非制冷红外成像

非制冷红外成像（精选5篇）

非制冷红外成像 第1篇

近年来,随着MEMS工艺的发展,采用无读出电路的双材料微梁阵列作为焦平面阵列,并利用各种光学读出方式检测微梁阵列热致变形的非制冷红外成像技术日益受到重视[1,2,3,4]。1997年至今,Berkeley的研究小组发展了基于光学干涉读出方式的系统检测微梁阵列的离面位移[1],在2001年获得了人体的热图像。Nikon.Corp[2]在2001至2002年陆续报道了检测热变形所致悬臂梁转角的光学读出系统并得到了室温下的人像[3]。美国的Oak Ridgeg国家实验室在2006年也报道检测热变形致悬臂梁转角的光学读出系统[4]。以上小组制作的双材料微梁阵列都是用牺牲层工艺制作站立在硅基底上的微梁阵列,微梁与基底间隙约为2µm,红外辐射穿过硅基底被微梁吸收,读出光从微梁上方照明检测变形。这样不仅存在牺牲层制作工艺上的难度,也带来了透过基底的红外辐射能损失和微梁与基底的粘连失效问题。为此我们提出无衬底的全镂空悬臂梁结构,通过刀口滤波光学读出系统读出微梁阵列在吸收红外辐射后产生的热变形转角,在2003年得到了200℃热物体的红外图像,2005年实现了对室温物体的红外成像[5,6,7]。

对于基于悬臂梁阵列的光读出非制冷红外成像系统来说,其试验结果虽然令人振奋,但其噪声分析的理论并不完备,无法很好的指导系统的改进。本文提出了一种光电耦合模型描述该系统的工作原理与噪声模型。并且通过对模型与实验结果的分析,揭示了现阶段的主要噪声来源,为后续工作指明了方向。

2 噪声等效电路分析及建模

作者所在研究小组在以前工作中发表了一系列的光读出非制冷红外系统[5,6,7]的加工制作及成像结果,其原理是采用MEMS技术加工的微梁阵列作为红外辐射的吸收结构将辐射能量转化为探测单元的热能;通过FPA中的双材料梁结构将单元的热能转化为微梁的转角(位移);依靠刀口滤波非干涉光学系统将微梁的转角转化为光强的变化;最终采用光学CCD将光强转变为电流并以灰度图像输出,如图1所示。

基于热机械变形的光读出红外成像系统的工作原理,与传统的电读出红外成像系统基本原理不同,涉及了悬臂梁的机械形变过程、光读出的光学调制过程以及最终的电学过程。为了能清晰明确的描述光读出红外成像系统,本文建立了一个光电耦合模型来阐述系统的工作原理与噪声分析,如图2所示。其中由虚线标识的元件为热机械变形的等效电路,没有被虚线标识的元件为系统中实际存在的电路器件,其中被点划线所标示的为CMOS CCD的等效电路。

2.1 微悬臂梁的等效

如前所述,FPA中的微悬臂梁担负着将所吸收到的红外辐射转化为单元温升以及将温度变化转化为微梁转角变化的功能。光读出非制冷红外成像系统的FPA像素单元如图3所示。

从图中可以看出,其结构与VOx等电读出非制冷系统中的单元极其相似,都是由红外吸收部分与热隔离梁构成。因此,微梁单元的红外辐射吸收过程与VOx型单元是完全相同的。本文以H表示目标温度变化∆Ts与像素温度∆T之间的转化率。微梁单元与VOx型单元之间的差异在于,VOx型单元将温度的变化转变为电阻阻值的改变,微梁则将温度变化转为热致变形。本文将微梁的形变等效为电阻阻值的改变,以一个温敏电阻Rs表示。微梁的转角随温度变化的规律可以描述为

其中:L为微形变悬臂梁的有效长度,(α1-α2)是两种材料的热膨胀系数差,K是结构系数,可以表示为K=4+6n+4n2+φn3+1/φn,n是两种材料薄膜的厚度比(n=d1/d2),φ是两种材料的杨氏模量比Young’s Modulus(φ=E1E2),α′tcr是等效温敏电阻的温阻系数。而VOx型非制冷红外探测器的阻值变化公式为

