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目前制冷型熱像儀與非制冷熱像儀的發(fā)展?fàn)顩r
熱像儀整機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r
1、制冷型熱像儀（即使用光子探測器的熱像儀）的發(fā)展?fàn)顩r
紅外探測器是熱成像技術(shù)的核心，探測器的技術(shù)水平?jīng)Q定了熱成像的技術(shù)水平。通過光學(xué)機(jī)械掃描，用單元紅外探測器就能獲得目標(biāo)的熱圖像，用多元紅外探測器可以提高系統(tǒng)的性能。典型HgCdTe紅外探測器有多元線列和SPRITE兩種，使用此類探測器的熱像儀統(tǒng)稱為第一代熱像儀。在紅外技術(shù)、材料技術(shù)和微電子技術(shù)的推動下，紅外探測器迅速向焦平面技術(shù)（Focal Plane Array）方向發(fā)展。FPA有二大特征：一是探測元數(shù)量很大，到103-106個探測元,以至于可以直接放在望遠(yuǎn)鏡的焦平面上而無需光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)；二是探測器信號的讀出、處理工作由與探測器芯片互連在一起的集成電路完成。典型的FPA有兩類：4N系列和M×N面陣系列。如長波HgCdTe 288×4的掃描型FPA探測器、InSb 256×256的凝視FPA探測器。目前，美、法等國已經(jīng)批量生產(chǎn)第二代熱像儀并開始進(jìn)行裝備。
現(xiàn)在，對熱成像技術(shù)的分代有不同的說法。一種通行的說法是：使用HgCdTe線列探測器加光機(jī)掃描的為一代，使用HgCdTe 480×4或288×4 FPA 等加簡單光機(jī)掃描的為二代，使用凝視FPA無光機(jī)掃描的為三代。
第一代的特征：使用HgCdTe體材料，多元線列或小面陣探測器，復(fù)雜的光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，中、小規(guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué)，簡單的信號處理，熱圖像的象素最多與黑白電視圖像相當(dāng)。典型例子：美國以光導(dǎo)HgCdTe60元、120元和180元探測器為核心的通用組件熱象儀，英國以SPRITE探測器為核心的通用組件熱像儀。
第二代的特征：使用HgCdTe體材料和薄膜材料，長線列或可以達(dá)到與黑白電視圖像象素相當(dāng)?shù)哪旻PA，有一定信號處理功能的大規(guī)模集成的讀出電路，簡單的光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，與一代相比作用距離和空間分辨率有明顯的提高。典型例子：采用法國SOFRADIR長波HgCdTe288×4掃描型FPA的熱像儀。
第三代的特征：使用HgCdTe薄膜材料，長線列或可達(dá)到與高清晰度電視圖像象素相當(dāng)?shù)哪旻PA，有復(fù)雜的信號處理功能的超大規(guī)模集成的讀出電路，簡單的光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)或無掃描機(jī)構(gòu)，大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué)，很復(fù)雜的信號處理，熱圖像的畫質(zhì)達(dá)到高清晰度電視圖像的水平。在與二代熱像儀大致相同的條件下，作用距離和空間分辨率比二代有明顯的提高。典型例子：美國Santa Barbara研究中心的InSb 1024 X 1024 凝視FPA。
2、非制冷熱像儀（即使用熱探測器的熱像儀）的發(fā)展?fàn)顩r
紅外焦平面列陣的發(fā)展朝兩個不同的方向進(jìn)行：一種是低溫制冷工作的光子型紅外探測器列陣，如HgCdTe、InSb和PtSi等；另一種是室溫工作的非制冷探測器列陣。制冷型探測器列陣的制作難度大，且需要昂貴的制冷系統(tǒng)，由其構(gòu)成的熱像儀通常用于敏感的軍事領(lǐng)域。
由于非制冷紅外焦平面探測器列陣具有室溫工作、無需制冷、光譜響應(yīng)與波長無關(guān)、制備工藝相對簡單、成本低、體積小巧、易于使用、維護(hù)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此形成了一個新的富有生命力的發(fā)展方向，其目的是以更低的成本、更小的尺寸和更輕的重量來獲得極好的紅外成像性能。近年來，已研制成功三種不同類型的非制冷紅外焦平面探測器列陣：
① 熱電堆（TGS PbTiO3）：根據(jù)塞貝克效應(yīng)檢測熱端和冷端之間的溫度梯度，信號形式是電壓。
② 微熱輻射計(jì)（多晶Si、VOx）：探測溫度變化引起載流子濃度和遷移率的變化，信號形式是電阻。
