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短波红外InGaAs焦平面阵列探测器技术

技术简介

       InGaAs焦平面阵列探测器为混成式短波红外(SWIR)成像器件,由InGaAs探测器阵列(PDA)与CMOS读出电路(ROIC)倒装互连而成。焦平面器件技术涵盖光电子与微电子技术范畴,器件结构复杂,技术难度大,对设计、工艺、产品化等技术均有较高要求。

       由于军用价值突出,国外主要厂商对InGaAs焦平面阵列探测器产品严格禁运。而目前,与国外技术相比,国内的InGaAs焦平面探测器在面阵规模、探测灵敏度、可靠性水平、产品成本等方面尚存在较大差距,在民品领域的应用推动有待产品技术水平的进一步提高。在这种情况下,短波红外InGaAs焦平面阵列探测器在国内民品市场的广泛应用受到很大限制,但另一方面,这也给自主国产InGaAs焦平面探测器军用技术的民用产业推广带来良好机遇。

       我单位作为国内该技术的领军者,通过多年相关技术积累、项目研制与产品开发,现已初步形成短波红外320×256元InGaAs焦平面探测器产品,目前正开展640×512元InGaAs焦平面探测器的产品开发。从技术能力基础上, 44所具备从材料外延、芯片制造、ROIC设计、倒装混成、器件封装、性能测试、可靠性考核等设计、工艺、测评、质量控制的一体化成套能力。从军转民技术发展角度上,需要通过专项支持,在产品一致性、良率、成本、应用技术等方面开展进一步研究,提升产品质量水平,满足民用市场的应用需求。





技术指标

        针对短波红外InGaAs焦平面阵列探测器在民用市场中的重要需求,推动该成像器件产品的军转民技术研究,实现军用技术成果的民用领域转化。

         产品关键技术指标如下:

        ●面阵规格:320×256、640×512元

        ●有效像元率:≥99.5%;

        ●平均峰值探测率:≥5E+12cmHz1/2/W;

        ●响应光谱范围:900nm~1700nm、400nm~1700nm;

        ●动态范围:≥70dB;

        ●工作帧频:≥30Hz;

        ●工作温度:-40℃~+70℃;

        ●可靠性质量等级:GM2级。


技术特点

        InGaAs焦平面阵列探测器的标准响应波段范围为0.9~1.7μm,短波响应可拓展至0.4μm,长波响应可延伸至2.6μm,是短波红外SWIR窗口目标信息获取的主流成像器件,SWIR成像的广泛应用主要得益于该探测器技术的成熟发展。

       基于InGaAs焦平面的短波红外成像技术主要具有以下特点。

       1)高识别度:短波红外SWIR成像主要基于目标反射光成像原理,其成像与可见光灰度图像特征相似,成像对比度高,目标细节表达清晰,在目标识别方面,SWIR成像是热成像技术的重要补充;

       2)全天候适应:短波红外SWIR成像受大气散射作用小,透雾、霭、烟尘能力较强,有效探测距离远,对气候条件和战场环境的适应性明显优于可见光成像;

       3)微光夜视:在大气辉光的夜视条件下,光子辐照度主要分布在1.0~1.8μm的SWIR波段范围内,这使得SWIR夜视成像相比于可见光夜视成像而言具有显著的先天优势;

       4)隐秘主动成像:在0.9~1.7μm波段内,军用激光光源技术成熟(1.06μm、1.55μm),这使得短波红外InGaAs焦平面成像在隐秘主动成像应用中具有显著的对比优势;

       5)光学配置简便:从光学上,玻璃光窗在SWIR波段范围内具有很高的透过率,这赋予SWIR成像一个重要的技术优点,这允许SWIR相机可装配于一个保护窗口内实现高灵敏成像,当应用于某种特定平台或场合时,这将提供极大的灵活性。

       目前,国外对InGaAs焦平面探测器技术的研究已有20余年,技术成熟度高,军民两用推广快,应用成效显著。国内研究起步较晚、发展重视不足,与国外先进水平相比,国内技术现状至少落后十年。


预期效益

        作为重要的军民两用技术,短波红外InGaAs焦平面阵列探测器的军转民技术推广有其必要性。该技术可广泛应用于场地监控、早期火情预警、森林防火、驾驶视觉增强、防伪安检、光伏芯片检测、硅基半导体材料与工艺检测、激光光学检测、工业测温、化工检测、湿气监测等诸多领域,对国民经济建设发展与工业转型升级有重要意义。