非制冷探测器技术发展

不幸的是，非制冷红外探测器在灵敏度方面至今无法满足所有军事应用的要求， 因此其应用仍然存在一定限制。不过，随着更多的投资涌向该技术领域，这种情 况无疑会发生改变。在不以远距离应用为主的场合，非制冷红外技术的应用正日 趋广泛。这方面的最好例子是许多国家准备发展的综合"未来士兵系统"，夜视能 力是其基本要求，此时成本、重量和功耗显得格外重要。
★70 年代中期至 80 年代，光栅扫描分光系统开始应用，但存在以下不足：扫描 速度慢、波长重现性差，内部移动部件多。此类仪器最大的弱点是光栅或反光镜 的机械轴长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，不适合作为过程 分析仪器使用。“光栅”被称为第二代分光技术。
★80 年代中后期至 90 年代中前期，应用“傅立叶变换”分光系统，但是由于干 涉计中动镜的存在，仪器的在线可靠性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环 境有严格要求，比如室温、湿度、杂散光、震动等。“傅立叶变换”被称为第三 代分光技术。
是 320×240 FPA BST, 已装备 M16、M4、M203 和 M136 等，其探测
和识别(人)距离为 200 米。
薄膜铁电型探测
正处于研发阶段：320×240、像素尺寸为 48.5μm，NETD 为 90~170mk,
器（TFFE）
填充因子 55%.
VOx（测辐射热计红外探测器，用于武器观瞄，已装备美陆军。
★90 年代中期，开始有了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪，这种近红外光 谱仪采用固定光栅扫描方式，仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过 1750nm。由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系 数较低，因而需要的光程往往较长。“二极管阵列”被称为第四代分光技术。
★90 年代末，来自航天技术的“声光可调滤光器”（缩写为 AOTF）技术的问世， 被认为是“90 年代近红外光谱仪最突出的进展”， AOTF 是利用超声波与特定的 晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光调制即通过超 声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好， 程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内 置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设 计产生优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来 越广泛的应用。
α-Si(非晶硅)电阻 Raytheon 公司（美）目前已批量生产，国际市场销售，主要用于商业和民用。
性探测器
160×120 FPA，像素尺寸为 46.8μm， NETD< 100mK。
Sofradir(法)
LET1/GEA 公司（法）自 1992 年开始从事 α-Si 微测辐射热计研究,
UL01011 型（2001 打破了美国在这方面的垄断。2000 年 Sofradir 的子公司 ULIS 公司购
非制冷红外技术发展现状（上）
尤海平(2005.11.17)
在夜视领域，红外探测器是热成像系统的核心，主要分为两类：制冷型（基于光 子探测）和非制冷型（基于热探测）。尽管前者（或者为光电探测器，或者为光 伏器件）被认为是实际应用中最佳的红外热探测技术，但它们的制造和使用成本 较高。不过，近年来非制冷红外探测器获得了长足发展。
产品名称
型号
工作波 视场
长
/0
μm
空间分 温度分 帧频 工作环境 重量 研制生产单
辨率 辨率/k /Hz 温度
/kg 位
/mrad
/oC
非制冷 热像仪 TR510
8~14 8×6
0.5 ≤1
-40~+50 <1.8 *武汉高德有
IR512
8~14 9×6.8 0.6 ≤
-40~+50 <1.8 限公司
在过去的 50 多年里，近红外光谱仪经历了如下几个发展阶段：
★第一台近红外光谱仪的分光系统（50 年代后期）是滤光片分光系统，测量样 品必须预先干燥，使其水分含量小于 15%，然后样品经磨碎，使其粒径小于 1 毫 米，并装样品池。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长）， 灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较 大的测量误差！“滤光片”被称为第一代分光技术。
0.1
非制冷红外焦 IR928
8~14
1
0.06 50
1.2
平面热像仪
非制冷红外热 DL-700B 像仪
8~14 20.5× 1.3 15.4
0.08@30 oC
-20~+60 <2.0 浙江大立科 技有限公司
非制冷红外热 DL-700C 像仪
8~14 20.5X 1.3 15.4
50 -20~+60 <2.0
阻型探测器
U3000/U4000 型（美）320×240 元 FPA 像素尺寸为 51μm，波长 8~12μm，NETD（U3000）
为 64~75mk，重量为 1.36kg。
DRS 公司 LTC650TM 1999 年制成，640×480 FPA，像素尺寸为 28μm，NETD <0.1℃重量为