其中:αtcr是温阻系数。可见,将微形变梁的有效长度视为等效电阻的阻值,将微梁的形变率视为等效温阻系数时,微梁随温度变化所产生的形变可以等效为温敏电阻的阻值变化。

2.2 光读出的等效

本研究小组之前所提出的系统中光读出方法采用了非干涉光刀口滤波成像系统,其原理为:悬臂梁的偏转使被反射的入射光在透镜后焦平面上的能量谱移动,能量谱被刀口滤波器调制,并最终将悬臂梁的转角变化转化为CCD成像面上的光强变化。在本文所提出的光电耦合模型中将这一复杂过程简化为:读出光源的入射光强等效为图2中的恒流源A,并使图2中的JFET管M工作在恒流区,因此,通过M的电流可以由Rs的输出电压线形调制,从而控制LED的输出光强变化。这种光电耦合模型的优势在于准确的表现出了光学读出系统的噪声隔离特点,即信号只从敏感单元传向后端的读出电路而无反向的信号干扰;并通过等效电路体现了LED与光敏二极管等实际存在的元器件,便于在模型中描述其噪声。

在原系统中读出光强被悬臂梁形变所调制的过程可以数学表达为[5]

其中:∆I为CMOS CCD图像传感器所接受到的光强变化,∆θ为悬臂梁转角的变化量,C为放大常数,Is为读出光强,Ly为悬臂梁的长度,λ为读出光波长。在本文所提出等效电路中,其读出过程的表达式为

其中:∆I为等效电路中LED的发光强度变化,ξ为发光二激光的发光效率,gm为结型场效应管M的低频跨导,IA为恒流源A所提供的读出电流,∆R s为温度敏感电阻的温度变化。可见当将微梁的形变等效为电阻的阻值变化时,此等效模型可以完美的体现原光路的读出过程。

模型中LED所发出的光被CMOS图像传感器中的光敏二极管D所探测,构成一个光电耦合器。将CMOS CCD的输出电压与光强的关系表示为∆V=ρ∆I,其中ρ为转化率。则图像传感器的光电转化率与发光二极管的发光效率的乘积ρ·ξ可以类比为一个光电耦合器的传输效率。

基于以上的类比与假设,以光读出非制冷红外成像系统建立的光电耦合模型可以被最终表述为

其中:ℜ为系统转化率,表示单位目标温度所能造成的系统电压输出变化。

对于电读出非制冷红外成像系统,由于读出电连接的存在,不可避免的要在敏感单元中引入读出系统所产生的噪声。相对于电读出系统,光学读出系统作为一种非接触式信号读出手段,其在信号读取时不会在敏感单元内引入噪声,即信号只能正向的从敏感单元传向读出系统,而读出系统的波动不会影响到敏感单元[8]。此模型中的光电耦合器件形象的体现出了光学读出系统的噪声隔离特性。基于这个特点,本文在模型的基础上将系统的噪声分为由FPA引入的内部噪声和由读出系统引入的外部噪声。

3 噪声分析

本文采用噪声等效温差(NETD)来描述噪声对于系统性能的影响,其表示当红外成像系统输出端产生的峰值信号与均方根噪声电压之比(S/N)为1时的目标与背景之间的温差。本文中假定各噪声之间是非关联的,则各个噪声对系统的综合影响可以表述为

3.1 内部噪声

对于所有非制冷红外成像系统中得FPA来说,热波动噪声与背景波动噪声都是产生于传感器单元的不可避免的噪声。因此也通常被认为是热型红外成像系统的本征噪声、极限噪声。这两种噪声的表现形式都为传感单元的温度波动。热波动噪声可以表示为

