1、第第5 5讲讲 非均匀性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红外探测器与红外焦平面阵列?5.2 IRFPA的非均匀性的非均匀性?5.3 非均匀性产生机理非均匀性产生机理?5.4 IRFPA的盲元的盲元?5.5 盲元产生机理盲元产生机理第第5 5讲讲 非均匀性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。红外探测器红外探测器是红外系统中最关键的元件之一最关键的元件之一，它是一种一种把接收到的红外辐射能转变成
2、相应电量的传感器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二十世纪四十年代初德国四十年代初德国研制出硫化铅（硫化铅（PbS）探测器）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。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 红外探测器的分类红外探测器的分类 从1800年W Herschel 发现红外线并制成涂黑灵敏温度涂黑灵敏温度计计以来，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
3、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。n 按阵列大小不同，分为：按阵列大小不同，分为：单元探测器（第一代）单元探测器（第一代）线阵探测器（第二代）线阵探测器（第二代）面阵探测器面阵探测器(IRFPA)（第三代）（第三代）第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 n 按响应波段不同，分为：按响应波段不同，分为：13um（短波）（短波）35um（中波）（中波）814um（长波）（长波）n 按工作温度按工作温度(是否需要致冷是否需要致冷)，分为，分为：非致冷探测器非致冷探测器 致冷型探测器致冷型探测器n 按成像方式，分为：按成像方式，
4、分为：扫描型（单元探测器、多元线列探测器）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）凝视型（二维红外焦平面阵列）第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 n 按结构形式分为：按结构形式分为：单片式单片式 混合式：混合式：指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用如红外探测器使用 HgCdTe，读出电路使用，读出电路使用 Si。n 按探测机理不同，分为：按探测机理不同，分为：热探测器热探测器 光子探测器光子探测器n 按同时响应波段数目分为：按同时响应波段数目分为：单色单色 IRFPA 多色多色 IRFPA（例
5、如（例如35um，814um）第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 热探测器热探测器：红外辐射与物质相互作用产生热效应热效应而工作，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。光子探测器光子探测器：红外辐射与物质相互作用产生光电效应光电效应而工作。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光子效应。常用的光子效应常用的光子效应包括：外光电效应、内光电效应外光电效应、内光电效应。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术
6、 根据所采用的光电效应，光子探测器又可分：，光子探测器又可分：外光电探测器外光电探测器（真空探测器）：基于外光电效应（真空探测器）：基于外光电效应光电导探测器光电导探测器：基于光电导效应：基于光电导效应光伏探测器光伏探测器：基于光伏效应：基于光伏效应光电导效应光电导效应：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。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 常见材质及波段常见材质及波段 InSb 35
7、um HgCdTe 230um（短波、中波、长波）（短波、中波、长波）PtSi 中波中波 长波长波 IRFPA（814um）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 像元规模像元规模：128x128、256x256、320 x240、512x512、640 x480、1024x1024、1968x1968第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 红外焦平面阵列红外焦平面阵列 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，于是上世纪上世纪70年代年代产生了凝视红外探测器概念。所谓“
8、凝视凝视”是指：红外探测器响应景物（或目标）的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，因而无须无须光机扫描光机扫描。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 凝视红外探测器的凝视红外探测器的结构特点结构特点是：将多路信号读出等电路是：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成像，故称红外焦平面阵列器件红外焦平面阵列器件（Infrared Focal Plan
9、e Arrays，简称IRFPA）。红外焦平面技术的发展为开发高性能的第二代第二代、第三代红外成像系统奠定了技术基础。大规模（128128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兼具辐射敏感辐射敏感和信号处理信号处理功能，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直接处理的有序图像信号理的有序图像信号。第第5 5讲讲 非均匀性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相比具有以下明显优点优点：（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可以大幅度
10、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，有效地减小减小了系统的体积、重量和功耗，提高了工作的可靠性了系统的体积、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（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适应了高速和超高速制导导制导导弹等武器弹等武器系统图像信息获取的需求系统图像信息获取的需求。第第5 5讲讲 非均匀性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灵敏度、高分辨高分辨率率、大视场大视场的红外成像系统，而且能使成像系统的体积体积、重量和功耗重量和功耗都得以降低降低。这有效地促进了
