目前制冷型热像仪与非制冷热像仪的发展状况
热像仪整机设计发展状况
1、制冷型热像仪（即使用光子探测器的热像仪）的发展状况
红外探测器是热成像技术的核心，探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。通过光学机械扫描，用单元红外探测器就能获得目标的热图像，用多元红外探测器可以提高系统的性能。典型HgCdTe红外探测器有多元线列和SPRITE两种，使用此类探测器的热像仪统称为第一代热像仪。在红外技术、材料技术和微电子技术的推动下，红外探测器迅速向焦平面技术（Focal Plane Array）方向发展。FPA有二大特征：一是探测元数量很大，到103-106个探测元,以至于可以直接放在望远镜的焦平面上而无需光机扫描机构；二是探测器信号的读出、处理工作由与探测器芯片互连在一起的集成电路完成。典型的FPA有两类：4N系列和M×N面阵系列。如长波HgCdTe 288×4的扫描型FPA探测器、InSb 256×256的凝视FPA探测器。目前，美、法等国已经批量生产第二代热像仪并开始进行装备。
现在，对热成像技术的分代有不同的说法。一种通行的说法是：使用HgCdTe线列探测器加光机扫描的为一代，使用HgCdTe 480×4或288×4 FPA 等加简单光机扫描的为二代，使用凝视FPA无光机扫描的为三代。
第一代的特征：使用HgCdTe体材料，多元线列或小面阵探测器，复杂的光机扫描机构，中、小规模集成电路构成的电子学，简单的信号处理，热图像的象素最多与黑白电视图像相当。典型例子：美国以光导HgCdTe60元、120元和180元探测器为核心的通用组件热象仪，英国以SPRITE探测器为核心的通用组件热像仪。
第二代的特征：使用HgCdTe体材料和薄膜材料，长线列或可以达到与黑白电视图像象素相当的凝视FPA，有一定信号处理功能的大规模集成的读出电路，简单的光机扫描机构，与一代相比作用距离和空间分辨率有明显的提高。典型例子：采用法国SOFRADIR长波HgCdTe288×4扫描型FPA的热像仪。
第三代的特征：使用HgCdTe薄膜材料，长线列或可达到与高清晰度电视图像象素相当的凝视FPA，有复杂的信号处理功能的超大规模集成的读出电路，简单的光机扫描机构或无扫描机构，大规模或超大规模集成电路构成的电子学，很复杂的信号处理，热图像的画质达到高清晰度电视图像的水平。在与二代热像仪大致相同的条件下，作用距离和空间分辨率比二代有明显的提高。典型例子：美国Santa Barbara研究中心的InSb 1024 X 1024 凝视FPA。
2、非制冷热像仪（即使用热探测器的热像仪）的发展状况
红外焦平面列阵的发展朝两个不同的方向进行：一种是低温制冷工作的光子型红外探测器列阵，如HgCdTe、InSb和PtSi等；另一种是室温工作的非制冷探测器列阵。制冷型探测器列阵的制作难度大，且需要昂贵的制冷系统，由其构成的热像仪通常用于敏感的军事领域。
由于非制冷红外焦平面探测器列阵具有室温工作、无需制冷、光谱响应与波长无关、制备工艺相对简单、成本低、体积小巧、易于使用、维护、可靠性好等优点，因此形成了一个新的富有生命力的发展方向，其目的是以更低的成本、更小的尺寸和更轻的重量来获得极好的红外成像性能。近年来，已研制成功三种不同类型的非制冷红外焦平面探测器列阵：
① 热电堆（TGS PbTiO3）：根据塞贝克效应检测热端和冷端之间的温度梯度，信号形式是电压。
② 微热辐射计（多晶Si、VOx）：探测温度变化引起载流子浓度和迁移率的变化，信号形式是电阻。
③ 铁电（BST）：探测温度变化引起介电常数和自发极化强度的变化，信号形式是电荷。
在这三种器件中，微热辐射计列阵的发展最为迅速，并且取得了令人瞩目的成就。它采用类似于硅工艺的硅微机械加工技术进行制作，为了实现有效的热绝缘，一般采用桥式结构。探测器与硅读出电路之间通过两条支撑腿实现电互连。测辐射热计的灵敏度主要取决于它与周围介质的热绝缘，即热阻。热阻越大，可获得的灵敏度就越高。
目前测辐射热计列阵的温度分辨率可达0.1K，不久将达到0.03至0.05K。对于工业应用来说，这种性能已相当令人满意了。用它构成的热像仪在尺寸、重量和价格方面可与可见光摄录机相妣美，在不远的将来可望获得广泛的应用，是一个新的经济增长点。
非制冷测辐射热计列阵技术也许是红外热成像技术在过去20年取得的最重要的进展。90年代以来，非制冷测辐射热计列阵已形成产品进入市场。美国波音公司研制的U3000型320 X 240 元非制冷测辐射热计列阵和美国Amber公司研制的320 X 240 元非制冷测辐射热计列阵热像仪Sentinel，双双荣膺美国1997年光电子领域优秀奖。美国FLIR公司销售到中国的非制冷焦平面热像仪，就是采用此类探测器。2000年，法国Sofradir公司生产出了他们的第一只非制冷焦平面红外探测器，它是采用由多晶硅材料制备的单片式电阻型微测辐射热计技术,该项技术由法国国家红外实验室转移至Sofradir公司生产，探测器列阵规模320×240，像元中心距45µm，填充因子大于80%，噪声等效温差（NETD）达到100mK（典型值），器件的性能指标达到了当今世界先进水平。目前已开始批量供货。
