紅外探測器以全天時觀測的優(yōu)勢在全球軍事監(jiān)視、導(dǎo)彈預(yù)警、氣象觀測、空間紅外望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著空間遙感相機(jī)性能的不斷提升，采用更大規(guī)模、更多譜段的紅外焦平面陣列是未來航天用紅外探測器的發(fā)展趨勢，以滿足相機(jī)大視場、高分辨率及多光譜探測的能力。

 

目前，單探測器模塊的研制受到探測器材料、硅讀出電路加工工藝的限制，探測器規(guī)模、分辨率、譜段數(shù)量等指標(biāo)無法滿足使用要求。因此，通過機(jī)械拼接或光學(xué)拼接的方式制備大規(guī)模、多譜段紅外焦平面陣列是必須的工程途經(jīng)。據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北京空間機(jī)電研究所呂瑋東等人在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“空間用紅外探測器拼接技術(shù)研究”為主題的綜述文章。呂瑋東主要從事低溫光學(xué)技術(shù)方面的研究工作。

 

這項研究闡述了空間用紅外探測器機(jī)械拼接技術(shù)相對于光學(xué)拼接技術(shù)途徑的優(yōu)點，列舉了國內(nèi)外機(jī)械拼接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了機(jī)械拼接技術(shù)的多種工程方式，總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)。希望對后續(xù)空間用紅外探測器拼接技術(shù)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

 

機(jī)械拼接又稱焦面級拼接，是指在像面上將多個標(biāo)準(zhǔn)單模塊焦面通過技術(shù)手段拼接形成超長線列或超大面陣焦平面，并封裝在一個真空封裝中，形成一個完整的焦平面組件。光學(xué)拼接又稱視場拼接，是指通過光學(xué)的方法將相機(jī)鏡頭全視場分割到不同空間位置，用多套焦平面組件接收，再將收到的圖像進(jìn)行拼接就可以得到大視場的圖像。機(jī)械拼接相比光學(xué)拼接優(yōu)勢明顯，主要表面在：1）系統(tǒng)上更為簡單，2）對主光學(xué)系統(tǒng)無特殊要求，3）噪聲等效溫差更低，4）響應(yīng)一致性更高，5）像面拼接精度高，6）調(diào)焦機(jī)構(gòu)少。因此機(jī)械拼接是制備大面陣、長線列紅外探測器的有效技術(shù)途徑。但是機(jī)械拼接方法沒法克服探測器的拼縫，在對視場內(nèi)拼縫敏感的領(lǐng)域，如天基預(yù)警等，采用機(jī)械拼接和光學(xué)拼接相融合的方式必要的。

紅外探測器組件機(jī)械拼接原理圖

紅外探測器組件光學(xué)拼接原理圖

 

隨后該研究對單譜段大規(guī)模探測器和多譜段大規(guī)模紅外探測器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)介紹。國外主要介紹了美國Raytheon、Rockwell、Teledyne Imaging Sensor、英國Selex、以色列SCD和法國Sofradir等機(jī)構(gòu)的研究情況。國內(nèi)則是重點介紹了中國電科十一所與中科院上海技物所的研究現(xiàn)狀。

國外研究機(jī)構(gòu)情況
 

根據(jù)探測器模塊封裝形式和程度可以將拼接方式分為模塊化拼接和共基板拼接。其主要的區(qū)別在于模塊化拼接的探測器模塊熱、電接口通常是獨立的，而共基板拼接探測器模塊的熱、電接口一般在基板上。獨立封裝模塊拼接和共基板拼接兩種方式各有優(yōu)劣。采用模塊化封裝模塊進(jìn)行拼接可以實現(xiàn)大規(guī)模探測器陣列，并且探測器陣列各單模塊可獨立替換。但是其缺點是封裝模塊的設(shè)計、工藝相對復(fù)雜。且單模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大、柔帶數(shù)量增加等會導(dǎo)致組件重量、功耗上升、可靠性降低。共基板拼接的方法拼接精度較高，且探測器陣列封裝尺寸小。但是這種方法拼接的探測器陣列，每個探測器芯片或者單模塊的可互換性差，難以實現(xiàn)大規(guī)模探測器拼接。

 

探測器拼接過程可概括為探測器模塊設(shè)計、拼接方式確定、探測器拼接實現(xiàn)3個環(huán)節(jié)。對于探測器模塊，讀出電路設(shè)計是影響拼接質(zhì)量的主要方面。探測器拼接實現(xiàn)是指在探測器拼接生產(chǎn)環(huán)節(jié)，保證拼接質(zhì)量的方法和技術(shù)。和單模塊探測器相比，拼接探測器除了要關(guān)注每個探測器芯片的性能外，更需要關(guān)注拼接組件的性能指標(biāo)，比如拼接精度、拼接后面形、系統(tǒng)功耗等。

 

國外在大面陣及長線列拼接方面，并掌握了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品也已用到相關(guān)遙感器及天文望遠(yuǎn)鏡上。我國拼接方面起步較晚，在關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)上需要加大攻關(guān)力度。