跨入二十一世紀以來,紅外熱攝像技術的發(fā)展已經(jīng)歷了三十多個年頭。其發(fā)展已從當初的機械掃描機構發(fā)展到了目前的全固體小型化全電子自掃描凝視攝像,特別是非致冷技術的發(fā)展使紅外熱攝像技術從長期的主要軍事目的擴展到諸如工業(yè)監(jiān)控測溫、執(zhí)法緝毒、安全防犯、醫(yī)療衛(wèi)生、遙感、設備先期性故障診斷與維護、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強觀察儀等廣闊的民用領域。
P71Lqy)5}A v mk2{f,g 紅外熱攝像技術的發(fā)展速度主要取決于紅外探測器技術取得的進展。三十年來,紅外探測器技術已從第一代的單元和線
陣列發(fā)展到了第二代的二維時間延遲與積分(TDI)8~12μm的掃描和3~5μm的640×480元InSb凝視陣列,目前正在向焦平面超高密度集成探測器元、高性能、高可靠性、進一步小型化、非致冷和軍民兩用技術的方向發(fā)展,正在由第二代陣列技術向第三代微型化高密度和高性能
紅外焦平面陣列技術方向發(fā)展。
nZYBE030 </*6wpN 1 發(fā)展現(xiàn)狀
kMN~Y P( 8OQL: 1.1 超高集成度的焦平面探測器像元
gc$l^`+M Lt>IX") 像可見光
CCD之類的攝像陣列一樣,要提高系統(tǒng)成像的分辨率和目標識別能力,大幅度地提高系統(tǒng)焦平面紅外探測像元的集成度是一種重要的途徑。各公司廠家都在盡力增加焦平面陣列的像元數(shù),發(fā)展各種格式的大型或特大型紅外焦平面陣列。
YT(AUS5n -6B4sZpzD 在1~3μm的短波紅外(SWIR)焦平面陣列方面,由于多年來的軍用都集中在中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)波段,因而SWIR焦平面陣列技術的發(fā)展受到忽略,但由于這個波段的許多應用是MWIR和LWIR應用達不到的,因而近幾年來加快了對SWIR焦平面陣列技術的發(fā)展步伐,目前的陣列規(guī)模已達到2048×2048元(400萬元)。
8FY?!C RPRBmb940 ·InGaAs紅外焦平面陣列:雖然實現(xiàn)短波紅外熱攝像的候選材料要求低溫冷卻工作,而且HgCdTe襯底失配率高,暗電流也高,唯有In0.53Ga0.47As的晶格常數(shù)與InP相同,暗電流密度低達3×10-8A/cm2,R0A>2×106Ω.cm2,D*>1013cmHz1/2W-1(室溫下),其光響應峰值在0.9μm~1.7μm,可實現(xiàn)非致冷工作的高性能紅外焦平面陣列,其多年的
光纖通信工業(yè)應用使其具有大批量生產(chǎn)的能力,因而幾年來日益受到重視,美國
傳感器無限公司在DARPA 和NVESD支持下正在加速發(fā)展這種非致冷的紅外焦平面陣列和攝像機技術,其陣列尺寸已達到320×240元。
XlR@pr6tw c\AfaK^KF ·HgCdTe陣列:由于軍用目的的需求,過去這種材料焦平面陣列技術的發(fā)展主要集中于中波和長波紅外波段應用,但洛克威爾國際科學中心卻一直在發(fā)展1~3μm波段工作的HgCdTe焦平面陣列技術,其主要目的是天文和低背景應用,該中心在90年代中期已制出HQWAⅡ-1 1024×1024元陣列,目前已研制成功世界上最大的HQWAⅡ-2型2048×2048元的陣列,該中心正在計劃研制4096×4096元的特大型陣列。
cSV aI Jdj4\ju 在3~5μm的中波紅外焦平面陣列方面:中波紅外焦平面陣列技術的發(fā)展一直是紅外焦平面中發(fā)展最快的,主要有PtSi、InSb和HgCdTe三種陣列,其陣列規(guī)模已達到2048×2048元(400萬元)。
;uP:"k 3)ywX&4"L ·PtSi陣列已形成大批量生產(chǎn)能力,典型陣列有640×480,801×512,1024×1024,1040×1040,柯達公司新近推出的產(chǎn)品高達1968×1968元,其陣列規(guī)模已接近于400萬元,HgCdTe中波焦平面陣列是目前所有焦平面中波工作陣列中集成度高,最引人注目的,洛克威爾國際科學中心在這方面的發(fā)展處于世界領先地位,除了640×480和1024×1024元的天文應用陣列外,近期已準備提供用戶使用的陣列為2048×2048元,并正在采用拼接技術研制4096×4096元的陣列,但工作溫度低于77K。
?.BC#S)q1 Uz]|N6` ·InSb陣列是這個波段應用中深受重視的器件,主要是低背景天文應用陣列規(guī)格達1024×1024元,典型陣列還有640×480和640×512元。
H9e<v4c ;NITc 在長波紅外焦平面陣列方面,主要集中于HgCdTe,GaAlAs/GaAs多量子阱陣列,SiGe異質結構陣列和非致冷紅外焦平面陣列四種。HgCdTe陣列的發(fā)展一直較為緩慢,近幾年主要集中于GaAlAs/GaAs量子阱列和非致冷工作的紅外焦平面陣列技術,發(fā)展極快,陣列規(guī)模已達到了640×480元。
97!;.f- /IMFO:c ·HgCdTe焦平面陣列技術,由于這種材料的電學特性,進展一直較為緩慢,長波HgCdTe焦平面陣列規(guī)模僅為256×256元。
_I5Y"o pFjK}JOF ·GaAlAs/GaAs陣列是最近幾年來發(fā)展最快的,研究的國家公司機構很多,如美國的洛克希德-馬丁、洛克威爾國際科學中心,雷聲、噴氣式推進實驗室和空軍研究實驗室等,日本的三菱電機和NTT,法國的湯姆遜和瑞典、加拿大、以色列的不少公司竟相研制發(fā)展,其中以噴氣式推進實驗室、雷聲和洛克希德-馬丁公司的進展最快,目前的陣列尺寸已達到640×484元,已評估了1024×1024元的雙色陣列,正在水平集成四色陣列。
o?\?@H %1+4_g9 ·GeSi/Si異質結構紅外焦平面陣列6,其工作機理類同于PtSi陣列。MBE技術的發(fā)展,為GeSi/Si、InSb和InGaAs、GaAlAs、HgCdTe等高性能大型陣列發(fā)展提供了先進的制作技術。麻省理工學院和林肯實驗室已制作了320×240元和400×400元的陣列,日本三菱電機公司的陣列規(guī)模已達到了512×512元,只是目前GeSi/Si陣列工作溫度明顯低于77K。
pYf-S?Y/V bOY |H~ ·非致冷紅外焦平面陣列,由于近幾年來取得的突破性進展,器件和整機系統(tǒng)應用技術的發(fā)展均很迅速,主要用于8~14μm的長波紅外波段探測,像美國霍尼韋爾、得克薩斯儀器、洛克希德馬丁、雷聲、因迪哥系統(tǒng)、薩爾諾夫和波特蘭前視紅外系統(tǒng)公司等,日本三菱電機公司、英國GEC-馬可尼和瑞典、加拿大等國的公司都競相發(fā)展這種技術,競爭幾乎遍及全球,發(fā)展甚為迅猛,目前常用商用陣列為320×240元,640×480元陣列即將問世。
$~T4hv : EXqE~afm2 1.2 高性能
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