第七章 热电型非制冷红外焦平面阵列
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目录一、概论 (11、热像仪构成 (12、热成像功能: (13、热成像技术的优点 (14、红外成像阵列与系统分类 (15、热成像技术的划代 (16、典型技术特点 (27、制冷红外成像阵列与系统的发展 (47、非制冷红外成像阵列与系统的发展 (48、红外成像探测器的发展趋势 (5二、工作原理与结构 (51、串扫型热像仪 (62、并扫型热像仪 (73、串并扫型热像仪 (8四、常见的光机扫描机构 (91、旋转反射镜鼓做二维扫描 (92、平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合 (103、平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜 (104、折射棱镜与反射镜鼓组合 (115、会聚光路中两旋转折射棱镜组合 (126、两个摆动平面镜组合 (12五、热成像系统基本技术参数 (121、光学系统的通光口径0D 和焦距0f (122、瞬时视场角α、β (123、观察视场角H W 、V W (134、帧时f T 和帧速∙F (135、扫描效率η (136、滞留时间d τ (13六、红外成像系统综合性能参数 (141、噪声等效温差NETD (142、最小可分辨温差MRTD (153、最小可探测温差MDTD (18红外成像系统一、概论能够摄取景物红外辐射分布,并将其转换为人眼可见图像的装置,就是红外热成像系统(简称热像仪。
实现景物热成像的技术称为热成像技术。
1、热像仪构成✓接收和汇聚景物红外辐射的红外光学组件;✓既实现红外望远镜大视场与红外探测器小视场匹配,又按显示制式的要求进行信号编码的光学机械扫描器(当使用探测元数量足够多的红外焦平面探测器时,光学机械扫描器可以省去;✓将热辐射信号变成电信号的红外探测器组件;✓对电信号进行处理的电子学组件;✓将电信号转变成可见光图像的显示器;✓进行信号处理的算法和软件。
2、热成像功能:✓将人眼的观察范围扩展到光谱红外区;✓极大地提高人眼观察的灵敏度;✓获得了客观世界与热运动相关的信息。
3、热成像技术的优点✓环境适应性优于可见光,尤其是在夜间和恶劣天候下,具有较好的穿透烟雾和尘埃的能力;✓隐蔽性好,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;✓识别伪装目标的能力优于可见光,具有较强的反隐身能力;✓具有较远的作用距离;✓与雷达系统相比,体积小,重量轻,功耗低。
红外焦平面阵列自适应盲元检测【摘要】为提高盲元检测的准确性,分析了盲元的成因以及常用盲元检测法存在的问题,在此基础上提出了一种新的自适应盲元检测法:基于双参考源和“3σ”准则相结合的盲元检测法。
实验结果表明,该算法不但可以检测出器件型盲元,而且还能自适应的准确检测出信号通道级盲元。
【关键词】红外焦平面阵列;盲元;检测A Adaptive Algorithm of Blind Pixels Detection for IRFPAMAO Xiao-qun WEN Guo-dian(Chongqing College of Electronic Engineering Zhongguo Chongqing 401331)【Abstract】In order to improve the accuracy of blind pixels detection in IRFPA, the principle of blind pixels appearance and the algorithms of blind pixels detection were analyzed in the paper, and then proposed a new adaptive algorithm of blind pixels detection for IRFPA. The results of experiment indicate that the algorithm can detect two kinds of blind pixels adaptively.【Key words】IRFPA;Blind pixel;Detection0.引言红外焦平面阵列(IRFPA)作为目前新一代探测器件提高了红外系统的空间分辨率和系统灵敏度,已经广泛应用于军工、民用等各个领域,但由于制造工艺水平的限制及其应用环境温度的多变性,使得IRFPA器件上不可避免地存在盲元,盲元的存在严重影响了红外图像的信噪比及成像质量。
非制冷式红外探测器原理研究摘要:随着信息技术的发展,红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。
