光电成像非均匀性

第5讲非均匀性光电成像实时处理技术第5讲红外焦平面阵列的非均匀性及盲元۩5.1红外探测器与红外焦平面阵列۩5.2IRFPA的非均匀性۩5.3非均匀性产生机理۩5.4IRFPA的盲元۩5.5盲元产生机理第5讲非均匀性光电成像实时处理技术5.1红外探测器与红外焦平面阵列红外技术和红外系统的发展和应用，始终是与红外辐射探测器的发展密切联系在一起的。红外探测器是红外系统中最关键的元件之一，它是一种把接收到的红外辐射能转变成相应电量的传感器。早在十九世纪就诞生了红外探测器，但直至到了二十世纪四十年代初德国研制出硫化铅（PbS）探测器以后，红外探测器技术才得到了迅速的发展并应用于军事目的。目前红外探测器已广泛应用于军事和民用的许多领域，特别是在对目标的探测和制导跟踪方面获得了广泛的应用，并取得了巨大的军事效益。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术红外探测器的分类从1800年W·Herschel发现红外线并制成涂黑灵敏温度计以来，基于红外辐射与物质相互作用的红外探测器发展至今，已研制出了品种繁多的结构新颖、性能各异的红外探测器。对于种类繁多的红外探测器，有着多种不同的分类方法。按阵列大小不同，分为：单元探测器（第一代）线阵探测器（第二代）面阵探测器(IRFPA)（第三代）第5讲非均匀性光电成像实时处理技术按响应波段不同，分为：1~3um（短波）3~5um（中波）8~14um（长波）按工作温度(是否需要致冷)，分为：非致冷探测器致冷型探测器按成像方式，分为：扫描型（单元探测器、多元线列探测器）凝视型（二维红外焦平面阵列）第5讲非均匀性光电成像实时处理技术按结构形式分为：单片式混合式：指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。按探测机理不同，分为：热探测器光子探测器按同时响应波段数目分为：单色IRFPA多色IRFPA（例如3~5um，8~14um）第5讲非均匀性光电成像实时处理技术热探测器：红外辐射与物质相互作用产生热效应而工作，热探测器吸收红外辐射后，先引起温度升高。然后由于温度升高，伴随着发生某种物理性质的变化。测量这些物理性质的变化既可以确定被吸收的红外辐射的能量或者功率。光子探测器：红外辐射与物质相互作用产生光电效应而工作。光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象，它们统称为光子效应。常用的光子效应包括：外光电效应、内光电效应。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术根据所采用的光电效应，光子探测器又可分：外光电探测器（真空探测器）：基于外光电效应光电导探测器：基于光电导效应光伏探测器：基于光伏效应光电导效应：由于光照增加了自由载流子，使半导体的电导率发生变化．光伏效应：半导体的p-n结(光电二极管)，在入射光子的作用下产生电子空穴对，然后被结上的电场分开，在探测器输出开路情况下可形成光电压；如果将探测器输出短路，可产生短路电流。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术常见材质及波段InSb3~5umHgCdTe2~30um（短波、中波、长波）PtSi中波长波IRFPA（8~14um）GaAlAs/GaAs多量子阱阵列SiGe异质结阵列非致冷：热释电、热电堆、微测辐射热计像元规模：128x128、256x256、320x240、512x512、640x480、1024x1024、1968x1968第5讲非均匀性光电成像实时处理技术红外焦平面阵列由于单元红外探测器的性能已达到或接近理论极限值，只有增加使用的探测器数目才能进一步提高系统的性能，于是上世纪70年代产生了凝视红外探测器概念。所谓“凝视”是指：红外探测器响应景物（或目标）的时间与取出阵列中每个探测器响应信号所需的读出时间相比较长。成像时，探测器相对于视场的景物是凝视不动的，因而无须光机扫描。