[发明专利]一种红外焦平面探测器阵列像素内响应灵敏度的仿真方法

说明书

本发明提供了一种红外焦平面探测器阵列像素内响应灵敏度的仿真方法。主要包括如下步骤，步骤1：红外焦平面探测器阵列设计；步骤2：有限差分时域方法的光学模拟，得到光子产生率积分值随高斯光斑扫描位置变化曲线S_optical(x)；步骤3：有限元方法的电学模拟，得到光电流随高斯光斑扫描位置变化曲线S_photocurrent(x)；步骤4：Lucy‑Richardson反卷积算法求解光学串扰、扩散机制以及两种机制共同作用的像素内响应灵敏度函数；步骤5：选择不同参数进行仿真，分析像素内响应灵敏度与吸收层厚度、吸收层掺杂浓度、入射波长和像素尺寸的关系。本发明可为实际红外探测器设计、像素内响应灵敏度实验表征和红外点目标高精度探测提供有用参考。

技术领域

本发明涉及一种红外焦平面探测器阵列像素内响应灵敏度仿真方法，属于红外焦平面探测器性能仿真评价技术领域。

背景技术

对于天文、遥感领域的点目标红外探测系统，当目标在焦平面上能量分布集中在单像素内时，像素内响应灵敏度非均匀性会导致质心定位和能量计算精度降低。目前对探测器像素内响应灵敏度非均匀性的研究主要集中在实验测量。1998年，Kavaldjiev等人使用扫描显微镜装置中的数值孔径的物镜产生点光源测量了前照式CCD的像素内响应变化；2006年，Barron等人使用Spot-o-Matic测试系统对近红外探测器进行测试，然后建立像素矩形采样函数、载流子扩散函数和电容耦合函数相关的响应模型，拟合得到像素内响应函数。2018年，Shapiro等人使用PPL投影测试系统，投射约18000个点光源扫描，快速得到面阵HgCdTe近红外探测器所有像素内响应灵敏度。2018年，Mahato等人使用测试系统对前照式CMOS进行测试，并建立正向模型，解算得到像素内响应的变化。

像素内响应灵敏度实验测试耗时长、系统复杂度高，价格昂贵，由于衍射极限限制，中长波红外的光斑尺寸无法满足小于单像素的要求，从而无法保证测试的精度。此外，对于红外焦平面探测器阵列像素内响应灵敏度非均匀性产生的物理机理和影响因素尚未有深入的分析方法。

为此，本发明以半导体物理模型和像素内响应卷积数学模型作为理论基础，提出一种红外焦平面探测器阵列像素内响应灵敏度仿真方法，分别计算得到光学串扰机制、载流子扩散串扰机制以及两种机制共同作用下的像素内响应灵敏度，并得到了吸收层厚度、吸收层掺杂浓度、入射波长以及像素尺寸与像素内响应灵敏度的关系。可为红外焦平面探测器的设计优化提供指导并作为像素内响应灵敏度实验表征结果的理论参考，对高能量集中点目标的探测精度提升具有重要意义。

发明内容

发明目的：本发明提供一种红外焦平面探测器阵列像素内响应灵敏度仿真方法，能解决现有对红外焦平面探测器阵列像素内响应灵敏度机理研究和理论分析不足等问题，并且具有实施成本低，效率高等特点。

技术方案：本发明提供了一种面阵红外探测器像素内响应灵敏度机理表征方法，步骤如下：

步骤1：红外焦平面探测器阵列设计，包括几何结构、工艺材料以及掺杂的相关设计；

步骤2：基于有限差分时域方法的光学模拟，得到中心像素光子产生率积分值随高斯光斑扫描位置变化曲线S_optical(x)；

步骤3：基于有限元方法进行电学模拟，得到中心像素光电流值随高斯光斑扫描位置变化曲线S_photocurrent(x)；

步骤4：利用Lucy-Richardson反卷积算法分别求解光学串扰机制和载流子扩散机制作用的探测器像素内响应灵敏度函数，以及两种机制共同作用下像素内响应灵敏度函数；

步骤5：选择不同的参数进行仿真，并分析红外探测器像素内响应灵敏度与吸收层厚度、吸收层掺杂浓度、入射波长和像素尺寸的关系。

其中，所述步骤1包括如下步骤：