摘要：综述了红外上转换成像技术的研究进展。与直接红外成像技术相比，红外上转换成像技术具有响应速度块、灵敏度高和噪声特性优良等一系列优点。红外上转换成像技术是结合频率上转换技术与可见光高性能探测器的一种具有巨大潜力的技术，随着近年来非线性频率转换取得的重大进步，人们对应用于红外或近红外光谱成像的上转换技术进行了大量的研究。本文首先对红外上转换成像技术的原理进行了简单叙述，随后分别介绍了提高红外上转换成像技术的转换效率、空间分辨率和视场的不同方法，并简单叙述了其他有关的红外上转换成像研究工作，最后展望了红外图像上转换技术的发展趋势。 关键词：上转换成像；转换效率；空间分辨率；视场 1引言 红外或近红外，尤其是光通信波段的光子波长处在大气和光纤的低损耗传输窗口，在生物医学成像、国防军事、气体分析和量子信息领域具有广泛地应用。目前最先进的直接红外探测器有热传感器、半导体探测器或超导纳米线探测器。热传感器成本低廉，由于其响应速度慢、灵敏度低，只能用于对精度和速度要求不高的场合；半导体探测器灵敏度高，但需要冷却操作和精密处理；超导纳米线探测器具有高灵敏度和快速响应的特点，但是在几mK到K的极低温度下工作，成本高昂。 与之相比，可见光波段的单光子探测器件（Si-APDs、PMTs）和CCD传感器具有量子效率高、暗计数低以及响应快的特点。因此，有效地将中、近红外光上转换为可见光，并利用可见光高性能的探测器探测的上转换技术引起了人们的注意。1968年，Midwinter首次实现了从短波红外1.6μm到可见光484.2nm的参量上转换成像，他利用输出功率为0.5W的红宝石激光器泵浦氙灯照射的目标在LiNbO3晶体中进行上转换，并利用柯达相机采集上转换图像，获得了50线的空间分辨率和10-7的转换效率。然而，受到晶体材料、泵浦功率和探测器性能的限制，这项技术在1970年后几乎无人问津。 21世纪以来，随着频率上转换技术的快速发展，上转换成像技术重新引起了人们的兴趣。2002年，Christopher D. Brewer等人在利用LiNbO3晶体实现激光雷达红外回波信号到可见光的上转换接收机中，通过使用微透镜阵列使系统的视场增加了6%，光束耦合效率提高了18%。2004年，David J. M. Stothard等人实现了紧凑的、泵增强的和连续波光学参量振荡器的用于气体主动实时高光谱成像的可调谐系统。2010 ～ 2011年，Benoit ChalopinS.、Bonora、Mark D.Petersen等人分别使用自成像谐振腔增强、氧化钒薄膜层中的高对比度光开关和用kHz放大激光系统实现了二次谐波图像上转换。2015年，A. J. Torregrosa等人通过放大自发辐射（ASE）光纤光源照射的1550nm波长的入射图像和频得到视场显著增强的上转换像。2018年，H. Maestre、DismasK. Choge等人利用PPLN晶体温度梯度诱导啁啾的可重构性实现红外图像上转换，分别增强了上转换图像的视场和拓宽了输入红外波的光谱接收范围。2020年，Juan Capmany等人通过在泵浦光束腔内放置一个通过对相位匹配条件瞬态电光抑制的非线性晶体，实现了对上转换图像的快速、灵活实时选通的内腔非线性图像选通上转换系统。2009至今，丹麦技术大学光子实验室的C. Pedersen团队对上转换成像技术进行了大量研究，他们对提高图像上转换的效率、空间分辨率、视场和噪声特性等方面进行了详细的研究。 上转换成像技术的图像视场、空间分辨率、上转换效率、噪声和成本是阻碍其实际应用的关键因素。本文首先对红外上转换成像技术的原理进行了简单叙述，随后介绍了提高上转换成像技术性能的不同方法并进行了比较，最后展望了红外图像上转换技术的发展趋势。 