2.4kg。
电气公司主要从事 VOx 电阻型探测器研究，最新报道 320×240 FPA 像素尺寸为 37μm， 热响应时间为 12ms，填充因子为 72%，其热像仪的 NETD 为 100mK（f/1,60Hz）。
美陆军在“未来战斗系统”使用和部署三种第三代热像仪：第一种是采用制冷型探测 器，具有较大的焦平面阵列（1024×1024 或 2048×2048），扩大目标探测器范围和提高 灵敏度，并能在中波和长波波段工作，采用多光谱红外探测器，兼备在冷背景中识别目 标和穿透烟雾的能力。这种热像仪将装备那些将来优先发展的作战平台，如计划于 200 8 年开始生产，将用于代替现役“艾布拉姆斯”坦克、“布雷德利”步战车的陆军“未来战车 系统”。
年）和 UL01021E 型 买 LET1/CEA 的技术转让。
（2002 年）
320×240 FPA，像素尺寸为 45μm，填充因子>80%，NETD 分别为 90mk
和 100mk，UL01021E 型内装恒温装置。
2003 年报道正在研发产品：(1) 320×240 FPA，像素尺寸为 35μm， NETD 为 36m（k 50Hz, f/1），热响应时间为 12ms，热阻抗为 4.2×107k/W；
1 概况 自上世纪 90 年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。这种热像仪与制冷 型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突 出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、 消费比高。 至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模 320×320 和 6 40×480 阵列，在未来的几年内有望获得超大规模的 1024×1024 非制冷焦平面阵列（FP A）。像素尺寸也由 50μm 减小到 25μm，使焦平面灵敏度进一步提高。这种非制冷红 外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛，部分型号产品已装备部队，尤其在轻武 器（枪械）瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式（便携）热像仪等轻 武器，以及部分导弹的红外成像末制导等方面，非致冷热像仪在近年内有望部分取代价 格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。 2 现状 1978 年美国 Texas Instruments 在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系 统，主要红外材料为 α-Si（非晶硅）与 BST(钛酸锶钡)。1983 年美国 Honeywell 开始 研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。1 990-1994 年美国很多公司从 Honeywell 获技术转让，使以 VOx（氧化钒）为探测材料 的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VOx 材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性 能最好的非制冷探测器就是采用 VOx 材料制备的，主要采用 8~14μm 波段 320×240 和 160×120 元的非制冷 FPA 器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA 组 件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。目前市场上有热像仪整机产品，也有各 种功能模块单独出售，供用户选用。 3 国外主要几家公司研制生产状况 目前，国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领 先水平。英国的公司主要是 BAE 公司，正在研制生产 PST-锆钛酸铅和 BST-钛酸锶钡混 合结构的热释电型陶瓷探测器，单元式结构的正在研制。 日本的主要有三菱公司，正在研发的主要有 Si P/N 结型和 YBaCuO 电阻型热探测器 两种，规格均为 320×240，像元素尺寸均为 40μm，在 f/1 条件下，Si P/N 结型 FPA 的 NETD（噪声等效温差）优于 120mK，YBaCuO 电阻型 FPA 的 NETD 优于 80mK。日本
DRS 公司 U6000 型 2001 年制成，640×480 FPA，像素尺寸为 25.4μm，2002 年 5 月对其
（美）
热像仪进行了演示。
Raytheon 公司（美）2000 年制成，640×480 FPA，像素尺寸为 25μm，热响应时间 10ms，
NETD 为 35mK（平均），填充因子>70%。
与制冷红外探测器相比，非制冷红外探测器不需要在系统中安装制冷装置，因此 尺寸较小、重量较轻且功耗较低。此外，它们与制冷型光子探测器相比可提供更 宽的频谱响应和更长的工作时间。因此，非制冷技术能为军事用户提供成本更低、 可靠性更高的高灵敏传感器。换句话说，它们能更廉价地进行采购和使用，这是 其吸引人的地方。
50/60
(24O 镜 (NETD:0
头) .08OC,30
OC 时)
1.75 力红外技术 有限公司
固定式红外热 HY192F（160× 7~14