摘要：描述了國外高光譜紅外焦平面探測器組件的發展狀況和工程應用情況，并介紹了國內高光譜紅外焦平面探測器組件的研究進展。通過分析高光譜紅外焦平面探測器的性能特點，提出了高光譜紅外焦平面探測器的研究重點。

0引言

與傳統的單波段紅外成像探測技術相比，多光譜紅外成像探測技術可以獲取目標不同波段的圖像數據，即在傳統成像的基礎上獲取包含二維空間、光譜和時間等四維信息的圖像數據。該技術可在多個輻射波段上進行探測并將信息融合處理，然后通過綜合分析目標特征來提高目標識別能力。多光譜紅外探測的波段寬度一般為100 ～ 400 nm，在紅外光譜區只有幾個波段，且在光譜上并不連續，因此無法探測和區分出具有診斷性光譜特征的目標。

高光譜紅外成像探測技術將成像技術和光譜測量技術結合在一起，是紅外探測技術的一場革命。它興起于20世紀80年代，并在90年代后形成研發熱潮。該技術可在紅外波段獲取光譜寬度（連續）為10 nm左右的影像數據，并可采集上百個非常窄的目標光譜波段信息。其中既包含二維空間信息，又包含隨波長分布的光譜輻射信息。因此，這項技術能夠精確探測目標的光譜分布特征，形成所謂的“數據立方體”。由于具有“圖譜合一”的特性，使本來在寬波段遙感中不可探測的物質在高光譜遙感中能被探測到，如圖1所示。

圖１ 高光譜紅外成像特性的示意圖

利用高光譜紅外成像探測技術獲得的目標的豐富光譜信息及空間影像極大地提高了目標檢測識別能力，擴展了傳統探測技術的功能，使目標探測由定性分析轉為定量分析成為可能。它給光電探測技術帶來了一個質的飛躍，目前已應用于多個軍事和民用領域。

1國外高光譜紅外探測器組件技術的發展狀況

高光譜紅外探測器組件是高光譜紅外成像的核心。美國、法國、德國等國際發達國家通過近二十年的競相研制，大幅提升了紅外探測器組件的性能和可靠性，并在高光譜成像技術研究方面取得了很大進展。該技術已經廣泛應用于航空航天對地觀測中的高光譜遙感領域，且具有軍民雙重用途。它在晝夜均具備快速精確的鑒別能力，不僅可對太空、空中及地面軍事偽裝隱身目標進行精確定位、動態跟蹤和準確識別，而且還可以用于農業、礦物填圖、植被生化、水體污染物等方面的陸地、海洋和氣象遙感監測。

高光譜紅外成像系統采用的是面陣紅外探測器。其中，面陣長度（X方向）像元用于單波段寬幅掃描成像，而面陣寬度（Y方向）則是細分光譜通道方向。基于光學分光棱鏡或光柵，探測器固定透過光譜帶通譜段。然后通過搭載平臺的移動掃描對地面目標進行探測，形成高光譜三維成像（見圖2和圖3）。

圖2 高光譜紅外成像探測器的工作示意圖

高光譜成像技術已經在目標特征研究等方面顯示出了巨大的魅力。許多國家先后研制出了多種類型的高光譜成像系統，并建立了目標光譜成像特征庫。它們用于分析從可見光到紅外波段的多光譜信息以及實現高光譜圖像目標的識別等。

圖3 高光譜紅外成像的示意圖

1.1法國Sofradir公司的高光譜紅外探測器組件發展狀況

1.1.1 1000 × 256和500 × 256高光譜短波紅外探測器組件

法國Sofradir公司于2000年初為歐洲空間局（ESA）成功研制出了工作波段為0.9 ~ 2.5 μm的1000 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件（稱為Saturn），然后又研制出了工作波段為0.9 ~ 2.5 μm的500 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件（稱為Neptune）。以上兩種組件統稱為SWIR，主要用于對地觀測高光譜成像系統。

意大利PRISMA項目中的高光譜成像系統要求將短波紅外探測器的工作波段從短波紅外擴展到可見光。通過技術攻關，Sofradir公司研制出了工作波段在可見光至短波紅外光譜范圍內（0.4 ~ 2.5 μm）的1000 × 256碲鎘汞高光譜探測器組件，同時還開發了工作波段為0.4 ~ 2.5 μm的500 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件（統稱為VISIR）。

