非制冷红外焦平面热成像测温系统 红外技术四个主要部分： 1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。 2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。 3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。 4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。 而在红外热成像技术研究领域中，红外探测器是核心，探测器的技术水平决定了热成像技术的技术水平。基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电探测器一直是红外热成像技术的两大支柱。为获得高性能必须在低温(典型的是液氮温度77K)下工作。正是由于需要制冷以及成本等原因，使光电探测器类热成像技术在民用领域仍难形成很大的市场。而热电探测器类热成像技术由于灵敏度和响应速度方面的限制，只有采用热电摄像管的热成像系统(即热电视)获得一些应用，而且一般用于要求较低的民用领域。 但90年代以后，非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷红外热像技术相比所具有的低成本，低功耗，长寿命，小型化和可靠性等优势得到很好发挥，成为当前红外热成像技术中最引人注目的突破之一，在军用和民用领域的应用前景将“使传感器领域发生变革”。 非致冷红外焦平面技术属于热电探测器类热成像技术。 其焦平面阵列由热探测器，如测辐射热计、热释电探测器、热电堆等，与硅多路传输器，如CCD、MOSf:EF、C协05读出电路等，通常用锢柱互连而成。 测辐射热计的工作原理是被热绝缘的金属薄膜(典型的是入膜)或半异体薄膜(典型的是氧化钒VOZ或非晶硅a一Si薄膜或多晶硅)在吸收红外辐射时会引起其电阻值的变化实现光电变换。此类探测器可全部采用Si集成电路工艺制作，与51信号处理电路之间可形成单片式结构，不需要低温制冷装置，不需要特殊材料，不需要斩波，制作工艺也成熟。以它为核心制成的红外热成像系统成像清晰度高、重量轻、功耗低、易便携，适于野外工作场所。 热释电探测器的工作原理是由具有良好热释电特性的铁电材料，如错酸铅(PZT)陶瓷、PbTIO，陶瓷、PbTIO:，薄膜和LITao，晶体制成的热探测器与51多路传输器互连而成。其中，LITaO，特性格外好，它不仅有大的热释电系数(p二2.3x1osC/cm)，还有小的介电常数(￡，=54)和高的居里温度(兀二618’’C)。以它为核心制成的红外热像系统灵敏度较高，且适合于红外成像。 本系统结合红外测温技术和非致冷焦平面热成像技术原理，开发并完成了一套非致冷红外焦平面热成像测温系统。 系统建立了非致冷红外焦平面热成像系统测温计算的数学模型;对计算中可能产生的各种误差进行了分析和计算;对系统成像的非均匀性进行了分析和校正;提出了精确测量发射率的新算法;结合热成像的原理对红外热图像的特征进行了分析，对红外热像进行了新型直方图均衡和伪彩色增强等处理。 在降低了成本的同时，保证了精度。 基于辐射源的方法较为常用，其中包括两点校正法，多点校正法，非线性拟合校正法，和低次插值校正法等，基于他们各自的特点，此论文中选用了精度相对比较高的一种：非线性拟合校正法。这种校正方法考虑了光敏单元的非线性响应，使得其校正效果比传统的两点校正算法具有更大的动态范围和更高的精度，同时，每个光敏单元的校正只需要3次乘法和2次
非制冷红外技术及应用 蓝海光学招募：镜头装配主管，镜头销售人员光学人生，你的精彩人生！一、红外热成像技术简介自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。 二、非制冷红外技术概述2.1 非制冷红外技术原理非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。 非制冷红外焦平面探测器分类2.2 非制冷红外探测器的关 键技术 热释电型红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。热释电红外探测器与其他探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信号输出，所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制。探测材料：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛（铁
电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡热电堆由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势。（塞贝克效应Seebeck）而这种结构称之为热电偶。一系列的热电偶串联称为热电堆。因而，可以通过测量热电堆两端的电压变化，探测红外辐射的强弱。二极管型利用半导体PN结具有良好的温度特性。与其他类型的非制冷红外探测器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结，与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，非常适合大批量生产。热敏电阻型（微测辐射热计）利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱。一般探测器采用悬臂梁结构，光敏元吸收红外热辐射，由读出电路测量热敏材料电阻变化而引起的电流变化，通过读出电路对电信号采集分析并读出。探测器一般采用真空封装以保证绝热性好。探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等氧化钒VOx的TCR 一般为2%~3%，特殊方法制备的单晶态VO2和V2O5可达4%。VOx具有电阻温度系数大，噪声小的特点，被广泛用作非制冷式红外焦平面传感器的热敏材料。全球的非制冷红外热像仪市场中，使用VOx非制冷红外探测器的占80%以上。氧化钒VOx的制备方法：溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、蒸发法。读出电路IC技术ROIC对微弱的红
