Diffractive Microlens Array Monolithic Integration with PtSi Focal Plane array

Diffractive microlens arrays can completely collect the light at the focal plane and concentrate it into a smaller spot size on the detector plane, the photodetector area can be substantially reduced. Increased gamma radiation hardening and noise reduction result from the decrease in photodetector sensitive area. The diffractive microlens arrays have been designed by considering the correlative optical and processing parameters for PtSi focal plane array. They have been fabricated on the backside of PtSi focal plane array chip by successive photolithography and Ar⁺ ion-beam-etching technique. The alignment of microlens array with PtSi focal plane array was completed by a backside aligner with IR light source. The practical processes and fabrication method are discussed. The performance parameters of PtSi FPA with diffractive microlens array are presented.     

Hybrid Integration Between Long Focus Microlens Array and IR Detector Array

A special method, named step simulation method, is proposed for fabricating Si microlens array to improve the performance of infrared focal plane array (IR FPA). The focus length of rectangle-based multistep microlens array with element dimension of 40 µm×30 µm is 885.4 µm by the method, which is much longer than the focus length of microlens array fabricated by conventional Fresnel binary optics technique., The large-scale 256×256 element microlens array is hybridintegrated with the PtSi Schottky-barrier IR FPA by optical adhesive. The test results show that diffractive spot size of the microlens is 17 µm×15 µm and the average optical response of the IR FPA is increased by a factor of 2.4.     

Technique for Monolithic Fabrication of Microlens Arrays Integrated with Infrared CCD

Based on scalar diffraction theory, 8-phase-level 256×256 elements diffractive microlens array with element dimension of 50×33 μm2 have been fabricated on the back-side of PtSi(3～5 μm) infrared CCD. The measurement results indicated that the ratio of the signal-to-noise of the infrared CCD with microlens was increased by a factor of 2.8.     

Technique for Monolithic Fabrication of Microlens Arrays Integrated with Infrared CCD

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ(ＩＲＣＣＤ )ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｆｒｏｍ 3ｔｏ 5μｍｈａｓｎｕｍｅｒｏｕｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｂｏｔｈｍｉｌｉｔａｒｙａｎｄｃｉｖｉｌｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ[1] .Ｔｏ ｇｅｔｌａｒｇｅａｒｒａｙＩＲＣＣＤ ,ｒｅｃｅｎｔｔｒｅｎｄｓｉｎＩＲＣＣＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｔｏｒｅｄｕｃｅｂｏｔｈ ｐｉｘｅｌｓｉｚｅａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｅａｒｅａ .Ｗｈｅｒｅａｓｔｈｅｆｏｒｍｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｓａｒｒａ…     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40μm2、球面半径60μm、单元间距1μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90%以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40 μm²、球面半径60 μm、单元间距1 μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90% 以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

混成式热释电非制冷红外焦平面探测器技术

介绍了混成式热释电焦平面探测器的基本结构和主要制备工艺流程以及国内外研究现状。混成式热释电焦平面探测器的关键制备技术主要包括热释电材料的优选与减薄技术,铟柱倒装焊混成技术、热隔离技术和读出集成电路技术等。指出了混成式热释电焦平面探测器的发展趋势。     

混合式红外焦平面阵列的进展

着重介绍锑化 (InSb)、碲镉汞(HgCdTe)、硅化铂(PtSi)等混合式红外焦平面阵列(HIRFPA)的现状和发展前景。     

红外微透镜阵列及其与MCT红外焦平面的集成

针对中短波碲镉汞（MCT）红外焦平面探测器的使用要求,设计了用于混合集成和单片集成且尺寸大小与探测器像元结构匹配的方形底折射微透镜阵列。采用热熔成形和（反应）离子柬刻蚀转移技术制作了多种红外材料微透镜,如Si、Ge、GaAs、蓝宝石以及红外玻璃（IRG-103和IRG-104）微透镜。针对混合集成和单片集成的不同要求,选用多种光刻胶如AZ6112和AZ6130等不同厚度的胶以及SUN-120P低熔点正型光刻胶,进行热熔和刻蚀实验,遴选分别适用于混合和单片集成的光刻胶。优化光刻胶和衬底材料的刻蚀速率比,得到高填充因子和合适光学参数的微透镜阵列。探究了SUN-120P低熔点正型光刻胶的特性和通过离子柬刻蚀转移视线实现零间距透镜的工艺。最后介绍了与MCT红外焦平面阵列器件的集成方式和工艺进展。     

