漫谈短波红外技术20160516

漫谈短波红外技术

InGaAs焦平面阵列探测器

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。

通过多年相关技术积累、项目研制与产品开发，我国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，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。

现列举一下技术指标：

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。

短波红外成像技术特点

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。

SWIR技术

SWIR技术还值得一提的就是他的透雾穿过雾、烟和霾。

SWIR相机的成像波段为0.9~1.7微米。不像长波红外热成像相机，SWIR相机不能在完全黑暗的环境下成像。SWIR的特别之处在于可在较深的阴影中提取图像细节，并能穿透窗户。

大气光学中被称为夜空照明是星空发光强度的五到七倍，几乎全部落到了SWIR 波段。一个SWIR相机和这种夜光照明下可在没有月亮的夜晚十分清晰地看到物体，并能够通过网络分享这些图片。

SWIR相机还可帮助作战人员有效穿过雾、烟和霾。

应用简介

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。

应用案例一红外高光谱

红外高光谱相对可见光高光谱在成分分析上更具优势。因为研究发现像水分，生命体等在红外波段有更好的表征。从空中或卫星，例如在采集的地质参数，高光谱成像已经证明了它的价值，如有关湖泊的水质环境相关的问题回答。微观尺度上的方法，该方法可以应用到良好的优点，适用于生物医学和化学样品分析。此外，高光谱成像可以完美地适合工业过程监控废物分类，水果和蔬菜的检验，湿度测量，脂肪分析。

应用案例二医学领域时域OCT和频域OCT

Optical Coherence Tomography：它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。主要应用在眼科，在癌变前细胞的变化，也可利用在皮肤癌，胃肠组织和动脉癌变的研究。

在OCT应用中，利用1310nm红外光的原因是这一波长的光比可见光和近红外波长的光在散射介质中传播更远，可探测深度更深（根据瑞利散射原理）。按技术分类为时域OCT和频域OCT。

应用案例三短波红外线烤漆灯的工作原理

短波红外不同于中、长波的远红外，其波长具有很强的渗透力，直入漆层，使涂漆层基本（车身外壳）的温度迅速升高产生自发热效应，涂层中的水分（或溶剂）则迅速由内向外挥发，当油漆涂料的化学振动频率相同时，油漆涂料化学键因发生共振而加大聚合基因的振幅，使交联聚合的机率增大，加速漆涂层的固化。因此，漆层表面光泽度与丰满度高，镜物更加清晰，涂层附着力强，不易产生“橘皮、流泪”现象，避免返工，节约成本，提高效率。