其中,非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点,是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。
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。
非制冷红外焦平面探测器的工作原理是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为五大类:热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。
本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述,并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究,总结了不同类型探测器的优缺点。
关键词:红外探测技术;非制冷红外焦平面探测器;读出电路;敏感元件第一章绪论1.1研究背景及课题意义随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来,各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。
与制冷红外成像系统相比,非制冷红外成像系统可在室温工作,省掉了昂贵且笨重的制冷设备,从而大大减小了系统的体积、成本和功耗;此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。
国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。
同众多高新技术一样,红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。
红外成像系统可装备各类战术和战略武器,常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导,是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。
与其他探测方式不同的是,红外探测属于被动探测系统,探测系统并不主动向目标发射探测信号,相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。
四、红外焦平面器件红外焦平面器件(IRFPA)就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器,是现代红外成像系统的关键器件。
IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。
1. IRFPA的工作条件IRFPA通常工作于1~3μm、3~5μm和8~12μm的红外波段并多数探测300K背景中的目标。
典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标。
用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度:随波长的变长,背景辐射的光子密度增加。
通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件,因此3~5μm 或8~12μm波段的室温背景为高背景条件。
上表同时列出了各个波段的辐射对比度,其定义为:背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。
它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件:高背景、低对比度。
2. IRFPA的分类按照结构可分为单片式和混合式按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型按照响应波段与材料可分为1~3μm波段(代表材料HgCdTe—碲镉汞)3~5μm波段(代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟和PtSi—硅化铂)8~12μm 波段(代表材料HgCdTe)。
3. IRFPA的结构IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成。
红外光敏部分——材料的红外光谱响应信号处理部分——有利于电荷的存储与转移目前没有能同时很好地满足二者要求的材料——IRFPA结构多样性(1)单片式IRFPA单片式IRFPA主要有三种类型:非本征硅单片式IRFPA主要缺点是:要求制冷,工作于8~14μm的器件要制冷到15~30K,工作于3~5μm波段的器件要制冷到40~65K;量子效率低,通常为5%~30%;由于掺杂浓度的不均匀,使器件的响应度均匀性较差。
