非制冷红外成像技术及其应用蔡毅昆明物理研究所，云南，昆明，650223摘要：红外成像技术与微光图像增强技术是夜视技术的主要组成部分。

非制冷红外成像技术包括量子型和热探测型成像技术两种，都是红外热成像技术的最新成就之一。

在本文中，比较了这两种技术的特点，讨论了非制冷红外成像技术的优点、发展趋势和应用。

关键词：非制冷，红外成像，应用Uncooled Infrared Imaging Technology and It’s ApplicationCAI YiKunming Insitute of Physics, Kunming, Yunnan, P.R.China, 650223Abstract: Night vision technology includes low-light-level image intensifier technology and infrared image technology. Uncooled infrared imaging technology is one of the newest achievements of infrared thermal imaging technology. Characterizations of the low-light-level image intensifier and Uncooled infrared imaging technologies are compared, then advantage, development and application of Uncooled infrared imaging technology is discussed in the paper.Keywords: Infrared Imaging，Uncooled Infrared Imaging，Application1．红外成像技术与微光图像增强技术的比较用于夜间观察的微光和热成像装置一般由信号接收、转换、处理和显示等四大部分组成。

实现夜间观察不同的技术路线，必然要在这四大部件上反映出来。

夜间观察的基本矛盾是光强不足。

解决问题的办法有：1）尽可能多的得到光能量，例如使用大口径望远镜，就可以有限的改善人眼在黄昏和明亮的夜晚的观察能力；微光和热成像装置也使用大口径的望远镜，如有的地面用热像仪口径达到245毫米；2）设法对光信号进行放大，不同的技术基础形成不同的技术路线；如应用真空光电子技术形成了一系列的微光成像器件，而以红外物理、半导体、微电子、真空、制冷、精密光学机械等技术则形成了一系列的热成像仪（TI）。

3）在红外光谱波段观察目标的红外图像，克服光强不足的困难。

如在微光技术中，将光电阴极的光谱响应延伸到近红外区，可以获取目标表面反射的近红外光，得到更多的光能量，改善微光成像器件的成像质量。

而直接获取目标自身发射的热辐射信息，在长波红外区观察目标的热图像，则实现了真正意义上的夜视。

在微光图像增强器（L3I）中，用光电阴极将微弱的可见光和近红外光图像转换成相应的电子密度图像，其光阴极是连续和均匀的一个薄膜。

在红外成像仪（IRI）中，用若干个分离探测元组成的探测器列阵将红外光转换成电信号。

微光成像器件的信号处理有五大特点：1）信号并行处理，2）信号在空域处理，3）信号是电子数量，4）信号是模拟量，5）信号原位处理。

在半导体、微电子技术还不发达时，电真空技术的这些特点占尽优势，成为夜视技术的主流。

非制冷焦平面组件（UFPA）的信号处理有五大特点：1）信号串行处理，2）信号在时域处理，3）信号是电脉冲电平值，4）信号是数字量，5）信号分离处理，便于进行复杂的图像处理163获得更多的信息。

半导体、探测器材料、微电子、微电机等技术的进步，使非制冷红外成像技术有了广阔的应用前景。

L3I图像显示有四个特点：1）CRT显示，2）直接显示，3）屏幕面积有限，有几～几十cm2，4）只能单屏幕显示。

非制冷红外成像仪（UIRI）的图像显示有四个特点：1）显示器件种类多，有CRT，LED，液晶，等离子体等，应用灵活，2）图像可直接、间接、混合显示，对系统的适应性好，3）屏幕面积可大可小，从几cm2～几十m2，4）可多屏幕显示，5）可在屏幕中加入其它信息。

2．非制冷红外成像技术分类红外成像、热成像、红外热成像是概念很接近、但又有区别的名词。

红外成像的概念最广，包括长波、中波、短波红外成像，包括被动、主动成像。

热成像是指在利用景物自身辐射的长波和中波红外光的被动成像。

最早，红外热成像是指在红外波段的热成像，与热成像有相同的意义。

现在，可以将其广义的理解为红外和热成像。

UIRI应尽可能多的接受目标在指定波段的红外辐射能量。

室温景物的红外辐射在8～14μm 的长波红外区最多（大约比中波红外多50倍），因此，用180元以内的探测元经过光机扫描，就可以获得画质优良的热图像。

3～5μm的中波红外能量虽比长波红外的少，但在凝视型焦平面探测器技术发展起来后，可以通过增加积分时提高入射光的利用率，所以一样可以获得画质优良的室温景物的热图像。

