高性能SWIR成像技术浅析
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01-短波红外SWIR成像介绍 基于面探测器（CCD或CMOS）的硅材料被广泛应用在高性能成像应用中，探测从软X-ray到近红外的波长范围。典型的，这些探测器的QE都会随着波长向近红外区域移动而快速降低。 超过1100nm，硅就被穿透了，因此不能被用于探测这些波长的光子，然而有其他的材料可以做到，探测更长波长，如表1。
表1 常规探测器材料和相应的探测波长
列出的材料已经被研发，并使用在一些对从可见光到红外区域成像的系统中。在可见光到红外波长的每个子区域的定义分布见图1。
图1 各个谱段 每种材料都展现不同的优势和挑战，因此考虑到探测器的选择，除了简单波长的相应，用户考虑他们目标的应用的所有方便。 |
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02-InGaAs探测阵列的简要说明 探测器结构 InGaAs是一种InGa和GaAs掺杂的半导体材料。探测器阵列是通过在InP基底上生长出的InGaAs延展层，在lnGaAs的上面有很薄的InP生长的钝化层。掺杂的基底和InGaAs层被用于建造一个PDA（光电二极管，Photo Diode Array)来传递感光性，典型的波长在900-1700nm。光电二极管阵列被铟凸起焊接在CMOS ROIC(Readout Integrated Circuit，读出电路）上，见图2，实现了从电荷到电压的转换、A/D转换和从传感器中传输数据。
图2 InGaAs结构中主要部件的原理图
这种混合型传感器的制造工艺造成入射到PDA上的光要先经过基底层，见图2。InP基底阻止了900nm向下波长到达InGaAs层，这就解释了很多InGaAs 探测器缺少可见光波段的响应。然而，在Raptor公司Ninox系列相机中使用的传感器有大块的基底层被移走（即减薄），使探测器能对VIS、NIR和SWIR都能有响应。宽谱段AR Coating(增透膜)也被用在减薄的PDA上，这样的探测器在SWIR和NIR区域有非常好的QE，而且扩展到可见光区域也有较好的QE,见图3。
图3 用在Ninox相机中减薄、增透膜、可见光–短波红外的InGaAs 探测器的典型QE
图3中长波被截止是由于InGaAs材料，不过通过扩展响应可以达到2.6um，按一定比例掺杂InAs。然而，在本文中的数据都是1.7um截止的传感器采集到的。
这种成像探测器件天生的生产工艺复杂，限制了像元尺寸，相对大尺寸更有效，典型的值大于10um，也造成了比较低的生产产量和器件上存在疵点或不工作像元。可用的阵列尺寸还是比较小的，相比于CCD/CMOS器件，目前*大可用阵列尺寸以640x512为主。为了生产InGaAs阵列的高性能，相比于基于Si材料同等尺寸的探测器件，生产工艺的复杂也造成很高的传感器成本。 高性能CMOS ROIC的使用也带来很多优点和缺点，与传统的SiCMOS成像器件有很多类似:高帧频、低于1us的短曝光时间、全局快门(snapshot)，在Ninox相机都可以实现。然而，NUC(Non-uniformity correction，非均匀性矫正）被做，因为可以减少CMOS器件的FPN (Fixed Pattern Noise，固定模式噪声）。NUC的应用是作为疵点替代特性，通过软件进行选择。 除了增加的传感器成本和FPN，InGaAs还有两个缺点:高读出噪声和高暗电流。
读出噪声主要受ROIC的质量和性能影响。通过历史数据，ROIC提供的典型噪声在200-700e-，也依靠传感器增益的设置。在热成像和“亮”图像的应用中是可以接受的，有效的像元满阱能存储足够大信号去克服高的噪声本底，提供了可接受的信噪比。 然而，低光照探测是不行的，内部场景动态范围受到限制。新一代的ROIC设计在Ninox相机中使用，可以在两种增益下读出数据: 高增益（HighGain，HG）模式——提供更低的读出噪声（小于50e-)，但是像元势阱深度受到限制（大于10Ke-)。 低增益(LowGain，LG）模式——提供大的像元势阱深度，实现大的动态范围(大于650Ke-），但是读出噪声增加（小于195e-），这就提供了大于70dB的动态范围。