2红外上转换成像技术原理 红外上转换成像是利用非线性光学和频过程，将红外照明的图像上转换为可见光光谱，同时保持其量子特性的不变，然后利用可见光谱范围具有更好性能的图像传感器成像。与现有的红外光谱范围和THz区域的成像传感器相比，上转换成像技术可以获得实时的、全非扫描的二维图像。这种方法充分利用了可见光波段图像传感器在噪声、速度、分辨率或非制冷操作方面更优的性能，克服了红外图像传感器暗噪声高、需制冷等缺点，可以实现红外图像高灵敏度、高分辨率成像。 红外上转换成像技术的基本原理如图1（图片改编自文献）所示，角频为ω1的红外照射的目标形成目标图像，携带目标信息的红外光子与角频为ωp的泵浦光子由二向色镜DM合束，由透镜L1耦合到非线性晶体中，通过和频产生频率ωup的上转换图像，并由透镜L2将上转换的图像投影到的探测器D上。 图1 上转换成像技术原理 上转换图像的分辨率随非线性晶体内上转换激光模式的大小而变，根据文献推导出的理论模型，上转换成像系统的点扩散函数（PSF）可由下式描述： 其中，α = 1是相干照明；α = 2是非相干照明；w0是腔内泵浦场的束腰半径；λ3是上转换波长；f1是透镜L2的焦距；r是到光轴的径向距离；w是假定在整个非线性相互作用长度内恒定的本振激光束半径；f是透镜L1的焦距。由点扩展函数可以知，非相干照明上转换图像的分辨率是相干照明的槡2倍。此外，影响分辨率的几何参数是激光束的尺寸和L2的焦距。 在系统的光学损耗和非线性损耗可以忽略的情况下，红外图像上转换到可见光的量子效率主要由频率转换的效率和可见光相机的量子效率决定。在相干光源照明的情况下，束腰尺寸与量子效率成反比。对于图1所示的非线性晶体位于4f系统的中心的情况，假设目标受单色源照明，共焦长度大于晶体长度lc，上转换图像的强度Iup可由下式描述： 式中，Pp是泵浦强度；EIR是输出图像的电场强度；PSF为系统的点扩展函数，M = – λ3f1/λ1f是成像系统的缩放因子；C是与上转换效率相关的系数，由下式计算所得： 其中，deff是非线性晶体的有效非线性系数；λ1是输入图像的光谱波长；ni = 1，2，3分别表示输入图像、泵浦和上转换的波长。 当使用非相干源照明目标时，值得注意的是点扩散函数作用于目标图像的强度，而不是相干源照明时目标场的电场。因此，上转换图像强度为： 其中，c 是真空光速；ε0是真空介电常数。 相干照明时上转换图像强度与束腰半径w0成反比，与之相比，非相干照明时上转换的图像强度与光束大小w0完全无关。上转换成像系统光学传递函数（OTF）是PSF的傅里叶变换，这意味着晶体内部的激光束形状决定了OTF。另一个有趣的特征是，式（4）不是f的函数，只是作为图像的放大系数，这也与相干情况形成对比。 3红外上转换成像技术研究现状 与直接红外成像技术相比，红外上转换成像技术具有响应速度块、灵敏度高和噪声特性优良等。图像上转换的转换效率、空间分辨率、视场以及噪声特性是影响其实际应用的关键因素。近年来，人们对提高红外上转换成像系统的性能进行了大量的研究，并取得了众多高水平的研究成果。本节分别介绍了人们在提高红外上转换成像技术的转换效率、空间分辨率和视场方面作出的研究工作，以及其他方面的研究成果。 3.1高转换效率图像上转换 在高灵敏度的应用中，图像上转换的效率尤为重要。图像上转换的理论表明了增强泵浦强度可以有效提高转换效率，因而采用腔增强、多通等方式可以增加上转换图像的转换效率。随着晶体生产和掺杂等晶体学技术的发展，具有大非线性系数、高损伤阈值和极化周期多样等具有优良性能的晶体在频率转换领域得到广泛应用。采用腔增强、双共振、多通和多块晶体级联等方式，图像上转换的效率逐渐提高。 C.…