Sofradir公司的碲鎘汞探測器采用在幾百微米厚的CdZnTe襯底上液相外延生長的碲鎘汞薄膜材料。在碲鎘汞芯片與讀出電路倒裝互連后，目標光子必須透過CdZnTe襯底才能進入碲鎘汞光電二極管（即探測器的背光照工作方式）。由于CdZnTe襯底會吸收波長小于0.86 μm的光子，具有CdZnTe襯底的Sofradir型和Neptune型SWIR探測器無法響應波長小于0.8 μm的光輻射。因此，他們在不降低探測器性能的前提下研發了碲鎘汞探測器底部填充和背減薄技術，即在碲鎘汞芯片與讀出電路倒裝互連的銦柱間隙中灌入環氧樹脂膠，然后去除探測器的CdZnTe襯底。當襯底去除后，只剩約10 μm厚的碲鎘汞芯片。此時，碲鎘汞短波紅外探測器的工作波長可小于0.4 μm。Saturn型和Neptune型VISIR探測器就是這樣去除了CdZnTe襯底。這時由于碲鎘汞芯片很薄，大大降低了碲鎘汞芯片與硅讀出電路在低溫狀態下的應力，所以VISIR型1000 × 256碲鎘汞高光譜探測器能夠經受1000次以上的開關機制冷工作循環，明顯提高了探測器的使用壽命。

圖４為SWIR和VISIR探測器的結構示意圖。圖５所示為SWIR與VISIR探測器的相對光譜響應曲線對比情況。

圖4 SWIR和VISIR探測器結構

圖5 SWIR與VISIR探測器的相對光譜響應曲線

VISIR探測器將可見光探測器和短波紅外探測器合二為一，可極大簡化工作在可見光至短波紅外波段的高光譜成像系統。它的技術難點是，為保證探測器在工作波段內具有較高的量子效率，需要在其碲鎘汞光敏面上鍍制厚度為0.4 ~ 2.5 μm的防反射膜層。通常碲鎘汞的折射率為3.4，反射率約為30%。通過在SWIR探測器的光敏面上鍍制厚度為1/4探測器響應波長的ZnS材料，可使該探測器在0.8 ~ 2.5 μm光譜范圍內達到較高的量子效率。由于0.4 ~ 2.5 μm波段太寬，若在VISIR探測器的光敏面上只鍍制ZnS一種材料，則無法在0.4 ~ 2.5 μm光譜范圍內實現較高的量子效率。因此，Sofradir公司與CEA--Leti實驗室聯合開發了一種在VISIR探測器表面上鍍制多層YF3和ZnS防反射材料的方法，將VISIR探測器在0.4 ~ 2.5 μm波段的量子效率提高了10% ~ 15%（見圖6和圖7）。

圖６ VISIR探測器的光敏面上有/無防反射膜時的量子效率

圖7 VISIR探測器的光敏面上有/無防反射膜時的光譜響應曲線

目前，Neptune型和Saturn型碲鎘汞高光譜探測器組件的主要性能參數見表1，外形見圖8和圖9。

表1 Sofradir公司高光譜短波紅外探測器組件的技術指標

圖8 Neptune型碲鎘汞高光譜探測器組件

圖9 Saturn型碲鎘汞高光譜探測器組件

Neptune型和Saturn型VISIR及SWIR高光譜探測器組件至今已應用于多種高光譜紅外成像系統，包括法國國防部觀測衛星載SPIRALE系統、意大利空間局的高光譜觀測衛星載PRISMA系統以及日本高光譜觀測衛星載HYSUI系統等等。其中，Saturn型高光譜探測器組件的具體應用情況如下：（1）為歐洲空間局的航空棱鏡實驗（APEX）任務提供了4套組件；（2）為比利時高光譜項目提供了1套組件；（3）為以色列無人機高光譜項目提供了2套組件；（4）為日本HISUI項目提供了5套組件；（5）為意大利PRISMA項目提供了8套組件；（6）為印度未來任務的預研項目提供了4套組件；（7）為哨兵——5衛星用TROPOMI項目提供了2套組件。

