紅外焦平面探測器
一、引言
本世紀中超大規模集成電路和微電機械加工（MEMS）技術的發展，使紅外探測器技術取得了驚人的進展，紅外焦平面陣列技術是這種技術發展的一個里程碑。因紅外探測的隱蔽性和有效性，其應用領域主要是軍事方面，對該技術的迫切期望使之成為軍方的“寵兒”。特別是冷戰軍備競賽，軍方投入巨資使紅外探測技術發展突破了前進道路上一個又一個的障礙，使紅外探測器技術從30年代單一的PbS器件發展到現在的多個品種，包括InSb、HgCdTe、PtSi、InGaAs、GaAlAs、非本征硅等量子探測器、 Vox、PZT、多晶硅和非晶硅等熱探測器；從單元器件發展到目前焦平面信號處理的大型紅外焦平面探測器。其陣列集成規模已高達2048′2048元[2]，從低溫工作發展到了目前的77K或室溫工作陣列，特別是近年的發展已接近于可見光CCD、APS和CMOS圖像傳感器的水平。同時紅外探測技術正在急速地拓展新的應用領域和市場，迅速地滲透到廣闊的商用領域，改變其長期以來主要用于軍用領域的狀況。
二、器件制造技術的發展趨勢
1、陣列集成規模將進軍4K′4K
超大規模微電子集成電路制造技術是實現紅外焦平面陣列工作的關鍵支撐技術之一。由于過去30年間存儲器芯片尺寸和微處理器技術所取得的進步，預期未來10~20年間仍將保持穩步攀升的勢頭。而可見光Si-CCD 器件焦平面集成尺寸在90年代中期已達到16M（4096′4096像元）。DRAM和Si-CCD的發展為實現2K′2K以上乃至4K′4K（16M）紅外焦平面集成開辟了道路。
紅外焦平面陣列由紅外焦平面探測器和硅信號處理多路傳輸器組成，其集成發展要比DRAM和Si-CCD晚1~2代。目前的PtSi和短波HgCdTe陣列已達到了2K′2K的水平，預計到2005年焦平面陣列集成規模可達4096′4096。陸軍研究實驗室、雷聲公司和洛克威爾國際科學中心采用分子束外延（MBE）工藝在Si片上生長制作1K′1K和2K′2K的陣列已經取得很大進展。
2、探測器元尺寸
為實現1M級以上的高密度焦平面陣列集成，縮小探測器元尺寸是必要的。目前的大型陣列如柯達KIR-3900型PtSi 1968×1968元陣列像元尺寸為17′17mm2，洛克威爾PACE-1型2048′2048元HgCdTe 短波焦平面陣列的設計規格為0.8mm，像元尺寸18′18mm2 [2]，雷聲公司和噴氣式推進實驗室分別為8~9mm2和14~15mm2，洛克希德馬丁公司的640′480元非致冷陣列為28′28mm2，這些像元尺寸都已大大縮小。相應的信號處理讀出集成電路多路傳輸器技術必須能滿足發展這種高密度大型陣列的需求，如洛克威爾HAWAⅡ-2 2048′2048位CMOS多路傳輸器讀出集成電路（ROIC），其光刻的每一、四象限曝光區精度達0.05mm，晶體管數達1300萬個，目前的這一水平已是非常高的了。預計在這一基礎上像元尺寸還會進一步縮小。對于SWIR和MWIR探測器，可由下式來量化推斷其像元尺寸：
d=2.44λf[5]式中：d—衍射限制光斑尺寸；
λ—波長；
f—聚焦透鏡的焦距。
對于f/2.0光學透鏡，5mm波長的光斑尺寸為25mm2，目前的MWIR 480′640元生產陣列，其像元尺寸為20mm。把用戶通常超取樣的因素考慮進去，像元尺寸可縮小到12mm數量級，甚至可縮小到10mm。原則上說來，長波陣列像元減小尺寸不會明顯低于20mm，但預期由于讀出設計和超取樣，終的中波和長波陣列像元尺寸也將會一樣小。
3、雙色和多色陣列
雙色和多色工作的紅外焦平面陣列傳感器將是2020年前發展的重要課題。由于軍事和空間應用的推動與牽引，雙色傳感器已取得了顯著的進展，像美國加州理工大學、噴氣式推進實驗室、洛克希德馬丁等軍事和航天部門都在加緊發展這種傳感器，目前陣列已高達640′480元的焦平面陣列，是一種采用GaAlAs/GaAs量子阱結構的雙色傳感器[1]。同時有關專家已研制出雙色陣列攝像機，2~3年后將投入生產，其性能與單色傳感器攝像機一樣好，預期其用量將不斷增長。在雙色紅外焦平面陣列技術取得的成果基礎上，將繼續發展三色或四色紅外焦平面陣列技術。
4、主流傳感器將是廉價的非致冷紅外焦平面陣列
