红外成像阵列与系统(1)

第一章历史回顾§1.1引言热成像历史基础:是人类把手放在火烬余温下感受其位置。热成像知识基础:黑体辐射的理论基础；热敏感材料的化学性质；结晶学；微光成像技术；成像阵列等方面的知识。红外成像的过程有两个阶段：1）.景物的热辐射必须集中到一个能引起物理效应的传感器上光导体辐射计装置。2）引起的物理效应必须能够读出以及显示。1920年以后发展起来的电视技术对红外热成像的发展作了巨大的贡献。1960s的MOS管的发展1968年由Noble描述的X-Y地址成像阵列集成读出电路红外热成像系统发展：于二十世纪二十年代末期。光电发射：Ag-O-Cs光电阴极，第一个用于军事的像增强器。碱金属锑化物光电阴极，S-25、NewS-25、SuperS-25光电阴极像增强器。GaAs负电子亲和势光电阴极，第三代像增强器。微光夜视技术忽略的两个波段：中红外（3-5μm）远红外（8-14μm）1960年，光机扫描单个红外敏感探测器以成像。瑞典的AGA公司曾经使用一个致冷型的单元锑化铟本征型光导体。美国的BARNES工程部最初使用了一个热敏的电阻辐射计，接着使用了一个热电探测器(Astheimer,Schwartz,1968)。1959年，在美国的国家信号雷达建设部，Lawson发现一种只需致冷到77K的MCT(mercurycadmiumtelluride)作为本征半导体光敏电阻。法国则找到了一种光伏型方法。致冷型红外探测器：1981年，英国及美国的Honeywell最早发明了冷却到77K的机械扫描的、混合的、线性的MCT阵列探测器，工作模式为光电导型(Kruse)。工作在8-12μm范围内，是由美国军队和技术实验室建立起来的，成了今天的夜视技术的主要战场技术手段。他们当然也扩大到军事，国内民用以及研究领域范围内，如表1所示。热成像第一代系统：•光伏效应，电子扫描，MCT凝视型阵列，噪声等效温度0.02℃。需要低温冷却。热成像第二代系统：1969年，英国EEV公司的Tompsett申请了热成像摄像管的专利，1970s，分辨率400线，NETD0.2℃（Goss,1987）（第七章）Tompsett提出了固态热成像阵列：场效应管（FETS）阵列和热电-铁电材料薄膜。发展成今天应用的单晶成像装置（第四章），目前正在发展下一代单片的非致冷型铁电体成像仪。1978年Johnson提出了单片热成像仪：将热敏电阻材料层沉积在气桥（air-bridges）上（第三章）。非致冷型红外探测器：最早开始于二十世纪八十年代，美国军队夜视实验室首先意识到低成本，轻重量应用的重要性，并且联合了DAPRA（DefenseAdvancedProjectAgency）奠基了铁电以及电阻型阵列的发展。这些阵列精度大于300线，NETD的值为0.04℃，性能已经达到顶峰，现在为军事及民用制作所用，第三、四和五章里详细的讨论这些装置科学技术上具体的问题1824年，发现塞贝克效应后的几年,热电结或温差电池最早被用来探测红外辐射。1994年，Kannoetal在NEC已经开发了用于成像的温差电池，性能中等（第六章）。1947年，Golay的气体热膨胀技术。1991年，Kennyetal通过微机械加工技术制作的小单元灵敏度可以通过隧道位移转换器探测到)（第八章）。这项技术很灵敏，但是需要电反馈来控制隧道位移到几分之一纳米。所以将其集成到整个阵列上是很重要的。1962年，Wade,Slutsky首次提出了敏感测辐射热计装置，使用石英微型谐振腔（第十章）。微电机械加工制作的具有超高灵敏度的非致冷型成像仪。§1.2非致冷型热像仪的电子材料历史研究1.1铁电-热电材料1974年，Lang回顾了铁电材料2300年的历史.温度发生变化后晶体电极的另外一端出现补偿电荷。1824年，D.Brewste第一个利用了铁电性。在19世纪人们做了很多实验,对晶体铁电效应有了基本的理解。演示一种决定电荷分布的方法，已经用在直视显示器中。硫和红色的氧化铅粉末混合在一起吹进一块丝质屏幕.硫的颗粒由于受摩擦而带负电荷,受到晶体的正电荷部分的吸引,同时红色的铅微粒带上正的电荷而向负电荷区漂移。Kundt实验：1920年，Valasek发现铁电体的介电性质类似于铁的电磁性质,即在极化区域曲线有对称性.在居里温度附近可以观测到大的介电变化，且有高温的非铁电效应发生.1930s发现了一系列的铁电晶体（Busch,Scherrer,1935;Bush1938）：碳酸钡：介电常数3000，显示铁电性。1941年,Slater发展了铁电性的微观模型,在1960年他将其延伸到量子模型化,于是在1962年开始了一个对于铁电晶体很好的研究领域。1994年,Resta明确地解释了微观电极化的可能进展。1938年，Ta发现一种热电晶体—电石,可以用来作为红外探测器。1942年出版的文献中有一项关于“能量转化装置”的专利，其中使用了一种热电体去探测调制的红外光束。