信息来源：www.topdq.com 信息整理：拓普电气生技部
1、制冷型热像仪（即使用光子探测器的热像仪）的发展状况
红外探测器是热成像技术的核心，探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。通过光学机械扫描，用单元红外探测器就能获得目标的热图像，用多元红外探测器可以提高系统的性能。典型HgCdTe红外探测器有多元线列和SPRITE两种，使用此类探测器的热像仪统称为第一代热像仪。在红外技术、材料技术和微电子技术的推动下，红外探测器迅速向焦平面技术（Focal Plane Array）方向发展。FPA有二大特征：一是探测元数量很大，到103-106个探测元,以至于可以直接放在望远镜的焦平面上而无需光机扫描机构；二是探测器信号的读出、处理工作由与探测器芯片互连在一起的集成电路完成。典型的FPA有两类：4N系列和M×N面阵系列。如长波HgCdTe 288×4的扫描型FPA探测器、InSb 256×256的凝视FPA探测器。目前，美、法等国已经批量生产第二代热像仪并开始进行装备。
现在，对热成像技术的分代有不同的说法。一种通行的说法是：使用HgCdTe线列探测器加光机扫描的为一代，使用HgCdTe 480×4或288×4 FPA 等加简单光机扫描的为二代，使用凝视FPA无光机扫描的为三代。
第一代的特征：使用HgCdTe体材料，多元线列或小面阵探测器，复杂的光机扫描机构，中、小规模集成电路构成的电子学，简单的信号处理，热图像的象素最多与黑白电视图像相当。典型例子：美国以光导HgCdTe60元、120元和180元探测器为核心的通用组件热象仪，英国以SPRITE探测器为核心的通用组件热像仪。
第二代的特征：使用HgCdTe体材料和薄膜材料，长线列或可以达到与黑白电视图像象素相当的凝视FPA，有一定信号处理功能的大规模集成的读出电路，简单的光机扫描机构，与一代相比作用距离和空间分辨率有明显的提高。典型例子：采用法国SOFRADIR长波HgCdTe288×4扫描型FPA的热像仪。
第三代的特征：使用HgCdTe薄膜材料，长线列或可达到与高清晰度电视图像象素相当的凝视FPA，有复杂的信号处理功能的超大规模集成的读出电路，简单的光机扫描机构或无扫描机构，大规模或超大规模集成电路构成的电子学，很复杂的信号处理，热图像的画质达到高清晰度电视图像的水平。在与二代热像仪大致相同的条件下，作用距离和空间分辨率比二代有明显的提高。典型例子：美国Santa Barbara研究中心的InSb 1024 X 1024 凝视FPA。
2、非制冷热像仪（即使用热探测器的热像仪）的发展状况
红外焦平面列阵的发展朝两个不同的方向进行：一种是低温制冷工作的光子型红外探测器列阵，如HgCdTe、InSb和PtSi等；另一种是室温工作的非制冷探测器列阵。制冷型探测器列阵的制作难度大，且需要昂贵的制冷系统，由其构成的热像仪通常用于敏感的军事领域。
由于非制冷红外焦平面探测器列阵具有室温工作、无需制冷、光谱响应与波长无关、制备工艺相对简单、成本低、体积小巧、易于使用、维护、可靠性好等优点，因此形成了一个新的富有生命力的发展方向，其目的是以更低的成本、更小的尺寸和更轻的重量来获得极好的红外成像性能。近年来，已研制成功三种不同类型的非制冷红外焦平面探测器列阵：
① 热电堆（TGS PbTiO3）：根据塞贝克效应检测热端和冷端之间的温度梯度，信号形式是电压。
② 微热辐射计（多晶Si、VOx）：探测温度变化引起载流子浓度和迁移率的变化，信号形式是电阻。
③ 铁电（BST）：探测温度变化引起介电常数和自发极化强度的变化，信号形式是电荷。
在这三种器件中，微热辐射计列阵的发展最为迅速，并且取得了令人瞩目的成就。它采用类似于硅工艺的硅微机械加工技术进行制作，为了实现有效的热绝缘，一般采用桥式结构。探测器与硅读出电路之间通过两条支撑腿实现电互连。测辐射热计的灵敏度主要取决于它与周围介质的热绝缘，即热阻。热阻越大，可获得的灵敏度就越高。
目前测辐射热计列阵的温度分辨率可达0.1K，不久将达到0.03至0.05K。对于工业应用来说，这种性能已相当令人满意了。用它构成的热像仪在尺寸、重量和价格方面可与可见光摄录机相妣美，在不远的将来可望获得广泛的应用，是一个新的经济增长点。
非制冷测辐射热计列阵技术也许是红外热成像技术在过去20年取得的最重要的进展。90年代以来，非制冷测辐射热计列阵已形成产品进入市场。美国波音公司研制的U3000型320 X 240 元非制冷测辐射热计列阵和美国Amber公司研制的320 X 240 元非制冷测辐射热计列阵热像仪Sentinel，双双荣膺美国1997年光电子领域优秀奖。美国FLIR公司销售到中国的非制冷焦平面热像仪，就是采用此类探测器。2000年，法国Sofradir公司生产出了他们的第一只非制冷焦平面红外探测器，它是采用由多晶硅材料制备的单片式电阻型微测辐射热计技术,该项技术由法国国家红外实验室转移至Sofradir公司生产，探测器列阵规模320×240，像元中心距45µm，填充因子大于80%，噪声等效温差（NETD）达到100mK（典型值），器件的性能指标达到了当今世界先进水平。目前已开始批量供货。
信息来源：www.topdq.com 信息整理：拓普电气生技部