大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术
撰稿人：陈楠
单位：昆明物理研究所
陈楠, 张济清, 毛文彪, 李雄军, 宋林伟, 高玲, 姚立斌. 大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210821. doi: 10.3788/IRLA20210821
长波红外探测器的光电流和暗电流相比短波和中波器件显著增加，原有的模拟焦平面技术和基于列级ADC的数字焦平面技术，因为读出电路电荷存储能力的限制导致长波探测器的动态范围和信噪比难以提升，温度灵敏度也受到限制。数字像元读出电路技术通过数字积分克服了传统模拟积分方案电荷存储能力受限的缺陷，并在像元内集成ADC完成量化，可以有效提高探测器的动态范围和灵敏度，成为提升长波探测器性能的一种关键技术。
本文对比分析了模拟像元和数字像元读出电路技术，介绍了数字像元焦平面的发展现状和主要架构。采用脉冲频率调制方案设计了384×288（25 µm）和256×256（30 µm）两款数字像元读出电路，并耦合碲镉汞探测器形成长波数字焦平面探测器组件进行测试，结果与国内外相关工作进行比较分析，峰值噪声等效温差分别达到3.4 mK和1.9 mK，动态范围达到96dB以上。测试结果表明，数字像元技术显著提升了长波红外焦平面的灵敏度和动态范围，是提高红外探测器性能的有效途径。
探测器的信噪比主要与光电流和积分时间正相关，而像元电荷容量决定了所能接收的最大光电流和最长积分时间，因此增大电荷存储容量，能够提高信噪比。衡量温度灵敏度的指标——噪声等效温差（NETD）则与信噪比成反比，因而电荷存储容量越大，灵敏度越高。动态范围的上限也同样被电荷存储容量所限定。
传统的模拟像元电路，最大的电荷存储容量由积分电容Cint和及其最大电压摆幅决定，而电压摆幅受电源电压和阈值电压的限制。因此，模拟像元电荷存储容量的物理限制，导致其动态范围和温度灵敏度无法随着光电流变大而提升。
图1 模拟像元电路和模拟积分原理示意图
为了充分发挥长波器件光电流大的优势，可以由度量电容上单次积分电压绝对值的方式变为测量多次积分脉冲个数的相对值，从而避免单次积分电荷存储容量的限制。采用这种方式积分的像元为数字像元。其与模拟积分最大的区别在于积分过程不只是一次，而是在积分时间内积分电容进行复位、放电的多次重复，每次复位都会产生一个脉冲，令计数器加1。最后读取计数值即可得到对应辐射能量大小的相对值，其电荷存储容量与最大计数值成正比，即计数器的长度越长，可以获得的动态范围和温度灵敏度也越高，从而突破了积分电容和电压摆幅的限制。数字像元在完成积分的同时也实现了模数转换的功能，无需像元以外的模拟信号处理电路和ADC，简化了读出电路和成像系统的设计。
图 2 数字像元电路和模拟积分原理示意图
早在2001年美国就报道了采用像元级ADC技术的CMOS图像传感器设计，之后美国麻省理工学院林肯实验室、法国CEA-Leti及Sofradir公司报道了多款长波数字像元焦平面探测器和读出电路，令长波探测器的峰值NETD降低至2 mK，灵敏度提高近一个数量级。国内数字像元读出电路已有部分研究成果发表，但性能与国外先进水平尚存较大差距，且未见凝视型面阵数字像元红外探测器组件研制结果的报道。
本文采用脉冲频率调制（PFM）方案设计数字像元，每个像元在自身脉冲频率下计数和复位，避免了全局计数时钟和计数值的制约，有利于功耗的降低。为了最大程度利用帧频允许的积分时间来提高灵敏度，设计边积分边读出（IWR）模式，因此在像元内集成存储器来存储计数值。采用全局曝光模式，避免了卷帘曝光对高速运动目标成像的变形问题，同时减小了行间的时域噪声。在积分时间为20 ms时，不同输入电流下进行仿真，像元输出数值在电流变化35 nA范围内均呈现出线性响应，有效扩展了探测器的动态范围。
图3 所设计的数字像元电路框图和版图
图4 数字像元输出数值和光电流的仿真结果
图5 长波384×288和256×256数字像元焦平面探测器芯片
将制备完成的长波探测器与数字像元读出电路耦合，封装入中测杜瓦在液氮制冷状态下进行性能测试。长波384×288探测器芯片进一步采用金属杜瓦进行封装，与制冷机耦合实现了探测器制冷组件的制备。
图6 长波384×288数字像元焦平面探测器组件
图7给出了长波384×288和256×256数字像元红外焦平面探测器的NETD实测分布图，F数为2。384×288规格的模拟像元长波探测器，由于电荷存储容量仅为几十Me-，因此积分时间难以超过1 ms，造成平均NETD大约15 mK。得益于数字积分对电荷存储容量的提升，所研制的数字像元探测器半阱容量的积分时间可以延长到33ms，峰值NETD达到3.4 mK，平均NETD为4.9 mK。长波256×256数字像元红外焦平面探测器，积分时间为38 ms时测得峰值NETD为1.9 mK，平均NETD为2.8 mK。
图7 长波384×288（tint = 33 ms）和256×256（tint = 38 ms）数字像元探测器NETD
动态范围是红外探测器较为关注的指标，模拟像元探测器的动态范围同样受限于电荷存储容量，只能达到70~75 dB水平。在积分时间为9 ms时，所研制的数字像元长波384×288和256×256探测器动态范围分别达到96 dB和98 dB。即使不采用高动态图像处理算法，也极大提高了动态范围。
为了验证实际的成像动态范围，将所研制的长波384×288数字像元探测器配备光学镜头、成像电路和结构件，对电暖器和电烙铁等高温目标拍摄，经过盲元剔除、非均匀性校正和直方图均衡等简单的处理，获得图8（a）所示的热成像图片，实际成像动态范围估计为90 dB。图8（b）是对打火机点火过程拍摄的图片，最高温度接近600℃，可以清楚的分辨高温火焰、人手和常温的打火机身，由于火焰的最高温度与探测器高温黑体测试时接近，可以预计实际成像的动态范围也接近96 dB。
图8 长波384×288数字像元探测器热成像图片
通过数字像元读出电路的设计和长波384×288、256×256数字像元红外焦平面探测器的测试表明，数字像元读出电路技术有效提高了探测器的电荷存储容量，令长波探测器的积分时间提升到数十毫秒量级，显著提升了灵敏度和动态范围，证明数字像元读出电路技术是提升长波红外探测器性能的有效途径。在后续的研究中，将针对探测器芯片的性能和读出噪声继续优化改进，进一步提升数字像元长波探测器的灵敏度，并将数字像元读出电路技术应用到更大面阵的长波红外探测器。
昆明物理研究所数字焦平面技术团队由姚立斌及陈楠博士带头，拥有30余名模拟及混合信号集成电路设计人员，依托昆明物理研究所红外探测器中心在数字红外焦平面技术领域开展研究。团队具备独立设计高性能数字读出电路的能力，建立了数字读出电路以及数字像元读出电路体系，在此基础上研制出一系列中波、长波以及短波数字红外焦平面探测器组件产品，已在红外成像系统中实现工程应用。
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