红外成像阵列与系统(5)

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章,单片硅微测辐射热计阵列,1,3.5,微辐射计阵列的读出电路,CCD（电荷耦合器件）,MOSEFT（金属-氧化物-半导体场效应管）,CID（电荷注入器件）,CIM（电荷成像矩阵）,2,CCD和MOSFET是应用最广泛的两种读出电路，它们可用硅材料制成，在使用CCD时电荷要进行多次转移。,读出电路的主要设计要求为高电荷容量，高转移效率，低噪声和低功耗。,3,单片读出电路,两维微辐射计阵列的电子读出电路可以放在下面的衬底上，从而生产出一个单片的红外热敏感焦平面。单片读出电路的基本功能是给每个阵列上的辐射计外加一个短的偏置脉冲，同时测量来自辐射计的信号。,4,微辐射计的读出电路的一般形式,多路复合器,行多路复合器,5,一个,64,64,的阵列,帧速为,30Hz,则像素时间为,1/64,64,30=8.1,sec,。如果一个单独的微辐射计在任何瞬间都可以读出，每个微辐射计可以偏置,=8.1sec,的时间。,具 体 一 例,6,64,64,的阵列,列多路复合器,序列输出,积分器,行多路复合器,图,3.27,列读出电路；,Vb,负载电阻的偏置电压，,C,电容，,S1,，开关,7,实际应用中,困难,前面例子中8.,1sec时间的一部分将不能用于信号积分，这是因为开关电路引起暂时性的干扰（,表现为噪声,），在开始积分前必须可忽略才行。对于较大的阵列，整个读出序列的像素时间变短，因此暂时延搁时间变成了像素时间中很重要的一部分。,8,实际应用中,困难,当像素时间减少时，性能公式的测试表明：偏置幅值必须增加到能维持一个给定的性能的水平。对于大阵列连续读出电路要求偏置量可能会接近于单片电路电压或电流限制值。,9,解决方法,为了克服这些大阵列中的困难，必须同时读出几个微辐射计（称为平行读出）以达到足够长的像素时间。,10,早期的,240,336,阵列使用了同时外加偏置的,14,个微辐射计，从焦平面输出,14,个平行的模拟信号到,14,个外部积分器中。,多模拟输出方案提供了有效的读出信号，但是在实际应用中却有困难。因为摄像仪的温度改变将引起积分器的增益的不同，导致显示器中的图案噪声。为了消除这种图案噪声，可以利用微调的单片积分器。,11,240,336的改进,利用现代的集成技术，,240,336,阵列的平行输出可以伸展到整个像素行（如下图），帧速增加到,60Hz,，一个像素时间达至1/240*60=70,sec,12,行多路复合器,转换门,行存储器,输出多路转换器,积分器,序列输出,13,讨 论,在这种装置中，一个典型的微辐射计的噪声大约为,70pArms,（表,III,），单片电路的噪声与此噪声相比可以忽略。这对带有多路复合器和像素开关的装置并不困难。,FET,开关噪声可以忽略，因为他们工作在开关或饱和状态下，其栅极噪声不影响其工作特征。因此,COMS,多路复合器是无噪声的。,14,但是很难得到具有相当低的噪声的,COMS,放大器，因为它们工作在线性区，其栅极,1/f,噪声影响它们的性能。前面我们知道用双极性器件是很容易设计出足够低噪声的前置放大器，所以设计低噪声单片读出电路，混合双极性,COMS,（,BIMOS,）是一种很有吸收力的技术,。,15,阵列的,非均匀性,阵列,非均匀性,定义,阵列,非均匀性,产生原因,具体分析原因,16,阵列,非均匀性,定义,微辐射计阻抗的变化称为阵列的非均匀性。,17,阵列,非均匀性,产生原因,微辐射计阻抗的差异是由单个微辐射计制造过程的非均匀性造成的。,微辐射计电阻,在每个单独的偏置脉冲下出现一个温度增加量，引起微辐射计一个额外的变化,。,18,具体分析原因,如果在不同辐射计之间的室温电阻变化为dR则在偏置信号V,b,的开始，经过阵列的瞬时电压为：,在不同微辐射计间的电压偏移为,：,在不同微辐射计之间的电流偏移则近似为：,19,产生的影响,通过计算表明：一个微辐射计的,rms,的电阻非均匀性，产生一个全部电压,20mVrms,的非均匀性，这与约为,2.6,的噪声水平相当,。,20,产生的影响,模拟电路的动态范围需要为:,2010,-3,/2.610,-6,=7700。,数字化时同样需要一个高的数字动态范围。一个理想A/D的rms噪声受lsb量化间隔影响为0.3lsb rms 。