主题：【原创】固体光图像传感器的器件技术的开展现状与趋向

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发表于：2011/03/03 11:36:29 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

　　固体光图像传感器的器件技术的开展现状与趋向

　　1、固体光摄像器件—理想的星载光图像传感器

　　固体光电子图像传感器技术包括可见光硅图像传感器和短波、中波和长波红外焦平面阵列技术。由于图像传感器器件的不时开展，目前的固体图像传感器从可见光和近红外波段的CCD器件开展到了短波、中波和长波红外焦平面阵列。与星载反束光导摄像管相比起来，由于固体图像传感用具有一系列优点，十分适用于用作空间星载图像传感器，如：

　　(1)体积小，重量轻;

　　(2)无图像扭曲;

　　(3)光响应工作波段宽，可见光硅CCD和CMOS图像传感器的光谱响应可从紫外区延伸到红外区，而红外焦平面的光谱响应波段掩盖了从1mm～14mm和远红外更宽的电磁波谱区;

　　(4)高分辨率，可在焦平面上集成数十万、百万乃至千万像元的大格式阵列、完成大视场空间传感器;

　　(5)同焦平面信号处置，像CCD、CMOS和各种红外焦平面阵列器件，由于微型加工技术的开展，可采用混合式或单片集成方式把焦平面上光电转换的焦平面探测器阵列与信号处置电路集成微小的集成电路块，完成同焦平面信号处置;

　　(6)采用电子自扫描或注视工作形式工作，简化和完整取消机械扫描，完成系统小型化和微型化;

　　(7)低功耗工作，数伏电压下即可工作;

　　(8)低本钱;

　　(9)牢靠性高。

　　总之，小型化的小体积、轻重量、低功耗、低价钱和高性能、高牢靠性的固体空间光图像传感器为空间系统的设计和应用提供了极大的灵敏性。

　　2、可见光固体图像传感器

　　可见光固体图像传感器已使成像技术完成了小型、低功耗、低本钱和便携式应用、使成像系统技术了发作了反动性的变化。虽然迄今为止已开展了多种固体摄像器件，但是CCD器件和已在快速开展的CMOS图像传感器却占领了整个该范畴的95%的份额，CMOS是继CCD之后的后起之秀。

　　(1)图像传感器件

　　CCD图像传感器件技术已开展了三十多年，早已是成熟和提高应用到各种军用和民用系统的器件，在红外焦平典型面阵列技术适用化之前很长一段时间极受军用注重，目前仍在可见光波段普遍采用。

　　①像元集成度：摄像阵列像元的几是摄像系统分辨率性能的关键性要素，目前的CCD器件已可依据系统应用目的请求同芯片集成或多芯片拼接，或多器件组合成恣意像素数的器件。

　　· 线阵：常用单芯片像元集成度为512、1024、2048、4096、5000、7450和8000等;多芯片像元集成是用二个或多个单线阵芯片组合起来构成数万像元的专长线阵列，常用作星载或机载多光谱传感器;

　　· 时间延迟与积分(TDI)阵列：常用的单芯片是2048×96、2048×144和4096×96的阵列;多芯片是用多个单芯片拼合起来，常用作星载或机载推帚式扫描传感器，加拿大的DLSA公司制造的这种传感器在全球很有名;

　　· 面阵列：大格式阵列像元集成度为1024×1024、2048×2048、4096×4096 少数如科学研讨和天文应用方面阵列达7000×9000、8192×8192和9126×9126元，最大的9126×9126元阵列是美国Farchild Imaging公司研制的;

　　②像元尺寸：CCD的像元尺寸不能太小，过小将影响曝光性能，目前的大格式阵列像元尺寸已小达7.0mm×7.0µm;

　　③灵活度，通常为几个Lux~Lux-1，加上加强器处于微光工作形式时为Lux-3;采取冷却时为Lux-5~Lux-7;

　　④分辨率：大型阵列通常的电视分辨线为>1000×1000TV线，依据系统请求可更高，光学尺寸通常为2/3、1/2、1/3、1/4in.，目前最小已做到1/7in.。

　　(2)CMOS图像传感器件

　　由于CMOS图像传感器件与CCD相比功耗更低，可完成极高帧速工作和低本钱化，.本钱仅为CCD的1/4，因此开展极快，可能最终在某些范畴取代CCD。

　　① 像元集成度：由于器件技术的停顿，目前的像元集成度常用的为几十万到100万像素，如512×480和1280×1000，已能制出4096×4096和6144×6144元的阵列;

　　② 像元尺寸：由于制造技术的不时改良，像元尺寸已可小达3.3mm×3.3mm;

　　③ 高灵活度：在近红外光谱区(900nm)光电转换效率高达50%;

　　④ 宽动态范围：CMOS的动态范围通常为60dB以上，已到达170dB;DALSA CMOS-1M28/1M751024×1024元摄像机的动态范围也高达1,000,000:1。

　　⑤ 高帧速和超高帧速：随着CMOS图像传感器技术的开展，2003年中不时报道了高帧速和超高帧速CMOS图像传感器，美、日公司在高帧速工作方面获得了显著的停顿.。DALSA和红湖公司的CMOS图像传感器帧速居然高达100000frame/s。