雖然致冷工作的光量子型焦平面陣列技術已發展了數十年的時間，取得了舉世矚目的進展，但由于需致冷到約77K低溫工作，這對于降低價格和實現小型高密度的便攜式系統不利，妨礙了其推廣應用。無論廣大的商用市場或軍用市場都迫切需要一種既能滿足應用且價格低廉的消耗性紅外傳感器。光量子型紅外焦平面陣列技術雖然具有低的靈敏度，但卻不能滿足第二個條件。由于非致冷紅外焦平面陣列微橋結構的靈敏度已達到第一代和第二代致冷焦平面陣列之間的水平，其NETD通常優于0.1K，可達0.05K[1]，目前telops的紅外熱像儀產品普遍可以達到14 mK，這個精度已經達到軍用科研級別，遠遠超過商業應用的要求。如薩爾洛夫公司用Si3N4作絕緣層的陣列設計時，其NETD可達到0.05K，用 SiC時為0.01K，雷聲公司已演示了320′240元的雙層結構傳感器攝像機[6]，其像元尺寸為25′25mm2。而通常的商用紅外攝像機系統的靈敏度在0.08~0.1K，目前洛克希德馬丁公司的640′480元非致冷紅外攝像機的靈敏度<150mK（F/1，30Hz）[7]、可分辨的溫度<0.40℃（尼奎斯特頻率）。未來的靈敏度提高將向焦平面理論值—0.002K的方向努力（50mm2像元尺寸），預計2020年前將發展成為今后紅外焦平面陣列技術發展的主流傳感器，從而成為滿足軍用和商用的高密度小型化的廉價消費性傳感器，其機型將類同于可見光Si-CCD一體化攝錄機。
總之，在紅外探測方面，未來紅外焦平面探測器的發展，一是探索新穎的器件結構，二是采用改進的材料，以獲得更高集成密度的廉價焦平面陣列傳感器，同時大幅度地提高陣列性能，而長期形成的1~3mm，3~5mm和8~14mm三個紅外探測窗口的概念不會變化。
三、拓展應用
長期以來，紅外探測器主要應用于為數有限的高級軍用系統裝備。隨著紅外焦平面陣列技術的飛速發展，使其在軍用和民用方面，有了潛在性的大批量應用前景。
1、多光譜和超光譜遙感
從空間對地球陸地和海洋的監察在民用和軍用方面都具有重要的意義。事實上，發達國家一直都在發展多光譜和超光譜遙感技術。由于器件技術的限制，目前為止大多采用可見光—近紅外（VIS-NIR）成像光譜儀。由于紅外焦平面陣列技術已由單像元單色發展到雙色，并向三色、四色的方向發展，預計2020年前將獲得超光譜應用的能力。目前雙色凝視焦平面陣列的野外測試已在進行[8]。同時采用光譜濾波器線陣多色焦平面可實現覆蓋可見光到長波紅外的探測，其光譜段已可多達數十個到數百個。美國波音飛機公司電子系統和導彈防御部在這方面的研究已取得了很大的進展，波音/羅克威爾的遙感器用HgCdTe多光譜紅外焦平面PACE-1已達1024′1024元，Hawaii-2 2048′2048元陣列已制作出來[2]，其像元尺寸小達18′18mm2。海軍研究實驗室的超光譜遙感技術計劃和海軍測繪觀測衛星成像光譜區的波長區為0.4~2.5mm[8]，光譜通道多達210~512個[8]。
使用多光譜和超光譜遙感衛星對海洋、陸地、大氣層、氣象、農業和森林有效地監控具有重要的軍用和商用價值。例如，森林遭到嚴重破壞造成覆蓋面積減少，而生長新一代森林需上百年時間；輻射垃圾處理，臭氧消耗和CO2積累引起的全球變暖問題等。人類正面臨著對全球性污染和氣候變化帶來的災害采取補救性措施的問題，要解決這一問題也許要花費數百年的時間。紅外多光譜和超光譜傳感器系統將會提供有效的監控，提供氣候變化的趨勢和世界上陸地情況變化的詳細圖像照片，更為準確的大范圍的災難性天氣預報。圖1左邊是衛星提供的全球植被生長情況，右邊是全球陸地溫度變化照片[5]。
2、限制大規模毀滅性武器擴散監控
加緊發展這種更加先進的紅外焦平面陣列傳感器，對限制全球大規模毀滅性武器擴散監控具有重要的意義。顯然，這也是加緊發展這種高性能陣列技術的另一個重要推動因素。
這種先進的紅外焦平面陣列探測系統有希望有效地用于發現和分辨出核武器、生化武器和導彈生產的位置和區域，提高對導彈發射的探測和跟蹤能力。
3、太空天文探測
未來先進的紅外焦平面陣列傳感器將為人類的太空天文探測提供更為先進的手段。目前在許多空間探測器上已安裝上先進的紅外傳感器，并已發回了大量有關我們所在太陽系遙遠行星和月球的照片，如幾年前獲得的有關彗星撞擊木星的紅外天文照片[5]。美國航天局的哈勃（Hubble）空間望遠鏡是目前使用紅外攝像傳感器先進的空間探測器。圖2是夏威夷凱克天文臺用InSb陣列攝得的休梅克—利瓦伊彗星撞擊木星的一系列紅外圖像中的兩張照片[5]。左照片是在1.64mm波長時攝取的，右照片是在3.41mm時攝得的。