本征单片式IRFPA将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄禁带宽度的本征半导体材料上。
红外探测器的七大用途导语:红外光是波长介于可见光与太赫兹波之间的电磁波,红外探测器就是用来探测这种人眼看不见的光信号的器件。
它将红外光信号转变成某种可测量的物理量,从而实现感知。
红外光是波长介于可见光与太赫兹波之间的电磁波,红外探测器就是用来探测这种人眼看不见的光信号的器件。
它将红外光信号转变成某种可测量的物理量,从而实现感知。
经过几代的发展,红外探测器已经从单元发展到焦平面阵列。
红外焦平面根据制冷方式划分,分为制冷型焦平面阵列和非制冷型焦平面阵列。
制冷型探测器背景温度与探测温度之间的对比度决定着探测器的理想分辨率,所以,为提高探测器精度必须大幅降低背景温度。
制冷型探测器发展较早、应用广泛的有:HgCdTe探测器、InSb探测器和量子阱探测器等。
非制冷型探测器能在室温工作,主要有微测辐射热计、热释电探测器和热电堆探测器等。
只要不处在绝对零度,地球温度环境下的物体都存在红外辐射。
因此,地球环境下的目标探测,红外具有特别重要的地位。
相比其他手段,红外探测具有隐蔽性强、恶劣天气影响小,适于夜间使用;识别目标能力强的特点。
红外系统涉及成像、成像光谱、智能化检测等问题,那么,这天上地下的,红外探测器究竟能用在哪儿?气象预测因为有风云系列气象卫星、海洋系列卫星昼夜监测,发送卫星云图,所以台风预测越来越准确。
尤其是卫星上的红外探测器组件,做成遥感仪器放在卫星上,才能够观测得到各种成像。
对地成像红外探测器规模越大看得越清楚,大规模就是像素做的多,目前规模最大的是美国做的6400万像素。
汶川地震时中美协商,请美方派卫星在汶川上空观测灾情。
军事侦察红外侦察分为地面、海面、空中和空间侦察。
空间侦察主要指:利用侦察卫星上的红外遥感设备,从空间轨道上对目标实施侦察和监视。
我国商用卫星已能够拍到美国军用造船厂的清晰图片。
环境监测2011年日本福岛核电站事故,放射性物质泄漏,美国海洋与大气管理局公布污染海水流向预测结果图,正是基于红外成像做出来的。
6.5 非制冷红外焦平面探测器6.5.2 热释电效应与热释电探测器热释电效应与热释电探测器热释电材料的电滞回线何为热释电?通过热变化释放自身束缚电荷的现象!热释电效应:晶体在没有外加电场和应力的情况下,具有自发的或永久的极化强度,且这种电极化强度随晶体本身温度的变化而变化。
当温度降低时电极化强度升高,当温度升高时电极化强度降低。
使电极化强度降低到零时的温度称为居里温度。
具有热释电效应的晶体在固体物理学中称之为铁电体。
热释电效应热电系数是Ps-T曲线斜率的绝对值并随温度而变化。
当温度较低时,热电系数偏小。
当温度适中时,热电系数的绝对值较大,并且不随温度而明显变化,即η近似为常数,因此,可以认为在该温度区内Ps与T呈线性关系,这也是热释电晶体的有效工作区。
当温度接近居里温度时,热电系数起伏较大并容易退极化。
热释电材料的自发极化强度Ps与温度T的关系热释电效应有缘学习更多+谓ygd3076考证资料或关注桃报:奉献教育(店铺)热释电探测器的工作特点热释电器件的电极化强度与热敏元表面静电电荷密度成正比,故热敏元上的静电电荷面密度随材料温度变化而产生相应的变化,也就是说热图像的写入需要动态的光辐射输入。
如果热敏元温度不变,则其表面电荷被读出电路读出后,将不能再产生新的电荷密度,被读出后这一电荷图像就不复存在。
为了能连续摄取图像,就要求热释器件在每帧画面读出后,能够重新产生热敏面的静电电荷图像。
具体的方法是采取人工方法将恒定的入射辐射变成相应变化的入射辐射。
有缘学习更多+谓ygd3076考证资料或关注桃报:奉献教育(店铺)热释电探测器的工作特点通常热释电摄像采用的图像入射方式有如下三种:①平移式:摄像机构对景物作平行移动;②摄全景式:摄像机相对被摄景物在原地转动;③斩光式:在摄像机中设置斩光调制器,周期地截止输入辐射。
摄像机光敏面上的图像不动,但其入射能量周期地变化,因而像面温也随时间周期地发生变化。
调制器通常采用矩形波调制(国外有采用阿基米德螺线的调制器),调制过程需要与帧扫描同步,其频率取帧频的1/2、1/4或1/8。