使其等于 rms噪声，则峰-峰失调变换为rms变化量的五倍，我们需要一个14bits的A/D转换器以接受阵列阻抗非均匀度为 rms的期望范围内的信号。,21,因为可以固定阵列失调的非均匀性，所以可以使用很多种电路技术去补偿非均匀性，就如A/D设计者所做的那样。,Jansson,等人（,1995,）同样建议了使用辐射计加热的方法补偿非均匀性。,22,3.6,补偿方案,由前面分析可知因为阵列中的微辐射计阻抗变化，输出信号的固定的失调值可与噪声水平相当。对于一个观察者，若要能正确看到图像，必须消除这些失调。,一个微辐射计摄像仪中的失调纠正可以由两种基本方法进行,：,1 加斩波器法,2 加,光闸法,23,1 加斩波器法,如果微辐射计以,60Hz,的场速读出，且交变场通过一个旋转限幅器浆片遮挡住，则交变场可以消除像素偏移，以帧速,30Hz,产生一个纠正图像。,24,2 加,光闸法,如果阵列温度是固定的，则光闸关闭，存储，利用其消除以下所有帧的失调，得到最初的参考帧面。,25,两法的异同点,这两种技术中，几个参考帧面应该取平均。以保证参考帧面与依赖于时间的噪声相比是可以忽略的。,斩波器的严重缺点是场速必须为帧速的两倍。优点则是漂移和,1/f,噪声减小了,。,光闸的主要缺点是存在,1/f,噪声，需要光闸隔板来防止,1/f,噪声造成固定图案噪声。,26,无斩波器工作模式，可以用一个,TE,装置很方便地稳定阵列温度，或者将阵列用加热器升高温度。,在给定温度上为了稳定阵列所需的最小功率为热辐射、通过导线的热导及偏置焦耳引起的功率损耗增益量,。,27,探测器非,均匀性,探测器非,均匀性产生的主要原因,探测器非,均匀性校正方法,探测器非,均匀性定义,28,探测器非,均匀性定义,FPA在同一均匀辐射输入时，单元之间输出的不一致性，又称为固有空间噪声（Original Spatial Noise）。,29,探测器非,均匀性产生原因,响应率的,非,均匀,读出电路自身及读出电路与探测器耦合的,非,均匀,暗电流的,非,均匀,30,探测器非,均匀性校正,国外系统上普遍采用的方法都是建立在光敏元参数是线性定常的假定下，这样理论上经过校正可以完全抑制非均匀性引起的固有空间噪声。,31,探测器非,均匀性校正,一般来说光敏元响应曲线在中间具有较好的线性度，而两端较差，参数特性本身也随时间和环境变化，所以实际情况是：非均匀校正后，只能在有限的温度动态范围内和工作状态下改善探测器的非均匀性，使固有噪声降低。,32,探测器非,均匀性校正方法,两点温度校正法（TPC）,多点温度校正法（ETPC）,恒定统计平均法（CSC）,时域高通滤波法（THPFC）,人工神经网络法（ANNC）,33,两点温度校正法（TPC）,假设探测器单元的响应特性在所感兴趣的温度范围内为线性的,时间上是稳定的,此条件下焦平面阵列在均匀辐射下的输出为:,其中 为辐射通量， 和 分别是坐标为(i,j)阵列光敏元的响应率和暗电流，对于每一个光敏元， 和 的值都是固定的，并且不随时间变化。,34,采用两点法校正即可实现红外焦平阵列图象的非均匀校正,即:,其中 和 分别为两点校正法的校正增益和校正偏移量， 为校正后的输出。,35,校 正 实 现,在光路中插入一均匀辐射的黑体,通过各阵列元对高温T,H,和低温T,L,下的均匀黑体辐射的响应计算出 和 , 从而实现非均匀校正.,36,图中直线a和b分别代表了一个阵列元的响应特性，直线c为校正后所有阵列元的响应特性。,0,37,两点法校正将所有阵列元在高温 和低温 下的响应分别为归一化为 和 。,38,校正增益和校正偏移量为:,其中 和 分别为像元(i,j)在高温下和低温均匀辐射背景下的响应。,39,实 现,将各阵列元的校正增益和校正偏移量 和 预先存储起来，在探测过程中以此对探测的响应值按下面的式子不断进行校正。,40,3.7,增益纠正,在摄像机正常工作时，通过一个均匀黑体在两个温度上的成像得到了一个增益纠正数，使每个像素都乘以此数，则减少了响应率的非均匀性,。,41,进行增益纠正后，图案噪声比目标温度变化大约为10时的时间噪声要小。,因为辐射计温度变化值一般为目标温度变化的1/200，所以辐射计在无斩波器的工作条件下其稳定性大约为1/20。,42,对于辐射测量的应用，则需要更严格一些：如果目标温度为1，则温度调整率约为1/200。