2013年，Sofradir公司在Neptune型和Saturn型高光譜探測器組件技術的基礎上，開展了兩項空間項目研究。

第一個項目是先進科學儀器Micr-Omega-Mascot。基于Neptune型和Saturn探測器組件，這款儀器被安裝在日本的HAYABU-SA2科學任務上。根據任務要求，該探測器的光譜響應范圍為0.9 ~ 3.5μm，飛行模型樣機于2013年底交付。

第二個項目是Sofradir公司生產的空間用Saturn型高光譜探測器組件的改進型，即為高光譜成像應用的出口產品。該組件采用Thales低溫公司制造的高可靠性LSF系列斯特林制冷機，在30000 h運行時間內的可靠性高于99%。圖10所示為這種探測器組件的外形結構。

圖10 空間用改進型Saturn探測器組件

在未來5年里，Sofradir公司預計每年提供5至10套用于航空或航天領域的Saturn型探測器組件（1000 × 256）。

1.1.2 1016 × 440高光譜中波/長波紅外探測器組件

航空高光譜成像的應用需求已擴展至中波紅外和長波紅外波段。為滿足可見光至長波紅外波段的高光譜成像要求，Sofradir公司研制出了像元間距為25 μm的1016 × 440高光譜中波/長波紅外探測器組件（主要技術指標見表2，組件外形見圖11）。兩種探測器的讀出電路相同，皆采用基于1000 × 256探測器組件技術優化的杜瓦結構和高可靠性斯特林制冷機，可承受高強度的機械振動與沖擊環境條件。

圖11 1016 × 440高光譜中波/長波紅外探測器組件

表2 Sofradir公司1016 × 440高光譜探測器組件的技術指標

1.1.3 1024 × 1024高光譜短波紅外探測器組件

目前，Neptune型和Saturn型高光譜探測器組件可以滿足大多數高光譜成像系統的需求。而針對未來的空間觀測用高光譜成像系統，Sofradir公司自2011年以來研制了規模更大、光譜響應范圍更寬的高光譜短波紅外探測器，即下一代全色（Next-Generation Panchromatic，NGP）探測器。這種像元間距為15 μm的1024 × 1024探測器的光譜響應延伸至紫外波段，同時還具有響應率非均勻性和光電響應高、噪聲小、損耗低、抗輻照以及可靠性強等性能（主要技術指標見表3）。圖12為NGP探測器在0.9 ~ 2.5 μm波段獲得的紅外圖像。

表3 Sofradir公司下一代全色高光譜紅外探測器的主要技術指標

1.2德國AIM公司的高光譜紅外探測器組件發展狀況

為滿足目標識別、氣象、氣體探測等航空航天領域的高光譜紅外成像應用需求，德國AIM公司于2008年成功研制出了ActIR-384型和ActIR-1024型碲鎘汞高光譜紅外探測器組件（典型工作溫度為150 K，后截止波長為2.5 μm）。圖13為ActIR-384型高光譜紅外探測器組件的示意圖。

為了實現ActIR-1024型紅外探測器用硅讀出電路在標準硅工藝生產線上的流片加工，該探測器成像方向上1024個像元的中心間距設計為24 μm，光譜方向上256個像元的中心間距設計為32 μm，讀出電路的長度設計為27 mm。圖14和圖15所示分別為ActIR-1024型紅外探測器的像元排列和組裝示例。表4列出了兩種探測器組件的主要技術指標。

圖12 1024 × 1024高光譜短波紅外探測器組件的成像效果

圖13 ActIR-384型高光譜短波紅外探測器組件

圖14 ActIR-1024型高光譜短波紅外探測器的像元排列

AIM公司的碲鎘汞探測器制造技術及方法與Sofradir公司相同。他們也成功研發了碲鎘汞探測器底部填充和背減薄技術，有效去除了碲鎘汞探測器的CdZnTe襯底，使碲鎘汞短波紅外探測器的工作波長可小于0.4 μm。ActIR-1024型高光譜探測器可以經受9000次以上的開關機制冷工作循環，大大提高了探測器的使用壽命。

2國內高光譜紅外探測器組件的發展狀況

在國外發達國家對我國高端紅外探測器組件實行嚴密技術封鎖的情況下，通過國家的大力支持，中國科學院上海技術物理研究所、昆明物理研究所以及中國電子科技集團公司第十一研究所（以下簡稱“中國電科十一所”）等單位重點對中波紅外、長波紅外、短波紅外碲鎘汞探測器組件進行了技術攻關，極大地推動了我國碲鎘汞紅外探測器組件的技術進步。

