第57期“见微知著”培训课程：红外探测与成像技术

麦姆斯咨询　｜　2023-12-08至2023-12-10　｜　无锡新吴区

五、课程内容

课程一：红外探测、成像及测温技术综述

老师：浙江大立科技股份有限公司 副总经理 姜利军（点此查看老师简介）

红外探测器是一种可以将红外光信号转变为可度量的电信号的换能器。根据能量转换原理，红外探测器通常分为热探测器（热阻效应、热伏效应、热气动效应、热释电效应）和光子探测器（光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应、光发射效应）两大类；根据工作温度，可分为非制冷型探测器和制冷型探测器两大类。随着红外探测器在新材料、新结构、新工艺和光机电集成一体化等方面不断探索，各种红外系统及应用也在推陈出新。本课程详解红外探测理论及技术，剖析全球红外探测器产业竞争格局，介绍红外成像及测温应用和市场，为学员们理解后续课程奠定坚实的基础。

课程提纲：

1. 红外探测器概念及技术路线：制冷 vs. 非制冷，热探测器 vs. 光子探测器；

2. 非制冷红外探测器技术：设计、制造及封装；

3. 非制冷红外探测器发展历史、趋势、竞争格局；

4. “新型”热红外探测原理；

5. 红外图像处理及测温技术概述；

6. 红外热成像市场与应用分析。

课程二：量子点红外探测与成像技术及产业化进展

老师：北京理工大学 教授 唐鑫（点此查看老师简介）

量子点（QD）也被称为半导体纳米晶体，是一种准零维的半导体纳米结构（球形或类球形），直径尺寸一般在2~20纳米范围内，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，从而表现出优异的光电特性。胶体量子点具有带隙可调、可溶液制备及加工的特性，在短波红外区域有很强的吸收，在解决短波红外探测器的成本与便携问题方面具有极大潜力。当前，大部分胶体量子点探测器探测波长限于短波红外区域，将探测波长拓展至中波红外与长波红外并提升探测率是未来的重要课题。本课程深入讲解胶体量子点红外探测器核心技术及其在光谱探测及成像方面的应用，最后总结技术发展路线及产业化进展情况。

课程提纲：

1. 红外胶体量子点概述；

2. 单点型量子点红外探测器发展概况；

3. 短波红外量子点成像焦平面阵列；

4. 中波红外量子点成像焦平面阵列；

5. 双色/宽光谱量子点成像焦平面阵列；

6. 量子点焦平面发展路线图及产业化。

课程三：基于超构表面的中红外成像和检测原理及应用进展

老师：浙江大学 研究员 马耀光（点此查看老师简介）

中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区，在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂；在检测方面，受分子吸收截面小的限制，检测灵敏度低，对微量化学物质检测具有较大挑战。超构表面（metasurface）是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列，具有体积小、易集成、调控自由度高等特点，能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号，提高检测灵敏度。本课程讲解中红外超构表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理，着重阐述超构表面在中红外波段的成像与检测领域的研究进展，包括偏振成像、可调及可重构超表面、与红外焦平面阵列集成的超构表面等。

课程提纲：

1. 三维超构材料与二维超构表面的概念；

2. 超构透镜的特点与优势；

3. 中红外成像与探测的技术原理；

4. 基于超构表面的中红外成像器件与原理；

5. 基于超构表面的中红外探测器件与原理。

课程四：基于光学纳米天线的中波和长波红外探测器

老师：华中科技大学 教授 易飞（点此查看老师简介）

光学纳米天线是一种由亚波长结构组成的超构表面（metasurface）——由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构，可实现对入射光的振幅、相位、光谱、偏振等参数的灵活调控，具有强大的光场操控能力。利用光学纳米天线调控红外探测器像元的光谱响应，能够实现多光谱窄带探测的技术路线，以摆脱对分立窄带滤光片的依赖。此外，还可以利用大口径的全硅超构透镜替代传统的折射透镜，以构建轻量、无热化长波红外成像的技术路线。本课程从光学纳米天线阵列的工作原理出发，重点讲授基于光学纳米天线的红外探测器及其在气体检测、红外成像与测温领域的应用。

