高速数字芯，实现高帧频红外焦平面探测器技术突破

封面解读：

高帧频红外焦平面探测器在高速红外测温、光谱成像、红外装备等领域有着重要应用。读出集成电路作为核心部件，是红外探测器工作帧频的决定因素。昆明物理研究所红外系统专用集成电路团队设计了一款在片上集成像素级模拟数字转换器（ADC）和高速多通道并行数据传输接口的数字型读出集成电路，实现了信号读出速度的大幅提升。基于此读出电路技术，成功研制出帧频超过1000 fps、动态范围超过95 dB的长波数字红外焦平面器件，实现了高帧频红外焦平面探测器技术突破。

封面文章| 张济清;钟昇佑;李正芬;毛文彪;陈楠;白丕绩;韩庆林;姚立斌; 高帧频384×288长波数字红外焦平面探测器[J].光学学报, 2021, 41 (20):2036001.

1、研究背景

高帧频红外焦平面探测器是实现高速红外成像系统的关键，在先进红外装备、多光谱成像技术和高速测温领域都有着非常重要的应用，当前我国的高帧频红外焦平面技术还不能满足未来高速红外成像系统的发展要求。

制冷型红外焦平面探测器的帧频主要由读出集成电路的信号读出速度决定。传统模拟读出集成电路受限于信号带宽，帧频一般在百fps量级。本研究希望通过开展新型数字读出集成电路技术研究，将信号处理从传统的模拟域转变到数字域，充分利用数字信号传输速度高、抗干扰的优点，大幅提升读出速度和信号质量，实现千fps量级高帧频数字红外焦平面探测器技术突破。

2、高帧频数字读出集成电路

昆明物理研究所红外系统专用集成电路团队，由姚立斌研究员带队，全自主、正向设计了一款1000 fps级别的高帧频数字读出集成电路。通过在像素单元内集成ADC，实现每个像素独享一个ADC，将并行工作ADC的数量提升至最高级别（相较于片级、列级ADC集成而言），使电路具备强大的模拟到数字转换能力；配置多通道高速数据接口电路，大幅提升数据传输速度。从而将工作帧周期缩短至1 ms以内，实现了1000 fps以上帧频。

图1高帧频数字读出集成电路原理和像元ADC版图

高帧頻长波数字红外焦平面探测器

读出集成电路流片加工后，成功与HgCdTe长波红外焦平面探测器进行了倒装互连，形成混合芯片组，并封装于金属真空杜瓦中。耦合斯特林制冷机后，成功研制出高帧频384×288长波数字红外焦平面探测器组件。

图2 所研制高帧频384×288长波数字红外焦平面探测器照片

经测试，所研制高帧频数字长波红外焦平面探测器最高工作帧频达到1012 fps，噪声等效温差（NETD）为16.8 mK，动态范围超过95 dB。使用此器件成功捕捉了打火机点火瞬间，成像锐利，清晰展现了火焰产生、迸出的过程，人手上的指甲和火焰的层次可分辨，充分展现了所研制器件高帧频和高动态范围特性。此器件的成功研制，打破了国外对我国高帧频红外探测器的技术封锁。

图3 打火机点火过程的红外图像

3、展望

目前所研制器件已应用于高速列车的授电网温度监测预警系统的开发中。下一步课题组将继续推广高帧频红外器件应用，开展更大面阵、更小像元尺寸的高帧频红外焦平面探测器研究，未来为我国高端红外系统提供核心器件，助力我国先进红外装备和仪器的研制。