第33卷第5期红外与激光工程Z004年10月Vol.33No.5I nf rared and Laser En g i neeri n g O ct.Z004非制冷红外热成像技术的发展与现状邢素霞9张俊举9常本康9钱芸生(南京理工大学电子工程与光电技术学院9江苏南京Z10094)摘要!非制冷红外焦平面技术在过去的几年内飞速发展9非制冷焦平面由原来的小规模9发展到中\大规模3Z0XZ40和640X480阵列9在未来的几年内有望获得超大规模的10Z4X10Z4非制冷焦平面阵列o像素尺寸也由50卜m减小到Z5卜m9提高了焦平面的灵敏度9使非制冷红外热成像系统在军事领域得到了成功应用9部分型号已经装备于部队9并受到好评o今后9随着焦平面阵列规模的不断增大\像素尺寸的进一步减小9非制冷热成像系统在军事领域的应用将越来越广泛9尤其在轻武器瞄具\驾驶员视力增强器\手持式便携热像仪等轻武器方面9非制冷热成像系统在近年内有望逐步取代价格高\可靠性差\体积大等笨重的制冷型热成像系统o关键词!非制冷焦平面阵列;红外热成像;轻武器中图分类号!TNZ1文献标识码!A文章编号!1007-Z Z76(Z004)05-0441-04Recent devel o p m ent and st at us of uncooled I R t her m ali m a g i n g technol o gyX I NG Su-xi a9Z~ANG Jun-u9C~ANG Ben-kan g9I AN Yun-shen g(O p t o-el ectr oni cs A cade m y9Nan i n g Uni versit y of S ci ence T echnol o gy9Nan i n g Z100949Chi na)Abstract:Fr o m s m all scal e t o m edi u m and l ar g e scal e3Z0X Z409640X480uncool ed f ocal p l ane arra y(UFPA)9uncool ed i nf rared t echnol o gy has been devel o p ed ra p i dl y i n recent y ears9 and10Z4X10Z4FPA s are ex p ect ed i n t he f ut ure.The p i xel p itch i s al so devel o p ed f r o m50~Z5卜m9and t he sensiti vit y i s i m p r oved l ar g el y9so t hat t he t her m al i m a g i n g s y st e m i s a pp li ed suc-cessf ull y i n m ilit ar y aff airs.Part model has been ar m ed i n m ilit ar y and m easured Well.I n t he f u-t ure9W it h t he devel o p i n g l ar g er scal e and s m all er p i xel of UFPA9t he a pp li cati on of uncool edt her m al i m a g i n g s y st e m W ill be W i der9es p eci all y i n li g ht t her m al Wea p on9such as li g ht W ea p on vi-si on9dri ver visi on enhancer and handle t her m al s y ste m9uncooled t her m al i m a g i n g s y ste mis ex p ected tore p lace t he hi g h p rice9l o W reliabilit y9bi g bul k cooled t her m al i m a g i n g s y ste m g raduall y i n recent y ears.Ke y words:Uncool ed f ocal p l ane arra y;I nf rared t her m al i m a g i n g;L i g ht Wea p on0引言红外热成像仪是一种可探测目标的红外辐射9并通过光电转换\电信号处理等手段9将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备9是集光\机\电等尖端技术于一体的高新技术产品O在军事领域9它可以突破黑夜的障碍9实施夜间行动和作战9大幅度提收稿日期!Z003-11-079修订日期!Z003-1Z-Z9作者简介!邢素霞(1975-)9女9山东菏泽人9博士生9主要从事红外热成像系统方面的研究O高武器系统的作战能力;在民用领域红外热成像系统可以进行无损检测等同时非制冷焦平面探测器使整个红外热成像系统省去了复杂的制冷系统成本大大降低使得红外热成像技术得到飞速发展非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面其发展水平直接决定了非制冷热成像系统的发展从1978年非制冷式热成像技术首次研究成功到目前非制冷热成像仪装备到部队已有Z0多年的发展历史世界各国都在竞相开展非制冷焦平面的研究其中美国.英国.