1、非制冷打败了制冷 并分成三大技术模块 红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，探测器的性能直接决定了热成像系统的最终性能。 红外焦平面探测器可分为制冷型和非制冷型两大类。 制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离远，但是其结构复杂且成本高昂，主要应用于高端军事装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够在室温状态下工作，具有启动快、功耗低、体积小、重量轻、寿命长、成本低等诸多优点。 非制冷红外焦平面探测器虽然在灵敏度上与制冷器件有一定差距，但经过近十余年的发展，其在性价比上已经明显优于制冷型探测器，具有更加广阔的应用前景。 其中，微测辐射热计的技术路线战胜了热电堆/热电偶、铁电等其他类型，使其成为非制冷红外焦平面探测器的主流技术方向，并几乎占据了该领域的全部市场份额。 非制冷红外焦平面探测器从技术上可分为微测辐射热计、读出电路、真空封装等三大模块，这三大模块既有一定的独立性又相互影响，共同推动非制冷探测器的技术发展。 目前国内外相关研究机构和生产厂商都是围绕着这三大技术模块进行技术开发，在各个模块上各有侧重，形成了具有不同技术特点的非制冷探测器产品。 微测辐射热计 微测辐射热计在硅衬底上通过MEMS技术生长出与桥面结构非常相似的像元，故而也称之为微桥。桥面通常由多层材料组成，包括用于吸收红外辐射能量的吸收层，和将温度变化转换成电压（或电流）变化的热敏层。桥臂和桥墩起到支撑桥面，并实现电连接的作用。 热敏层材料的选取对于微测辐射热计的灵敏度（NETD）有非常大的影响，目前最为常用的热敏材料包括氧化钒（VOx）和多晶硅（a-Si）两类，相应的非制冷红外焦平面探测器也据此分成了两大技术阵营。 20世纪80年代末，美国的Honeywell公司在军方资助下率先研制出非制冷氧化钒微测辐射热计。多晶硅技术起步大约晚了十年，法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室（CEA2LETI/LIR）从20世纪90年代初开始研究多晶硅薄膜，大约用了十年时间推出了多晶硅探测器产品。 氧化钒由于其更加突出的综合性能而成为非制冷红外焦平面探测器的主流技术路线，截至目前在全球市场上占据了超过80%的份额，多晶硅材料探测器所占市场份额还不到20%。 读出电路 非制冷红外焦平面探测器的读出电路将每个微测辐射热计的微小电阻变化以电信号的方式输出。由于微测辐射热计对于其衬底温度的变化非常敏感，所以一开始必须使用热电温控器（TEC）来保持非制冷探测器的焦平面温度稳定。 近年来随着读出电路设计水平的提高，一些抑制像元输出信号随温度漂移的补偿电路也逐渐加入读出电路设计中，从而可以实现无TEC应用，使得非制冷红外焦平面探测器在功耗、体积、成本等方面更具备优势。 真空封装技术 微测辐射热计接收目标红外辐射后的温度变化很微弱，为了使其上面的热量能够维持住，避免与空气分子进行热交换，需要将其置于真空环境下工作。 对非制冷红外焦平面探测器真空封装的要求是：优异且可靠的密闭性、具有高透过率的红外窗口、高成品率、低成本。 目前的封装技术可分为金属管壳、陶瓷管壳、晶圆级、像元级等，业内也常按照封装形式来对探测器产品进行分类。 金属管壳封装 这是最早开始采用的封装技术，技术已非常成熟。但由于采用了金属管壳、TEC和吸气剂等成本较高的部件，导致其成本一直居高不下，使其在低成本器件上的应用受到限制。 非制冷红外焦平面的金属管壳封装 陶瓷管壳封装 这种封装形式得益于无TEC技术的发展，可显著减小封装后探测器的体积和重量，且从原材料成本和制造成本上都比传统的金属管壳封装大为降低，适合大批量生产。 非制冷红外焦平面的陶瓷管壳封装 晶圆级封装 晶圆级封装是刚刚进入实用阶段的封装技术。该技术需要制造与探测器晶圆相对应的另一片硅窗晶圆，将红外探测器芯片与硅窗精确对准，在真空腔体内将两片晶圆焊接在一起，最后再裂片成为一个个晶圆级红外探测器。晶圆级封装技术的集成度更高，工艺步骤更简单，更适合大批量和低成本生产。 非制冷红外焦平面的晶圆级封装 像元级封装技术 目前还处于研究阶段，离产品化还有相当距离。该技术相当于在目前的MEMS工艺过程中增加了一个封装步骤，在真空腔体内为每个像元微桥结构制造一个倒扣的微盖，将各个像元独立密封起来。像元级封装技术把封装整合进MEMS工艺过程中，简化了非制冷红外焦平面探测器的制造过程，使封装成本几乎降低到极致。 2、国内正追赶国外 技术市场双提速 进入21世纪以来，非制冷红外焦平面探测器的技术发展明显提速，在短短十几年间取得了产品化的长足进步。 但由于技术本身所具有的复杂性与难度，目前在非制冷红外焦平面探测器产品上居于领先地位的厂商仍然主要集中在西方几个技术强国，包括美国的FLIR、DRS、Raytheon、L-3，法国的ULIS，英国的BAE，以色列的SCD、日本的NEC等。 近几年来，中国在非制冷红外焦平面探测器技术上进步神速，在世界上争得了一席之地，代表厂商有北方广微、烟台艾睿、杭州大立、武汉高德等。 国内外主要厂商的技术对比情况如表所示。从表中可以看出，目前国内外产品的几项主要技术指标中，热敏材料、阵列规模、热响应时间、NETD等基本居于同一水平，在像元尺寸方面国外厂商具有一定领先优势。 但在表中未列出的封装技术方面，国内明显落后于国外。目前国内产品仍然以金属封装为主，陶瓷封装刚开始起步，而国外厂商已逐渐淘汰金属封装，完全进入了陶瓷封装时代，甚至FLIR的晶圆级封装产品已经在批量供货。 主要厂商技术对比 目前FLIR无论是在技术水平还是在出货量上，都稳居全球首位，成为当之无愧的行业老大。ULIS是多晶硅路线的领军者，其出货量排在全球第二。FLIR和ULIS在中国市场上也是出货量最多的，但由于历史和政治原因，ULIS在中国市场的占有率要高于FLIR。其他几家厂商，如DRS、BAE、SCD等，虽然也具有较高技术水平和产能，但是其产品主要在国外销售，国内很少见到。 近年来，随着中国军方核心器件国产化要求的普及，国内厂商获得了宝贵的发展契机，以北方广微为代表的国产非制冷红外焦平面探测器逐渐进入军方定型装备，取得批量订单。 由于起步较早，北方广微的技术水平在国内是最为成熟稳定的，出货量在国内厂商中也遥遥领先。 近两年烟台艾睿的技术水平发展神速，在新产品开发上跑在了国内前列，据报道于2016年推出了1024×768/14 μm的探测器。 杭州大立作为国内仅有的多晶硅探测器厂商，其制造的探测器主要用于本公司的民品整机产品，也已经具有一定规模的产量。 国内非制冷红外焦平面探测器技术比国外起步晚了近二十年，虽然经过近年来的努力追赶，已经将技术差距缩短到几年内，但是从技术的先进性和成本控制上仍然居于劣势。 国内市场上，国产器件得益于政策支持和军方需求的激增，在军品市场上有非常好的机会。国内厂家必须借助军品订货量的大幅增长来实现探测器制造成本的下降，从而为国产器件在民品市场和海外市场上创造更大的竞争力。 3、发展趋势已明 并以市场需求为导向…