其中:kB是玻尔兹曼常数,T是绝对温度(K),B为测量带宽,GT为探测单元的热导,ω为工作频率,τ探测单元的热时间常数。背景波动噪声可以表示为

其中:σT为FPA在T温度时的辐射系数,Ad为FPA对红外辐射的吸收面积,TD为FPA温度,TB为背景温度,L为FPA的等效变形梁长,η为红外吸收率。这两种噪声对系统的影响可以统一的表示为

其中:TB/F是热波动或背景波动噪声。

在本文所提到的基于悬臂梁的光读出红外成像系统中,由于悬臂梁的机械结构的特有性质引入了一种独有的噪声,热机械噪声。由于悬臂梁在吸收热量与产生形变的过程中形成了一个振荡器,即使探测器单元已经处于热平衡状态,探测器单元与环境之间仍然存在着换热过程。这种连续的换热过程是由波动散逸定理定义的[9]。这个连续的换热过程中,每一份热能量值为kBT。这种连续的换热过程造成悬臂梁自发震动。Sarid教授将这种噪声描述为“热诱发杠杆噪声”[8]。在等效模型中,可以将这种悬臂梁的自发震动看作是热敏电阻Rs的阻值波动。当微梁的工作频率远小于其谐振频率时其噪声可以表述为

其中:δR′RM为等效电阻的波动值,Q为悬臂梁结构的品质因数;ω0为悬臂梁结构的共振频率;k为悬臂梁结构的弹性系数,B为系统工作带宽。根据式(10)与NETD的定义,热机械噪声对系统的影响为

以上所介绍的三种噪声的共同特点是:噪声大小由探测单元的结构与参数决定,而与读出系统无关。由于系统的噪声隔离特性使读出系统的噪声无法影响到敏感单元。因此,敏感单元部分没有令VOx型等电学读出非制冷红外成像系统所头疼的1/f噪声。即光电耦合模型中的热敏电阻Rs无1/f噪声。

在表1、2、3中给出本文实验中所使用的FPA器件的详细设计参数、材料参数、性能参数,并通过上述所给出的噪声模型计算出系统的内部噪声,如表4所示。理论计算结果表明,内部噪声所对应得NETD仅为5.94 m K。

3.2 外部噪声

光读出系统中所引入的外部噪声主要包括,光源噪声、Shot噪声以及CMOS CCD电路噪声几种。系统中非相干光源采用的是发光二极管(LED)光源。由于其工作原理[10]不可避免的会引入光强的波动即噪声波动。本文在等效模型中以与实际LED对应的发光管作为噪声源。Shot噪声产生于探测光被CMOS CCD吸收时,射击到传感器靶面上的光子数目受自然统计学规律涨落所造成。此噪声对应产生于等效模型中的光敏二极管D。而CMOS CCD中的电路噪声包括johnosn噪声、1/f噪声、量化噪声等,这些噪声都对应的表现于等效模型中的CMOS CCD模块。

所有这些外部噪声的大小都与FPA的性能无关,而是由试验中所选用的器件性能决定。其影响最后也都反映为信号输出电压的波动,因此所有外部噪声对系统性能的影响可以统一的表述为

其中vE为各种外部噪声所表现出的最终输出电压波动。

如上所示,系统的内部噪声可以通过微梁阵列的设计参数计算得出,而外部噪声由于其主要由实验系统中所采用的器件性能决定,所以只能通过实验获得。

4 系统噪声实验测试

使用图1所示的系统进行成像实验,获得室温下人体的红外图像如图4所示。

实验采用商用CMOS CCD检测输出光强的变化,因此输出信号为经过量化处理后的灰度值,灰度值直接对应于被量化后的输出电压。通过分析灰度值便可以直观的了解系统的噪声情况。在没有目标物体的情况下采集40幅CCD图像,如图5中(a)所示,并分析其噪声引起的灰度变化。由图5中(b)统计直方图得出噪声的均方根值为4.5,因此本文选取4.5灰度作为系统的噪声灰度。由NETD的定义以及所测量出的系统转化率ℜ(45.76 gray/K)[7]可以计算出系统的综合NETD为98 m K,这个结果中包含了前面所提到的内部噪声与外部噪声效果的综合。

