红外焦平面器件微扫描技术的发展

第35卷第12期红外技术Vol.35No.122013年12月InfraredTechnologyDec.2013751红外焦平面器件微扫描技术的发展王忆锋1，侯辉2，冯雪艳3（1.昆明物理研究所，云南昆明650223；2.总参陆航部驻成都地区军事代表室，四川成都610036；3.中国兵器工业集团公司科技部，北京100821）摘要：红外焦平面器件的像元由光敏区和非光敏区（亦称为死区）构成。死区对应的场景成为探测盲区，落在死区上的场景光子属于无效光子，对信号没有贡献。利用微扫描动作将死区光子转移到光敏区，可以提高红外成像系统的空间分辨率。基于有关基本概念，介绍了红外成像系统中微扫描技术的原理、实现方法和发展趋势。关键词：微扫描；空间分辨率；焦平面列阵；红外成像系统中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1001-8891(2013)12-0751-08DevelopmentofMicroscanTechniquesinInfraredFocalPlaneArrayWANGYi-feng1，HOUHui2，FENGXue-yan3(1.KunmingInstituteofPhysics,Kunming650223,China;2.MilitaryDelegationOfficeforChengduRegion,ArmyAviationDepartmentofGeneralStaff,Chengdu610036,China;3.DepartmentofScienceandTechnologyofChinaNorthIndustriesGroupCorporation,Beijing100821,China)Abstract：Apixelofinfraredfocalplanearray（FPA）iscomposedofactiveareaandinactiveareathatisalsocalleddeadspace.Thesceneregioncorrespondingtodeadspaceisblindspotfordetection,andscenephotonsincidentondeadspaceisinvalidwhichhasnocontributiontosignal.Thespatialresolutionofinfraredimagingsystemcanbeenhancedbytransferringthephotonsofdeadspacetoactiveareawithmicroscanactions.Basedonrelatedbasicconcepts,theprinciples,realizationmethodsanddevelopmenttrendsofmicroscantechniquesininfraredimagingsystemwerepresented.Keywords：microscan，focalplanearray，spatialresolution，infraredimagingsystem0引言红外探测是探测器光敏元对场景信号的采样过程。在二维形式的焦平面列阵（FPA）器件中，可以将各光敏元排列形式视为一个矩阵，例如384×288。各光敏元之间隔以一定大小的非光敏区域，称为死区。在观察场景时，虽然死区上也落入场景光子，但是这些场景光子不能转换为电信号，属于无效光子，死区对应的场景区域成为探测盲区。如果能把死区光子转移到光敏元上，那么无效光子即可以成为有效光子，从而提高红外成像系统的空间分辨率。微扫描就是获得这种效果的一种方法。本文从有关基本概念出发，介绍了红外成像系统中微扫描技术的发展动向。1FPA像元的构成FPA像元由光敏区（面）和非光敏区构成，这两部分合在一起，称为一个探测单元，或简称为探测元、像元，如图1所示。光敏面与整个像元的面积之比称为填充因子。非光敏区又称为“死区”（deadspace[1]），它通常由一块共用母板上的机械间隔、芯片边缘的非敏感区、芯片边缘的附属电路、以及相邻母板间的芯片间距构成，如图2所示。为了使光敏面最大，要求死区最小。20世纪80年代初，人们对减少死区设定的目标是，同一母板上相邻芯片之间的死区小于4个像元，相邻母板上的相邻芯片之间的死区小于6个像元[1]。两个相邻像元中心之间的距离，称为中心（间）距，如图2所示，它有收稿日期：2013-07-04；修订日期：2013-11-25.作者简介：王忆锋（1963-），男，湖南零陵人。1984年毕业于北京工业学院（今北京理工大学）计算机系，工学士。高级工程师。2000年8月～2001年6月在美国内布拉斯加大学林肯分校计算机系做国家公派访问学者。目前主要从事器件仿真研究。E-mail：[e-mail]。第35卷第12期红外技术Vol.35No.122013年12月InfraredTechnologyDec.2013752水平中心距与垂直中心距之分。中心距限定了光敏面的大小。在过去20多年里，FPA像元中心距从50μm左右不断缩小[2]，12μm中心距现已成为中波和长波红外探测器的标准[3]，甚至做到了5μm中心距[3]。图1FPA像元由光敏区和非光敏区（“死区”）组成Fig.1ApixelofFPAiscomposedofactiveareaandinactivearea(deadspace)红外系统的观察范围称为视场；其中一个光敏面所看的视场称为瞬时视场（IFOV）。如图3所示，如果光敏面为矩形，尺寸为a×b，则瞬时视场的平面角α、β为：,abFFαβ==(1)式中：F为光学系统的焦距。瞬时视场通常以rad或mrad为单位。α×β称为一个分辨单元。α、β的大小反映了系统空间分辨率的高低。红外成像系统的最终结果一般呈现在显示器上。显示器分辨率多采用电视分辨率，例如640×512为标准清晰度电视格式，1280×1024为高清晰度电视格式。