③ 鐵電（BST）：探測溫度變化引起介電常數(shù)和自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，信號形式是電荷。
在這三種器件中，微熱輻射計(jì)列陣的發(fā)展最為迅速，并且取得了令人矚目的成就。它采用類似于硅工藝的硅微機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行制作，為了實(shí)現(xiàn)有效的熱絕緣，一般采用橋式結(jié)構(gòu)。探測器與硅讀出電路之間通過兩條支撐腿實(shí)現(xiàn)電互連。測輻射熱計(jì)的靈敏度主要取決于它與周圍介質(zhì)的熱絕緣，即熱阻。熱阻越大，可獲得的靈敏度就越高。
目前測輻射熱計(jì)列陣的溫度分辨率可達(dá)0.1K，不久將達(dá)到0.03至0.05K。對于工業(yè)應(yīng)用來說，這種性能已相當(dāng)令人滿意了。用它構(gòu)成的熱像儀在尺寸、重量和價格方面可與可見光攝錄機(jī)相妣美，在不遠(yuǎn)的將來可望獲得廣泛的應(yīng)用，是一個新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。
非制冷測輻射熱計(jì)列陣技術(shù)也許是紅外熱成像技術(shù)在過去20年取得的最重要的進(jìn)展。90年代以來，非制冷測輻射熱計(jì)列陣已形成產(chǎn)品進(jìn)入市場。美國波音公司研制的U3000型320 X 240 元非制冷測輻射熱計(jì)列陣和美國Amber公司研制的320 X 240 元非制冷測輻射熱計(jì)列陣熱像儀Sentinel，雙雙榮膺美國1997年光電子領(lǐng)域優(yōu)秀獎。美國FLIR公司銷售到中國的非制冷焦平面熱像儀，就是采用此類探測器。2000年，法國Sofradir公司生產(chǎn)出了他們的第一只非制冷焦平面紅外探測器，它是采用由多晶硅材料制備的單片式電阻型微測輻射熱計(jì)技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)由法國國家紅外實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移至Sofradir公司生產(chǎn)，探測器列陣規(guī)模320×240，像元中心距45µm，填充因子大于80%，噪聲等效溫差（NETD）達(dá)到100mK（典型值），器件的性能指標(biāo)達(dá)到了當(dāng)今世界先進(jìn)水平。目前已開始批量供貨。
信息來源：m.kk-medicalproducts.com 信息整理：拓普電氣生技部
1、制冷型熱像儀（即使用光子探測器的熱像儀）的發(fā)展?fàn)顩r
紅外探測器是熱成像技術(shù)的核心，探測器的技術(shù)水平?jīng)Q定了熱成像的技術(shù)水平。通過光學(xué)機(jī)械掃描，用單元紅外探測器就能獲得目標(biāo)的熱圖像，用多元紅外探測器可以提高系統(tǒng)的性能。典型HgCdTe紅外探測器有多元線列和SPRITE兩種，使用此類探測器的熱像儀統(tǒng)稱為第一代熱像儀。在紅外技術(shù)、材料技術(shù)和微電子技術(shù)的推動下，紅外探測器迅速向焦平面技術(shù)（Focal Plane Array）方向發(fā)展。FPA有二大特征：一是探測元數(shù)量很大，到103-106個探測元,以至于可以直接放在望遠(yuǎn)鏡的焦平面上而無需光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)；二是探測器信號的讀出、處理工作由與探測器芯片互連在一起的集成電路完成。典型的FPA有兩類：4N系列和M×N面陣系列。如長波HgCdTe 288×4的掃描型FPA探測器、InSb 256×256的凝視FPA探測器。目前，美、法等國已經(jīng)批量生產(chǎn)第二代熱像儀并開始進(jìn)行裝備。
現(xiàn)在，對熱成像技術(shù)的分代有不同的說法。一種通行的說法是：使用HgCdTe線列探測器加光機(jī)掃描的為一代，使用HgCdTe 480×4或288×4 FPA 等加簡單光機(jī)掃描的為二代，使用凝視FPA無光機(jī)掃描的為三代。
第一代的特征：使用HgCdTe體材料，多元線列或小面陣探測器，復(fù)雜的光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，中、小規(guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué)，簡單的信號處理，熱圖像的象素最多與黑白電視圖像相當(dāng)。典型例子：美國以光導(dǎo)HgCdTe60元、120元和180元探測器為核心的通用組件熱象儀，英國以SPRITE探測器為核心的通用組件熱像儀。