为了确定系统中噪声的主要来源,需要设计实验对内部噪声与外部噪声进行分离测试。根据理论模型中的讨论,外部噪声的大小与FPA的参数性能无关,只于光源与CCD的性能相关。因此,采用如图6所示方法独立的测试系统的外部噪声。用一个镜面代替原有FPA的位置,可以获得不受FPA影响的纯粹的系统外部噪声。依靠所示方法,通过CCD采集一系列的图像如图7所示,对象素灰度值进行统计则可获得光读出系统噪声的灰度直方图。从直方图中,可以看出其噪声分布与拥有FPA时系统的噪声灰度分布基本相同。这一实验结果说明:系统中的外部噪声所对应的NETD为98 m K,远远大于内部噪声的影响,即理论模型所推测的内部噪声所对应的NETD为5.9 m K是合理的。

5 讨论

对比实验的结果说明,现阶段外部噪声对系统性能的影响远大于内部噪声,这一结果证实了理论模型对于内部噪声大小的推断。另外部噪声对性能的影响与器件的性能H·α′tcr成反比,即提高FPA的温度转化效率H和等效温阻系数α′tcr等参数都有助于减少外部噪声的影响。因此,随着光读出系统的改进与FPA性能的提升,外部噪声有可能可以达到或小于内部噪声。在这种情况下双材料梁阵列非制冷红外成像系统的性能将可能超越现有商用非制冷红外成像系统。

6 总结

本文从双材料微梁阵列非制冷红外成像系统的工作原理入手,构建了一个光电耦合等效模型以描述复杂的系统工作过程。所建立的光电耦合等效模型,将悬臂梁的形变等效为温敏电阻的阻值变化,将复杂的非干涉光刀口滤波系统等效为被电压调制的发光二极管与光敏二极管构成的光电耦合器件。此模型描述了原系统的工作过程,并且以光电耦合的形式体现出了光读出系统中对读出噪声隔离的特有性质。基于噪声隔离性质,本文将总的系统噪声分为外部噪声与内部噪声。理论计算显示,系统内部噪声所对应的NETD仅为5.94 m K。实验表明外部噪声所对应的NETD与系统总噪声对应的NETD相当,都为98 m K。此结果说明,模型中对内部噪声影响的推断是合理的,且光读出红外成像系统的噪声主要源自外部噪声。

摘要：针对热机械光读出非制冷红外成像系统缺乏系统级噪声模型的问题,本文提出了一种光电耦合模型。此模型以光电耦合器件的模式体现了光读出非制冷红外系统的噪声隔离特性。基于此模型,文中将系统噪声划分为由焦平面阵列(FPA)引入的内部噪声和由于光读出系统引入的外部噪声。理论计算显示,系统的内部噪声对应的噪声等效温差(NETD)为5.94mK。实验结果显示,系统的外部噪声对应的NETD与系统的总噪声对应的NETD相当,为98mK。此结果说明,理论模型中对内部噪声影响的推断是合理的,且光读出成像系统的噪声主要源自外部噪声。

关键词：非制冷,红外成像,噪声,建模,MEMS,焦平面阵列

参考文献

[1]ZHAO Yang,MAO Min-yao,Horowitz Roberto,et al.Optomechanical Uncooled Infrared Imaging System:Design,Microfabrication,and Performance[J].Journal of MEMS,2002,11(2):136-146.

[2]ZHAO Yang.Optomechanical uncooled infrared imaging system[D].Berkeley:Dissertation of UC,2002:97-112.

[3]Ishizuya T,Suzuki J,Akagawa K,et al.Optically readable bi-material infrared detector[J].J.of Institute of Image Information&Television Engineers,2001,55(2):304-309.

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[6]李超波,焦斌斌,陈大鹏,等.基于MEMS技术的红外成像焦平面阵列[J].半导体学报,2006,27(1):157-162.LI Chao-bo,JIAO Bin-bin,CHEN Da-peng,et al.A MEMS Based Focus Plane Array for Infrared Imaging[J].Chinese Journal of Semiconductors,2006,27(1):157-162.