法国等国家处于领先地位探测器像素已由原来的单元结构发展到目前的大规模面阵并逐步向超大规模阵列发展像素尺寸也在明显减小1非制冷红外热成像技术发展现状非制冷红外探测器主要有电阻型热探测器.铁电型和热释电型探测器电阻型热探测器的敏感元是热敏电阻使用的材料主要为氧化钒<VOJ>和非晶硅<-S i>铁电型焦平面探测器的材料主要有锆钛酸铅<PZT>钛酸锶钡<BST>为热释电型探测器的主要材料性价比最高的非制冷系统使用的是混合式铁电探测阵列1.1国外非制冷热成像技术发展现状非制冷红外探测器的研究居世界领先水平的国家主要有美国.法国.英国和日本英国从事非制冷红外探测器研究的公司主要是BAE公司发展成熟的探测器为PST和PZT混合结构的热释电陶瓷探测器PST与PZT单片式结构探测器正处在研制中日本从事非制冷红外探测器研制的公司主要有三菱公司和日本电气公司三菱公司的非制冷红外探测器正处于研发过程主要有S i P/N结型和Yba Cu O电阻型热探测器两种探测器规格均为3Z0X Z40像素尺寸均为40卜m在J/1条件下S i P/N结型焦平面探测器的NETD优于1Z0mK Yba Cu O电阻型焦平面的NETD优于80mK日本电气公司主要从事以VOJ为材料的电阻型探测器的研究其第一个原理型探测器的NETD为150mK<Z56X Z5650卜m像素尺寸>最新报道的3Z0XZ40焦平面阵列像素尺寸为37卜m热响应时间为1Z m s填充因子为7Z%装备热成像系统后的NETD为100mK<J/160~Z>据国际光学学会<SPI E>预测目前红外热成像产品的世界市场规模每年合计40亿美元美国产品占50%以上由此看出在红外热成像技术上美国处于世界领先地位图1所示为美国非制冷红外探测器的发展过程世界上第一个非制冷红外热成像系统就是由美国的T exas I nstr u m ents研制成功的主要红外材料为-S i与BST1983年美国~one y Well开始研制室温下的热探测器使用了硅微型机械加工技术因为这样可以提供较好的热隔离并且可以降低生产成本1990~1994年美国很多公司从~one y W ell公司得到技术转让使以VOJ为探测材料的非制冷探测器得到了快速.广泛的发展VOJ材料具有较高的热电阻系数目前世界上性能最好的探测器就是采用VO J材料制备的<1>BST铁电型探测器混合结构的BST热探测器发展已经比较成熟其中像素尺寸为50卜m的3Z0X Z40焦平面阵列的NETD为47mK Ra y t heon生产的W1000系列为典型产品其质量为1.7k g探测距离可达550m可用于轻型武器热瞄具<LT W S>.驾驶员视力增强器<DVE>.手持式热像仪和车载式驾驶仪截止到Z003年9月Ra y t heon已经向美国陆军交付10000只武器热瞄具包括轻.中和重型武器热瞄具其中以轻型武器热瞄具装备的S p ect erI R就是采用3Z0X Z40阵列的BST探测器制备的装备的武器有M16. M4.M Z03和M136等可以探测并识别Z00m以外的行人其各项参数如表1所示薄膜铁电型探测器<TFFE>正处于研发阶段[1Z]设计规格为3Z0X Z40像素大小为48.5卜mZ00Z年Ra y t heon在TFFE上取得新的突破NETD 在90~170mK之间填充因子为55%<Z>VOJ电阻型探测器由于VOJ材料具有较高的热电阻系数因此用此材料制备的非制冷探测器是目前性能最好的探测器已经投入市场的焦平面阵列探测器的规格为3Z0 XZ40像素尺寸为50卜m NETD为Z0mK热响应时间为Z0m s该型号的探测器在Ra y t heon vi si on s y st e m.BAE.I ndi g o.DRS等公司都有生产DRS 公司生产的U3000/U4000已经作为武器热瞄具装备于美国陆军焦平面像素尺寸为51卜m响应波段Z44红外与激光工程第33卷为8~1Z卜m NETD<U3000>为64~75mK质量约为1.36k g表1S p ecter I R热瞄具的各项参数Tab.1The p ara m eter of S p ecter I R t her m al vis i onNEDT<0.1Internalp oW er3AA L i batter yFOV 6.4 <V>X8.6 <~>Externalp oW erS electableM a g n ifica-tion 1.8XIn itialstart-u pti m e<10sO p eratin gte m p erature ran g e 10~60S p ectralres p onse7.5~1Z.5卜mO p tics J/1.0<G e W indoW>I RsensorM ixed BST m icrobo lom eterF ocus ran g e3m~O Po larit ycontro l~ot W h ite/hot blackInd ividual e y e correction D io p tor