制冷型探测器在不同大气条件下红外搜索系统作用距离计算问题 已知条件： 1、制冷型探测器：3~5μ 30μ（像元） 像素：320×240 2、3~5μm 波段在海面情况下（分别针对喷气式飞机和舰艇）传输透过率分析。（晴朗和浓雾） 3、能量计算（探测距离） （1）海面对空 20km ，喷气式飞机，翼展30m （2）海面 20km ，舰艇 （3）相对孔径、透过率 4、非制冷型红外探测器光学系统参数：f′=30~180；F ：2.1；透过率：τ〉70% 求晴朗和浓雾大气条件下红外搜索系统作用距离。 解： 搜索系统的作用距离方程为： 21 2 1 *0])(4[n s f F DD I S υυωσττπα? ?= 其中：i I ： 红外辐射强度 ατ： 大气透过率 0τ： 光学系统透过率 D ： 通光口径 *D ： 探测率 σ： 信号过程因子 F ： 光圈数 ω： 视场角 f ?： 系统带宽 n s u u ：信噪比 对于制冷型波段在3-5μm, 30u (像元) 分辨率为320?240 'f =180mm=18cm F=2.1 晴朗时T=25C ? RH=90% 1) 通过查阅《红外技术》知在3-5μm 波段范围内，飞机的辐射强度 53-I =483.49sr w 2) 大气透过率为大气中水蒸气透过率与大气中CO 2中透过率的乘积即 2 2 CO O H τττα?= 相对湿度为空气中试样水蒸气含量与饱和时水蒸气含量比值
即S RH ρρω = 经查表知25C ?饱和水蒸气的质量为S ρ=22.80 3 m g 则356.42080.22m g RH s w =???=?=ρρ 又因为高度为h 的水平距离X 所具有的透射比等于长度为0X 的等效海平面上透射比即 k P P X X ??? ? ???=0 0 其中P ：高度为h 处的大气压强 P 0：平面上的大气压强 k ：常数 对H 2O 系统k=0.5，对CO 2系统k=1.5 。 又因为根据已知有h=10km d=20km ∴水平距离X=22h d -=221020-=103km 经查表得 当h=10km 时 对于H 2O 系统：k ???? ??0ρρ=0.518 对于CO 2系统：k ??? ? ??0ρρ=0.141 根据以上数据可求得对于水蒸气全路程可凝结水的毫米数为 K O H W W X X O H 220 0W ???? ????=?=ρ ρ ρρ = 4.56?17.32?0.518 = 40.911mm 经查表可得在3-5μm 范围内，可凝结水毫米数为40.911mm 的透过率对所有数值进行加和取平均 ()2 3.0 5.0 3.1 3.2 4.9( /202 2 H O τττ τττ=+++????++ 晴朗） =0.001+0.029+0.084+0.233+0.509+0.768+0.883+0.922+0.961+0.961+0.940+0.92 2+0.883+0.824+0.623+0.465+0.334+0.233+0.172+0.0375）/20 = 0.539 对于CO 2的等效海平面的水平距离为 km X X K CO CO 442.2141.072.132 2 =?=???? ???=ρ ρ 经查表可得在3-5μm 范围内,海平面水平距离为2CO X 的CO 2的透射率的平均值为：
红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，
红外焦平面阵列简介.doc 红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分
根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到,1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为,109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测(对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度)，但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分
非制冷红外热像仪完整 版 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
红外成像阵列与系统 —非制冷红外热像仪简述 2013年11月8日 非制冷红外热像仪简述 摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、发展状况、系统设计及其性能参数做简单的分析及介绍。比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。 关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；发展状况；系统设计；性能参数 The brief description of uncooled infrared thermal imager Yu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu Jian Abstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.