[7]JIAO Bin-bin,LI Chao-bo,CHEN Da-peng,et al.A Novel Opto-mechanical Uncooled Infrared Detector[J].Infrared Physics&Technology,2007,51(1):66-72.

[8]Sarid D.Scanning Force Microscopy[M].New York:Oxford University,1991:214-220.

[9]Saulson R.Thermal noise in mechanical experiments[J].Phys.Rev.D,1990,42(8):2437.

非制冷红外成像 第2篇

关键词：热成像,非制冷红外成像,焦面平阵列,智慧眼

引 言

红外热成像技术是利用一切温度高于绝对零度(-273°C)的物体,每时每刻都辐射出红外线,而这些红外线都载有物体的特征信息,以此来呈现出物体的形状的一种技术。自1800年英国物理学家赫胥尔发现红外线以来,红外技术不断发展与进步,二次世界大战后出现了用于军事领域的红外成像装置,人们在不断地追求着热成像的清晰度和图像质量。由于所采用的技术需要制冷,使得成像仪的重量达35 kg,为了减轻重量,降低功耗,提高成品率,发展非制冷红外热成像技术成为必然[1,2]。

非制冷红外焦平面阵列热成像技术是九十年代发展起来的技术,目前在这个领域领先的公司有美国FLi、法国ULIS等公司,国内在这个领域仅仅停留在研制阶段,并未批量生产。非制冷红外成像芯片采用的材料有氧化钒、非晶硅a-Si、热电堆等。美国在红外焦平面阵列传感技术方面也遥遥领先,焦平面阵列规模达2048×2048像元探测阵列,由于采用了基于锑化铟的新材料,分辨率可达到小于0.01°C的温差,使对探测目标的识别水平更高。

随着非制冷红外热成像技术的发展,其不再局限于军事领域的应用,而是以低成本,重量轻,体积小为目标广泛地用于民用方面,如安防、汽车、空调、节能以及物联网[3,4,5,6]。

1 非制冷红外焦平面成像原理与成本分析

1.1 非制冷红外焦平面成像原理

非制冷红外焦平面热成像系统由光学系统、光谱滤波、红外探测阵列、输入电路、读出电路、视频图像处理、视频信号形成、时序脉冲同步控制电路、监视器等组成。

系统的工作原理是由光学系统接受被测目标的红外辐射经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测器阵列的各光敏元上,探测器将红外辐射能转换成电信号,经放大后注入读出电路,以便进行多路传输。经A/D转换后送入微机作视频图像处理,再经D/A转换形成标准的视频信号,在液晶屏上显示红外热像图。

1.2 非制冷红外焦平面阵列热成像系统的成本分析

非制冷红外焦平面阵列热成像系统由焦平面阵列(FPA)、信号处理单元及光学系统组成,目前国内红外热成像传感器尚不能批量生产,主要依赖于进口而且价格昂贵,无法用在民用产品上。我们可以清楚地看到非制冷红外焦平面阵列是热成像部分的核心,为了降低成本,减小体积,我们将从成像器入手与单片机技术相结合,打破成像仪的常规使用模式,以技术革新突破价格壁垒。

2 超低像素元非制冷红外焦平面阵列热成像图像处理技术

非制冷焦平面阵列红外热成像原理是根据阵列中每个像元对被测物体感应到的热辐射不同形成热图像来区分不同的物体,它与物体的距离、材料、结构等有直接关系。目前根据人体的热辐射感应控制水龙头及电灯的开关技术已得到广泛使用,这种技术对物体的形状没有要求,只需判断有无即可控制通断,它的应用也因而受到一定的限制。