美國洛克威爾國際科學中心已研制出天文和低背景應用的1024×1024元、2048′2048元HgCdTe短波（0.9~2.5mm）紅外焦平面陣列，采用硅CMOS信號讀出集成電路，后者已由該中心和夏威夷大學等單位完成了結果測試，該中心的下一個發展目標即是研制4096′4096元的短波和中波紅外焦平面陣列。
4、醫療衛生
由于未來高靈敏度高分辨率廉價紅外焦平面陣列技術的發展，這種陣列攝像機技術將廣泛應用于醫療衛生領域，如腫瘤的早期診斷，對糖尿病患者的血糖監控，對麻風病的臨床診斷和醫學與遺傳學研究。迄今為止，在該領域應用取得的成果表明這種應用是成功的，特別是在腫瘤診斷方面尤其引人注目。研究發現，由于癌細胞釋放的氧化氮會使癌變組織周圍的組織血液發生變化，由于對癌毒素的敏感性，其周圍被癌化的組織大多是死的。用高靈敏度高分辨的紅外焦平面陣列攝像機就可探測出因這種血液量改變而導致的溫度改變，清楚地分辨出死組織和健康組織。美國新澤西州Omm.Corcler技術公司用噴氣式推進實驗室（JPL）研制的中等格式GaAlAs /GaAs量子阱紅外焦平面陣列（QWIRFPA）研制出了叫做Bioscan系統醫用診斷熱像儀[9]，用于動態區域遙控熱測量（DAT），焦平面工作波長>8mm，幀速為30Hz，NETD<30mK，1999年12月美國食品和藥品管理局已對該系統發放了乳腺腫瘤和其它醫療應用的市場許可證。該儀器已在波士頓Dana-Farber癌癥研究所測試。南加州大學的一個外科小組也使用這一攝像機診斷腦腫瘤和皮癌與麻風病。在腦腫瘤截除外科手術中這種高靈敏度的熱攝像機可幫助外科醫生發現癌變的毛細血管。圖3是這一手術中用GaAlAs/GaAs量子阱紅外焦平面陣列攝像機獲得的腦癌手術圖像，其健康組織和癌變死組織分辨十分清晰。預期2020年前這一應用將會急劇擴大。
5、分配孔徑紅外傳感器的（DAIRS）應用
在天空飛行并發出熱輻射的任何物體都可能成為熱尋導彈的犧牲品。許多飛機甚至目前先進的軍用戰機等戰術武器，由于沒有導彈逼近告警器，或其告警裝置還不足以對抗先進的熱尋導彈，因而熱尋導彈對戰術噴氣式戰機、運輸機、軍用旋轉翼飛機特別是飛得低和飛得慢的飛機的威脅很大，往往離導彈很近，探測和反應的時間少，幸免于難的機動能力差?；谶@種情況，歐洲和美國軍方目前正在發展飛機自保護告警技術，開發數百萬探測器元集成焦平面陣列，其分辨率已達到和超過電視質量水平，這使一種新型傳感器系統—分配孔徑紅外傳感器系統（DAIRS）得到了迅速發展。DAIRS采用6個相同的戰略位置探測傳感器，為軍用飛機駕駛員提供4π弧度的傳感器覆蓋區，即360°范圍的飛機處境認知（SA），包括導彈威脅告警、紅外搜索與跟蹤（IRST）、戰場殺傷評估、目標捕獲和導航，還可為水面船只、陸地裝甲車輛和無人駕駛作戰飛機等提供這種SA信息。圖4是這種DAIRS傳感器的使用概念，為360°球體覆蓋。6個相同的傳感器中，每個視場均為90°′90°，4p覆蓋區。傳感器由紅外焦平面陣列和信號處理器構成，24時全天候球體監視，空—空探測跟蹤和空—地探測跟蹤。傳感器比較大，可達1K′1K的陣列，還可更大些，幀速30frame/s，取樣速率3′107/s，可采用平形面板多功能顯示，也可采用駕駛員頭盔式顯示。
美國、俄羅斯、德國等歐洲國家和南非都一直在加緊發展導彈告警傳感器系統（MAWS）技術，并從80年代開始裝備軍隊。主要的一些公司有：美國的洛克希得 Sanders、羅斯羅普格魯曼、雷聲、辛辛那提電子和洛克希德馬丁，法國的湯姆遜，丹麥的Perlldstn和Terma電子，德國的Claimler-Chrysler和Terma LFK，南非的Grintek航空電子等，俄羅斯也裝備了自己的戰機。美國計劃用MAWS裝備3000架各種型號的飛機，如：F16、F22、MH-60直升飛機、SA-7G Yail等低空慢速L-130運輸機；英國準備裝備其15種不同的直升飛機和運輸機，“美洲虎”、“鷂式”和“狂風式”高速戰機也在裝備之中；歐洲的Typhoon和Dassualt Rafade；俄羅斯的Su-35、Su-24攻擊機和Tu-22轟炸機；南非的“大羚羊”和Roolvalk直升機；阿聯酋的“美洲豹”直升機都裝有或準備裝備MAWS。
