红外热成像技术介绍

北京波谱华光科技有限公司一、企业介绍二、技术内容三、应用领域中国电子科技集团公司第十一研究所1956年建所----是共和国建立的第一个电子元器件和材料研究所1958年建立红外技术研究室1964年建立激光技术研究室专业方向：研制为导弹、核武器、空间技术及常规兵器配套的红外、激光产品。1970年全所转向为激光红外专业技术研究所，是我国最早以军事应用为目标的光电技术研究所。中国光学光电子行业协会理事长单位中国电子学会量子学与光电子学分会挂靠单位总装备部军用光电子技术专业组组长单位军用固体激光技术国防科技重点实验室依托单位国家固体激光工程技术研究中心依托单位全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会主任委员和秘书处单位中国电子科技集团公司第十一研究所北京波谱华光科技有限公司中国电子科技集团公司第十一研究所控股公司十一所非制冷红外领域的代表主要面向军用配套市场和民品市场，业务形式以OEM和ODM为主。成熟的红外整机和光电系统研发和生产能力自然光的分光现象PRISMASirIsaaceNewton,1660牛顿通过三棱镜实验发现，自然光可分解不同的色光；今天我们知道，光的颜色代表了其频率；红外辐射现象的发现VisibleInfraredUltravioletSirWilliamHerschel,1800赫胥黎的研究：用温度计测量不同色光所含的热量；结论：红光所含热像最高，紫光最低；红光之外还存在更“热”的光；红外辐射是一种电磁波红外辐射特性红外辐射是一种电磁波，位于可见光的红光之外直至毫米波段，波长为0.7~1000um自然界中一切温度高于绝对零度（即零下273℃）的物体均可向外辐射红外线红外辐射以光速传播（299.793km/s）红外辐射不能被人眼感知红外目标自主产生热辐射——太阳、火焰、生物、发动机、尾焰吸收热辐射后释放——大气、陆地、砂石、金属蒙皮效应——飞机、汽车轮胎红外辐射吸收体——水、玻璃三个大气窗口大气对红外辐射的传播具有一定的吸收作用——二氧化碳、水蒸气、甲烷、气溶胶因此在大气中形成三个可以透过红外辐射的“窗口”：短波——1~3um中波——3~5um长波——8~14um各种大气现象对红外传播的散射瑞利散射——粒子半径远远小于红外波长，由气体分子引起，影响轻微弥式散射——粒子半径与红外波长接近，散射系数与波长四次方成反比无选择性散射——粒子半径远远大于红外波长，散射与波长无关雾——弥式散射，粒子半径中等，粒子浓度低云——弥式散射，粒子半径中等，粒子浓度高霾——弥式散射，粒子半径小，浓度低雨——无选择性散射红外探测器的早期研究研究主要集中在近红外非完全被动，需借助星光四十年代出现军用微光夜视仪（美国）红外探测器的发展第一代：单元器件、多元器件、Sprite器件——五十年代第二代：线列器件——六十年代第三代：焦平面（FPA）——七十至八十年代以后MCT——中波、长波InSb——中波QWIP（GaAs）——中波、长波，90年代后出现微辐射热计（Microbolometer）——长波非制冷第四代：以超大规模和多光谱为发展方向——目前正在研究，已有部分成品红外探测器红外探测器的分类光子型探测器——吸收红外辐射后，产生光电效应，即光子激发成传导电子而形成电信号；响应时间短，对波长有选择性；又可分为光导、光伏、光磁电等类型。热探测器——吸收红外辐射后，内部产生温度的变化，而温度的变化又引起物理性质的变化；响应时间长，对波长无选择性；又可分为气动探测器、测辐射热计、温差电偶、和热电探测器等类型。光子型探测器光子探测器是利用了材料的内光电效应，红外光子直接把材料束缚态电子激发成传导电子，参与导电，实现了光电转换。电信号大小与吸收的光子数量成比例。按电信号输出的不同原理，光子探测器又分为光电导、光伏、光磁电探测器。光电导探测器是当红外辐射照射到探测器上之后，引起它的电阻发生变化，从而可探测出入射辐射的强弱。这种探测器有时也称为光敏电阻。器件有PbS、PbSe、Ge:Hg、InSb、MCT等。