1956年，Chynowth使用热电效应来研究铁电体.在温度影响下，非偏置的晶体电荷会沿着极化方向发生变化。如果此轴的方向和晶体表面垂直,就会在晶体表面上测出电压和电荷位移。Hamel论述了可以在一个分立测辐射热计中,使用具有对温度敏感的介电常数的铁电体。在这种情况下,晶体上需要直流偏置电压.温度的变化引起介电常数的变化,因此可以测量到电荷位移或者电流。另外一方面如果对目标充电至某一电位然后断电,则介电常数的变化转化为晶体的电压降,并且可以测得。1962年，Cooper表明热电方法要比介电方法优越,灵敏度更高。这个理论被进一步地用于商业上。热电材料的品质因数是热电系数被介电常数来除。Beerman表明了一个有机晶体TGS的品质因数要高于其他的无机铁电材料（Mathiasetal.1956;Puthey,1966）。1968年，Putley讨论了主要的噪声源和热电环境下的铁电探测器的性能限制。在实际应用中,这两种工作模式均决定了电荷电压的信号输出量（Wattor,1989）。1986年，Whatmore出版了书籍.对热电材料及其性能和品质因数在热电摄像管和成像仪上的应用作了很好的回顾。第二个生成非致冷型热成像系统的有效途径是利用电阻对温度的依赖性。2.电阻材料1.铁电-热电阵列1880年,Langley用惠斯通电桥做了第一个铂带辐射计。他为此研究了20年的时间。在1901年他表明了可以通过一个辐射计的反射探测到1/4英里外的一头牛,如图1.1所示。图1.1德州公司使用非致冷成像传感器在500米以外摄取到的牛的图像。1946年Brattain和Becker用各种氧化物的焦结物制成了热敏电阻辐射计。而1980s的微机械加工技术的发展更加提高了热绝缘的可能性。VO有很高的电阻温度系数(Moffattetal.,1986，Umadevietal.,1991，Jeramineketal;1993)。在现代的制作装置中已经将Pt和VO和在一起，其比探测率为109cmHz1/2W-1。§1.3使用硅读出电路的非致冷型成像阵列Tompsett(1969b,c)第一个提出使用FET阵列作为读出电路,并将热电材料与FET的栅极接触但保持热隔离.在此以后研究发展了很多种的使用固态的非电子束扫描技术的非致冷成像阵列。在1972到1973年间，在美国政府RCA实验室领导下，进行了该领域中的首项工程。该项目在硅ROIC上使用了TGS,同时考虑了X-Y寻址阵列和一个电荷耦合阵列。作为改进分辨率的一个方法,发展了TGS的网状结构.因为要达到好的温度灵敏性,衬底的绝热性能很重要,所以使用一种新颖的技术---用应力将薄膜做成薄膜型应力指状物,以提供较低的ROIC和TGS之间的热电阻接触。X-Y寻址的计算结果表明一个非常薄,10μm厚的TGS切片,在200μm中心上面有100μm大小的单元,其分辨率可以达到0.4℃.但是,这是个折中的方法,因为使空间分辨率减半会使温度分辨率提高四倍多.PlesseyLtd制造了固态阵列的实物模型：在250μm大小的片子上放了32个分立的TGS探测器，固定在一个旋转的装配线上，相关的放大电路驱动一个相似的LED阵列。这样就封装成一个手握的直视装置。1992年，TI公司于又推出了245×328单元阵列(Honsonetal.1992)，具有更好的性能。在二十世纪七十年代中期德州公司开始研究非致冷热像仪.1979年，Hopper申请了混合装置的专利。在1987年演示了第一个100×100元的非致冷成像阵列，使用了BST晶体切片倒装焊接在ROIC上，其NETD值为0.5℃。1994年，英国展示了100×100元的热成像仪(Watton,1994)。1987年，在DARPA赞助下，美国军队夜视实验室开展了高密度成像阵列(HIDAD)项目，在1990年出现了第一个HIDAD试验性成像仪并且做出了评估。焦平面阵列的NETD值为0.08℃,优于预期的0.30℃。245×328元阵列使用X-Y寻址装置(Hansonetal,1992)，工作在BST探测器材料相位转变之处，使用一个机械斩波器做场差分处理。另外对目标进行网状化以增加MTF和减少像素之间的串音(Advenaetal,1993)。1989年，Watton提出，TI阵列使用双模式探测，即是一个复合的介电-热电工作模式，其极化和介电常数都随温度发生变化以产生输出信号。•基于HIDAD项目的成功实现，开始实现一种低成本的非致冷型传感器原型以发展低成本,重量轻的场效应红外探测器硬件。在F/1光学系统下阵列的性能改善到0.047℃。现在TI公司生产夜视技术传感器用于法律实施目的(Hanson,Beracan,1994)。1992年，LoralInc描述了192×128元阵列(ButterIwasa,1992)，该阵列使用了锂化钽，工作在真实的热电模式下，对基底没有热稳定装置。氢化物阵列使用了一个吸收性的镀层网状结构，NETD值为0.07℃。2.电阻型测辐射热计