目前使用的這種 MAWS系統均采用紅外和紫外傳感器。紫外傳感器雖然小巧、便宜，不需致冷，對地面熱目標引起的虛警率不敏感，但紫外輻射易被大氣層中的臭氧層吸收，因而降低了對導彈威脅的探測能力。紅外傳感器雖然存在著虛警率問題，但隨著紅外焦平面陣列技術的發展，特別是未來高性能大格式和廉價紅外焦平面陣列傳感器的發展，通常工作于中波和長波紅外波段的雙色或多色陣列比紫外傳感器更為有效。羅斯羅普格魯曼、洛克希德馬丁和雷聲幾家公司根據“聯合攻擊機（JSF）計劃”正在加緊研制分配孔徑紅外傳感器系統，將用具有360°視場的全球形高分辨率、低價格的紅外凝視焦平面陣列傳感器取代老式的導彈告警傳感器，其圖像將反射到飛機駕駛員的頭盔顯示器上，把傳感器和信號處理系統高度集成在一起，是系統的一個重要功能塊，實現了小型化。這將作為未來世界上數量龐大的戰斗機等軍用飛機必備的功能系數，數量大，而且將日益增加。
6、熱武器瞄準器（TWS）
未來作戰中，24小時全天候成像裝備對提高機械化部隊的作戰靈活性和作戰能力是十分重要的，步兵軍種也需獲得這種熱成像裝備，提高自身的晝夜作戰能力。
步兵軍種的任務是攻克和占領地形，這就必須在無星夜晚和雜亂的戰場條件下完成，要隨時看到比敵人或比自己可射擊距離更遠的地方，這就需要先進紅外傳感器技術。高性能非致冷的廉價紅外焦平面陣列為這一大批量的應用提供了可行的支撐技術，滿足了這種應用需求。
歐洲和美、日等國已在這方面作了長期努力，并已著手裝備部隊，如聯合國的Stairs A單兵攜帶式熱瞄準器。皮爾金頓光電子和馬可尼電子系統二家公司合作研制的熱武器瞄準器，采用的是256′128元的非致冷紅外焦平面陣列[10]。Signal USFA和Derlt傳感器系統二家公司為荷蘭皇家陸軍提供了800套輕型夜間觀察瞄準器（LION），其重量約為2kg。洛克希德馬丁公司也在加緊發展熱武器瞄準器，其瞄準器在晴空時觀察距離為550~2200m[11]，可觀察分辨出移動的人和車輛，使用電池連續工作時間達7個小時。SFIM公司專為法國國防部研制了小型兵器晝夜瞄準器，并已在法國國防部有關技術部門作了評估。產品主要特性是可在各種天氣和照度下分辨出1500m處地面上人目標[11]，和2500m以外距離的車輛目標，鋰電池供電，重量小于2.8kg。美國Sanders 公司研制的采用320′240元非致冷紅外焦平面陣列成像輕武器瞄準器，NETD<26mK（f/0.8，60Hz），并已展示了640′480元非致冷紅外焦平面攝像機，NETD<50mK（f/1，30Hz）。該公司在其熱武器瞄準器（TWs）計劃的第一階段中，已向美陸軍作戰實驗室提供了4套上述系統，并將在以后陸續交付4000多臺，每月約幾百臺。
7、車輛駕駛視覺增強紅外觀察儀
駕駛員視覺增強器將是紅外焦平面陣列未來應用的廣大領域。提高車輛駕駛員在雨雪、灰塵、霧等惡劣天氣和光線不良條件下行車的能力，唯有紅外攝像系統能滿足這一應用，這就是隨著紅外焦平面陣列技術，特別是非致冷紅外焦平面陣列技術的發展而出現的車輛駕駛視覺增強紅外觀察系統。
迄今為止，由于費用昂貴而使這種視覺增強器還僅限于軍用市場。這種觀察系統能使車輛在惡劣和全黑暗的條件下晝夜行進，從而保證在軍事應用時車輛可以在全黑暗條件下或在不易被敵方發現的模糊條件下行駛，能避開障礙，特別是遇到安全危險時不但能避開，而且不會迷失方向。
近些年，隨著非致冷低成本紅外焦平面陣列傳感器的發展，民用車輛成為這種觀察系統的潛在市場。由于成本低、維護方便和小型化、性能適當，不但軍用車輛而且民用車輛也可以接受。
這種駕駛員視覺增強紅外熱成像觀察儀（DVE）由熱攝像頭組件和液晶顯示（LCD）屏組成。圖5是洛克希德馬丁和德國STN ATLAS公司合作研制的DVE系統[11]。非致冷紅外熱成像機組件是洛克希德馬丁公司提供的SLM100型組件，工作波長7.5~14mm，有效水平視場4.3°~50.6°，陣列像元數為27′245元，NETD（f/1，30Hz）<100mK，輸入方式RS-1701 NTSC或PAL，電源為4~29VDC，耗功<10W，該機已在德國和英國形成駕駛員觀察儀系列，歐洲和中東的軍用車輛準備選擇這種系統。表1是歐洲SAGEM公司制作的改進型DVE系統—SAGEM LUTIS的性能指標。
