红外热成像技术的新发展

摘要:红外热成像技术是以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测,探测器技术是红外热成像技术的核心技术。

关建词:红外热成像 探测器 热像仪

1 红外热成像技术的概念

红外热成像技术是以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测,利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节,其实质是一种波长转换技术,即把红外辐射图像转换为可视图像的技术,同时,由大气透红外性质和目标自身辐射所决定,红外热成像技术通常采用3～5μm和8～14μm两个波段内工作。

2 红外热成像技术概况

探测器技术是红外热成像技术的核心技术。按照工作温度分类,红外探测器分为制冷型和非制冷型。自第一台热像仪问世至今,制冷型红外热像仪己经发展到第三代。第一代热像仪采用多元线列或小面阵探测器,光机扫描机构复杂,信号处理简单,图像质量低于黑白电视图像;第二代热像仪采用长线列或与黑白电视分辨率相当的凝视焦平面阵列,读出电路采用大规模集成电路并有一定的信号处理功能;第三代热像仪采用长线列或与高清晰度电视分辨率相当的凝视焦平面阵列,具有多个工作波段,读出电路采用超大规模集成电路并有复杂信号处理功能。制冷型红外探测器主要有HgCdTe、InSb光量子型探测器和GaAlAs/GaAs量子阱型探测器。非制冷红外热成像技术起步相对较晚,但发展非常迅速。目前非制冷红外焦平面阵列的分辨率与二代制冷型热像仪相当。成熟的非制冷红外探测器主要包括热释电型和微测辐射热计型两种类型。

3 红外成像技术的发展

3.1制冷型红外热成像技术发展概况

二十世纪五六十年代,美国研制成功需要制冷的PbS红外探测器,并将其用在防空导弹的导引头上。同时,窄带半导体技术迅速发展,为响应波长的延伸和响应率的提高提供了理论指导,同时也为红外热像仪的发展铺平了道路。1964年,利用该探测器研制成功世界第一台实时显示的红外热像仪。七十年代美国完成了热成像系统通用组件计划,英国、法国等也相继研制了通用组件热像仪。

瑞典AGA公司首先研制成功第二代红外热像仪。前二代的热像仪重量可小于1千克,噪声等效温差(NETD)小于20mK,测温精度可达士0.5%。美、英、法、德、日、以色列等国都可以生产第二代热像仪。与第一代热成像技术相比,第二代热成像技术的主要特征为:探测器元数大为增加;探测器件带有大规模集成电路,具有一定信号处理功能;温度灵敏度更高;在相同的工作条件下,作用距离是第一代的1.5至2倍。第三代制冷型红外热成像技术的发展开始于上世纪九十年代后期,美、法、日、以色列等国在该领域研究处于领先地位。

我国于九十年代初完成了第一代热成像组件的研制,开始少量装备部队,产品性能与国外第一代的相当,在热成像技术领域中实现了从无到有的转变。2000年前后,上海技术物理研究所相继研制成功四种型号64×64元InSb光伏型红外探测器,像素尺寸为50×50娜,电学串音小于2%。目前,上海技术物理研究所和重庆大学等单位正在研制128×128元及更大规模的InSb-红外探测器,昆明物理研究所正在研制288×4元HgCdTe红外探测器。

3.2非制冷型红外热成像技术发展概况

非致冷红外热成像技术开始于20世纪80年代。90年代,非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。至今,非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术己由小规模发展到中、大规模320×240和640×480阵列,在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列(FPA)。像素尺寸也由50μm减小到25μm,使焦平面灵敏度进一步提高。这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛,部分型号产品已装备部队,尤其在轻武器(枪械)瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式(便携)热像仪等轻武器,以及部分导弹的红外成像末制导等方面,非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。

1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统,主要红外材料为α-Si(非晶硅)与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器,使用了硅微型机械加工技术,使热隔离性提高,成本降低。目前市场上有热像仪整机产品,也有各种功能模块单独出售,供用户选用。

目前,国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。英国的公司主要是BAE公司,正在研制生产PST-锆钛酸铅和BST-钛酸锶钡混合结构的热释电型陶瓷探测器,单元式结构的正在研制。

我国在非制冷焦平面阵列技术上起步较晚,近年来国家投入了大量人力物力用于非制冷焦平面阵列的研究,目前已经取得初步进展。1995年,中国科学院长春光学精密机械研究所利用微机械加工技术研制成功了低成本线列32元、128元硅微测热辐射计阵列,NETD为300 mK,存储时间为1 ms。由中国科学院上海技术物理研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目已于2000年12月通过中国科学院上海分院鉴定。该项目采用新工艺制备的钛酸锶钡铁电薄膜材料性能达到国际领先水平,与美国TI公司演示的第一代非制冷探测器所使用的材料相同。这表明我国在非制冷热成像技术研究上还有很大的潜力。

我国在非制冷红外热成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究,而经营非制冷红外热像仪的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发软件的业务上,最核心的机芯部分都是从国外进口。

4 结语

红外热成像技术历经多年的发展,已从当初的机械扫描机构发展到了今天的全固体、小型化、全电子、自扫描凝视摄像,特别是非制冷技术使红外热成像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域,红外热成像技术正走向辉煌,同时,我们应清醒的认识到,红外热成像技术,也即第三代红外探测器已经走上了一条充满挑战的发展道路,要想发展,必须解决许多问题,以提高灵敏度,增加识别距离,降低成本,为未来的战斗部队提供新的优势。

参考文献

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