红外成像在现代生活中涉及方面很多,应用范围广泛。

按工作原理,红外探测器可分为非制冷型探测器和制冷型探测器两类。制冷型探测器主要用于航天、舰船等高端领域,军品为主;非制冷型探测器NETD指标较低,但在军/民领域均有更为广泛的应用。

按敏感材料,制冷型探测器的MEMS传感器主要由碲镉汞(MCT,HgCdTe)等光敏材料制成,非制冷型探测器的MEMS传感器主要由氧化钒(VOx)、非晶硅(α-Si)两大类主流热敏材料制成。非晶硅相对于氧化钒薄膜易于实现大规模生产,然而氧化钒的NETD指标(如测温精度和灵敏度)都要显著优于非晶硅探测器。

红外热像仪也叫红外成像系统或红外探测系统,红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品。始于20世纪50年代的红外热成像技术经历了三代历程:第一个阶段为20世纪40年代至80年代初,这30年是红外探测技术发展的初级阶段,光子探测器是这一段时间的主流;第二阶段为20世纪80年代至21世纪初,红外焦平面技术是这一时期的核心技术,红外焦平面阵列探测器的体积小、重量轻、可靠性高;二十世纪90年代至今,红外探测器正经历着第三次革命,以微测辐射热计和热释电探测器为代表的非制冷红外成像技术获得了重要突破并达到实用化。非制冷红外探测器技术解决了制冷型红外探测器需要在低温下工作的问题,除此之外,非制冷红外探测器成本低廉,可实现大规模生产,使红外探测仪能进入广阔的民用市场。

红外热像仪通过探测目标物体的红外辐射,然后经过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像,能够为人体肉眼所看见,同时如果在热像仪中加一块温度信息处理电路板,则能够根据所接收的辐射能量得出探测目标每个点的温度。具体来说,在红外热像仪中,红外图像转换成可见图像分两步进行。第一步是利用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射变为电信号,该信号的大小可以反映出红外辐射的强弱;第二步是通过电视显像系统将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在电视荧光屏上显示出来,实现从电到光的转换,最后得到反映目标热像的可见图像。

红外探测器是红外探测系统的核心,红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光传感器。现在使用的红外探测器几乎都是焦平面阵列,而非分立型红外探测器。分立型红外探测器是指器件单独封装实现光电转换功能,每个探测器元单独输出信号,再与前放等信号处理电路相连,每个器件都形成一个单独的通道。而焦平面阵列(IRFPA)是指大规模M*N(元)面阵型或4N或6N(元)型探测器芯片与信号处理电路芯片集成互连耦合后,共同封装在一个外壳中,在焦平面上实现光电转换和信号处理将各元件的光电信号多路传输至一条或几条输出线,以行转移或帧转移的视频信号的形式输出,探测器结构大大简化,包括电源线、驱动电路和信号输出等全部引出线大约只需几十条。

红外探测器按照不同的分类标准可以分为多种:

(1)按成像方式分为扫描型和凝视型两种,其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分(TDI)技术,采用串行方式对电信号进行读取;凝视型式则利用了二维形成一张图像,无需延迟积分,采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快,但是其需要的成本高。

(2)红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此,按照结构形式分类,红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。单片式集成在一个硅衬底上,即读出电路和探测器都使用相同的材料;混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料,如红外探测器使用HgCdTe,读出电路使用硅(Si)。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。

(3)制作焦平面探测器的材料有HgCdTe、GaAs、Si二极管等等,根据这些材料工作原理的不同,焦平面探测器可以分为光子探测器和热探测器。由于光子探测器的构成材料大多在低温下工作,需要制冷,因此光子探测器又称为制冷型探测器;热探测器可以在常温工作、无需制冷,因而又被称为非制冷型探测器。

光子探测器(制冷型)在红外辐射的作用下,材料的载流子浓度发生变化,从而引起探测元电学特性的变化。因为光子探测器的工作机理是光子与探测器材料直接作用,产生内光电效应。因此,其响应时间为微秒或纳秒级,光子探测器的探测率一般比热探测器大1至2个数量级,正常工作一般需要制冷,探测波段一般较热探测器也较窄。由于光子探测器的工作机理是由光子直接转换为电信号的过程,因此其具有响应速度快、可靠性高等特点。然而在室温下,由于材料本身激发特性,其暗电流较大,将增加其噪声水平,从而降低器件信噪比。所以,光子探测器要发挥其最佳性能,需要在低温制冷。这就增加了其系统的复杂性,造成系统价格居高不下,从而制约了它的应用和发展。光子探测器(制冷型)目前仅在对灵敏度要求非常高的军事领域和部分工业领域中得到应用。