为了降低成本就需减少像元数,而像元数的多少决定了图像的清晰度,如何用尽可能少的像元数所获得的热图像来满足使用要求就是我们要解决的问题。

2.1 低像元非制冷焦平面阵列(UFPA)红外热成像原理

经过试验由32×32像元所得到的红外热成像图,经过图像处理可满足民用市场的广泛需求,其核心就是用单片机直接完成的图像处理技术。

2.2 超低像元图像处理技术

2.2.1 算法介绍

基于非制冷焦平面阵列(UFPA)红外图像特点是图像上每个像素点与对应物体表面温度成一定的比例,整个图像代表所摄取的环境的温度分布特点:温度高到温度低由像素点的值一一对应,形成代表温度的灰度图像。基于非制冷焦平面阵列相机摄取图像的这个特点,可以用来做图像分割。在下面基于非制冷焦平面阵列图像分割的算法介绍中,主要是从图像中判断该环境中是否有人以及人在该图像中的坐标值。由于人是恒温的动物,裸露在外面的部分,其图像的值会比较靠近,所以在此我们先基于红外图像特点,把裸露部分找出,再计算占空比。

2.2.2 仿真软件流程图

基于项目最终目标是将超低像元非制冷焦平面阵列红外热成像设备,包括算法都集中在一起形成一个价格低廉的智能化热成像设备,算法本身就要求比较精简,见图2。

从图2可以看到,超低像元非制冷焦平面阵列红外图像为一灰度图像,其内容为人的身体。从像素的亮度值可以看到,身体的温度分布还是比较统一。经过手动选择一个阀值(是个经验值,须现场选取)后,可以得到带噪音的二值图像如图2所示。

2.2.3 噪声处理与门限设置

图2中,带噪音的二值图中噪音是不规则形状、大小与黑白颜色混杂的点状物体。去除此类噪音最简便的方法是遍历全图,找出四联通(或八联通)的像素块的个数,然后计算每个块的像素个数,如果大于某个手动选取的阀值,就认为这个像素块是噪音。如图3,黑与白两个区域用Rj表示,其中序号j取值为0,1分别代表黑与白区域。

每个像素用符号Ix,y代表,其相邻的像素的编号如图4。例如Ix,y右边那个像素为编号为零的像素,如果此关系可以用P0(Ix,y) 来表示的话,其右上角的像素可以表示为P1(Ix,y),则一个像素属于某个区域可以这样判断:Pi(Ix,y)∈Rj,其中序号i∈{0到7的整数},j为离散的斑点块的序号。应用递归算法,就可以找到像素Ix,y对应于那个区域Rj,如果去噪音的话,只需判断每个区域里像素的个数,如果小于某个阀值,此区域就会被舍去。由于图像分辨率比较小,此算法不会降低整个算法的实时性。

2.2.4 占空比的计算

从图2可以看到,计算占空比的前期工作是得到少噪音的二值图像。假设NI为图像的总像素个数以及NW为图像中白色像素的个数,则有占空比Ratio为:

undefined

例如图3是4×4的二值图像:黑的像素代表背景,白像素代表人体某部分。其图像的计算占空比为6/16。

2.3 不同背景噪声下所得到的图像与占空比

为了说明本热成像的图像处理技术的合理性、有效性和准确性,在不同环境情况下,从热成像仪的视频数据中抽取某帧(frame)图像进行分析计算,得出占空比Ratio,当Ratio大于0.05时判定有人,否则为无人。将此判定结果提供给后续电路应用。

(1)摄像头前面是一个人及两个人的情况,如图5,图6所示。

可见,增加一个人,也不影响其占空比判定。

(2)从有人到人离开的情况(剩下噪音),如图7,图8所示。

从有人到无人的情况图像清晰,占空比判断准确。

(3)一人快速换另一人及动物进入的情况,如图9,图10,图11,图12所示。

一只小狗在镜头的前方, 其身体被毛覆盖所感应到的温度较低,其占空比比较小,所以判定为没人。

在不同情况下,随着目标的变化,本处理方法可以迅速随着目标的变化给出新的判断。

3 红外超低像元UFPA热成像技术的应用与展望

本文介绍的红外超低像元UFPA热成像技术,由于只采用了32×32像元,大大降低了产品成本,而该实时的图像处理技术,保证了图像的清晰程度可满足民用产品与设备的需求,现已用于节能和空调领域,如对空间物体的动态监测,通过占空比判断用电设备的闲置率,而对其进行调节与控制。本项目团队研制的空调“智慧眼”在2012年广州交易会上备受关注。

4 感 谢

本文得到广东省科技厅产学研项目2011B090400233、广东省自然科学基金10451802904006030及深圳信息职业技术学院创新团队项目CXTD2-003的支持。

参考文献

[1]邢素霞.红外热成像与信号处理[M].北京:国防工业出版社,2011.

