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红外成像技术及产品概述

红外成像技术及产品概述

一、红外成像技术的概念及其发展

        人类的眼睛只对波长为400-700nm的可见光敏感,黑夜因缺少这种可见光而成为历来军事行动的重要屏障,是历来军事行动的最佳发动时段。也是技术是“客服黑暗、控制黑夜”的利器。红外热成像技术一种接收目标景物自身热辐射的被动成像技术,无论白天黑夜,都可以获得景物热图像。红外成像技术作为一种最主要的夜视技术,首先在军事行动中得到了广泛的应用,继而也逐渐在工业、科研等应用中得到广泛推广。

       地球上所有物体都辐射红外线,特别是运动目标,都要消耗能源,是一种温度较高的热辐射体,他们在0.8-14um波长范围内有比较强的辐射。

       在0.8-14um这个波长范围,划分为三个大气窗口,1~3um、3~5um和8~12um。在这三个波段范围内,大气对辐射有很好的传输特性,而在这些波段之间,大气对红外辐射几乎是不透明的。一般来说,1~3um主要用在高温目标和天文探测方面,近期也用在夜视观测。8~14um大气窗口适用于观察地面目标,而3~5um窗口适合在高温高湿地区,探测较远的空中目标。

       红外技术的起源可以追溯到200年前的英国天文学家赫谢尔红外线的发现,直到二战末期,红外技术才开始走向实际应用。红外成像技术的发展以红外探测器的发展为主要标志,到目前为止,红外成像技术经历了三个阶段的发展:

        第一阶段:采用光机扫描成像方式,红外探测器的元数在200元内或者采用SPRITE器件;

        第二阶段:采用较大规模的焦平面器件,像元数一般在320*256、288*4等量级;

        第三阶段:采用焦平面探测器的像元在640*480、1K*1K规模,探测器具有高速、高分辨、双波段复合等特点;

        第四阶段:未来红外成像将会采用SOC传感器,器件本身带有多种信号处理功能,具有可变分辨率和可变响应波段等功能。

 

二、红外成像探测器的特性参数

        红外探测器是红外成像系统中最为重要的组成部分,探测器的性能直接决定了红外成像系统优劣。红外探测器的性能主要由如下几个关键参数决定:

        1)响应率

探测器在单位入射光功率作用下输出的信号电压(电流)称为响应率;

        2)光谱响应

       探测器在单位光功率的单色光照射下所得到的输出电压、电流侧位探测器的单色光谱响应率,他们随波长的变化称为探测器的光谱响应。

        3)噪声等效温差

当探测器输出信号电压的有效值等于噪声均方根电压时,所能探测的温度差,称为探测器的噪声等效温差。

        4)探测器的响应时间

在阶跃输入光功率的条件下,探测器输出电流达到输出稳态值的63%所用的时间称为探测器的响应时间。

        5)其他参数

        除上述参数外,还有一些参数也直接影响探测器的性能和使用。如探测器工作温度、均匀性和盲元率。

 

三、红外成像探测器的分类及特性

        红外辐射对物体的各种效应都可以用来制造红外探测器,但真正有实用价值的探测器主要是热探测器和光子探测器两大类。

        热探测器在接收红外辐射后,温度升高而产生电信号。它经过升温的中间过程,因此响应时间都比较长。另一方面,由于是加热过程,热探测器对入射辐射的各种波长基本上都有相同的响应率,因此也称为“无选择性红外探测器”。其探测率通常比光子探测器低。响应时间一般为毫秒量级。热探测器可分为测辐射热计、温差电偶、气动探测器和热电探测器。

        光子探测器在接收到入射红外辐射后,入射光子与材料发生光电效应,产生自由载流子并由电路读出,这个过程要比加热物体快得多。因此光子探测器的响应时间比热探测器短得多,一般为微妙量级。光子探测器只能对某一波段响应,其光谱响应曲线都有一个长波限,因此这种探测器通常也称为“选择性探测器”。

        最长用的红外光子探测是利用内光子效应,这类探测器按其原理可分为光电导探测器、光伏探测器、光电磁探测器和量子阱探测器;按响应波长可以分为近红外(0.7~1.0um)探测器、短波红外(1~3um)探测器、中波红外(3~5um)探测器、长波红外(8~14)探测器、甚长波红外(14~30um)探测器和远红外(30~1000um)探测器。

        目前性能较好的实用型面阵红外探测器主要产品如下:

        短波红外:InGaAs光伏探测器、MCT光伏探测器;

        中波红外:MCT光伏探测器、InSb光伏探测器、GaAs/GaInAs量子型探测器

        长波红外:MCT光伏探测器、GaAs/GaInAs量子型探测器、VOx、非晶硅微测辐射热计阵列。