热探测器(非制冷型)是利用红外辐射特有的热效应,将红外辐射先转换为热,再通过敏感元材料将热转换为电信号的探测器。红外首先入射到探测元,引起敏感元温度变化,从而引起敏感元某一物理量的变化,最终导致电信号变化。其探测机理有:辐射热效应,热伏效应,热气动效应和热释电效应。热探测器的响应信号只取决于红外辐射功率的强弱,与红外光谱成分无关。由于热探测器换能过程较慢,因此与光子探测器相比,热探测器的响应时间较长,光子探测器的响应时间一般为微秒级,而热探测器为毫秒级。非制冷焦平面探测器因具有可靠性高、价格低廉、体积小、重量轻、功耗低等优势,近年来得到了各行业的关注,发展迅速,成为了红外焦平面探测器在民用领域的主流产品。在非制冷焦平面探测器的整个生产成本中,封装成本占到了其总成本的80%以上,而其余20%主要是由焦平面芯片产生的,焦平面芯片的成本降低主要是通过提高芯片成品率来实现的。

随着非制冷红外探测器技术的积累与成熟,其性能不断接近于制冷型红外探测器,加上非制冷探测器不用制冷设备,相比制冷型红外探测器价格低、体积小、重量轻、功耗低、寿命长、可靠性高因而成为红外热成像领域中最具有市场技术发展方向。以红外热成像领域中最常见的红外热像仪为例,红外热像仪的应用按其用途可以大体分为两大类,一为定性观察,二为定量分析。定性观察是根据图像判断物体的存在和运动,主要应用于军事、安检、消防、监控等方面。定量分析是利用红外热像仪的测温功能对物体的温度分布进行分析。

红外热像仪能在完全黑暗的环境下探测到物体,即使在有烟雾、粉尘的情况下也不需要可见光光源,因此可以全天候使用。红外热像仪以被动的方式探测物体发出的红外辐射,比其他带光源的系统更具有隐蔽性。由于红外成像具有隐蔽性强、抗干扰性强、目标识别能力强、全天候工作等特点,所以被应用于军事侦察、监视和制导等方面,在武器装备中得到广泛应用。陆军主要将其用于夜间监视、瞄准、侦察、射击指挥、制导和防空等;海军主要将其用于监视、巡逻、观察和导弹跟踪等;空军主要将其用于轰炸机、侦察机和攻击机等的导航、着陆、营救、空中侦察、高空摄影和射击投弹等。从空间到地面,从水下到空中,红外成像仪已成为现代高技术常规兵器装备中不可缺少的重要部分。

随着红外探测器技术的成熟,各种适于民用的低成本红外探测器不断问世,它在国民经济各个领域发挥着越来越重要的作用。

从需求端来看,根据美国权威机构Maxtech International的红外热像仪市场调查报告,军用红外热像仪的市场将保持稳定增长,2013年全球红外军用市场规模达到79.00 亿美元,2018年的市场规模预计可达98.26 亿美元,其中红外探测器及探测器模块12.3亿美元,红外系统85.96亿美元。军用红外热像仪产品销售金额复合年增长率4.47%,其中红外探测器及探测器模块增长率2.9%,红外系统增长率4.7%。

在民用领域,红外热像仪行业已充分实现市场化竞争,各企业面向市场自由竞争。随着非制冷红外热成像技术的发展,红外热像仪在民用领域得到了广泛的应用,其民用市场保持着很快的增长速度,增长幅度要远大于军用领域。红外热像仪在民用市场消费额的快速增长主要来源于新应用领域的不断扩大,随着红外热像仪在电力、建筑、执法、消防、车载等行业应用的推广,国际民用红外热像仪行业将迎来市场需求的快速增长期。从需求端来看,根据美国Maxtech International的红外热像仪市场调查报告,2013年民用红外热像仪的市场规模达到29.56亿美元,预计在2019年,市场规模可达55.07亿美元,其中制冷型15.12亿美元,非制冷型39.95亿美元;民用红外热像仪的销售金额复合年增长率为11.00%。目前北美市场占据了全球60%以上的红外热像产品份额,欧洲和亚洲市场则正处于快速发展阶段。从下图中可以看出,在民用领域非制冷型红外热像仪的复合年增长率13%要远大于制冷型红外热像仪的复合年增长率6%,说明随着非制冷型红外热成像技术的发展,非制冷型红外热像仪在民用领域的发展空间巨大,市场份额稳步提升。