表1 SAGEM LUTIS駕駛員視覺增強器系統的性能指標
| 熱攝像機 | ||
| 光譜范圍 | 8~12mm | |
| 攝像模塊 | SIM 150 | |
| 視場 | 40°′30° | |
| 可伸縮式望遠鏡 | 被動式不透熱 | |
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顯示/控制
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| 形式 | 平面屏幕 | |
| 技術 | LCT-TFT黑/白 | |
| 顯示尺寸 | 5.5英寸 | |
| 像元數 | 320′240 | |
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接口
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| 使用電源 | 20~32VDC | |
| 視頻 | CCIR或RS-170 | |
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尺寸與重量
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| 熱攝像機外形尺寸 | 90′86′234mm3（高×寬×長），1.8kg | |
| 顯示 | 133′210′150mm3（高×寬×長），3.2kg | |
SAGEM司的防御和安全部在歐洲紅外光電子方面處于領先地位，生產的紅外光電子系統產品工作光譜范圍覆蓋全部防御和安全領域。SAGEM LUTIS DVE系統采用洛克希德馬丁公司的SIM 159模塊，這種輕型非致冷熱攝像系統（LUTIS）DVE適用于絕大多數軍用作戰車輛，如裝甲車和戰術履帶式或輪式戰車，也適用于特殊的民用車輛，如城市安全、執法、防暴和消防等專用車輛。
四、市場
如前所述，隨著各種紅外焦平面陣列技術的迅速發展，特別是廉價的高密度高性能非致冷紅外焦平面陣列技術的成熟和投產，其應用領域將不斷開拓，而傳統的應用領域也會擴展，未來紅外焦平面陣列應用將不會像過去那樣主要限于軍用目的，更多的將會向民用市場推進。
未來決定市場的關鍵性因素不是性能，而是價格。低價格性能適合的小型化紅外焦平面陣列攝像系統將使軍用市場進一步擴大，并廣泛地占領民用商業市場。由于目前產品價格尚高，約為40,000美元，已使許多新應用滯后。一旦未來價格突破1000美元以下[5]，無論是軍用市場，還是民用市場的銷售量都將會急劇增長。
據國外資料報導，1991年美國商用紅外探測器市場僅約為5000萬美元[12]，而軍用市場為5億美元。當時主要是由于PtSi紅外焦平面陣列技術的出現刺激了這一市場的發展?，F在交付裝運量翻了一番，價格也因非致冷紅外焦平面的出現正在下降。由于GaAlAs/GaAs量子阱和非致冷焦平面陣列技術的成就和投產，市場將保持持續升溫的勢頭。其中處于市場主導的幾家大公司有波音（北美）、雷聲、洛克希德馬丁、Indigo系統、辛辛那提電子、德州儀器、羅克威爾和法國的Sofradir公司。Sofradir公司是法國排名第一的HgCdTe紅外探測器生產企業，1998年其銷售額即達到了2500萬美元，以后以每年10%的速度穩定增長，2000年已開始出售非致冷和量子阱紅外焦平面陣列，其月銷售額在150套以上。
據有關資料表明，2000年量子阱和非致冷焦平面陣列的軍用和商用市場達2億美元。2001年的紅外焦平面陣列和系統總的市場規模超過了13億美元[13]，這是五年前推出第一批非致冷紅外焦平面時市場的兩倍。未來5年間的紅外探測器產品商用市場將保持持續強勁增長的勢頭。2000年，包括測溫、工業監控、安全、監視、消防和醫療領域的市場額為5.04億美元，到2005年時有望達到8億美元[14]，平均年增長率為10.5%。如果價格突破1000美元的底線價格時，其市場將會像可見光CCD圖像傳感器一樣出現急劇的增長。