相比硅材料，InGaAs 小的带隙（约0.75eV@室温）意味着更容易产生来自价电带（valance band）到传导带(conduction band）的热电子。这个表现为InGaAs很高的暗电流，相比于同样尺寸的Si探测器。一些早期器的暗电流水平为在室温（+25℃)下106e-/p/s (约160fA/pix)，几乎是比基于Si探测的暗电流高出4个数量级。显然，这个暗电流水平大大限制了用于图像采集的曝光时间的范围，因为暗电流信号以及和它相关的散粒噪声迅速地成为采集图像中的主要特征。探测器生产工艺也在提升，暗电流降低到室温下105e-/p/s(约16fA/pix）的量级。Ninox相机采用了Raptor Photonics公司PentaVacTM技术，制冷InGaAs阵列，暗电流降低到103e-/p/s（约16fA/pix）。实现适度的制冷控制，使探测器温度在-20℃，这样会减少在长波响应截止移动，保持一个紧凑相机的波形因数。（长波截止的移动是由于InGaAs带隙能量对温度的依赖—带隙随着材料温度的降低而增加。） 底层的ROIC结构和设计需要深度制冷芯片以实现相对好的暗电流性能。这些低温或深度制冷相机系统通常物理有更大的尺寸，当然价格也更贵，结果在长波响应截止处有更大的移动。 相机的性能受InGaAs阵列和CMOS读出电路(ROIC)的共同影响来决定的，包括相机电子学和Firmware设计。Ninox相机已经优化所有部分以获得良好的科学性能，更详细见后面的部分。
非均匀性矫正 使用InGaAs芯片成像时，图像往往表现出很大的非均匀性和部分坏像素，需要对相机进行非均匀性校正，许多厂家提供的校正算法针对特定的曝光时间，如果改变曝光时间，通常需要重新校正。而英国Raptor公司的InGaAs相机可以通过内部FPGA算法，实现实时的2点/3点非均匀性校正及坏点校正，从而得到较好的成像质量。
图4 非均匀性矫正的图像效果 |
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03-暗电流（暗噪声）减少 制冷InGaAs阵列提供了单个像素下测量暗电流显著的降低，见图5。计算暗电流增倍的温度大约是7℃，这个和基于Si 材料的阵列的暗电流温度特性是相似的。
图5 Ninox相机中InGaAs相机阵列不同温度下典型的测量暗电流
可以使用VIS-SWIR图像探测器的各种应用对相机/成像系统提出各种要求，包括使用不同的增益模式、帧速率和曝光时间。 一些应用可能需要很少的制冷或者不制冷，就能获得需要的性能。然而，更多需求的应用通过制冷InGaAs阵列到低于环境温度40℃或50℃而受益，为了降低暗电流、散粒噪声，从而提高动态范围。 非制冷系统工作时，传感器温度一般在+40℃，而稳定的系统工作时传感器的温度通常在+15℃。Ninox相机在从PentaVacTM真空封装中使用热电制冷，以提供制冷传感器到低于-20℃时紧凑的、免维护的方式。 从图5可以看出，相比与一个稳定的系统，Ninox相机的制冷性能传递了超过一个数量级的暗电流降低；相比与一个非制冷的系统，Ninox相机制冷性能传递了超过二个数量级的暗电流降低。 如图6，比较同等曝光条件下的、不同传感器温度下的两幅暗场图像，传感器上暗电流的影响是很明显的。
图6 芯片温度分别在+20℃和-20℃下10s暗场图像
在10s暗场、+20℃下采集图像，看似斑点的高暗电流清晰可见。水平剖面绘制图有助于可视化暗电流和相关的散粒噪声，在这样的条件下，任何图像都会包含这些噪声。在暗场中相对高像元值说明像元的满阱电荷被大大地浪费了，因为存储了暗信号，而不是用户试图去采集的任何信号。 注意，两幅图像使用了同样的灰度范围，绘制的线是沿着每幅图像的中间行的水平剖面。图像的尖峰特性，指示上升的噪声，在这种情况下是由于暗电流散粒噪声，将降低图像质量，因为任何检测到的信号将叠加在这个噪声本底上。这两个影响的联合降低了有效的满阱电荷，并增加了噪声本底，这将严重限制了在这些条件下可实现的信噪比。然而，评估在-2O℃传感器温度下采集的10s图像，很明显很少像素满阱电荷被暗电流消耗，并且噪声本底由于暗电流的减少而显著降低。 对于一个在不同测试温度下的探测器，评估制冷传感器的影响另一个意义是比较暗场直方图。如图7，比较了100ms曝光、+20℃和-20℃（高增益模式）条件下直方图。