〈材料与器件〉 氧化钒非制冷红外焦平面探测器芯片工艺研究 袁 俊，太云见，雷晓虹，何雯瑾，陈 妞 （昆明物理研究所，云南昆明，650223） 摘要：非制冷红外探测器具有成本低廉、无需制冷等优异特点，在红外探测和红外成像领域占有极其重要的地位。从氧化钒非制冷焦平面探测器的牺牲层、支撑层、氧化钒等制备工艺进行了研究，为国内非制冷焦平面探测器工程化研究奠定了坚实的技术基础。 关键字：非制冷；红外焦平面；氧化钒；工艺 中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)01-0001-04 Research on Fabrication of VO x UFPA Detectors YUAN Jun，TAI Yun-jian，LEI Xiao-hong，HE Wen-jing，CHENG Niu (Kunming Institute of Physics, Kunming Yunnan 650223, China) Abstract：High performance and inexpensive VO x infrared detectors play an important role in the field of thermal detection and imaging of objects, because of the advantages of high sensitivity at long-wavelength and room-temperature operation without cooling system. This paper focused on fabrication of sacrificial layers, supporting layers, vanadium oxides film, and so on, which is technology foundation for domestic uncooled infrared focal plane array. Key words：uncooled；infrared focal plane array；VO x film；sacrificial layers 引言 非制冷焦平面探测器按工作模式可分为3种类型：微测辐射热计（Microbolometer）、热释电型和热电堆。按结构可分为单片式和混成式，单片式非制冷焦平面探测器是在读出电路上用热隔离臂支撑悬空（即微桥结构）的红外探测敏感元列阵；而混成式非制冷焦平面探测器则是分别制作焦平面敏感元列阵和CMOS信号读出电路，最后采用铟柱倒装焊技术将二者组装在一起的红外焦平面列阵。与混成技术相比，单片式结构可消除伪边缘、晕圈和频闪等效应，其列阵邻近像元之间的完全隔离几乎消除了串音、图像拖影和模糊现象，因此，单片式的非制冷焦平面探测器较之混成式焦平面探测器具有潜在的性能优势[1]。 目前广泛使用的单片式非制冷焦平面探测器是微测辐射热计，所使用的热敏电阻材料主要是氧化钒、非晶硅和多元复合氧化物薄膜，并且以氧化钒（VO x）薄膜和非晶硅薄膜为热敏材料的焦平面探测器在国外已投入大批量的生产，而国内目前仍处于实验室阶段，产品更是空白。为此本文将展开对单片式红外焦平面探测器芯片工艺研究。 1 研究方案 320×240 VO x非制冷焦平面探测器组件由读出电路、微桥结构列阵、VO x薄膜材料、封装组成。其中VO x薄膜的作用是将红外辐射转变成电信号；微桥结构将在其上的VO x薄膜悬空起来，其极小的热容量和热导保证探测元有足够高的热灵敏度；读出电路将每个探测元的信号读出，变空间分布的电信号为时序信号，以便于实现凝视热成像，同时作为微桥结构的支撑衬底[2, 4]。为此我们采用了如图1的工艺流程对氧化钒非制冷焦平面探测器芯片展开了研究。 2 研制过程 2.1牺牲层制备
科学/研发应用红外热像仪堪称功能强大的无创性工具。借助一款此类红外热像仪，你可以在设计阶段及早发现问题，以便在发展成更为严重且维修代价高昂的故障之前，将其记录在案并予以纠正。 应用于研发环境的红外热像仪 红外热像仪会接收无法被人眼所察觉热辐射，并将其转化为描绘某个目标物或场景中热量变化的图像。所有温度高于绝对零度的物体均会放射热能，热能由某些波段的电磁波谱辐射出来，而且辐射量会随着温度的上升而增加。FLIR 红外热像仪可用于实时捕获和记录热分布和热变化，有助于工程师和研究人员看清并精确测量设备、产品和工艺过程中的发热方式、热耗散、热泄漏以及其他温度因素。其中部分红外热像仪可区分细微至0.02?C 的温 度变化。它们均搭载了先进的探测技术和高级数学算法，以实现高性能，以及在-80?C 至+3000?C 之间精确测温。研发用红外热像仪系列整合了极高的成像性能和精确的测温功能，并配备强大的分析报告工具和软件，从而造就其成为范围广泛的研究、热试验和产品验证应用的理想之选。制冷式和非制冷式红外热像仪 研发/科学应用的红外热像仪系统拥有大量选择。因此，我们经常听到这样的问题：“我应该使用制冷式还是非制冷式红外热像仪系统？ 哪种系统更具有成本效益？”事实上，如今市场上售有两种类型的红外热像仪系统：制冷式和非制冷式系统。这两种类型的系统的组件成本大相径庭，因而决定选择哪种系统则变得极 为重要。 多年来，科学家、研究人员和研发专家热衷于将红外热像仪运用于广泛的应用领域中，包括工业研发、学术研究、无损检测(NDT)和材料检测，以及国防与航空航天等。但是，并非所有打造的红外热像仪均具有同等的品质功能，或者可用于一些专门的应用。譬如，如要获得精确的测量值，则需要配备高速定格动画功能的先进红外热像仪。 制冷式与非制冷式红外热像仪 配备制冷式探测器的红外热像仪可在快速移动活动中产生清晰的热图像。 FLIR A6700sc 是一款配备制冷锑化铟 (InSb) 探测器的紧凑型红外热像仪，价格极为经济实惠。 FLIR T650sc 非制冷式研发用红外热像仪具有较高的分辨率。高分辨率的图像可获得精确结果和可靠的测温 精确度。 世界第六感