课程提纲：

1. 光学纳米天线阵列的工作原理、结构和材料体系；

2. 基于光学纳米天线的多光谱红外探测器及气体检测应用；

3. 基于光学纳米天线的红外超构透镜及成像与测温应用；

4. 基于光学纳米天线的红外探测器总结与展望。

课程五：红外偏振成像技术及应用

老师：华中科技大学 教授 易飞（点此查看老师简介）

偏振是光的重要物理特性之一，地表或大气中的目标在反射、散射、透射和辐射光时会产生由自身特性所决定的特定偏振信息，并且这些偏振信息可用于分析目标的形状轮廓、表面粗糙度、纹理图案以及材料的物理化学特性等。传统的红外成像技术用于获得一定红外光谱波段的光辐射强度图像，而红外偏振成像技术在此基础上增加了新的偏振维度信息，可用于反伪装、抗干扰、提高复杂背景下目标的探测识别能力。近些年，超构光学元件（光学超构表面器件）加速从实验室走向产业界，并赋能红外偏振成像以实现商业化落地。2023年，博升光电推出全球首款偏振结构光3D视觉相机，解决了多径反射、镜面成像等问题，用于工业、物流、服务机器人；Metalenz推出全球首款超构光学偏振传感方案Polar ID，可以准确捕捉人脸独特的“偏振特征”，用于智能手机人脸认证。本课程详解偏振敏感型超构表面及其红外偏振成像应用，总结与展望红外偏振成像技术发展趋势。

课程提纲：

1. 红外偏振成像技术概述；

2. 偏振敏感型超构表面设计；

3. 基于超构表面的红外偏振成像技术；

4. 红外偏振成像技术应用及展望。

课程六：仪器用高性能热释电红外探测器关键技术及器件

老师：中国有研科技集团有限公司 主任研究员 明安杰（点此查看老师简介）

热释电红外探测器具有探测率高、响应速度快、制备工艺简单、结构紧凑等特点，广泛应用于医疗与工业气体分析、环保监测、火焰探测与火灾预警、智能制导等诸多领域，在热探测器市场中占有重要地位。中国有研科技集团有限公司经过自主科技攻坚，突破了高性能热释电红外探测器系列关键技术，并具备批量供货的能力，形成了基于电压型、电流型读出，单通道、双通道以及多种滤波片组合的系列化产品，主要应用包括：面向医疗领域医院及家庭的呼吸监测系列仪器；面向工业安全及排放监测领域的CO₂、CO、NO_x、SO₂及CH4系列烷烃类气体识别及浓度测定；室内外空气环境、汽车轿厢空气质量监测、电池安全预警监测；红外光谱仪器以及国防军工等。本课程剖析高性能热释电红外探测器关键技术、研究及产业现状、未来发展趋势，并分享典型应用案例。

课程提纲：

1. 热释电效应及材料体系；

2. 光热电效应及探测器关键技术；

3. 热释电红外探测器研究及产业现状；

4. 热释电探测器件典型应用场景案例分享；

5. 热释电材料及探测器发展趋势。

课程七：微测辐射热计红外探测器技术及应用

老师：上海巨哥科技股份有限公司 创始人兼董事长 沈憧棐（点此查看老师简介）

基于MEMS技术的微测辐射热计探测器是目前最成熟、市场占有率最高的主流非制冷红外探测器，已经成为体温筛查、车载夜视、工业检测等民用热成像领域的主力军。这种红外探测器主要利用氧化钒（VOx）薄膜、非晶硅（a-Si）等热敏材料的电阻变化来测量辐射热量（物理过程：吸热产生温升→电阻变化→读出信号），其结构材料的热导率与MEMS制造工艺能力共同决定着探测器的性能。同时由于绝热需要，微测辐射热计探测器通常采用真空金属/陶瓷封装，这增加了封装的难度与成本。为此，晶圆级真空封装应运而生，可有效降低成本，促进消费类应用。本课程全面讲授微测辐射热计探测器的工作原理、关键技术、产业现状及技术趋势，最后介绍典型红外热成像系统及应用。

课程提纲：

1. 红外热成像基本原理及红外探测技术路线；

2. 微测辐射热计红外探测器工作原理、结构及材料体系；

3. 微测辐射热计红外探测器设计、制造、封装和测试；

4. 微测辐射热计红外探测器产业现状及技术趋势；

5. 红外热成像系统及应用：机器视觉、过程监控、设备维护、消费类应用。

课程八：碲镉汞（HgCdTe）红外探测器及应用

老师：武汉高芯科技有限公司 副总经理 周文洪（点此查看老师简介）

碲镉汞（HgCdTe）属于带隙可调半导体材料，凭借其在宽红外波段（1~16微米）展现出的超高性能，在红外探测器领域扮演着不可替代的角色，目前是重要战略及战术应用中的首选材料体系。而掺杂调控技术直接影响着碲镉汞红外探测器的电学性能，在短波和中波红外波段，碲镉汞材料常采用本征掺杂；在长波红外波段，碲镉汞材料多采用非本征掺杂，以解决少子寿命减小及暗电流增大问题。空间遥感、气象探测、航空航天以及军事侦测是碲镉汞探测器的主要阵地，近年来也逐渐在搜索救援、气体检测等民用领域凸显身影。本课程将从光子探测器的工作原理及敏感材料出发，重点剖析碲镉汞红外探测器的主要技术问题和解决方案，并探讨其产业现状及应用前景。