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术凝视红外探测器的结构特点是：将多路信号读出等电路与探测器阵列集成在一起，并置于光学系统的焦平面上成像，故称红外焦平面阵列器件（InfraredFocalPlaneArrays，简称IRFPA）。红外焦平面技术的发展为开发高性能的第二代、第三代红外成像系统奠定了技术基础。大规模（128×128像素以上）红外焦平面阵列是当今最先进的一类红外探测器，也是当今国内外重点发展的红外探测器。IRFPA兼具辐射敏感和信号处理功能，通过读出电路将所有探测器响应信号转换成后续信号处理模块可直接处理的有序图像信号。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术红外焦平面阵列与其它红外探测器相比具有以下明显优点：（1）将红外探测器阵列高密度地集成在同一芯片上，从而可以大幅度地提高系统的空间分辨率和灵敏度；（2）实现了光机扫描向电子扫描的转变，有效地减小了系统的体积、重量和功耗，提高了工作的可靠性；（3）系统的工作帧频可以很高（几百帧甚至千帧以上），减少了信息迟延，适应了高速和超高速制导导弹等武器系统图像信息获取的需求。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术红外焦平面阵列的出现不但可以研制出高灵敏度、高分辨率、大视场的红外成像系统，而且能使成像系统的体积、重量和功耗都得以降低。这有效地促进了红外成像技术的推广和应用，如今其应用遍及了军事（例如预警、制导、夜视及跟踪等）、天文和空间技术、医学、工业、日常生活等等各个领域，并发挥着日趋重要的作用。红外焦平面技术已成为了当代红外光电子物理和技术学科的具有带动性的学科前沿，正主导着下一代红外和相关技术的发展，是当今信息科学技术中关键领域之一。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术红外焦平面技术的难点就在于制造大规模、高均匀性、高性能的红外探测器阵列，虽然这一关键的制造技术在发达国家已有很大的突破，但在提高成品率、降低成本方面仍具有很大难度。有效的红外焦平面制造技术现仅有为数不多的几家专业公司所垄断。从80年代初以来，国内几家红外研究所在这方面也取得了一定的进展，但距离高性能和高均匀性还有一定的差距。红外焦平面阵列中探测器单元个数已达几千至几十万个单元，这就带来了一个严重的问题——即焦平面阵列的非均匀性（Nonuniformity）问题，这是红外焦平面阵列应用中的一个突出而必须解决的问题。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术5.2IRFPA响应非均匀性IRFPA成像非均匀性（Nonuniformity）定义:在一均匀辐射照射下红外焦平面阵列中各探测单元之间响应输出的不一致性，又称之为固定图案噪声（FixedPatternNoise，FPN）。电压幅度1行信号n像元序号电压幅度1行信号n像元序号(a).理想输出(b).实际有非均匀性的输出第5讲非均匀性光电成像实时处理技术非均匀性对图像产生强烈的干扰。在线阵型器件中表现为垂直扫描方向的条带，在凝视阵列中的空间噪声将表现为固定的图案。一64元的线阵型红外焦平面器件对手的成像图，手的热图几乎被非均匀性引起的竖条纹所湮没，而难以辨认一128×128面阵型红外焦平面器件对均匀背景的成像，图中同样呈现出很强的固定图案噪声第5讲非均匀性光电成像实时处理技术5.3非均匀性产生机理分析造成红外焦平面阵列成像非均匀性的因素是多方面的，起主要作用的是：IRFPA中各探测器响应率的非均匀性（包括光谱响应的非均匀性）；读出电路自身及读出电路与探测器耦合的非均匀性；暗电流的非均匀性等。以下将从器件自身、器件工作状态及外部环境等方面对红外焦平面阵列成像系统非均匀性的产生机理进行分析。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术1、器件自身非均匀性器件自身非均匀性是红外焦平面阵列非均匀性的主体部分。这种非均匀性主要是由器件的材料和制造工艺水平所决定的。