1 概非制冷探测器技术发展.doc况 自上世纪90年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。 至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320×320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（F PA）。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。 2 现状 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。1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VOx（氧化钒）为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VOx材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的，主要采用8~14μm波段3 20×240和160×120元的非制冷FPA器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。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。 3 国外主要几家公司研制生产状况 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。
非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量： a):红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化； b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连； c):CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。 为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间常数。利用细长的微悬臂梁支撑以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。在衬底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。像元微桥通过悬臂梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。所以，非制冷红外焦平面探测器是CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。
应用领域 非制冷红外探测器在军事和商用领域具有非常广泛的应用： （a）军事领域 军事领域应用包括武器热观瞄（TWS）、便携式视觉增强、车载视觉增强（DVE）、远程武器站（RWS）、无人机（UAV）、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等。 （b）热像测温领域 热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面，用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等 （c）商用视觉增强领域 商用视觉增强的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等。主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势，对人眼视觉进行有效的补充。
非制冷红外成像技术及其应用 蔡毅 昆明物理研究所，云南，昆明，650223 摘要：红外成像技术与微光图像增强技术是夜视技术的主要组成部分。非制冷红外成像技术包括量子型和热探测型成像技术两种，都是红外热成像技术的最新成就之一。在本文中，比较了这两种技术的特点，讨论了非制冷红外成像技术的优点、发展趋势和应用。 关键词：非制冷，红外成像，应用 Uncooled Infrared Imaging Technology and It’s Application CAI Yi Kunming Insitute of Physics, Kunming, Yunnan, P.R.China, 650223 Abstract: Night vision technology includes low-light-level image intensifier technology and infrared image technology. Uncooled infrared imaging technology is one of the newest achievements of infrared thermal imaging technology. Characterizations of the low-light-level image intensifier and Uncooled infrared imaging technologies are compared, then advantage, development and application of Uncooled infrared imaging technology is discussed in the paper. Keywords: Infrared Imaging，Uncooled Infrared Imaging，Application 1．红外成像技术与微光图像增强技术的比较 用于夜间观察的微光和热成像装置一般由信号接收、转换、处理和显示等四大部分组成。实现夜间观察不同的技术路线，必然要在这四大部件上反映出来。 夜间观察的基本矛盾是光强不足。解决问题的办法有：1）尽可能多的得到光能量，例如使用大口径望远镜，就可以有限的改善人眼在黄昏和明亮的夜晚的观察能力；微光和热成像装置也使用大口径的望远镜，如有的地面用热像仪口径达到245毫米；2）设法对光信号进行放大，不同的技术基础形成不同的技术路线；如应用真空光电子技术形成了一系列的微光成像器件，而以红外物理、半导体、微电子、真空、制冷、精密光学机械等技术则形成了一系列的热成像仪（TI）。