课程提纲：

1. 碲镉汞材料的技术特点；

2. 碲镉汞红外探测器的批量制造；

3. 碲镉汞红外探测器的技术发展；

4. 碲镉汞红外探测器市场与供应商；

5. 碲镉汞红外探测器的应用。

课程九：锑化物超晶格红外探测器

老师：武汉高芯科技有限公司 副总经理 周文洪（点此查看老师简介）

Ⅱ类超晶格（T2SL）是一种人工光电材料，其体系主要由InAs、GaSb和AlSb构成。通过设计这种材料的能带结构，可使探测器的响应光谱覆盖整个红外波段范围。锑化物Ⅱ类超晶格材料具有俄歇复合率低、电子有效质量大、材料均匀性好等特点，在高性能制冷型红外探测器领域具有一席之地。与碲镉汞红外探测器相比，Ⅱ类超晶格探测器具有更低的暗电流及更高的工作温度；与量子阱红外探测器相比，Ⅱ类超晶格探测器具有更高的量子效率及更长的载流子寿命。提高制冷型红外探测器工作温度的关键在于降低器件的暗电流、提高器件的量子效率。因此，除了在能带结构及材料生长领域进行不断的研究开发，器件制备领域也是一个重要的优化方向。本课程详解锑化物超晶格红外探测器技术特点、发展趋势、批量制造及典型应用。

课程提纲：

1. 制冷红外探测器发展历程；

2. 锑化物超晶格红外探测器的技术特点；

3. 锑化物超晶格红外探测器的技术发展；

4. 锑化物超晶格红外探测器的批量制造；

5. 锑化物超晶格红外探测器的应用。

课程十：红外焦平面探测器读出电路设计

老师：昆明物理研究所 副总工程师、研究员 姚立斌（点此查看老师简介）

红外焦平面探测器芯片组通常由焦平面阵列（FPA）芯片和读出电路（ROIC）芯片通过互连而成，用于获取红外图像信号。读出电路的基本功能是进行红外光电信号的读取、处理以及多路传输。读出电路是红外焦平面探测器组件的重要组成部分，其性能对探测器乃至整个红外成像系统的性能有重大影响。为了获得更高的空间分辨率和光谱分辨率，红外焦平面探测器正朝着大面阵、小像素、多色化的方向发展，这对读出电路设计提出了诸多挑战。数字读出电路是针对超大规模、多色红外探测器的数据传输率瓶颈问题的解决方案。而且基于数字读出技术，可以实现片上数字处理功能，真正实现“智能型”红外焦平面探测器。本课程综述红外焦平面探测器读出电路发展之路，在红外成像系统应用的背景下深入讲解读出电路信号链路、各电路模块及读出电路总体设计。本课程有助于加深对红外探测器及其系统应用的理解，适合于红外焦平面探测器研发人员、红外光电系统研发人员参与。

课程提纲：

1. 红外焦平面探测器及读出电路；

2. 红外焦平面探测器读出电路发展现状；

3. 红外焦平面探测器读出电路信号链路分析；

4. 红外焦平面探测器读出电路设计；

5. 红外焦平面探测器读出电路技术展望。

课程十一：高性能红外集成传感读出电路设计

老师：东南大学 教授 吴金（点此查看老师简介）

在机载激光探测和武器制导应用中，一般需要广角红外成像与激光测距成像配合实现目标识别。国内外已有诸多学者实现了基于共口径或多组光学系统的红外复合探测系统。此类系统中往往需要多条光路和多个焦平面阵列进行成像，通过后期数据处理进行数据融合，增加了系统成本和复杂度，而且为多种传感器的视场对齐和图像融合带来了难度。而主/被动双模式测距成像系统只需一组焦平面阵列和光学通路就能实现主动激光成像和被动热成像，系统运行效率高、成本低、尺寸和重量小，拥有良好的应用前景，已成为红外激光雷达的关键技术和发展趋势之一，并催生主/被动红外成像读出电路芯片的需求，该芯片设计难点在于需要在很小的像元面积内实现多种成像功能。本课程从红外传感器的读出电路需求出发，重点讲解被动红外成像、主动红外测距等多功能读出电路设计要点，最后总结与展望红外集成传感读出电路。

课程提纲：

1. 红外传感器读出电路（ROIC）概述：类型与需求；

2. 针对光电流信号的电阻感应与电容积分检测电路设计；

3. 针对红外飞行时间（ToF）信号的TDC电路设计；

4. 多功能红外集成传感器读出电路设计；

5. 红外集成传感读出电路总结与展望。