图7 不同芯片温度、100ms曝光时间、高增益模式下直方图比较 暗电流的影响也是清晰可见的，在更热的传感器温度下，峰值像素发生概率向更高值移动。不仅这个暗电流带来更高的暗电流散粒噪声，也填充了像元的部分满阱，这将阻止用户采集有效的图像数据。因此，显而易见，这些影响将决定探测器系统的信噪比和可用的动态范围。 采用芯片读出噪声和暗电流的典型值，是可以理论上评估可用的动态范围，定义如下:
绘制一个可用动态范围和曝光时间的图能够向用户说明这台相机的可被利用的参数空间，传递一个特定的动态范围，如图8。
图8 基于Ninox相机绘制在不同芯片温度下，可用动态范围和曝光时间的关系 图8展示了同一只芯片在-20℃和在+20℃下，Ninox相机典型的工作情况，InGaAs阵列作为可用动态范围在两种增益模式下的益处，长曝光时间到几秒钟可以使用高增益模式，曝光时间到百秒使用低增益模式。 |
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04-光子传输曲线和线性度 构建一个光子传输曲线，将允许用户去定量一个相机的性能。不同光子传输曲线在Ninox相机（芯片温度是-20℃)上构建。利用计算的传输因子，测试数据可以从任意单位被转换，例如数字位数（DN）转换成单位，比如电子数。图9出示了Ninox相机采集到一个典型的图，原点代表作为平均信号电平函数的真实测量总噪声。 进一步的数据分析，噪声本底（考虑读出噪声和任何暗信号散粒噪声）在这样设置（低增益、芯片温度-20℃、曝光时间300ms)下是大于150e-，满阱电荷在600,000e-以下。从总的测量噪声中去卷积暗噪声成分，应该留下显示理想散粒噪声有限的依赖性，即噪声等同于信号的平方根，见图9的虚线。
图9 Ninox相机的光子转换图
从图表中可以看出，在理论线和经验数据（三角点）之间*好的一致性是穿过整个测量信号（接近100-600,000电子/像素〉。Ninox相机线性性能见图10，这个分析也展示了在测量数据和直线匹配度的期望的一致性，计算出小于0.7的线性度穿过测量信号范围。
图10Ninox相机的线性度曲线（相机设置:低增益模式，芯片温度-20℃，300ms曝光时间) |
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05-应用案例图像 新一代的技术，使灵敏度和动态范围的提升成为可能，制冷SWIR相机，拓宽了新的观测可能的范围。天文就是这样一个应用，由于很多观测都在J-band（波长1.1-1.4um)和H-band（波长1.5-1.8um)，就可以利用了Ninox相机的高性能。
猎户座星云是SWIR天文学能够揭示的典型案例。星云的中间是由一团非常密集的尘埃云组成的，掩盖了在其中间诞生的星星。
图11左图是猎户座星云的可见光图像，右图是加上J和H波段的图像
图11中左图是标准的可见光图像，而右图是叠加了SWIR增强的图像（橘色突出）。SWIR图像是结合了9次曝光（每次曝光时间为2s，增益设置在高增益模式，适度制冷InGaAs探测器）下采集的图像。这些图像在标准的、温度稳定的SWIR相机拍摄到的成为可能。特别注意，隐藏在可见光图像中的中间位置的星星在SWIR图像可以清晰可见。
图12猎户座星云中间梯形星团的核心，H波段 *由Lyu Abe提供 图12再现了在猎户座星云中间梯形星团的核心，图像在天文H波段（1.625um）拍摄到，地点在C2PU装置1米OMICRON望远镜的卡塞格林焦点（Observatoire de la Côte d'Azur) 。 这块天空区域包含很多年轻的星星，他们在丰富的尘埃环境形成。这个分散星团的恒星部分很容易在红外波段观测到，因为尘埃低的吸收。 微弱的星星大约在H=13量级。图像由4000张15mm曝光帧移位叠加组成。
图13出示了在C2PU装置1米OMICRON望远镜的卡塞格林焦点的H波段（1.625um）观测到的天王星的图像。这颗行星距离地球比太阳远20倍。它在图像上的成像直径约为2.9度。
图13H波段观测下的天王星 *由Lyu Abe 提供
观测到的表面不均匀性是由天王星大气中的云引起的。图像由1000张51ms曝光帧位移叠加组成的。
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