3）在红外光谱波段观察目标的红外图像，克服光强不足的困难。如在微光技术中，将光电阴极的光谱响应延伸到近红外区，可以获取目标表面反射的近红外光，得到更多的光能量，改善微光成像器件的成像质量。而直接获取目标自身发射的热辐射信息，在长波红外区观察目标的热图像，则实现了真正意义上的夜视。 在微光图像增强器（L3I）中，用光电阴极将微弱的可见光和近红外光图像转换成相应的电子密度图像，其光阴极是连续和均匀的一个薄膜。在红外成像仪（IRI）中，用若干个分离探测元组成的探测器列阵将红外光转换成电信号。 微光成像器件的信号处理有五大特点：1）信号并行处理，2）信号在空域处理，3）信号是电子数量，4）信号是模拟量，5）信号原位处理。在半导体、微电子技术还不发达时，电真空技术的这些特点占尽优势，成为夜视技术的主流。 非制冷焦平面组件（UFPA）的信号处理有五大特点：1）信号串行处理，2）信号在时域处理，3）信号是电脉冲电平值，4）信号是数字量，5）信号分离处理，便于进行复杂的图像处理 163
非制冷探测器在不同大气条件下红外搜索系统作用距离计 算问题 已知条件： 1、非制冷探测器：8~14μ 35μ（像元） 像素：384×288； 2、8~14μm 波段在海面情况下（分别针对喷气式飞机和舰艇）传输透过率分析。（晴朗和浓雾） 3、能量计算（探测距离） （1）海面对空 20km ，喷气式飞机，翼展30m （2）海面 20km ，舰艇 （3）相对孔径、透过率 4、非制冷型红外探测器光学系统参数： f′=30~180 ；F:1.8 ；透过率：τ〉90% 求晴朗和浓雾大气条件下红外搜索系统作用距离。 解： 搜索系统的作用距离方程为： 21 21*0])(4[n s f F DD I S υυωσττπα??= 其中：i I ： 红外辐射强度 ατ： 大气透过率 0τ： 光学系统透过率 D ： 通光口径 *D ： 探测率 σ： 信号过程因子 F ： 光圈数 ω： 视场角 f ?： 系统带宽 n s u u ：信噪比 对于非致冷型波段在8-14um ，384×288分辨率 mm f 180/=，8.1=F ，9.00=τ晴朗时C T o 25=%20=RH 浓雾时C T o 30=%90=RH 由于在3-5um 波段范围内飞机的辐射强度为483.49s w r 对于辐射出射度有如下公式
θ ππcos 535353A I L M ---== 在这里我们取O =0θ 根据所查资料面积取A=0.27 又因为在35m μ-波段范围内辐射出射度35M -可表示为： []4350503(5)(3)M M M F T F T T σ---=-=- 即： ()()[]27 .01415.349.483354?=-T T F T F σ 整理得： ()()[]66.5625354=-T T F T F σ 通过查表可求得：T=745K 则在814m μ-的波段范围内的辐射出射度为： ()()[]480140148814T T T M M M σ-=-=--- ()()[]24 853.36437451067.5745874514m W =????-?=- 则根据公式θ ππcos 148148148A I L M ---== 在这里我们取O =0θ 根据所查资料面积取A=0.27 所以Sr W A M I 14.3131415.327.053.36430cos 148148=?== O --π 由公式0 f F D '=得到： 018101.8 f cm D cm F '=== 通光孔径35384352880.0042180188a b m m W f f mm mm μμ??= ?=?='' 晴朗时，在8-14m μ波段范围内，根据前面所求水蒸气全路程可凝结水的毫米数为40.911mm ，则大气中水蒸气的透过率的平均值为 ()()28.08.113.960H O ττττ=++晴朗
红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。 红外焦平面探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器，制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离较远，主要应用于高端军事装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。虽然在灵敏度上不如制冷型红外焦平面探测器，但非制冷红外焦平面探测器的性能已可满足部分军事装备及绝大多数民用领域的技术需要。近年来，随着非制冷红外焦平面探测器技术的不断进步和制造成本的逐渐下降，其性价比快速提升，为推动非制冷红外焦平面探测器的大规模市场应用创造了良好条件。 据悉，红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，探测器的性能直接决定了热成像系统的最终性能。非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够在室温状态下工作，具有启动快、功耗低、
体积小、重量轻、寿命长、成本低等诸多优点。 大立科技公司研制的核心芯片是非制冷红外焦平面探测器。除满足自用需求，还以机芯组件（非制冷探测器+图像处理电路）的形式销售给其他用户单位使用，用户范围现已涵盖国内主要军工集团及科研院所。大立科技表示，公司连续承担了“十二五”、“十三五”国家“核高基”重大专项，现已形成探测器产业化能力，实现完全替代进口。2017年在国内实现百万像素级探测器产业化，产品入选工信部《民参军技术与产品推荐目录》。 大立科技是国内少数拥有完全自主知识产权，能够独立研发、生产热成像技术相关核心器件、机芯组件到整机系统全产业链完整的高新技术企业，是国内规模大、综合实力强的民用红外热像仪生产厂商之一。 更多详情请拨打咨询热线或登录浙江大立科技股份有限公司官网https://www.doczj.com/doc/ca2690574.html,/咨询。