光伏探测器是利用了半导体p-n结的特性，当它受到红外辐射的照射以后，载流子(即带负电的电子和带正电的空穴)被p-n结所分开，在p-n结两端建立起一个电场，这个电场的大小就表示了入射红外辐射的强弱。器件如InSb、MCT、TeSnPb、PtSi等。光磁电探测器由于需要在探测器芯片上要外加磁场，结构复杂，不常使用，器件有InSb、MCT等。光子探测器为对波长有选择响应的探测器，如:1~3μmPbS（硫化铅）3~5μmPbSe（硒化铅）InSb（锑化铟）MCT（碲镉汞HgCdTe）PtSi(硅化铂)QWIP（量子阱）8~14μmG:Hg(锗掺汞)PbSnTe(碲锡铅)MCT(碲镉汞)QWIP(量子阱)热探测器传感器被入射的红外辐射加热温度变化的测量可由下列方式得到—电阻变化（测辐射热计）—热电结（TE传感器）—热释电效应—油膜蒸发（蒸发图案）—半导体吸收边缘移动—热弹性效应—液晶色变—气体压力改变（高利元件）非制冷红外探测器制冷型红外的缺陷——成本高、寿命短20世纪70年代末，美、英军方制定秘密计划：发展非制冷焦平面，目的是发展出用户买得起和用得起的热成像仪。ULIS——UncooledLow-costInfraredSensor非制冷红外探测器早期有用热释电材料制成的摄像管，并制成了热电视(红外电视)。1992年公布了非制冷焦平面的研制结果。采用的探测器材料主要为两种，即热释电和测辐射热计。采用热释电材料的有:美国TI公司1987年研制出了100×100元的BST，NETD0.5℃，1990年对交付的第一个成像阵列进行评估，更大的焦平面阵列达到了所希望的0.3℃的指标，测得NETD为0.08℃，1993年328×245元的阵列，像元中心距为48.5μm。对系统进行测试所获得的NETD在使用f/1光学时小于0.04℃。英国在1988年研制出了100×100元的PZT。1991年美国Loral公司研制出了192×128元的热释电器件，NETD小于0.07℃。采用测辐射热计的主要是美国Honeywell公司,该公司在1985年研制的80000元电阻型测辐射热计的NETD=0.3℃。1990年采用氧化钒的336×240元阵列制作了第一个便携式热像仪，获得的NETD=39mK(F=1)。此后，无论是热释电还是测辐射热计，320×240系列的器件和热成像出现了很多。九十年代末以来探测器的尺寸减小到了30μm左右，出现了640×480系列的阵列，产品的NETD达到了50mK以下。目前多家公司已经演示了此种热像仪。前几年已经报道了1024规格的产品。非制冷红外探测器红外热像仪的组成红外探测器驱动电路制冷机（制冷型具备）红外光学镜头外形及其他接口、结构配件机芯红外光学红外仪器中的光学元件，如透镜、转鼓(棱镜)、窗口(包括杜瓦瓶的窗口)、滤光片、调制盘等，均需要光学材料。红外光学材料除一般光学玻璃所具备的光学、物理、化学、热、机械等性能外，还要求在红外波段内具有良好的透过率。常用的红外光学材料为Ge，少量使用ZnS等光学镀膜红外光线材料的折射率较高，反射损失大，因而透过率较低，而且反射光线还将引起象质变差。镀增透膜对于透射式红外光学元件是必不可少的工艺，它不但提高了光学元件透过率，还对光学材料起到了保护作用，避免了某些材料的潮解等损伤。由图可以看到，未镀增透膜的Ge片透过率很低,镀增透膜可以根据需要在3~5微米或8~14微米的工作波段提高透过率。图中所示为8~14微米工作波段的曲线。不受光照条件影响可穿透烟、雾对比技术——微光夜视作用距离很短成像质量差受外部光源影响极大，无法避免过曝不能穿透烟、雾对比技术——红外LED主动照明作用距离较短——数十米寿命问题专利问题受外部光源影响极大，无法避免过曝不能穿透烟、雾价格便宜对比技术——激光主动照明作用距离较长——标称可达3000m难以进行多点监控应用寿命问题“光污染”风险受外部光源影响极大，无法避免过曝不能穿透烟、雾价格适中军、警用军、警用军、警用航天遥感工业测温医用测温消防森林防火安防监控安防监控要地防护车辆辅助驾驶海事北京波谱华光科技有限公司