ad ust/securit yar m y e y e p atchG ain/levelA utom ation/internal sensorshelves calibration/correctionR an g e toreco g n iZe m ovin g m an >Z00mR ailm ountM IL-STD-1913C ontinuous o p eratin g ti m e>6h@Z5 standardCOT S batter y char g ableV ideo out~om ochrom y SM PTE-170M<NT SC concurrent>W ei g ht<B atteries><1.36k g S iZe33.65c mX7.6Z c mX9.65c m同时BAE公司也在陆续为部队提供M i cr oI R-TM系列的轻型武器热瞄具配备的武器系统有A4 A16系列和M136AF4可用在空降师机械化步兵师等作战部队非制冷红外热像仪在部队轻型武器中的应用是美军用非制冷红外热像仪取代第二代FLI R迈出的第一步小像素尺寸的640X480焦平面阵列探测器是多家公司研制的新型产品也是重点研究产品它可用来提高图像的分辨率1999年BAE第一个报道了以640X480焦平面为核心的热像仪LTC650TM像素尺寸为Z8卜m NETD<0.1质量为Z.4k g DRS公司在Z001年报道了第一个研制的以640 X480焦平面为核心的热像仪U6000像素尺寸为Z5.4卜m Z00Z年5月对该热像仪进行了演示3 Ra y t heon的Z5卜m像素的640X480焦平面性能最高热响应时间10m s NETD平均只有35 mK填充因子大于70%代表了目前电阻型微测辐射热计发展的最高水平但距其NETD为5mK的目标还有一定的差距45以640X480焦平面为组件的热成像系统在LT-W S和DVE等轻武器上的应用目前还未见报道<3>-S i电阻型探测器-S i电阻型探测器的市场主要在商业和民用上Ra y t heon公司生产的160X1Z0芯片其像素尺寸为46.8卜m NETD<100mK目前已经大批量生产在世界范围都有销售法国Sof radir和LET I/GEA公司在非制冷微测辐射热计上的发展打破了美国在这方面的垄断LET I/GEA公司从199Z年开始从事-S i微测辐射热计的研究取得了较好的成果Z000年Sof radir从LET I/GEA公司得到技术转让开始-S i微测辐射热计的研究目前真正从事非制冷红外探测器生产的是Sof radir的子公司ULI S公司该公司的主要产品型号有两种UL01011型<Z001年>和UL01 0Z1E型<Z00Z年>其焦平面阵列均为3Z0XZ40像素尺寸为45卜m的阵列填充因子均大于80% NETD分别为90mK和100mK与UL01011型相比UL010Z1E型内部增加了温度稳定装置使探测器的温度动态范围大大增加其工作性能受外界环境温度的影响明显减小6图1美国非制冷红外探测器发展过程F i g.1D evel o p m ent of uncool ed I R det ect or i n USA处于研发过程的产品有35卜m像素的160X 1Z03Z0X Z40焦平面阵列和Z5卜m像素的640X 4803Z0XZ40焦平面阵列这两种产品为该公司正在开发的两种新型产品Z003年报道的最新资料显示35卜m像素的3Z0X344第5期邢素霞等!非制冷红外热成像技术的发展与现状Z40焦平面阵列NETD为36mK<50~Z J1>热响应时间为1Z m s热阻抗为4.Z X107K WZ5卜m像素的640X4803Z0X Z40焦平面阵列要求达到35卜m像素的焦平面性能Z00Z年LET I CEA给出的资料显示Z5卜m像素的3Z0X Z40焦平面阵列NETD值为35卜m像素的3Z0XZ40焦平面阵列的Z.Z倍个别产品达到与35卜m相同的性能[7]1.2我国非制冷热成像技术发展现状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3Z元1Z8元硅微测热辐射计阵列NETD为300mK存储时间为1m s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Z000年1Z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T