空间用红外探测器拼接技术研究

红外探测器以全天时观测的优势在全球军事监视、导弹预警、气象观测、空间红外望远镜等领域得到了广泛应用。随着空间遥感相机性能的不断提升，采用更大规模、更多谱段的红外焦平面阵列是未来航天用红外探测器的发展趋势，以满足相机大视场、高分辨率及多光谱探测的能力。

目前，单探测器模块的研制受到探测器材料、硅读出电路加工工艺的限制，探测器规模、分辨率、谱段数量等指标无法满足使用要求。因此，通过机械拼接或光学拼接的方式制备大规模、多谱段红外焦平面阵列是必须的工程途经。据麦姆斯咨询报道，近期，北京空间机电研究所吕玮东等人在《红外技术》期刊上发表了以“空间用红外探测器拼接技术研究”为主题的综述文章。吕玮东主要从事低温光学技术方面的研究工作。

这项研究阐述了空间用红外探测器机械拼接技术相对于光学拼接技术途径的优点，列举了国内外机械拼接技术发展现状，分析了机械拼接技术的多种工程方式，总结了关键技术。希望对后续空间用红外探测器拼接技术发展起到一定的促进作用。

机械拼接又称焦面级拼接，是指在像面上将多个标准单模块焦面通过技术手段拼接形成超长线列或超大面阵焦平面，并封装在一个真空封装中，形成一个完整的焦平面组件。光学拼接又称视场拼接，是指通过光学的方法将相机镜头全视场分割到不同空间位置，用多套焦平面组件接收，再将收到的图像进行拼接就可以得到大视场的图像。机械拼接相比光学拼接优势明显，主要表面在：1）系统上更为简单，2）对主光学系统无特殊要求，3）噪声等效温差更低，4）响应一致性更高，5）像面拼接精度高，6）调焦机构少。因此机械拼接是制备大面阵、长线列红外探测器的有效技术途径。但是机械拼接方法没法克服探测器的拼缝，在对视场内拼缝敏感的领域，如天基预警等，采用机械拼接和光学拼接相融合的方式必要的。

红外探测器组件机械拼接原理图

红外探测器组件光学拼接原理图

随后该研究对单谱段大规模探测器和多谱段大规模红外探测器国内外研究现状做了详细介绍。国外主要介绍了美国Raytheon、Rockwell、Teledyne Imaging Sensor、英国Selex、以色列SCD和法国Sofradir等机构的研究情况。国内则是重点介绍了中国电科十一所与中科院上海技物所的研究现状。

国外研究机构情况

根据探测器模块封装形式和程度可以将拼接方式分为模块化拼接和共基板拼接。其主要的区别在于模块化拼接的探测器模块热、电接口通常是独立的，而共基板拼接探测器模块的热、电接口一般在基板上。独立封装模块拼接和共基板拼接两种方式各有优劣。采用模块化封装模块进行拼接可以实现大规模探测器阵列，并且探测器阵列各单模块可独立替换。但是其缺点是封装模块的设计、工艺相对复杂。且单模块结构复杂、体积增大、柔带数量增加等会导致组件重量、功耗上升、可靠性降低。共基板拼接的方法拼接精度较高，且探测器阵列封装尺寸小。但是这种方法拼接的探测器阵列，每个探测器芯片或者单模块的可互换性差，难以实现大规模探测器拼接。

探测器拼接过程可概括为探测器模块设计、拼接方式确定、探测器拼接实现3个环节。对于探测器模块，读出电路设计是影响拼接质量的主要方面。探测器拼接实现是指在探测器拼接生产环节，保证拼接质量的方法和技术。和单模块探测器相比，拼接探测器除了要关注每个探测器芯片的性能外，更需要关注拼接组件的性能指标，比如拼接精度、拼接后面形、系统功耗等。

国外在大面阵及长线列拼接方面，并掌握了相关的关键技术，产品也已用到相关遥感器及天文望远镜上。我国拼接方面起步较晚，在关键技术的实现上需要加大攻关力度。