热敏电阻温度传感器可以测量阵列温度小至mk，可以用反馈电路来调整TEC以保持温度分辨率。,43,微辐射计必须保持的温度精确度是由图案噪声设定的，这是因为微辐射计性质是随温度而变化的。,在,240,340,阵列中，为了纠正增益，做了具体温度上的图案噪声测量，表明了其所需温度稳定度大约为,0.05,。,44,TEC 的介绍,一个,TEC,是一个半导体,P-N,结器件，利用塞贝克（,Peltier,）效应来制冷或加热。在,TEC,两端加上一个直流电压就会产生一个直流电流,，这会使,TEC,的一端发热，另外一端制冷。发热的一端我们称之为,“,热端,”,，制冷的一端我们称之为,“,冷端,”,。把,TEC,两端的电压反向也会导致相反的热流向热端变为冷端，冷端变成热端。,45,TEC 的性质,TEC,可以移去的热量与流过,TEC,的电流值有关。当电流越大，移去的热量越多，但这并非是一种线性关系。因此，目标物体的温度可以通过控制流过,TEC,两端的电流方向和幅度来控制。,46,TEC原理框图,47,3.8,调制传递函数（,MTF,）,MTF是一个从空间频率域描写一个环节的输入量与输出量之间的关系的参量。对于成像系统，它是一个用于衡量系统如实重现景物图像性能优劣的参量。,48,MTF的定义,对于一个线性系统，其输出函数与输入函数之间存在着确定的关系，这种关系就是系统的传递函数。,定义系统的传递函数OTF(f)为输出函数的傅立叶变换与输入函数的傅立叶变换之比。,49,MTF（f）为传递函数的模，称为调制传递函数。PTF（f）为传递函数的幅角，称为相位传递函数。,50,MTF的测试方法,主要的测试方法有直接测量和间接测量。,直接测量是直接测量光学系统不同空间频率物和像的调制度，基于探测器对于正弦函数或条形目标的响应。间接测量是测量光学系统对于脉冲光信号的响应，基于傅立叶变换的计算。,间接测量方法使用固定的狭缝目标，点光源或刀口，并且移动目标。,51,3.9,微辐射计物理设计，制备以及封装,制造微辐射计阵列的基本技术称为微型机械技术，是一种从以硅为基础的材料中选择蚀刻一定材料来构造微观隔热结构的技术。,将一些特殊的微机械技巧以及用于制造微辐射计的材料（表,V,）罗列一下,。,52,材料 热导,（W/Cm.K）,热容,(J/Cc.K),Al(2000A) 1.32 6.65,Cr(500A) 0.29 3.31,NiFe(80:20,500A) 0.25 3.91,Si,3,N,4,溅射8000A 0.020 2.16,lpcvd30,000A 0.032 2.1,pecvd5000A 0.045 3.3,SiO2 0.014 2.27,V0x 0.05 3.0,ZrO2 0.01 2.8,表V微辐射计使用的材料的参数,53,微辐射计可以分成两个大的设计类别,：,“一层”微辐射计包括一个与硅衬底等高的微电桥，通过一个硅底上的蚀刻槽进行隔热。,“两层”微辐射计包括一个高于原始硅表面的微电桥，这样位于下方的硅是无损的。,54,单层像素,两层像素,传感器,传感器,电极,电极,像素大小,像素大小,一层和两层的微辐射计结构展示,硅,硅,55,“一层”微辐射计,早期适用于,IR,探测的微辐射计是“一层”类型的，包括一个,75,大的,Si,3,N,4,电桥，通过各向异性的蚀刻技术与硅衬底隔热。微电桥支持一个薄膜型螺旋形Ni-Fe电阻，TCR值为,+0.0023K,-1,。通过涂敷一层碳黑来增强红外光吸收。,微辐射的很小的质量使其能够经受很大的冲击。如下图单层微辐射计可以承受加速度为,14,000g,而不损伤,。,56,一个适合红外成像的,75,75,微米的一层的微辐射计的原型微缩图形,57,.,两层微辐射计,单层微辐射计的主要缺点,两层微辐射计对单层微辐射计的改善,双层微辐射计微机械方法,58,单层微辐射计的主要缺点,因为单层微辐射计下面的Si被除掉了，读出电路必须置于每个微电桥的附近，这对于小于75,m,大小的像素来说，就会产生较差（较小）的填充系数。,59,两层微辐射计的改善,它允许了更大的填充系数（读出电路可以处在硅微桥下面）和更大的红外光吸收率（在腔体下方产生一个共振光学腔）。,60,双层微辐射计制造步骤,1.