非致冷热成像技术还有很大的潜力
。

　　目前，我国在非致冷红表热成像方面的钻研重要集中在部门高档院校和钻研院所
。这些钻研单元重要进行探测器阵列及其工艺的钻研
。而多多的经营非致冷红表热像仪的公司大部门只停顿在造作一些表围设备和开发一些软件的业务上
。

　　在美国、法国和英国等蓬勃国度，单色红表焦平面器件的技术已经根基成熟，以 288×4 长波和 256×256中波为代表的焦平面器件已根基取代了多元光导线列通用组件
。256×256 元碲镉汞焦平面探测器已经设备美国agm-130 空对地导弹，320×256 元碲镉汞焦平面探测器在欧洲 storm shadow/scalp e-g 空对地巡航导弹上起头利用，256×256 元 insb 焦平面设备了以色列箭-2 反导系统及美国尺度Ⅱ-Ⅳa 导弹，640×512 元 insb 美国战区高空区域防御系统拦截弹(thaad);640×480 元 insb 热成像仪则设备了 f-22、v-22、f18-e/f 等战机
。

　　在上个世纪 90 年代中期，发展多色焦平面列阵(msfpas)的概想得到了美军方的高度器沉，其投入大量资金发展 msfpas 技术钻研，预计到 2010 年，新型大规模焦平面列阵 msfpas 将成为美军提高信息获取能力的重要伎俩之一
。

　　在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的过程中，长波器件已达到 640×480 元的规模，钟注短波器件达到了 2048×2048 的规模，长线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需要受到了高度地器沉
。美国预警卫星选取了 6000 元的超长线列双色钟注短波焦平面器件，美国大气红表深度探测仪选取了 4000元长波扫描焦平面器件[9]，法国的 spot4 卫星选取了 3000 元的短波扫描焦平面器件
。法国 sofradir 公司研造成了 1500 元长线列中长波焦平面器件[10]
。2000 年， raytheon/hughes 研造了长波/长波双色焦平面器件，该器件选取分子束表延碲镉汞异质结资料，用反映离子刻蚀(rie)技术形成光敏元，规模达到128×128，40mm 中心距，读出电路(roic)采 0.8 mm 设cmos 计规定，选取 foundry 加工模式，实现了同时光谱积分
。