因为所有的探测器和整个多路耦合传输电路被共同集成制造在单一的基片上，所以一旦红外焦平面器件制造完成后，这种非均匀性因素也就基本确定了。探测像元响应率的非均匀性信号传输的非均匀性暗电流的非均匀性第5讲非均匀性光电成像实时处理技术1）探测像元响应率的非均匀性根据Mooney的理论，均匀照度下，IRFPA中单个探测单元的响应输出可用电子数表示为ijijijiijDdTLRTN)(),()(21ijijeffijAFR2#4int)(4cos其中物空间单元在温度T下的光谱光子辐射像元有效面积光学系统的有效透过率光学系统截止波长的上限和下限像元(i,j)在积分时间内的暗电荷像元(i,j)相对出射光曈而言的偏轴角成像光学系统的F数像元(i,j)波谱量子效率积分时间第5讲非均匀性光电成像实时处理技术尽管目前的材料制造水平已经达到了相当高的水平，但制造器件的材料还是远未达到所要求的均匀度。ijijDijAij等几个参数的差异，从而导致在均匀光照下，各个探测单元的输出响应出现不一致的现象，即产生了不均匀性。这种因素对非均匀性的影响表现为乘性和加性关系。器件的材料中会出现各种晶格缺陷、掺杂不均和厚度不等等问题，这些都会造成在材料晶片不同位置上的探测器的饱和电流、量子效率和截止波长等参数的不同；其次在采用光刻法制造探测器时，由于制造工艺水平的限制，探测器光敏面的几何尺寸也存在一定的误差，由此造成阵列中各探测单元之间的第5讲非均匀性光电成像实时处理技术2）信号传输的非均匀性入射光子转换为光生电荷信号后，必须注入到读出电路实现多路信号输出。红外焦平面阵列对读出电路的电荷传输效率有很高的要求，存储势阱中的电荷滞留和信号的传输损失的不一致性都将引起焦平面阵列响应输出信号的不一致性。此外，探测器和读出电路之间还存在一个信号耦合的环节，同样由于材料和制造工艺水平的制约，各个耦合和输出通道的参数也不可能完全相同，从而引起输出信号的差异，形成非均匀性。其通常表现为固定的非均匀性乘性分量。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术3）暗电流的非均匀性暗电流是指红外焦平面阵列器件在无辐射输入时的输出电流，其产生于探测单元或读出电路中。]1)[exp(dbdsdTkqVii]1)[exp()(1)(1))((2dbdaeednndbipnTkqVNNTqkNssthsiGdKTNVqnVGI21化简得：第5讲非均匀性光电成像实时处理技术可见暗电流不仅与器件的材料有关，还与器件的工作电压、工作温度等有关，这些参数的不一致性都将引起焦平面阵列中各探测器单元之间暗电流的差异，即引入了非均匀性。其通常表现为固定的非均匀性加性分量。ssthsiGdKTNVqnVGI21电子热运动速度常数栅级电压少子电荷量本征材料中载流子浓度热生载流子的净产生率俘获截面温度禁带中的截面态密度第5讲非均匀性光电成像实时处理技术2、器件工作状态引入的非均匀性与红外焦平面阵列工作状态相关的条件主要有红外焦平面阵列的工作温度及其均匀性、红外探测器单元及其读出电路的偏置和驱动信号的稳定性等。这些条件的变化都将对焦平面阵列器件的工作状态产生影响，而器件的工作状态的变化将直接对探测器的光学增益、注入效率、读出电路的增益以及暗电流等方面产生影响，并且这种影响在不同探测器之间也都是存在着差异的，从而导致了整个焦平面阵列器件响应输出的不均匀性。由此还可以看出，同一红外焦平面阵列成像系统在不同的工作条件下可以有不同的非均匀性效果。第5讲非均匀性光电成像实时处理技术3、与外界相关的非均匀性红外光学系统，如透过率的均匀性及冷反射等因素，以及红外光学系统的背景辐射条件和外界的电磁环境等的变化将直接或间接地引起焦平面阵列中各探测器单元接收的辐照度不同，从而导致了探测器单元响应输出之间的非均匀性。这类非均匀性与外界条件密切相关，使得同一红外焦平面阵列器件在不同的成像系统中、在不同的工作条件和环境下有着不同的非均匀性效果，而且它们在焦平面器件的研制和红外热成像系统的设计中是很难直接观测到第5讲非均匀性光电成像实时处理技术总之，引起红外焦平面成像系统的非均匀性的因素IRFPA器件的