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AIM:用于高光谱成像应用的红外探测器

发布:凌云光技术股份有限公司
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近年来,AIM开发了各种各样的短波红外模块,其中384x288和1024x256是基于相似的ROIC架构,具有相似的特性和光电性能。数据接口设计相同,方便高光谱成像公司在做系统集成时使用和实现不同格式的产品系列。该模块适用于高光谱成像仪,为遥感、过程控制、材料分析和分类等各种应用提供扩展的短波红外感知能力。640x512适用于打造成像系统,适用于弱光条件下的操作。

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MCT 384x288 短波红外模组


带有MCC030单活塞冷却器的MCT 384x288 短波红外模块,结构紧凑,光谱波段为0.9~2.5μm。因其采用了先进的探测器和冷却技术,该装置拥有高灵敏度和长寿命(寿命冷却器>25000h) 24/7。简单的系统接口实现了其全数字输出,高达450Hz的高帧率全帧成像提供了优异的性能。

读出集成电路(ROIC)提供了特别适用于高光谱应用的特性,如窗口、行取消选择和可逐行切换的2种增益模式。后者用于具有高动力学的应用,即强光谱线与0.9 ~2.5μm范围内的低光子通量光谱波段相结合。为了同时实现高帧率和高灵敏度,通常采用“读时集成”模式(IWR)。ROIC也提供了“集成然后读取”模式(ITR)。

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▲MCT 384x288 SWIR模块与MCC030单活塞冷却器

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▲MCT 384x288 SWIR模块的特性曲线。探测器被放置在一个积分球的前面,积分球上装有一盏石英钨卤(QTH)灯作为光源和一层碱基涂层,以便在可见光到2.5μm波长的整个光谱范围内提供宽频带照明。积分时间设置为1ms,并在整个测量系列中保持不变。在测量过程中,探测器上的光子通量通过积分球内的机械狭缝来改变,以保持光谱特性。

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▲ROIC的设置被优化以在信号输出范围内达到50%的良好线性度。在这个范围内,线性偏差通常为0.1%或更少。对于需要较大动态的应用,信号输出范围可以优化,以显示增加的电荷处理能力。

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▲384x288 SWIR模块在IWR模式下的光子传输曲线,高增益(左),低增益(右)。

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▲用于384x288 SWIR模块的两种增益模式的读出噪声直方图。

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▲在IWR高增益(左图)和IWR低增益模式(右图)下,在20%井眼填充条件下,384x288 SWIR模块LSB/光子FOV校正后的响应。

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▲在IWR高增益模式下测量384x288 SWIR模块W/Hz1/2的噪声等效功率。

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▲典型MCT 384x288 SWIR模块IWR HG模式下的缺陷像素图。

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▲测量不同温度下的暗电流密度(左轴)和动态电阻(右轴)与二极管偏置的关系。在T = 170K和T = 200K时,从j、u数据中得到的动态电阻值显示,在低电流测量中,由于噪声的影响,扩展幅度增大。

MCT 1024x256 短波红外模组


MCT 1024x256 短波红外模块的ROIC与MCT 384x288 短波红外模块具有类似的结构,因此提供了与之相同的特性和类似的电光性能。同时,用户界面的设计也完全相同。与384x288 SWIR模块相比,带有SF100脉冲管冷却器的MCT 1024x256 SWIR模块与超长寿命冷却器(寿命>50000 h)。

长探测器有利于机载高光谱成像应用,因为它在同等飞行轨迹的情况下,覆盖更大面积。而且即使探测器面积变大,模块仍然拥有高帧率,全帧模式可达250Hz。像元尺寸为32μm×24μm,在低增益模式下也拥有更高的存储容量(CHC)。

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▲1024x256 SWIR模块的SF100长寿命冷却器

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▲在IWR和HG模式下,MCT 1024x256 SWIR模块的平均信号通量与光子通量积分时间为1ms(左);IWR HG非线性误差(右)。

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▲MCT 1024x256 SWIR模块的两种增益模式的读出噪声直方图。

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▲典型的MCT 1024x256 SWIR模块在IWR HG模式下的缺陷像素图,缺陷像素的总数通常低于1%。

MCT 640x512 短波红外模组


MCT 640x512 短波红外模组(目前还不能对华出口)像元尺寸15μm,优化的ROIC设计进一步改善噪声性能和动态范围参数正在制作中。与用于大范围光子通量条件的384x288和1024x256 ROIC相比,640x512 SWIR ROIC主要用于成像系统的微光条件下工作。

在弱光成像条件下,ROIC用于有相关双采样(CDS)的滚动快门模式。CDS通过在像素复位后对复位信号电平进行采样,有助于降低读出的复位噪声。通过从整个积分时间后得到的信号中减去这个复位电平值,CTIA输入级的kTC噪声可以被抵消或至少降低。因此,与不使用CDS的标准快照模式相比,读出噪声大大降低。

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▲IWR模式下无CDS(蓝色)640x512 SWIR模块(现有ROIC版本)的读出噪声直方图和带有CDS的滚动快门模式(红色),图中可以看出CDS可显著降低读出噪音。

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▲MCT 640x512 SWIR模块的典型缺陷像素图,缺陷像素的总数通常约为0.15%。

VIS /SWIR图像传感器


在VIS/SWIR探测器的早期开发中,衬底去除和反射层涂覆工艺已经应用于384×288像素、24μm间距的HgCdTe探测器上。AIM又将这些工艺应用到1024×256的大型HgCdTe探测器上,同时还将这些工艺应用到24HgCdTe和32HgCdTe探测器上。

光谱响应和量子效率已经测量了一个未涂覆的石英窗口,显示在0.4~2.5μm的VIS/SWIR光谱范围内传输约93%。用光子传递曲线法得到了计算量子效率所需的电荷-电压因子。

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▲标准SWIR HgCdTe探测器(蓝色)和VIS/SWIR HgCdTe探测器(红色)的量子效率:在整个可见/SWIR光谱范围内,量子效率可达60%至70%。在波长大于1.6μm时,可见/SWIR探测器的QE值降低是由抗反射涂层的设计引起的,该设计针对可见/SWIR范围进行了优化。

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▲使用MCT可见/SWIR探测器获得彩色图像:用蓝、绿、红三色LED灯拍摄了一系列不同亮度的照片(左),将得到的数据组合成一幅标准的彩色图像(右)。

适用于高光谱系统和应用的AIM新的MCT 短波红外模块响应率可以通过完全去除衬底而成功地扩展到紫外光谱段。在0.4~2.5μm光谱范围内,量子效率可达60%至70%。想要了解更多信息,请与我们联系吧。


2020-11-20
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