第二代的特征：使用HgCdTe體材料和薄膜材料，長線列或可以達(dá)到與黑白電視圖像象素相當(dāng)?shù)哪旻PA，有一定信號處理功能的大規(guī)模集成的讀出電路，簡單的光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，與一代相比作用距離和空間分辨率有明顯的提高。典型例子：采用法國SOFRADIR長波HgCdTe288×4掃描型FPA的熱像儀。
第三代的特征：使用HgCdTe薄膜材料，長線列或可達(dá)到與高清晰度電視圖像象素相當(dāng)?shù)哪旻PA，有復(fù)雜的信號處理功能的超大規(guī)模集成的讀出電路，簡單的光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)或無掃描機(jī)構(gòu)，大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué)，很復(fù)雜的信號處理，熱圖像的畫質(zhì)達(dá)到高清晰度電視圖像的水平。在與二代熱像儀大致相同的條件下，作用距離和空間分辨率比二代有明顯的提高。典型例子：美國Santa Barbara研究中心的InSb 1024 X 1024 凝視FPA。
2、非制冷熱像儀（即使用熱探測器的熱像儀）的發(fā)展?fàn)顩r
紅外焦平面列陣的發(fā)展朝兩個不同的方向進(jìn)行：一種是低溫制冷工作的光子型紅外探測器列陣，如HgCdTe、InSb和PtSi等；另一種是室溫工作的非制冷探測器列陣。制冷型探測器列陣的制作難度大，且需要昂貴的制冷系統(tǒng)，由其構(gòu)成的熱像儀通常用于敏感的軍事領(lǐng)域。
由于非制冷紅外焦平面探測器列陣具有室溫工作、無需制冷、光譜響應(yīng)與波長無關(guān)、制備工藝相對簡單、成本低、體積小巧、易于使用、維護(hù)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此形成了一個新的富有生命力的發(fā)展方向，其目的是以更低的成本、更小的尺寸和更輕的重量來獲得極好的紅外成像性能。近年來，已研制成功三種不同類型的非制冷紅外焦平面探測器列陣：
① 熱電堆（TGS PbTiO3）：根據(jù)塞貝克效應(yīng)檢測熱端和冷端之間的溫度梯度，信號形式是電壓。
② 微熱輻射計(jì)（多晶Si、VOx）：探測溫度變化引起載流子濃度和遷移率的變化，信號形式是電阻。
③ 鐵電（BST）：探測溫度變化引起介電常數(shù)和自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，信號形式是電荷。
在這三種器件中，微熱輻射計(jì)列陣的發(fā)展最為迅速，并且取得了令人矚目的成就。它采用類似于硅工藝的硅微機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行制作，為了實(shí)現(xiàn)有效的熱絕緣，一般采用橋式結(jié)構(gòu)。探測器與硅讀出電路之間通過兩條支撐腿實(shí)現(xiàn)電互連。測輻射熱計(jì)的靈敏度主要取決于它與周圍介質(zhì)的熱絕緣，即熱阻。熱阻越大，可獲得的靈敏度就越高。
目前測輻射熱計(jì)列陣的溫度分辨率可達(dá)0.1K，不久將達(dá)到0.03至0.05K。對于工業(yè)應(yīng)用來說，這種性能已相當(dāng)令人滿意了。用它構(gòu)成的熱像儀在尺寸、重量和價格方面可與可見光攝錄機(jī)相妣美，在不遠(yuǎn)的將來可望獲得廣泛的應(yīng)用，是一個新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。
非制冷測輻射熱計(jì)列陣技術(shù)也許是紅外熱成像技術(shù)在過去20年取得的最重要的進(jìn)展。90年代以來，非制冷測輻射熱計(jì)列陣已形成產(chǎn)品進(jìn)入市場。美國波音公司研制的U3000型320 X 240 元非制冷測輻射熱計(jì)列陣和美國Amber公司研制的320 X 240 元非制冷測輻射熱計(jì)列陣熱像儀Sentinel，雙雙榮膺美國1997年光電子領(lǐng)域優(yōu)秀獎。美國FLIR公司銷售到中國的非制冷焦平面熱像儀，就是采用此類探測器。2000年，法國Sofradir公司生產(chǎn)出了他們的第一只非制冷焦平面紅外探測器，它是采用由多晶硅材料制備的單片式電阻型微測輻射熱計(jì)技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)由法國國家紅外實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移至Sofradir公司生產(chǎn)，探測器列陣規(guī)模320×240，像元中心距45µm，填充因子大于80%，噪聲等效溫差（NETD）達(dá)到100mK（典型值），器件的性能指標(biāo)達(dá)到了當(dāng)今世界先進(jìn)水平。目前已開始批量供貨。
信息來源：m.kk-medicalproducts.com 信息整理：拓普電氣生技部
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