11、红外成像技术的有效地促进了红外成像技术的推广和应用推广和应用，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科的具有带动性的学科前沿，正主导着下一代红外和相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关技术的发展，是当今信息科学技术中关键领域之一。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 红外焦平面技术的难点难点就在于制造大规模、高均匀性、高制造大规模、高均匀性、高性能的红外探测器阵
12、列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、降低成本方面仍在提高成品率、降低成本方面仍具有很大难度具有很大难度。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一个严重的问题即焦平面阵列的焦平面阵列的非均匀性非均匀性（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突出而必须解决的问题。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像
13、实时处理技术 5.2 IRFPA响应非均匀性响应非均匀性 IRFPA成像非均匀性非均匀性（Nonuniformity）定义定义: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响应输出的不一致性，又称之为固定图案噪声固定图案噪声（Fixed Pattern Noise，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).(a).理想输出理想输出 (b).(b).实际有非均匀性的输出实际有非均匀性的输出 第第5 5讲讲 非均匀性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对图像产生强烈的干扰。在线阵
14、型器件线阵型器件中表现为垂直扫描方向的条带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，而难以辨认一128128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第5 5讲讲 非均匀性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因素是多方面的，起主要作用主要作用的是：IRFPA中各探测器响应率的非均匀性响应率的非均匀性（包括光谱响应的非均匀性）；读出电路自身及读出电路自身及读出电
15、路与探测器耦合耦合的非均匀性；暗电流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。第第5 5讲讲 非均匀性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 器件自身器件自身非均匀性是红外焦平面阵列非均匀性的主体部主体部分分。这种非均匀性主要是由器件的材料和制造工艺水平主要是由器件的材料和制造工艺水平所决定的所决定的。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制造完成后成后，这种非均匀性因素也就，这种非均匀性因素也就基本确定了基本确定了。v 探测像元响
16、应率的非均匀性探测像元响应率的非均匀性 v 信号传输的非均匀性信号传输的非均匀性 v 暗电流的非均匀性暗电流的非均匀性第第5 5讲讲 非均匀性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）探测像元响应率的非均匀性 根据Mooney的理论，均匀照度均匀照度下，IRFPA中单个探测单元的响应输出可用电子数表示为 ijijijiijDdTLRTN)(),()(21ijijeffijAFR2#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
17、角 成像光学系统的 F数像元(i,j)波谱量子效率 积分时间 第第5 5讲讲 非均匀性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。ijijDijAij等几个参数的差异，从而导致在均匀光照下，各个探测单元导致在均匀光照下，各个探测单元的输出响应出现不一致的现象的输出响应出现不一致的现象，即产生了不均匀性产生了不均匀性。这种因素对非均匀性的影响表现影响表现为乘性乘性和加性加性关系。器件的材料中会出现各种各种晶格缺陷晶格缺陷、掺杂不均掺杂不均和厚度不等厚度不等等问题，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饱和电流
18、、量子效率量子效率和截止波长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 第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 2）信号传输的非均匀性）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电荷滞留和信号的传输损失的不一致性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
19、工艺水平的制约，各个耦合和各个耦合和输出通道的参数也不可能完全相同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非均匀性乘性分量。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 3）暗电流的非均匀性）暗电流的非均匀性 暗电流暗电流是指红外焦平面阵列器件在无辐射输入时无辐射输入时的输出输出电流电流，其产生于探测单元或读出电路中产生于探测单元或读出电路中。1)exp(dbdsdTkqVii 1)exp()(1)(1)(2dbdaeednndbipnTkqVNNTqkNssthsiGdKTNVqnVGI21化简得：第第5 5讲讲 非均匀性非
