紅外熱成像技術介紹

紅外熱成像技術介紹第1頁/共43頁中國電子科技集團公司第十一研究所

1956年建所----是共和國建立的第一個電子元器件和材料研究所

1958年建立紅外技術研究室

1964年建立激光技術研究室專業(yè)方向：研制為導彈、核武器、空間技術及常規(guī)兵器配套的紅外、激光產(chǎn)品。1970年全所轉(zhuǎn)向為激光紅外專業(yè)技術研究所，是我國最早以軍事應用為目標的光電技術研究所。第2頁/共43頁

中國光學光電子行業(yè)協(xié)會理事長單位中國電子學會量子學與光電子學分會掛靠單位總裝備部軍用光電子技術專業(yè)組組長單位軍用固體激光技術國防科技重點實驗室依托單位國家固體激光工程技術研究中心依托單位全國光輻射安全和激光設備標準化技術委員會主任委員和秘書處單位中國電子科技集團公司第十一研究所第3頁/共43頁北京波譜華光科技有限公司中國電子科技集團公司第十一研究所控股公司十一所非制冷紅外領域的代表主要面向軍用配套市場和民品市場，業(yè)務形式以OEM和ODM為主。成熟的紅外整機和光電系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)能力第4頁/共43頁

自然光的分光現(xiàn)象

PRISMASirIsaaceNewton,1660牛頓通過三棱鏡實驗發(fā)現(xiàn)，自然光可分解不同的色光；今天我們知道，光的顏色代表了其頻率；第5頁/共43頁

紅外輻射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

VisibleInfraredUltravioletSirWilliamHerschel,1800赫胥黎的研究：

用溫度計測量不同色光所含的熱量；結(jié)論：

紅光所含熱像最高，紫光最低；

紅光之外還存在更“熱”的光；第6頁/共43頁紅外輻射是一種電磁波第7頁/共43頁紅外輻射特性紅外輻射是一種電磁波，位于可見光的紅光之外直至毫米波段，波長為0.7~1000um自然界中一切溫度高于絕對零度（即零下273℃）的物體均可向外輻射紅外線紅外輻射以光速傳播（299.793km/s）紅外輻射不能被人眼感知第8頁/共43頁紅外目標自主產(chǎn)生熱輻射——太陽、火焰、生物、發(fā)動機、尾焰吸收熱輻射后釋放——大氣、陸地、砂石、金屬蒙皮效應——飛機、汽車輪胎紅外輻射吸收體——水、玻璃第9頁/共43頁三個大氣窗口大氣對紅外輻射的傳播具有一定的吸收作用——

二氧化碳、水蒸氣、甲烷、氣溶膠因此在大氣中形成三個可以透過紅外輻射的“窗口”：短波——1~3um中波——3~5um長波——8~14um第10頁/共43頁各種大氣現(xiàn)象對紅外傳播的散射瑞利散射——粒子半徑遠遠小于紅外波長，由氣體分子引起，影響輕微彌式散射——粒子半徑與紅外波長接近，散射系數(shù)與波長四次方成反比無選擇性散射——粒子半徑遠遠大于紅外波長，散射與波長無關霧——彌式散射，粒子半徑中等，粒子濃度低云——彌式散射，粒子半徑中等，粒子濃度高霾——彌式散射，粒子半徑小，濃度低雨——無選擇性散射第11頁/共43頁紅外探測器的早期研究研究主要集中在近紅外非完全被動，需借助星光四十年代出現(xiàn)軍用微光夜視儀（美國）第12頁/共43頁紅外探測器的發(fā)展第一代：單元器件、多元器件、Sprite器件——五十年代第二代：線列器件——六十年代第三代：焦平面（FPA）——七十至八十年代以后

MCT——中波、長波

InSb——中波

QWIP（GaAs）——中波、長波，90年代后出現(xiàn)

微輻射熱計（Microbolometer）——長波非制冷第四代：以超大規(guī)模和多光譜為發(fā)展方向——目前正在研究，已有部分成品

第13頁/共43頁紅外探測器第14頁/共43頁紅外探測器的分類光子型探測器——

吸收紅外輻射后，產(chǎn)生光電效應，即光子激發(fā)成傳導電子而形成電信號；響應時間短，對波長有選擇性；又可分為光導、光伏、光磁電等類型。熱探測器——

吸收紅外輻射后，內(nèi)部產(chǎn)生溫度的變化，而溫度的變化又引起物理性質(zhì)的變化；響應時間長，對波長無選擇性；又可分為氣動探測器、測輻射熱計、溫差電偶、和熱電探測器等類型。