没有体温，遗体还能被找到吗？

红外技术的发展水平，通常是以红外探测器的发展水平为主要标志

微光成像技术 微光夜视技术又称像增强技术，是通过带像增强管的夜视镜，对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。微光技术是光电高新技术中的重要组成部分。在微光夜视产品中，图像增强器是核心器件，利用图像增强器将夜空中微弱的自然光，如月光、星光、大气灰光增强几百倍、几万倍达到使人眼能够进行远距离观察的程度。黄绿光是人眼最敏感的波长，因此，这种颜色的荧光屏常常被应用到增像器上。我们在电影电视里看特种部队进行夜视成像时，夜视镜头里的图景呈现黄绿色就是因为这个原因。 红外成像技术 红外夜视技术分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术，对应装备为主动红外夜视仪。被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标。其装备为热成像仪。现阶段监控摄像机装备的都是主动红外系统，对被动红外系统的应用还较少。 微光成像技术优点 微光成像技术之所以被各国军队大量应用在夜视上，是因为它的全面性。该技术相比红外技术，不需要红外灯发射红外线、不需要被观测物体必须有热量。从而很好的适应军队在不同环境下作战。选择红外成像技术，第一得考虑红外灯的损耗和维护，第二要考虑被观测物体是否自身含有热量。而微光成像技术不需要考虑这么多，只需借助自然光即可达成夜视效果。同时，微光夜视仪图像清晰、体积小、重量轻、价格低、使用和维修方便、不易被电子侦察和干扰，应用范围广，这些也是红外夜视成像不可比拟的。 微光成像技术的缺点 微光成像技术的缺点在于易受周边环境影响。如怕强光，具有晕光现象。在遇到强光的时候夜视仪无法进行观测，观测者会感到眩晕。 微光图像的对比度差、灰度级有限、瞬间动态范围差、高增益时有闪烁、只敏感于目标场景的反射，与目标场景的热对比无关。 红外成像技术的优点 红外成像技术的优点在于其无需借助外部环境光，自身发射红外线光进行夜视成像。夜视范围广，受环境影响小。多用于楼宇监控摄像机，主要是因为它不借助自然光,适合在室内使用。而被动红外技术的红外热成像，不受雨雪、风霜等恶劣环境影响、成像清楚、准确度高、能识别伪装和抗干扰。红外热成像系统不像微光夜视仪那样借助自然光，而是靠目标与背景的辐射产生景物图像，因此红外热成像系统能24小时全天候工作。即使在白天也能通过热成像进行监控。 红外成像技术的缺点 红外技术的缺点在于红外图像只敏感于目标场景的辐射，而对场景的亮度变化不敏感。该技术必须借助于红外灯发射的红外线，热成像则要求物体的温度和红外线的强度，无法适应不同环境下的监控要求。且热成像成像不清，对周边环境的感应不强。红外灯容易损坏、需要维护更换。 总结： 从科学和技术发展的角度看，红外技术有一定优势。可见光的存在是有条件的，而任何物体都是红外源，都在不停地辐射红外线，所以红外技术的应用将无处不在。目前，在近距离夜视方面，由于微光夜视仪价格低廉，图像质量也较好，仍然占据主要地位。 随着微光与红外成像技术的发展，综合和发掘微光与红外图像的特征信息，使其融合成更全面的图像已发展成为一种有效的技术手段。夜视图像融合能增强场景理解、突出目标，有利于在隐藏、伪装和迷惑的军用背景下更快更精确地探测目标。将融合图像显示成适合人眼观察的自然形式，可明显改善人眼的识别性能，减小操作者的疲劳感。