利用硅圆片制作读出电路（晶体管和接触界面的金属化）,2 沉积牺牲层,3,3,沉积氧化钒和氮化硅,4 再选择蚀刻圆片，留下自支撑桥路,自支撑桥路,牺牲层,晶体管,硅圆片,61,实现高IR吸收率的方法,使用一个近似为,2.5 m,的真空间隙与一个衬底上的薄片金属反射层，可以在辐射计和衬底反射层之间产生一个四分之一的波谐振腔，适用于波长约为,10 m .,使用半导体TCR材料结构，这里的半导体TCR材,料被做得足够厚，以作为一个,1/4,波长吸收器，提供,90%,的吸收率,。,62,两维阵列的显微图像,一个,240,336,的两层的微辐射计阵列,一个两层的微辐射计阵列的封装,63,一个,240,336,的两层的微辐射计阵列,原型图,返回,64,一个两层的微辐射计阵列的封装,65,四英寸直径的硅晶片上的,12,个,240,336,的两层的微辐射计阵列,66,阵列大小 240360,像素尺寸 50*50微米,2,设计 两层,桥路 35微米35微米0.8微米Si,3,N,4,腿 50微米2微米0.8微米Si,3,N,4,填充因子 0.70,封装 真空,热稳定装置 热电稳定器,标准工作温度 25,热容 310,-9,J/K,真空中的热导 210,-7,W/K,时间常数 15ms,吸收器 平均80,8-14微米,TCR 材料 VO500,TCR 为0.023K,-1,读出电路,脉冲常压，,14,个像素平行,，14,个双极前置放大器,像素的阻抗值 20K,场速 30Hz,帧速 30Hz,补偿偏移量 间歇的光闸,偏置 5微秒250微安脉冲,测量的热像仪的,NETD 0.039,Fno=1,8-14,微米，目标温度为,300K,参数 数值,240*360,两层的微辐射计的参数概括,67,一个典型的,IR,成像,用,240,336,的两层的微辐射计阵列成的红外图象,68,Ti,电阻材料的两层单元设计,腔体,硅衬底,Ti,辐射计,69,使用钛电阻温度系数的两层的微辐射计所成的红外图象,70,3.,组 装,标准温度和气压下的大气热导为,2.5,10,-4,Wcm,-1,K,-1,，一个面积为,50,2,m,2,，高于衬底,2.5 m,2,的双层辐射计在标准温度和气压下热导为,2.5,10,-5,W/K,，比典型的支撑臂的热导要大一些,。,71,两层的微辐射计的测得的g值,72,如果工作在空气中，微辐射计响应率是会大大减少的,.,当空气压力减少，空气分子的数量也会减少,平均自由程则以同样速率增加，直到平均自由程到达物理带距的,2.5,m,的限制为止。这发生在空气压力大约为,200m Torr,，尽管有效的平均自由程被固定在这个压力之下，气体分子数目随着压力而减少，因此空气的热导随着压力近似线性减少。,73,通常在空气压力为,50mTorr,时，一个典型的微辐射计的热导最终受到支撑臂热导的限制,。,一个微辐射计的响应是正比于,1/g,的，典型的大气压为,50mTorr,或更少，工作在更低压力下可以改善敏感性。,74,低空气压力获得,空气压力通过真空泵可以轻易得到，但是需要注意到真空除气现象，才能在一个很小容积的包装里保持这种压力长达很多年。可以通过使用铜焊和低温焊接材料包装来实现长时间密封的真空包装。一些包装设计内部使用吸气剂吸附内部材料的气体提供更长的包装真空期。,75,一个密封的真空包装设计结构,用于工作在无斩波器的工作状态下的,240,336,阵列。有一个,TE,稳定器安装在包装里面以来提供热稳定性。,76,一个240336 的微辐射计的真空密封形式,Kyocera,常规封装,允许焊接的外围金属,增透锗窗口,热源导线,硅芯片（,HIDAD,阵列）,Al,结点的焊盘,铜钨底盘,Al,结点的焊盘,热敏电阻,TEC焊接金属,热稳定器,固定孔,排气管内锆吸附剂,真空压封,无氧高导铜排气管,77,其他实现方法,为了减少封装费用，可以使用在封装里冲有不活泼气体（低的热导）。充气包装的辐射计除了有一样高的值，其余没有达到和真空包装一样的性能,。,78,微辐射计在不同气体包装下测得的响应率,在气体压力作用下的微辐射计的测量的响应率的变化,响应率,压力,79,3.10,实际摄像仪的发展,摄像仪尺寸大小从,1982,年到,1996,年来已经减小得很多了,。,早期的微辐射计摄像仪原型,80,真空封装（包括硅焦平面）,前置放大器,可变光阑,阵列偏置,阵列地址发生器,数字处理,一个微辐射计的成像仪的工作方框图,81,便携式的,240,336,的微辐射计的摄像仪,82,紧凑的,240,336,的微辐射计摄像仪,83,84,85,