五、結束語
紅外焦平面陣列制造和生產技術正在向可見光硅CCD和CMOS圖像傳感器陣列的規模水平發展，未來5～10年間將是這種技術發展的關鍵時期。多色陣列技術將是未來值得關注的新課題，以微測輻射熱計為主的非致冷紅外焦平面陣列傳感器將成為未來紅外焦平面陣列的主流傳感器。
由于器件制造和生產技術取得的迅速進展和軍事與商用應用的強勁推動，未來20年將是紅外焦平面陣列技術廣泛拓展應用的時期，其每年產量將保持持續增長的勢頭，在今后幾年內年增長率將至少達30%。由于生產和應用的持續升溫，紅外焦平面陣列技術將迎來其燦爛的時期。
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工作原理
??? 紅外熱像系統是利用紅外探測器和光學成像物鏡，接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形，反映到紅外探測器的光敏元件（探測器）上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。紅外熱像系統將物體發出的不可見的紅外能量轉變為可見的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。
??? 紅外探測器是一種對紅外輻射敏感的器件，它將紅外輻射轉換成電信號。但是探測器對某些波長紅外輻射的響應較低，這主要是由于探測器材料對不同波長的紅外輻射的反射和吸收存在差異。目前在熱成像系統中使用的非制冷焦平面陣列（FPA）探測器一般工作在8μm~14μm波段，其探測器窗口材料及鍍膜使這個波段的紅外透射率變高，而光敏面設計也使用了對這個波段吸收良好的材料，因此大大降低了在3μm~5μm波段的靈敏度。
熱像儀的光學成像物鏡將工作波段內的輻射收集起來，并聚焦到探測器上。在可見光波段，玻璃是很好的投射材料，但是在中波、長波紅外波段，這種材料是不透明的，因此常選用鍺、硅等晶體材料，而且為了提高透射率，還需要鍍上一層增透膜，這些材料和膜層如同濾光片一樣，將鏡頭透過的波長限制在一定的范圍內。
目標場景的紅外輻射包括很寬的波段，當物體溫度很高時，還包括可見光的輻射，受“大氣窗口”、探測器響應波段和紅外光學的限制，紅外熱像系統實際上大多敏感于3μm~5μm和8μm~14μm波長范圍。
紅外熱像系統讓我們能看到了人眼看不到的另外一個輻射世界，可獲取許多對生產、科研非常重要的信息。
紅外熱像的特點
突破人眼視覺的限制
在人類活動過程中，人眼是獲取信息占大部分的感覺器官，它可以直接觀察并通過“自動變焦”、“自動光圈”得到所需景物的清晰圖像。但是，人眼的視覺受到波長、地點、時間等限制。
??? 采用熱成像技術，相當于將眼睛的響應波段擴大到了中、長紅外波段。即將3μm~5μm或8μm~14μm波段的不可見紅外輻射轉換成可見光波段的圖像，突破了波長對人眼觀察的限制。紅外熱成像系統除了將目標的紅外輻射空間分布轉換成能用顯示器顯示的視頻圖像外，還融合了圖像存儲、網絡傳輸等功能，可彌補人眼觀察目標在時間和空間上的能力，利用圖像處理還可以提高對目標的觀察、分析能力。
??? 上海博銳特光電科技有限公司研發、生產的網絡測溫型紅外熱像系統，在紅外熱像領域率先采用了雙視頻流網絡傳輸技術。紅外熱像攝像頭直接安裝在被觀測目標（如高爐熱風圍管、支氣管，熱風爐）附近，實現對目標的全天候監測，同時將獲取的紅外熱像通過以太網進行遠距離傳輸，這樣工人就可以在操作間實現對目標的檢測。同時，借助鋼鐵企業現有的二級網絡，目標的紅外熱像還可以傳送至網絡上的任何一臺PC終端，這樣就可以在辦公室實現對目標的實時觀測、數據分析和紅外熱像的回放等操作。
探測物體表面細微的溫度分布
紅外測溫對目標溫度的分辨的精細程度是由測溫儀器的光學分辨率來確定的。紅外點溫儀的光學分辨率是由距離系數由D：S之比確定的，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑S之比。對于距離D之外的目標，點溫儀測得的就是直徑為S的圓形平面的平均溫度。如果測溫儀由于環境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的測溫儀。Raytek紅外測溫儀D：S的范圍從2：1（低距離系數）到高于300：1（高距離系數）。