红外热成像市场需求保持持续稳定增长

数百架汽车，直升机的地毯式搜寻，最后救援队通过无人机热成像才锁定失联人员的位置

全球红外热成像行业市场规模正稳步增长

近年来，良渚新城始终坚持重点发展以人工智能、大数据、云计算、物联网、虚拟现实、区块链为代表的底层数字技术，鼓励企业通过数字技术的应用，完善生产、管理、销售各环节，全面扩大产业数字化水平，最终提高生产效率和经营收益，提升企业发展能级。 ​​10月19日，余杭区人大常委会副主任、良渚新城管委会党工委书记曾宏一行到访天铂。天铂云科总经理梁川等接待了曾宏一行。 曾宏一行首先参观了天铂的研发中心，深入了解了天铂的各个系列产品，随后双方展开座谈。 总经理梁川向曾书记介绍了天铂的发展历程与市场布局，并着重介绍了温度大数据相关业务。 公司以“城市温度”为愿景，赋能智慧城市运营，消除温度异常隐患，守护生产生活安全。 长期以来，长期以来不断加大科研投入，持续探索人工智能等前沿科技，通过服务各行业领域的客户，积累了海量的红外图谱温度大数据，自主研发的红外图谱大数据智能分析平台，实现了从数据采集、安全传输到自动识别诊断的全流程解决方案，打造基于温度大数据为基础的智能平台。 目前，天铂已实现在电力行业的红外智能识别诊断，实现了上万款电力设备的识别，并加载电力行业红外标准作为智能诊断的依据。 未来，红外热成像+温度大数据+AI，将应用到更多的领域：石油、化工、轨道、交通、军事、海事等，实现全方位的红外智能化发展。 质造更好的红外热像仪，智造更好的热像应用技术，天铂云科正在加快向数字科技型企业转型，为全球客户提供智能化的产品和服务。更重要的是，每一次政府部门的鼓励支持都是对天铂云科的努力最诚挚的认可。

“国庆我在岗”是他们的铿锵承诺

从模拟监控到数字监控，从标清到高清，由可见光到红外，视频监控经历了巨大的发展和变化，尤其红外热成像技术在视频监控领域的应用，扩大了监控的应用范围，为摄像机在夜间和恶劣环境下打造了一对透视眼，对于整个安防行业的发展进程起着至关重要的作用。 什么是红外热成像 红外热成像技术就是通过检测人或物体发出的红外能量而形成的图像。功能和特点主要有：无需辅助光源；透雾（雾霾）性能卓越；监控距离远，适用于大范围搜索目标；抗强光、抗眩光效果好。安防行业四种夜视技术主要有红外摄像机、激光夜视、微光夜视、红外热成像。 红外热成像的应用领域 在安防方面的应用主要有电力监控、森林防火、石油石化、煤堆测温、防火监控、周界监控、边防、海防等行业应用。 电力监控: 远离设备，安全；非接触式测温，不影响设备运行状态；大面积快速扫描监测，节省时间；测温范围宽，精度高；监测到位，准确发现设备缺陷； 森林防火: 可发现隐火，早预警，早扑灭；可透过烟雾发现着火位置和着火范围；火点三维定位，指导准确扑救；稳定可靠，减少维护工作量； 石油石化: 安全生产设备监测；油田周界监控；气体泄漏检测； 煤堆测温 防火监控: 用于监控煤堆易燃堆，排除自燃隐患；精确测温，阀值报警； 周界监控: 隐蔽性好；误报率低；夜间无需任何辅助光源；及时发现目标，并记录现场情况；可准确定位越界人员的具体位置。