第15頁/共43頁光子型探測器光子探測器是利用了材料的內(nèi)光電效應，紅外光子直接把材料束縛態(tài)電子激發(fā)成傳導電子，參與導電，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。電信號大小與吸收的光子數(shù)量成比例。按電信號輸出的不同原理，光子探測器又分為光電導、光伏、光磁電探測器。光電導探測器是當紅外輻射照射到探測器上之后，引起它的電阻發(fā)生變化，從而可探測出入射輻射的強弱。這種探測器有時也稱為光敏電阻。器件有PbS、PbSe、Ge:Hg、InSb、MCT等。光伏探測器是利用了半導體p-n結(jié)的特性，當它受到紅外輻射的照射以后，載流子(即帶負電的電子和帶正電的空穴)被p-n結(jié)所分開，在p-n結(jié)兩端建立起一個電場，這個電場的大小就表示了入射紅外輻射的強弱。器件如InSb、MCT、TeSnPb、PtSi等。光磁電探測器由于需要在探測器芯片上要外加磁場，結(jié)構(gòu)復雜，不常使用，器件有InSb、MCT等。光子探測器為對波長有選擇響應的探測器，如:1~3μmPbS（硫化鉛）3~5μmPbSe（硒化鉛）InSb（銻化銦）MCT（碲鎘汞HgCdTe）PtSi(硅化鉑)QWIP（量子阱）8~14μmG:Hg(鍺摻汞)PbSnTe(碲錫鉛)MCT(碲鎘汞)QWIP(量子阱)第16頁/共43頁熱探測器傳感器被入射的紅外輻射加熱溫度變化的測量可由下列方式得到

—電阻變化（測輻射熱計）

—熱電結(jié)（TE傳感器）

—熱釋電效應

—油膜蒸發(fā)（蒸發(fā)圖案）

—半導體吸收邊緣移動

—熱彈性效應

—液晶色變

—氣體壓力改變（高利元件）第17頁/共43頁非制冷紅外探測器制冷型紅外的缺陷——成本高、壽命短20世紀70年代末，美、英軍方制定秘密計劃：

發(fā)展非制冷焦平面，

目的是發(fā)展出用戶買得起和用得起的熱成像儀。ULIS——Uncooled

Low-cost

Infrared

Sensor第18頁/共43頁非制冷紅外探測器早期有用熱釋電材料制成的攝像管，并制成了熱電視(紅外電視)。1992年公布了非制冷焦平面的研制結(jié)果。采用的探測器材料主要為兩種，即熱釋電和測輻射熱計。采用熱釋電材料的有:美國TI公司1987年研制出了100×100元的BST，NETD0.5℃，1990年對交付的第一個成像陣列進行評估，更大的焦平面陣列達到了所希望的0.3℃的指標，測得NETD為0.08℃，1993年328×245元的陣列，像元中心距為48.5μm。對系統(tǒng)進行測試所獲得的NETD在使用f/1光學時小于0.04℃。英國在1988年研制出了100×100元的PZT。1991年美國Loral公司研制出了192×128元的熱釋電器件，NETD小于0.07℃。采用測輻射熱計的主要是美國Honeywell公司,該公司在1985年研制的80000元電阻型測輻射熱計的NETD=0.3℃。1990年采用氧化釩的336×240元陣列制作了第一個便攜式熱像儀，獲得的NETD=39mK(F=1)。此后，無論是熱釋電還是測輻射熱計，320×240系列的器件和熱成像出現(xiàn)了很多。九十年代末以來探測器的尺寸減小到了30μm左右，出現(xiàn)了640×480系列的陣列，產(chǎn)品的NETD達到了50mK以下。目前多家公司已經(jīng)演示了此種熱像儀。前幾年已經(jīng)報道了1024規(guī)格的產(chǎn)品。第19頁/共43頁非制冷紅外探測器第20頁/共43頁紅外熱像儀的組成紅外探測器驅(qū)動電路

制冷機（制冷型具備）紅外光學鏡頭外形及其他接口、結(jié)構(gòu)配件機芯第21頁/共43頁紅外光學

紅外儀器中的光學元件，如透鏡、轉(zhuǎn)鼓(棱鏡)、窗口(包括杜瓦瓶的窗口)、濾光片、調(diào)制盤等，均需要光學材料。紅外光學材料除一般光學玻璃所具備的光學、物理、化學、熱、機械等性能外，還要求在紅外波段內(nèi)具有良好的透過率。常用的紅外光學材料為Ge，少量使用ZnS等第22頁/共43頁光學鍍膜紅外光線材料的折射率較高，反射損失大，因而透過率較低，而且反射光線還將引起象質(zhì)變差。鍍增透膜對于透射式紅外光學元件是必不可少的工藝，它不但提高了光學元件透過率，還對光學材料起到了保護作用，避免了某些材料的潮解等損傷。由圖可以看到，未鍍增透膜的Ge片透過率很低,鍍增透膜可以根據(jù)需要在3~5微米或8~14微米的工作波段提高透過率。圖中所示為8~14微米工作波段的曲線。第23頁/共43頁不受光照條件影響第24頁/共43頁可穿透煙、霧第25頁/共43頁對比技術——微光夜視作用距離很短成像質(zhì)量差受外部光源影響極大，無法避免過曝不能穿透煙、霧第26頁/共43頁對比技術——紅外LED主動照明作用距離較短——數(shù)十米壽命問題專利問題受外部光源影響極大，無法避免過曝不能穿透煙、霧價格便宜第27頁/共43頁對比技術——激光主動照明作用距離較長——標稱可達3000m難以進行多點監(jiān)控應用壽命問題“光污染”風險受外部光源影響極大，無法避免過曝不能穿透煙、霧價格適中第28頁/共43頁軍、警用第29頁/共43頁軍、警用第30頁/共43頁軍、警用第31頁/共43頁航天遙感第32