??? 紅外熱像系統的空間分辨率（IFOV）就是其光學分辨率，即單個像元的尺寸P與焦距F之比。對于采用25μm探測器的熱像儀，只要其焦距F大于25μmx300 = 7.5mm，熱像儀對目標溫度的分辨能力就大于高距離系數的紅外點溫儀（300：1）。而在某些涉及溫度分析的領域，采用溫度分辨能力更高的紅外熱像儀則顯得尤為重要，例如芯片熱分析：
探測物體表面的熱場分布
??? 紅外目標特征主要表現為表面溫度、表面發射率和熱場分布。僅能捕獲單點溫度值的紅外點溫儀，在對目標進行檢測時，一次探測的采樣點只有一個，而紅外熱像系統的一次探測采樣點則數以萬計。上海博銳特光電科技有限公司研發、生產的紅外熱像系統采用像素為384×288的探測器，采樣點為110592個。因此，熱像儀可以將整個目標的溫度特性形成一個平面圖像，能探測物體表面的熱場分布而非單個溫度。
自上世紀90年代，非制冷凝視型紅外熱像儀迅速進入應用市場。這種熱像儀與制冷型凝視紅外熱像儀相比，雖然在溫度分辨率等靈敏度方面還有很大差距，但具有一些突出的優點：不需制冷，成本低、功耗小、重量輕、小型化、啟動快、使用方便、靈活、消費比高。
至今，非制冷紅外焦平面陣列(FPA)技術已由小規模發展到中、大規模320×320和640×480陣列，在未來的幾年內有望獲得超大規模的1024×1024非制冷焦平面陣列（FPA）。像素尺寸也由50μm減小到25μm，使焦平面靈敏度進一步提高。這種非制冷紅外成像系統在軍用和民用領域應用越來越廣泛，部分型號產品已裝備部隊，尤其在輕武器（槍械）瞄準具、駕駛員視力增強器、單兵頭盔式觀瞄、手持式（便攜）熱像儀等輕武器，以及部分導彈的紅外成像末制導等方面，非致冷熱像儀在近年內有望部分取代價格高、可靠性差、體積大而又笨重的制冷型熱成像系統。
2?現狀
1978年美國Texas?Instruments研制成功一個非制冷紅外熱像儀系統，主要紅外材料為α-Si（非晶硅）與BST(鈦酸鍶鋇)。1983年美國Honeywell開始研制室溫下的熱探測器，使用了硅微型機械加工技術，使熱隔離性提高，成本降低。1990-1994年美國很多公司從Honeywell獲技術轉讓，使以VOx（氧化釩）為探測材料的非制冷探測器得到了迅速廣泛發展。VOx材料具有較高的熱電阻系數，目前世界上性能更好的非制冷探測器就是采用VOx材料制備的，主要采用8~14μm波段320×240和160×120元的非制冷FPA器件，其結構按部件功能模塊化（諸如，光學模塊、FPA組件模塊、信號讀出處理電路模塊和顯示模塊）。目前市場上有熱像儀整機產品，也有各種功能模塊單獨出售，供用戶選用。
3?國外主要幾家公司研制生產狀況
目前，國際上美國、法國、英國和日本的非制冷紅外探測器研制生產水平靠前。英國的公司主要是BAE公司，正在研制生產PST-鋯鈦酸鉛和BST-鈦酸鍶鋇混合結構的熱釋電型陶瓷探測器，單元式結構的正在研制。
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日本的主要有三菱公司，正在研發的主要有Si?P/N結型和YBaCuO電阻型熱探測器兩種，規格均為320×240，像元素尺寸均為40μm，在f/1條件下，Si?P/N結型FPA的NETD（噪聲等效溫差）優于120mK，YBaCuO電阻型FPA的NETD優于80mK。日本電氣公司主要從事VOx電阻型探測器研究，新報道320×240?FPA像素尺寸為37μm，熱響應時間為12ms，填充因子為72%，其熱像儀的NETD為100mK（f/1,60Hz）。
美陸軍在“未來戰斗系統”使用和部署三種第三代熱像儀：第一種是采用制冷型探測器，具有較大的焦平面陣列（1024×1024或2048×2048），擴大目標探測器范圍和提高靈敏度，并能在中波和長波波段工作，采用多光譜紅外探測器，兼備在冷背景中識別目標和穿透煙霧的能力。這種熱像儀將裝備那些將來優先發展的作戰平臺，如計劃于2008年開始生產，將用于代替現役“艾布拉姆斯”坦克、“布雷德利”步戰車的陸軍“未來戰車系統”。