凹折射微透镜阵列的离子束刻蚀制作

利用光刻热熔成形工艺及离子束刻蚀制作 12 8× 12 8元凹微透镜阵列。所制硅及石英凹微透镜的典型基本图形分别为凹球冠形、凹柱形和矩顶凹面形。分析了在光致抗蚀剂柱凹微透镜图形制作过程中的膜系匹配特性 ,与制作该种微透镜有关的光掩模版的主要结构参数 ,以及光致抗蚀剂掩模工艺参数的控制依据等。探讨了在凹微透镜器件制作基础上利用成膜工艺开展平面折射微透镜器件制作的问题。采用扫描电子显微镜 (SEM)和表面轮廓仪测试了所制石英凹微透镜阵列的表面微结构形貌。给出了所制石英凹微透镜阵列远场光学特性的测试结果。     

先进焦平面与光谱成像技术现状

深入分析先进的焦平面技术和光谱成像技术的发展趋势,为探测器及光谱成像仪的研究提供参考。对光谱成像技术的现状和发展趋势、焦平面技术、先进焦平面技术对光谱成像系统技术的推动作用三个方面进行详细的分析总结,认为焦平面技术向着高性能、大规模面阵规格、高灵敏度、宽谱响应的方向发展;并推动光谱成像系统向着高分辨率、宽幅、多波段、更短重访周期和简化系统方向发展。成像光谱仪的发展趋势和需求指明焦平面技术的发展方向,同时焦平面技术的发展也会引领成像光谱仪系统进步和革新。     

先进焦平面与光谱成像技术现状

深入分析先进的焦平面技术和光谱成像技术的发展趋势,为探测器及光谱成像仪的研究提供参考。对光谱成像技术的现状和发展趋势、焦平面技术、先进焦平面技术对光谱成像系统技术的推动作用三个方面进行详细的分析总结,认为焦平面技术向着高性能、大规模面阵规格、高灵敏度、宽谱响应的方向发展;并推动光谱成像系统向着高分辨率、宽幅、多波段、更短重访周期和简化系统方向发展。成像光谱仪的发展趋势和需求指明焦平面技术的发展方向,同时焦平面技术的发展也会引领成像光谱仪系统进步和革新。     

基于递推最小二乘的红外焦平面非均匀校正算法

根据递推最小二乘和图像配准原理,提出了基于递推最小二乘的红外焦平面非均匀校正算法（简称ILS算法）,有效降低算法的时间和空间复杂度,使噪音图像的校正处理能够实时完成.ILS算法具有噪音参量估计准确度高、收敛速度快和计算复杂度低等优点.给出了算法的推导并用仿真数据对算法的有效性进行验证.     

红外焦平面探测器制冷组件可靠性研究进展

红外焦平面探测器制冷组件的可靠性研究对推进组件工程化应用具有重要意义。介绍了国外在组件的可靠性模型、失效模式、加速应力以及可靠性试验等方面的研究进展,并对国内的组件可靠性研究状况作了简要分析,总结了对组件可靠性研究的总体思路,为国内红外焦平面探测器制冷组件的可靠性研究提供参考。     

用于凝视焦平面的多视场红外光学系统

红外光学系统决定着红外系统的工作模式与工作精度,影响系统的作用距离,是红外系统的重要组成部分。多视场光学系统可以用不同的视场对同一目标进行搜索、识别、跟踪与瞄准,在军事应用领域获得了广泛的应用。光学系统的结构形式影响红外系统的成像质量、性能指标、外形尺寸、价格成本、机电复杂程度等,因此研究和选取合适的多视场光学系统结构形式显得非常重要。对目前国内外应用于凝视焦平面探测器的多视场红外光学系统结构形式,如切换变焦、光学补偿变焦、机械补偿变焦、混合变焦、双光路变焦等进行了特点分析,比较了其优点与局限性,对光学设计人员合理选用多视场光学系统结构形式具有一定的理论指导作用和意义。     