近幾年，我國高光譜紅外成像技術在航天領域得到了初步應用，但國內高光譜碲鎘汞紅外探測器組件技術發展較晚。在國內公開發表的技術資料中，沒有發現國內同行單位相關產品的研制和應用情況。本文僅介紹中國電科十一所在這方面的研制狀況。

針對未來的高光譜紅外成像應用需求，中國電科十一所在現有碲鎘汞紅外探測器組件研制技術的基礎上，開展了高光譜紅外探測器組件的自主研制，并研制出了1024 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件。圖16、圖17和圖18所示分別為該探測器的像元分布及尺寸、盲元分布和相對光譜響應。圖19和圖20分別為探測器及探測器／杜瓦組件照片和探測器組件照片。圖21所示為組件外形和接口尺寸。該組件計劃應用于機載高光譜紅外成像系統（主要技術指標見表5）。

目前，中國電科十一所研制的1024 × 256碲鎘汞高光譜短波紅外探測器組件主要在有效像元率方面與法國產品尚有差距。下一步將根據用戶的工程需求，優化探測器增益和組件結構等設計，進一步提高探測器制備工藝技術水平，減少盲元數量，提高探測器像元性能的穩定性。

圖15 ActIR-1024型高光譜短波紅外探測器、探測器杜瓦以及探測器組件

表4 德國AIM公司高光譜紅外探測器組件的技術指標

3結束語

目前，國際上普遍研制和使用的碲鎘汞高光譜紅外探測器組件具備高效處理微弱光電信號的能力，并具有高增益、低噪聲性能，其每行像元的增益可獨立設置。在工程應用中，通常設置較長的探測器積分時間。探測器的暗電流會對高光譜紅外系統的性能產生明顯影響，所以探測器應盡可能地減小暗電流。

當高光譜紅外探測器組件用于高光譜紅外成像時，每行像元分別進行光機掃描成像。如果其中有1個盲元或不穩定像元，那么就會破壞紅外圖像的一列像素，其對成像質量的影響遠遠大于通用的面陣紅外探測器成像。因此，高光譜紅外系統對探測器盲元和像元性能穩定性的要求非常苛刻。

暗電流水平是碲鎘汞紅外探測器光電性能的決定因素。它取決于探測器結構和制備工藝水平，是紅外探測器研究的核心。紅外探測器的盲元主要由碲鎘汞材料和碲鎘汞光電二極管芯片制備工藝中引入的缺陷導致。世界各國研制的碲鎘汞紅外探測器對此均無法避免。盲元數量取決于碲鎘汞材料和芯片制備工藝技術水平，難以完全消除。

圖16 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器的像元分布及尺寸

圖17 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器的盲元分布

圖18 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器的相對光譜響應

圖19中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器及探測器/杜瓦組件

圖20 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器組件的實物圖

國外發達國家的碲鎘汞紅外探測器研究起步早，基礎研究投入大，探測器理論基礎、技術條件和工藝水平領先于我國。目前，他們研制的高光譜短波紅外探測器組件已經普遍應用于航空、航天軍事或民用高光譜成像探測領域，正在進行高光譜中波／長波紅外探測器組件的高光譜成像工程應用，并進一步開發了從短波紅外延伸至紫外波段的更大規模的高光譜紅外探測器組件。發達國家占據著高光譜紅外探測器組件和高光譜成像技術的制高點，在軍事和民用目標信息資源獲取及定性探測上具有明顯優勢。為保持此優勢，他們對我國嚴格禁運高光譜紅外探測器組件的關鍵元器件。

圖21 中國電科十一所1024 × 256高光譜短波紅外探測器組件的外形和接口尺寸

表5 中國電科十一所高光譜紅外探測器組件的技術性能

因此，我國應自主研發具有先進結構的碲鎘汞紅外探測器，大力開展相關基礎研究，提升探測器基礎理論和工藝技術水平，降低探測器的暗電流，減少盲元。這樣才能形成工作在可見光至長波紅外波段的大規模碲鎘汞高光譜紅外探測器組件的實用化產品，趕超世界先進國家，早日實現高光譜紅外探測器組件在高光譜成像中的工程應用，從而在軍用目標精確探測、識別和對抗方面取得主動。

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