在红外成像技术领域，将640×512或640×480称为电视格式[4]，384×288为中等电视格式[4-5]，320×256、256×256为1/4电视格式[6]。图2FPA芯片的死区，其中：①同一母板上芯片之间的间隔；②芯片边缘上的非敏感区；③相邻母板上芯片之间的间隔；④芯片边缘上的附属电路Fig.2Deadspaceonfocalplanes,①spacebetweenchipsonsameboard;②inactiveareaonedgesofchips;③spacebetweenchipsonadjacentboards;④associatedcircuitsonedgesofchips图3红外成像系统的瞬时视场由光敏面的几何尺寸决定Fig.3Theinstantaneousfieldofviewofinfraredimagingsystemisdeterminedbygeometricdimensionsofactivearea水平中心距垂直中心距①②③④第35卷第12期Vol.35No.122013年12月王忆锋等：红外焦平面器件微扫描技术的发展Dec.2013753FPA的一个像元对应显示器的一个像素。如果像元数与像素数相等（即全帧红外[7]），那么FPA一次就可以“看完”视场，这就是所谓凝视型FPA，如图4(a)所示，否则FPA看完视场必须使用扫描，即通过若干次扫描动作来完成对视场的覆盖。扫描有串联扫描和并联扫描之分，如图4(b)和(c)所示。FPA像元数越少，需要的扫描动作越多。FPA扫描完整个场景所需的时间称为帧时间。帧时间的倒数称为帧频（Hz），它是单位时间内完成的帧数。帧频因应用不同而异。30～60Hz帧频对于目视显示已经足够；对于快速运动目标的探测，例如导弹预警、导弹导引头等应用则要求帧频在300Hz以上[8]。2关于微扫描的概念性描述作为一个概念性描述，假设光敏元和死区单元大小相等；一个FPA像元由1个光敏元、3个死区单元构成。另外假设FPA光敏元矩阵为5×5大小。看场景的实际上是一个10×10大小的矩阵，只是由于落在死区上的光子无法利用、不产生信号，故在显示器上得到的仍然是5×5大小的数字灰度图像，如图5所示。显然如果能改变本来要落在死区上的光子的传播方向，让它们转落到光敏区上，无效光子就可以变为有效光子。因为场景是不可移动的，故要实现这一点，一种方法是移动FPA本身或者移动封装FPA的杜瓦[9]，让光敏区看到死区所对应的区域，但这都不是好的选项[10]；另一种方法就是让光线相对移动，如图6(b)所示，这样一个过程本质上也是扫描，只是与图1所示的扫描相比，其动作幅度微小，故称为微扫描。划定一块包括一个光敏区在内的区域，该区域面积与光敏区面积之比大体上指出了所需要的微扫描动作次数。图6(b)所示为2×2微扫描，总面积为4，光敏区面积为1，总共需要3步微扫描即可遍历各单元。类似地还有3×3、4×4微扫描等。图4扫描格式Fig.4ScanformatsFPA目标瞬时视场IFOV观察视场FOR透镜背景光敏区死区显示器上的数字图像像素97像素灰度值图5一个5×5FPA对应一个5×5大小的数字图像矩阵Fig.5A5×5FPAcorrespondingtoa5×5digitalimagematrix第35卷第12期红外技术Vol.35No.122013年12月InfraredTechnologyDec.2013754微扫描的核心是调控光线的角度，可以根据几何光学的基本规律如反射、折射、透镜聚焦等来实现，如图7所示。光入射到两种介质的分界面上以后，如果不考虑吸收、散射等其他形式的能量损耗，则入射光的能量只在反射光和折射光之间重新分配，而总能量保持不变[11]，因此就有一个光学材料与结构的选择优化问题。图7可归为可控性微扫描，另外还有一类非可控性微扫描[10]，即依靠红外成像系统的载体相对于目标的运动或随机振动来产生位移。来自场景的光子是随机、逐个地落到探测器上的。光子探测器需要等待一段时间，以累积出足够数量的光子、产生可被检测的电信号。这一段时间称为积分时间。一般来说，积分时间要小于帧时间。可以利用帧时间内不用积分的那段时间来完成微扫描。事实上，这也指出了微扫描所受到的两个限制[12]：一个是完成位移所需的时间，另一个是位移运动的精度。如果不用微扫描，那么由于死区的存在，FPA对场景的观察就是一个二维离散采样过程，可能会受到由此衍生的混叠效应的影响（其表现是边缘细节模糊，出现锯齿化现象等）。微扫描等效于光敏元数量增加，从而可以用较高的空间频率采样，甚至不需要采样[13]（如果死区可以用若干个光敏元无重叠、无缝隙地覆盖），从而减小混叠效应[14]、提高空间分辨率[9,15]。美国Cincinnati电子公司研制的NightConqueror256×256微扫描系统，其探测器的光敏面积有意做成填充因子只有约25%，剩余的空间通过在水平和垂直两个方向进行微扫描来填满，微扫描(a)5×5FPA(b)微扫描采集死区光子死区97125831279712512783(c)10×10场景信号矩阵图6利用微扫描将落在FPA死区上的无效光子变为有效光子Fig.6TheinvalidphotonsincidentondeadspacesofFPAisconvertedtovalidonesbymicroscanning1θ2θ3θ图7基于几何光学规律将死区光子转移到光敏区Fig.7Thephotonsofdeadspacearetransferredtoactiveareaaccordingtotherulesofgeometricoptics第35卷第12期Vol.35No.122013年12月王忆锋等：红外焦平面器件微扫描技术的发展Dec.2013755从而等效于一个光敏面积为15μm的512×512列阵[16]。类似地，384×288经过微扫描可以变为768×576[17]。1920×1080、1280×1024或1280×