I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2非制冷红外热成像技术发展趋势根据非制冷红外热像仪的市场需求未来非制冷红外热成像技术的主要发展方向为=<1>发展高性能的非制冷红外焦平面阵列主要用于满足军事装备的需要其性能要求如下=1>相同性能条件下进一步减小像素的尺寸;Z>响应时间短满足目标搜索的需要;3>低功耗;4>高分辨率;5>发展大阵列;6>进一步缩小系统体积<Z>发展低成本的非制冷红外焦平面阵列适用于对分辨率要求不太高的场合主要市场在民用领域其性能要求如下=1>提高探测器的灵敏度采用新的光学材料;Z>发展小阵列;3>要易于操作;4>在封装上采用集成干胶片技术3结束语非制冷红外热像仪在军事<红外警戒跟踪瞄准以及制导等>和民用领域<电力系统消防医疗诊断森林火灾预警缉私夜间安全监视搜索救援等>都有广泛的应用前景据中国光学协会预测在今后5年我国红外热成像设备市场需求总量约4万台而目前的年自产量不足500台国外的非制冷热像仪成批打入国内市场价格比较昂贵因此国内非制冷红外热像仪的研制与生产已迫在眉捷参考文献![1]~anson Charl es M Berat an~o War d R Belcher Ja m es F et al.Advances i n monolit hi c f err oel ectri c uncool ed I RFPA t echnol o gy[A].SPI E[C].19983379.60-68.[Z]~anson Charl es M Berat an~o War d R.Thi n fil m f err oel ec-tri cs=breakt hr ou g h[A].SPI E[C].Z00Z47Z1.91-98.[3]Phili p E~o War d John E C l ar ke Adri an C Ionescu.DRSU6000640X480VO J uncool ed I R f ocal p l ane[A].SPI E[C].Z00Z47Z1.48-55.[4]M ur p h y R Kohi n M Backer B et al.Recent devel o p m ents i nuncool ed I R t echnol o gy[A].SPI E[C].Z00040Z8.1Z-16. 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红外热成像仪分类和原理红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜经受被测目标的红外辐射能量散布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而取得红外热像图,这种热像图与物体外表的热散布场相对应。
通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变成可见的热图像。
热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。
红外辐射简介红外辐射是指波长在0.75um至1000um,介于可见光波段与微波波段之间的电磁辐射。
红外辐射的存在是由天文学家赫胥尔在1800年进展棱镜实验时第一次发现。
红外辐射具有以下特点及应用:〔1〕所有温度在热力学绝对零度以上的物体都自身发射电磁辐射,而一般自然界物体的温度所对应的辐射峰值都在红外波段。
因此,利用红外热像观察物体无需外界光源,相较可见光具有更好的穿透烟雾的能力。
红外热像是对可见光图像的重要补充手腕,普遍用于红外制导、红外夜视、安防监控和视觉增强等领域。
〔2〕按照普朗克定律,物体的红外辐射强度与其热力学温度直接相关。
通过检测物体的红外辐射可以进展非接触测温,具有响应快、距离远、测温范围宽、对被测目标无干扰等优势。
因此,红外测温特别是红外热像测温在预防性检测、制程控制和品质检测等方面具有普遍应用。
〔3〕热是物体中分子、原子运动的宏观表现,温度是气宇其运动猛烈程度的根本物理量之一。
各类物理、化学现象中,往往都伴随热互换及温度转变。
分子化学键的振动、转动能级对应红外辐射波段。
因此,通过检测物体对红外辐射的发射与吸收,可用于分析物质的状态、构造、状态和组分等。
〔4〕红外辐射具有较强的热效应,因此普遍地用于红外加热等。
综上所述,红外辐射在咱们身旁无处不在。
而对于红外辐射的检测及利用,更是渗透到现代军事、工业、生活的方方面面。
由于人眼对于红外辐射没有响应,因此对于红外辐射的感知和检测必需利用专门的红外探测器。
红外辐射波段对应的能量在0.1eV-1.0eV之间,所有在上述能量范围之内的物理化学效应都可以用于红外检测。
1 用于军事和科研领域的制冷型红外探测器发展情况适用于制冷型红外单色探测器的主流材料是InSb和碲镉汞。
InSb中波红外探测器技术相对成熟,比较容易做成低成本、大面积、均匀性好、高性能的探测器阵列。
但它也存在如工作温度不能提高等一些缺点。
适用于多波长探测的低温红外探测器的材料一般有三种,包括碲镉汞(HgCdTe)、量子阱(QWIPs)和Ⅱ类超晶格。
表6:制冷型红外探测器敏感材料对比敏感材料技术特点锑化铟技术成熟,成本较低,只能用于单色制冷红外探测器,军民大量应用,尤其以红外空空导弹为多。