　　⑥ 功耗：CMOS最明显的特性是低功耗，目前高帧速工作时仅为50mW。

　　(3)趋向

　　CMOS图像传感器是目前和将来该范畴正在开展中的主流技术。CCD主要是在应用上想方法，依据不同的应用目的和系统设计计划组合应用。由于CCD图像传感器技术极为成熟，预期最终CMOS图像传感器难以取代CCD图像传感器，将是二者长期共存的场面。但是， CMOS图像传感用具有本钱低、集成度高、低功耗的突出优点，假如再处理了影响性能和图像质量的噪声问题，CMOS就将成为极佳选择。

　　3、红外焦平面阵列

　　红外焦平面阵列技术的开展已惹起了商界和军界军火商的极大关注。红外焦平面阵列技术对军事配备更新换代的深远影响正在改动现代战场作战的特性和概念。

　　刚完毕的伊拉克倒“萨”战争再次显现了在现代战争中高技术含量越来越重要。美英联军一是靠高性能的空间侦查卫星、U-2高空侦查机和“食肉者”武装侦查机等获取伊拉克空中的目的信息，二是靠先进的导弹、炸弹对所定目的准确打击，三是靠新一代的夜视配备夜间行军作战。这场战争中的高技术含量中，红外热成像配备就是其中之一，而且显得十分突出。

　　(1)新停顿

　　空间应用对设备提出了苛刻的条件请求：重量要轻、体积小便于运用和携带，高性能、稳定、工作环境温度、全天候、特别是黑夜条件下的应用、牢靠等。今天的红外焦平面阵列技术的开展已满足了上述的苛刻请求：

　　① 高温工作

　　从太空和军事应用的角度来讲，不受环境温度变化影响和限制的配备易于取得稳定的性能，是极受欢送的。目前的光量子类红外焦平面阵列，如PtSi，InSb，HgCdTe和GaAlAs/GaAs量子阱等都是已投产和准备投产的种类，用杜瓦瓶液N2致冷或小型斯特林致冷器和电子致冷器均可满足≥77K的工作温度条件，通常为80K，最终目的是240K。而1~3mm波段的InGaAs焦平面阵列则可不用致冷在室温下稳定工作;以VOx为代表的非致冷长波红外焦平面阵列技术的开展已完成了长波红外摄像不用致冷工作。

　　②高像元分辨率

　　高像元分辨率是系统中最优先要思索的重要要素，由于这触及到系统一系列性能参数的好坏。目前的红外焦平面阵列像元分辨率极高，不但已完成了第二代TDI工作形式的阵列消费，而且像640×480、1024×1024和2048×2048元的注视阵列有的已投产，如PtSi、InSb和HgCdTe与GaAlAs阵列，有的正准备投产，像非致冷红外焦平面阵列的320×240，640×480这样的阵列都已投产或准备投产，1024×1024元阵列已在开展中，非致冷阵列在制造工艺上也已成熟。像元尺寸已从50µm×50µm减少到了25µm×25µm，国内的非致冷红外焦平面阵列已开展到了128×128元的阵列。

　　③ NETD指数

　　NETD是评价系统性能的关键性性能参数，而这一参数也主要取决于焦平面阵列的NETD值。目前的光量子类红外焦平面阵列的NETD值范围通常在0.1~0.01K，运用f/2光学时，InSb、GaAlAs和HgCdTe的第Ⅱ代320×256元阵列和第Ⅲ代1024×768元阵列可到达0.01K的NETD值，这合适于高性能的系统应用.而非致冷热型红外焦平面阵列中320×240和640×480元的VOx阵列NETD 分别到达了0.01k和0.025k.满足了中低档的军用配备应用，芯片消费已从5英寸的芯片转向6in.，方案投产8in.芯片。

　　④ 双波段和多波段阵列

　　双色和多色红外焦平面阵列是该技术开展的一个重要方向，这种技术的开展属于下一代的阵列技术，关于军事应用具有极为重要的意义。这种阵列目前主要是GaAlAs/GaAs量子阱红外光电探测器焦平面，其双波段的阵列范围已到达640×512元，目前一些大的公司研讨所正在协作开展1024×1024元的阵列，而且由军方出资开展四色的QWIP阵列，如美国国防高级研讨规划局(DARPA)出资160万美圆请求QWIP技术、NASA的喷气推进实验室(JPL)和麻省理学院林肯实www.jsatm.com验室协作研发的1024×1024元程度集成四色QWIP阵列，目前这种阵列工作温度约为77K，将来将到达120K，像元尺寸20~25mm。

　　(2)趋向

　　目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术开展的转变时期。各有关公司和厂家机构的留意力已转向第三代红外焦平面阵列传感器的开展。第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种请求：

　　①大型多色高温工作的红外焦平面阵列，探测器像元集成度≥106元，阵列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18mm2，目前芯片尺寸22×22mm2，将来的芯片应更大，高的量子效率，能存储和应用探测器转换一切的光电子，自顺应帧速(480Hz)，双色或多色工作，运用斯特林或热电温差电致冷器，工作在120K～180K，光响应不平均≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，构造上单片或混合集成，能够是三维的。

　　②非致冷红外焦平面阵列，无须温度稳定或致冷，用于散布孔径设计，重量仅1oz，30mW功率，焦平面探测器元集成度≥106元，阵列格式1000×1000元，像元尺寸为25mm ×25mm，NETD<10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低本钱、低功耗、中等性能，用于散布孔径设计中获取适用信息。

　　③非致冷工作的微型传感器，焦平面探测器像元集成度仅160×120元～320×240元，像元尺寸50mm ×50mm和25mm ×25mm，NETD<50mK(f/1.8)，输入功率10mW以下，重量1oz，尺寸<2in3，低本钱。