20、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器件的材料有关，还与器件的工作电器件的工作电压、工作温度压、工作温度等有关，这些参数的不一致性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加性分量。ssthsiGdKTNVqnVGI21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 第第5 5讲讲 非均匀性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、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工作状态相关
21、的条件主要有红外焦平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工作状态产生影响影响，而器件的工作状态的变化将直接将直接对探测器的光学光学增益、注入效率、读出电路的增益以及暗电流增益、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
22、不同的非均匀性效果的工作条件下可以有不同的非均匀性效果。第第5 5讲讲 非均匀性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、与外界相关的非均匀性 红外光学系统红外光学系统，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直接或间接地引起焦平面阵列中各探测器单元接接收的辐照度不同收的辐照度不同，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与外界条件密切相关，使得同一红外焦平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面阵列器件在不同的成像系统中、在不同的工
23、作条件和环境下有着不同的非均匀性效果，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研制和红外热成像系统的设计设计中是很难直接观测到很难直接观测到 第第5 5讲讲 非均匀性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因素 IRFPA器件的材料材料 IRFPA器件的结构结构 IRFPA器件的工作状态工作状态有关，还有多种外界因素外界因素 成像系统光路光路 背景辐射背景辐射 电磁环境电磁环境等。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 5.4 盲盲 元元 但由于制造材料、工艺等因素的影响（材料的不均匀性，掩膜误差、缺陷等），红外焦平面阵列器件存在
24、不可避免盲元问题，这些问题如果不经过处理，则会大大降低成像信号的输出信噪比。盲元盲元，或称或称失效元失效元，是指IRFPA器件中的响应过高和响应过高和过低的探测器单元。盲元的数量及其分布对器件性能的影响很大盲元的数量及其分布对器件性能的影响很大，如果盲元数过多，在成像时不经过相应的处理，则会在图像中出会在图像中出现大量的亮点或暗点，严重影响成像质量现大量的亮点或暗点，严重影响成像质量。通过盲元补补偿剔除过亮或过暗的像元，可提高偿剔除过亮或过暗的像元，可提高IRFPA的成像质量，的成像质量，具有很高的应用价值和意义具有很高的应用价值和意义。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 盲
25、元的定义盲元的定义 对于盲元的定义，主要是从器件对黑体辐射的响应程度器件对黑体辐射的响应程度作为量化指标的作为量化指标的。先给出两个有关的红外焦平面参数定义。像元响应率像元响应率（Pixels responsivity）像元噪声电压像元噪声电压（Pixel noise voltage）第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 像元响应率像元响应率 像元响应率像元响应率R(i,j)定义为：IRFPA在一定帧周期和一定动在一定帧周期和一定动态范围条件下，态范围条件下，像元对像元对每单位辐照功率每单位辐照功率产生的产生的输出信号输出信号电压电压（单位为伏特/瓦）。其可表示为：PjiVji
26、Rs),(),(NjMi1,1，M 和N 分别是IRFPA像元的其中总行数和总列数。对应于辐照功率P的响应电压像元所接收的辐照功率第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 像元噪声电压像元噪声电压 像元噪声电压像元噪声电压：指：指 IRFPA在背景辐射条件下，像元在背景辐射条件下，像元输输出信号电压出信号电压涨落涨落的均方根值的均方根值（单位为伏特），记为VN(i,j)。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 盲元盲元也称为无效像元无效像元，包括死像元死像元（dead pixel）和过热过热像元像元（over hot pixel）。死像元死像元是像元响应率小于像元响应
27、率小于1/10平均响应率平均响应率的像元；过热像元过热像元为像元噪声电压大于像元噪声电压大于10倍平均噪声电压倍平均噪声电压的像元盲元率盲元率可表示为：%100NMhdNb其中d 和 h 分别是死像元死像元 和 过热像元过热像元数。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 5.5 盲元产生的机理盲元产生的机理在实际成像系统中，IRFPA的信号输出信号输出是是探测单元、读出探测单元、读出电路、信号处理电路电路、信号处理电路（例如放大、模数转换等）等各种因素综合的结果综合的结果。首先，红外焦平面阵列中物理损坏的探测单元物理损坏的探测单元构成盲元。其次在IRFPA制造过程中如有效光敏面以
28、及材料掺杂不均等原因，引起各探测单元光电转换特性曲线光电转换特性曲线的不一致和暗电流的不均匀暗电流的不均匀等，当这种不一致性过大不一致性过大时，就形成了盲元。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 第三，1/f 噪声，通常认为它是由半导体的表面电流引起的，在一些文献中认为1/f 噪声会使探测单元性能恶噪声会使探测单元性能恶化化，形成盲元。第四，信号电荷传输读出信号电荷传输读出的影响，在采用移位读出的IRFPA器件中，通道障碍通道障碍可使相关像元信号衰减而形成盲元。最后，IRFPA器件工作所处的温度随机变化将影响像元性能，在一定环境温度下在一定环境温度下，例如过高或过低的气温下，部分像元将产生性能劣变像元将产生性能劣变，失去探测能力失去探测能力，而成为盲元。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术 引起盲元的因素中主要的还是物理损坏、响应特性的非物理损坏、响应特性的非一致性一致性、读出电路及暗电流读出电路及暗电流的影响。根据上述分析，盲元可分为器件级器件级和信号通道级信号通道级两类。器件级器件级的盲元：就是红外探测器阵列自身中的无效像元自身中的无效像元；信号通道级信号通道级的盲元：是成像系统中电荷读出及电子成像过程中由于通道障碍通道障碍使相关像元信号衰减而形成信号衰减而形成的盲元。第第5 5讲讲 非均匀性非均匀性光电成像实时处理技术