制冷型红外焦平面系统冷反射效应的分析与控制

利用光学不变量对焦平面系统进行近轴分析,得到了量化焦平面系统冷反射集中程度和变化率的两个一阶参量。以热辐射理论为基础,推导并总结了冷反射引入温差(NITD)和成像系统参数及环境参数的关系式。以焦距为90mm,视场角4°,F数2.75的中波焦平面成像系统为例,在CODE V软件中对其冷反射效应进行了定量分析,并以一阶参量为约束,实光线追迹辅助验证的方式进行了冷反射优化,优化后光学系统的冷反射降低了70%。在杂光分析软件(ASAP)中根据系统的实际参数对冷反射分布进行了模拟,结果表明对冷反射进行优化控制后,系统的NITD减小到了预设值之下,冷反射效应得到了很好的控制。     

基于稳态卡尔曼滤波的红外焦平面阵列非均匀校正算法

传统的卡尔曼滤波算法利用批处理实现非均匀校正,这样不仅会带来较大的计算量和存储量,而且更重要的是该方法不能实时处理.为此,提出了一种基于稳态卡尔曼滤波的红外焦平面阵列非均匀校正算法,它可以根据固定图案噪声的特点离线计算出滤波器的增益矩阵,并且非均匀校正过程也采用了逐帧迭代方式,因此大大降低了计算复杂度和存储占用量.详细阐述了该算法的基本原理,并用仿真数据和真实红外数据对算法性能进行验证,实验结果表明:本方法平均校正一帧图像所需CPU时间和内存占用量分别为1.7188 s和131.25 KB,完全可以满足实时处理的要求.     

小波变换的红外焦平面阵列非均匀性校正算法

红外焦平面阵列(IRFPA)的非均匀性是其应用中必须解决的技术难题之一。基于小波理论,提出了一种基于成像场景的红外焦平面非均匀性校正算法。该算法选择合适的小波函数对红外成像序列进行小波分解,而后对分解的信号计算出相应的统计量,从而得出红外焦平面非均匀性校正的偏置和增益校正系数,以此最终实现非均匀性校正。对真实红外序列图像的处理效果验证了该算法可较好地实现非均匀性校正。此外该算法对慢变化量具有较好的自适应性,可较好地抑制一般基于场景统计的非均匀性校正算法中出现的"人工虚影"的现象。     

基于场景的红外焦平面阵列非均匀性评价方法

针对红外遥感图像非均匀性的定量评价问题,研究了基于场景的红外焦平面阵列响应非均匀性的定量评价方法。利用真实红外遥感图像序列量值分布的特点,针对小序列图像提出了基于序列排序和小波变换的标准图像构建算法;结合非均匀性评价指标,提出了利用构建标准图像的响应非均匀性对红外图像的非均匀性进行定量估计;分别利用黑体定标实验和统计方法对标准图像构建算法进行了验证,同时进行了不同校正算法的剩余非均匀性评价实验。结果表明,128frame序列构建得到的标准图像的非均匀性分别比同温黑体图像小0.92%,比统计标准图像大0.59%。该方法可用于定量估计红外遥感图像的非均匀性。     

基于帧间预测的红外焦平面阵列非均匀校正算法

提出了一种基于帧间预测的非均匀校正算法,它可以通过场景配准从当前已校正图像中估计出下一帧未校正图像的真值,然后将所得的场景估计与相应的噪音图像用于线性拟合,其拟合参量即可用来进行非均匀校正.该方法的主要优点在于抗噪音能力强,预测准确度高,且能够实时处理.详细阐述了算法的基本原理及其流程,并用真实红外数据对算法性能进行验证,取得了较好的效果.