碲镉汞通过改变镉的组份,可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度,覆盖短波、中波和长波红外。
但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化,其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差,所以成品率较低,成本非常高。
量子阱生长技术成熟,并且生长面型均匀,受控性好;价格低廉、产量大、热稳定性高。
但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收,致使量子阱探测器的量子效率并不理想。
Ⅱ类超晶格拥有较高的探测灵敏度,几乎可以与碲镉汞相媲美。
隧穿电流和暗电流均较小,对工作温度的要求相对宽松。
提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。
国内研究碲镉汞红外探测器的单位主要包括昆明物理研究所、高德红外。
昆明物理所从2006年就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作,并于2010年实现了量产。
2015年,昆明物理研究所量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K,NETD为19.7mK,有效像元率为99.33%的技术指标,标志着我国中波探测器性能指标基本达到同一时期发达国家的技术水平。
据高德红外子公司高芯科技官网显示,该公司研制了国内最新款制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M MWIR,其面阵规格为1280×1024,像元尺寸为12μm,NETD小于20Mk(F2/F4)。
技术指标达到国内外顶尖水平。
rtd611非制冷红外焦平面探测器ddac校正参考手册本发明实施例涉及非制冷红外焦平面探测器图像处理技术领域,特别是涉及一种非制冷红外焦平面探测器非均匀性响应率校正方法、装置、设备及计算机可读存储介质。
随着红外技术的发展,红外焦平面阵列技术应运而生。
该技术制备的探测器(包括制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器)为当今技术性能最先进的红外探测器之一,在军事和民用领域都有着广泛的应用。
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,探测距离远,但是其结构复杂且成本高昂,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。
尽管非制冷红外焦平面探测器在灵敏度上与制冷器件有一定差距,但经过近十余年的发展,其在性价比上已经明显优于制冷型探测器,具有更加广阔的应用前景。
但是,由于受到制作器件的半导体材料和加工工艺等条件的限制,非制冷红外焦平面探测器的输出响应并不相同,导致了红外焦平面阵列响应的非均匀性。
而响应的非均匀性会直接影响探测器最终输出图像的清晰度,成为进一步提高图像质量的瓶颈,并在一定程度上限制了红外成像系统的应用。
从本质上讲,要彻底解决非制冷红外焦平面阵列响应的非均匀性问题,必须从提高非制冷红外焦平面阵列的加工工艺水平上着手。
但是,就目前各学科的发展现状很难保证非制冷红外焦平面阵列每个探测单元响应输出的均匀性。
而通过非均匀性校正技术有效地减小或去除非均匀性,成为提高非制冷红外焦平面阵列成像质量的关键所在。
现有的非均匀性校正的方法一般基于标定技术的算法,即在实验室内利用均匀的高温和低温黑体对红外焦平面进行标定,从而计算出增益和偏移系数的方法,例如两点法、扩展两点法,多点标定查表法、多点标定拟合法。
红外焦平面阵列的CMOS读出电路结构评述
汪建平;武利翻;熊平
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2006(025)001
【摘要】红外焦平面阵列是获取景物红外光辐射信息的重要光电器件.读出电路是其关键部件,良好的读出电路性能在红外焦平面阵列中发挥着重要的作用.列举了一些最新的CMOS读出电路单元结构,并对它们各自的特点作了简要的比较,给出了一些结构对应芯片上的主要参数,最后,简单介绍了读出电路的未来发展方向.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】汪建平;武利翻;熊平
【作者单位】重庆邮电学院,重庆,400065;重庆邮电学院,重庆,400065;CCD图像传感器国家重点实验室,重庆,400065
【正文语种】中文
【中图分类】TN215
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