第二種是非制冷型第二代高性能單色探測器，凝視型FPA（1024×1024），可裝備美陸軍未來的無人駕駛車輛；第三種是非制冷、體積小、成本低的多光譜、凝視型FPA的探測器，用于微型無人駕駛車輛或未來的偵察監視器材，還將代替現役夜視頭盔的微光增強管。美陸軍的“未來”宇宙戰士傳感器將應用這種具有全天候觀測功能的輕型熱像儀。
表1部份國外典型非制冷紅外探測器性能
混合結構型BST鐵電型探測器
Raytheon公司W1000系列
用于輕型武器熱瞄具（LTWS）、駕駛員視力增強器（DVE）、手持式熱像儀和車載式駕駛儀，重1.7kg，探測距離550米，截至2003年9月該公司已交付美陸軍10000個，其中用于LTWS裝備的Specter?IR是320×240?FPA?BST,?已裝備M16、M4、M203和M136等，其探測和識別(人)距離為200米。
薄膜鐵電型探測器（TFFE）
正處于研發階段：320×240、像素尺寸為48.5μm，NETD為90~170mk,?填充因子55%.
VOx（氧化釩）電阻型探測器
DRS公司U3000/U4000型（美）
這種非制冷微測輻射熱計紅外探測器，用于武器觀瞄，已裝備美陸軍。320×240元FPA像素尺寸為51μm，波長8~12μm，NETD（U3000）為64~75mk，重量為1.36kg。
DRS公司LTC650TM??1999年制成，640×480?FPA，像素尺寸為28μm，NETD?<0.1℃重量為2.4kg。
DRS公司U6000型（美）??2001年制成，640×480?FPA，像素尺寸為25.4μm，2002年5月對其熱像儀進行了演示。
Raytheon公司（美）
2000年制成，640×480?FPA，像素尺寸為25μm，熱響應時間10ms，NETD為35mK（平均），填充因子>70%。??α-Si(非晶硅)電阻性探測器
Raytheon公司（美）??目前已批量生產，國際市場銷售，主要用于商業和民用。??160×120?FPA，像素尺寸為46.8μm，?NETD<?100mK。
Sofradir(法)?UL01011型（2001
年）和UL01021E型（2002年）
LET1/GEA公司（法）自1992年開始從事α-Si微測輻射熱計研究,打破了美國在這方面的壟斷。2000年Sofradir的子公司ULIS公司
購買LET1/CEA的技術轉讓。??320×240?FPA，像素尺寸為45μm，填充因子>80%，NETD分別為90mk和100mk，UL01021E型內裝恒溫裝置。
2003年報道正在研發產品：(1)?320×240?FPA，像素尺寸為35μm，NETD為36mk（50Hz,?f/1），熱響應時間為12ms，熱阻抗為4.2×107k/W；(2)?25μm像素，320×240?FPA面陣NETD值為35μm像素320×240?FPA面陣的2.2倍，個別產品達到與35μm相同的性能。
4?國內主要幾家公司研制生產狀況
1995年，中科院長春光學精密機械研究所采用微機械加工技術研制成低成本線列32元、128元硅微測熱輻射計陣列，NETD為300mK，存儲時間為1ms。
2000年12月，中科院上海技術物理研究所采用新工藝制成的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料性能通過鑒定達到國際領先水平，與美國TI公司演示的第一代非制冷探測器所用材料相同。
我國在非制冷紅外熱像儀方面的研發集中在部分高等院校和研究所。從事經營非制冷紅外熱像儀的公司大部分只停留在一些外圍設備和開發軟件的業務上，核心的機芯部分均系國外進口。
4?國內主要幾家公司研制生產狀況
1995年，中科院長春光學精密機械研究所采用微機械加工技術研制成低成本線列32元、128元硅微測熱輻射計陣列，NETD為300mK，存儲時間為1ms。
2000年12月，中科院上海技術物理研究所采用新工藝制成的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料性能通過鑒定達到國際領先水平，與美國TI公司演示的第一代非制冷探測器所用材料相同。
我國在非制冷紅外熱像儀方面的研發集中在部分高等院校和研究所。從事經營非制冷紅外熱像儀的公司大部分只停留在一些外圍設備和開發軟件的業務上，核心的機芯部分均系國外進口。