同样，为充分利用入射能量，采用热探测的UFPA都工作在长波红外。

尽管室温景物在1～2.5μm的短波红外辐射可忽略不计，但实际上，景物也反射环境的夜天光、大气辉光等短波红外辐射，接收这些短波红外辐射也能实现红外成像。

微光夜视技术的发展趋势就是如何更有效的利用夜天光、大气辉光等1.3～2.5μm之间的短波红外辐射。

由于有多种半导体材料可用于研制短波红外非制冷焦平面组件（SWIR-UFPA），因此，该领域的发展成为近年来红外成像技术的一个亮点。

SWIR-UFPA也能用于高温目标的成像。

根据成像原理和使用的探测器材料技术，将非制冷红外成像技术分类如表1。

表1 非制冷红外成像技术分类表代技术特征第一代热释电摄像管热释电靶/真空电子束扫描第二代微测辐射热计UFPA 电子学扫描热释电UFPA 电子学扫描热电偶UFPA 电子学扫描短波红外UFPA 电子学扫描其中，研制微测辐射热计UFPA的材料主要有VO X（氧化钒）、α:Si（非晶硅）两种，研制热释电UFPA的材料主要有PZT（锆钛酸铅）、BST（钛酸锶钡）、PST（钽钪酸铅）三种。

研制量子型UFPA的主要有InGaAs（铟镓砷）、HgCdTe（碲镉汞）、Ge（锗）等。

3．非制冷红外成像技术的现状3.1技术优点UIRI技术主要有七大优点：1）性能良好（Good performance——G），2）可靠性高（High reliability——H），3）成本低（Low cost——L），4）功耗小（Low power consumption——L），5）寿命长（Long life——L），6）重量轻（Light weight——L），7）体积小（Small volume——S），既GHL4S。

3.2技术水平现在已有商品有热释电和微测辐射热计UFPA两种，表2列出代表当今世界UFPA的水平的热释电和微测辐射热计UFPA的典型性能参数。

164表2 热释电和微测辐射热计UFPA的性能参数表热释电UFPA微测辐射热计UFPA探测器材料 BST VO Xα:Si工作波段(μm) 8～14 8～14 8～14列阵规模 328×245 328×245 320×240像元中心距(μm) 48.5×48.550×50 45×45F/# 1 1 150 39 80（在25Hz）NETD(mK)吸收率 0.99 0.8 0.8填充因子 1.0 0.7 0.8 绝热率(W/K) 2×10 - 62×10 – 7 2×10 – 7TEC功耗（W）无 8 8.5（最大）3.3市场情况20世纪90年代中期，Raytheon Texas Ins.和Raytheo Amber两家公司开发的UTI就有商品上市。

在1998年，Texas Ins.使用热释电UFPA的UTI——ISM的价格为$12000，Amber使用微测辐射热计UFPA的UTI——Sentinel的价格为$65000。

美国波音公司已研制成功大小与一号电池相当、重量仅90克、功耗小于600毫瓦的UTI。

估计在最近的将来，UTI就会跌破$2000的价位。

根据美国一份专业分析报告预测：2000年，美国市场UTI销售额为$1.75亿，与制冷型热像仪（CTI）相当。

2002年，UTI销售额将达到$3.22亿，超过CTI。

在近年内，UTI年均增长率约为65%。

UTI价格便宜，要销售 1.75亿美元，其产量必然很大，应在万台以上。

以1996年为例，Texas Ins.达到每周生产150毫米的BST材料1000片，每片能做320×240 UPFA 42个。

估计目前美国市场销售的UTI在30000台左右。

法国1997年研制成功非晶硅微测辐射热计UFPA后，一直致力于产业化。

得益中国市场的拉动，法国专门成立了ULIS公司进行产业化生产。

2004年，其UFPA年产量在约7000个，其中欧洲的订货数量约5000个。

在2003年之前，中国是ULIS公司的最大客户，已从ULIS公司累计定购320×240 UFPA约4000个。

2003年，国内销售的UTI超过1000台，平均价格在￥20万元左右。

3.4非制冷红外焦平面组件的新发展——SWIR-UFPA现在研制SWIR-UFPA主要有InGaAs和HgCdTe两种材料。

探测元是一个PN结，利用红外光的量子效应工作。

表3比较了热探测和光量子UFPA的特点。

两种UFPA在应用领域是互相补充。

表3 热探测和光量子UFPA的特点比较热探测UFPA 光量子UFPA工作波段8～14μm 0.9～2.5μm信号来源景物自身热辐射景物反射背景光工作原理热效应量子效应图像特点热图像类似可见光图像光学镜头与锗材料为基础传统光学材料与电视的兼容性不兼容兼容昼夜工作是是对天气的适应性优于可见光略优于可见光165温度稳定器仅热释电UFPA不需要不需要在InP（磷化铟）衬底上外延InGaAs主要用于研制0.9～1.7μm短波红外探测器，目前，InGaAs 的SWIR-UFPA有128×128、320×240 等规模的商品。

用HgCdTe研制的SWIR-UFPA已取得重大进展，已研制出规模达到2048×2048的样品。

表4列出InGaAs和HgCdTe SWIR-UFPA的典型性能参数。

从目前的状况看，最高性能的探测器是用MOCVD生长的In0.53Ga0.47As/InP在1.68μm处达到的，因此对夜天光的利用率比HgCdTe的约低30%，但由于技术成熟，制造成本低，因此今后InGaAs的SWIR-UFPA主要用于低端产品。