概述
基于红外在大气传输存在的“大气窗口”,红外线的应用分为短波红外、中波红外和长波红外三大类。短波红外利用目标反射环境中普遍存在的短波红外辐射,在分辨率和细节上类似于可见光图像;长波、中波红外成像利用室温目标自身发射的热辐射,用于各种红外热视设备。
公司
例如美国的雷神(Raytheon)、DRS、TIS、法国的Sofradir、以色列的SCD等,主要产品用于军用;FLIR公司作为全球最大红外热像仪商业公司,主要自产焦平面产品主要包括氧化钒非制冷红外探测器、中波红外的InSb以及短波红外的InGaAs阵列。
国内的探测器力量主要包括研究院所如上海技物所、中电11所、北方夜视以及民企如高德红外、大立科技、睿创微纳等。从民企角度来看,三家公司技术路线也存在较大差异,高德红外产品覆盖较广,包括非制冷氧化钒探测器、制冷型碲镉汞及二类超晶格红外探测器三大类;大立科技集中发展非制冷探测器,沿袭法国Sofradir非晶硅工艺;睿创微纳产品集中于非制冷氧化钒探测器。
波段选择
目标温度是影响探测器选择的主要因素之一,不同温度物体的红外辐射在不同波段的能量密度具有显著差异。从220K到380K,目标在长波波段的有效辐射都远大于中波波段的辐射;随着目标温度的升高,中波的绝对辐射量很快增加,有效辐射比例迅速上升。
环境因素也是探测器选择的主要考量因素之一,不同的波段的红外光谱具有不同的适用性。例如中波在雨天、雾天等湿度大的气候条件下穿透性尤其强,而长波红外在沙尘条件下穿透距离较其他波段更长。对于具体的应用场景,要综合考虑探测器材料、目标辐射、背景辐射和成本等多个影响,选择合适波段的探测器。
短波红外
短波红外光是反射光,它从物体上的反射与可见光非常相似。由于具有这种反射性质,短波红外光在其图像上就会有阴影和反差。短波红外相机的图像在分辨率和细节方面可以与可见光图像相媲美;然而,短波红外图像的颜色不是实际颜色。这可以使物体变得容易被识别.
夜间天空辐亮度的大气现象所发出的光照度比星光强5至7倍,这种光照几乎都处在短波红外波长区。所以,有了短波红外相机,再加上这种常常被称为夜气辉的夜间光照度,我们便能够在无月光的夜间很清楚地“看到”目标,并通过网络共享这种图像,
该波段范围的探测器除了使用传统的碲镉汞和锑化物红外材料以外,铟镓砷(InGaAs)材料被认为是制作短波红外探测器的优良材料,采用它制作的短波红外探测器截止波长约为1.7μm,具有高吸收系数、高迁移率和高探测率等优势。
美国的Goodrich(SUI,Sensors Unlimited,Inc)公司是近红外(NIR)和短波红外(SWIR)器件的著名制造商,公司InGaAs红外探测器已经形成系列产品,在国际上一直处于领先地位。公司把InGaAs焦平面探测器应用在武器的激光跟踪和通信系统、军用夜视、工业过程、安全监测及科学研究等领域。美国FLIR下属的Indigo子公司、日本滨松光子、XenICs等也都研制出了不同的InGaAs焦平面阵列。
国内也有很多机构从事InGaAs探测器研究,包括中科院上海技术物理研究所、中科院长春光学精密机械与物理研究所、中科院上海微系统与信息技术研究所、中科院电子科技集团第44所、洛阳光电技术发展中心和昆明物理研究所等,也有国惠光电、立鼎光电等公司进行短波红外探测器的研发生产,虽然国内起步较晚,但是近几年取得了很大的进步,与国外的差距逐渐缩小。
指标
材料
铟镓砷(英文indium gallium arsenide,缩写InGaAs)是一种砷化铟和砷化镓的合金,它属于由砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)合金组成的四元系InGaAsP。由于镓与铟属于元素周期表中的第三族,砷与磷属于第五族,这些材料及其合金被称为III-V化合物半导体
用碲镉汞(HgCdTe)或者锑化铟(InSb)之类材料制作的传感器在短波红外波段是非常灵敏的。然而,为了将它们的信噪比提高到有用的水平,人们必须以机械方式将这些相机冷却到极其低的温度。在设计用于监视和侦察的大型军用飞机上,冷却并不是一个问题,因为这些平台上有很大的空间和电力可以用来运行机械制冷系统。相比之下,InGaAs相机则可以在室温下达到同样的灵敏度。
响应非均匀性 Non Uniformity
当均匀光照射探测器表面时,探测器每个像素读出电路输出的差异性称为响应非均匀性。
暗电流 Dark Current
当无光照时,探测器内部产生的电流。
满阱容量 Full Well Capability
在探测器一次读出周期中,单个探测器像素所能够积累的载体最大数量。
量子效率 Quantum Efficiency (QE)
探测器受光面接收到的光子转换为电子的转换效率。
噪声类型
(1)光子噪声:bai①信号辐射产du生的噪声 ②背景辐射产生的 噪声;
(2) 探测器噪声:zhi ①热噪声 ②散粒噪声 ③产生-复合噪声 ④1/f 噪声 ⑤ 温度噪声;
(3)信号放大及处理电路噪声;
长波红外
红外热成像技术是一种被动式、非接 触的检测与识别技术,其两大基础功 能是测温和夜视。
热像仪
热敏材料
非制冷氧化钒
热灵敏度/NETD
NETD即热灵敏度 ,又被称作噪声等效温差。衡量热像仪探测器能够区分图像中热辐射细微差异程度的一种方式。表示可检测的最小温差值,
NETD值越小,表达灵敏度越高,图象越清楚
60mk 80mk
NETD常见毫开式温标 (mK)表达 ,当噪声与最小可测量温差想当时 ,探测器已做到其分析有效热信号工作能力的极限 。 噪声越大,探测器的NETD值越大,灵敏度越低。
影响NETD的要素
- 校正的温度测量范围
- 探测器溫度 假如将红外热成像仪放到较高的温度中,系统噪声将会提升
- 摄像镜头的光圈级数 。 摄像镜头的的光圈级数或的光圈数决定了热辐射如何抵达探测器。 从总体上 ,光圈级数越低,噪声值越优。
非制冷型微测辐射热计红外热像仪的典型NETD值近似为45mK。科研用热像仪以光子为基础,配有制冷型探测器,可实现的NETD值约为18mK。