[2]刘卫国,金娜.集成非制冷热成像探测阵列[M].北京:国防工业出版社,2004.

[3]Modarres Zadeh M J,Carpenter Z S,Abdolvand R.Parylenesupported uncooled thermoelectric infrared detector with um-brella like absorber[J].Solid-State Sensors,Actuators,andMicrosystems Workshop,2012:332-335.

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[5]冯生荣,吴诚.非制冷焦平面热像仪的光学问题[C].十一省(市)光学学术会议论文集,上海:1999:108-109.

非制冷红外成像 第3篇

近年来,非制冷红外探测器以及由多个敏感单元构成的红外焦平面阵列在军事及民用领域受到越来越广泛的关注。非制冷红外探测器工作于室温下,所以又称之为室温红外探测器。与制冷型红外探测器相比,室温红外探测器最大的优点在于系统无需制冷器,可在常温下工作,在低成本、低功耗、小型化和可靠性等方面有明显的优势,且已显示出了巨大的市场潜力。UFPA是非制冷红外热成像系统的核心,决定了系统的性能参数和成像质量。为了进一步提高UFPA的性能,除提高工艺水平外,还需设计高质量低噪声的驱动电路,使UFPA处于最佳工作状态,以提高系统的成像品质。

1 UFPA的结构及工作原理

本电路采用的384×288像素非制冷红外焦平面器件为ULIS公司生产的非晶硅微测辐射热计UL03191,其主要由一个二维微测辐射热计阵列(FPA)和一个内部集成的热电制冷器(TEC)组成,热电制冷器通过对焦平面温度的精确控制使焦平面获得稳定的工作温度。UL03191壳体外形紧凑,其像感面面积为9.6 mm×7.2 mm,重量≤25克,像元间距为25 μm,最高帧频100 MHz,带有一个模拟输出和一个数字输出。

UL03191采用脉冲电压偏置,对红外辐射进行逐行积分,然后将目标的红外辐射转换为电流信号;而读出电路逐点读出像素电流信号,并由读出电路的电容反馈跨导放大器(CTIA)转换为电压信号,最终由多路复用器将经过放大的信号逐行输出。

2 UFPA的驱动电路设计

非制冷红外探测器驱动电路设计的关键是提供满足探测器正常工作的几个偏置电压,提供MC、INT和RESET等时序脉冲,以及提供热电稳定器和温度环控制的接口信号。

2.1 偏置电压电路的设计

为了非制冷红外焦平面阵列正常工作,驱动UFPA中的读出电路,保证探测器热电稳定,并且使UFPA具有较大的动态范围和较好的NETD性能,偏置电压电路应当具有结构紧凑,性能稳定、精度高、保护措施严密等特点。

本方案采用多片LT1761-5、LT1761-3.3分别得到5 V、3.3 V;用LT1761-2.8得到VBUS所需的2.8 V电压;GFID,VSK,GSK均采用LT1761通过分流电阻获得各自所需电压值。

2.2 脉冲电压信号驱动电路的设计

探测器工作所涉及的时序不只一个,几个时序要求同步,所以最理想的方法就是用一个晶振源通过可编程逻辑器件产生所需的时序脉冲。

(1) MC(Master Clock)是对整个器件进行操作的基础,所有操作都在MC的控制下协作统一。MC控制寄存器进行像素寻址。MC的频率不能高于384×288 MHz,且其占空比为50%。MC的上升和下降时间需低于10 ns。

(2) 积分脉冲INT(Integration Phase)是使UL03191进行每一行像素积分的信号。当INT为高电平时,允许对来自微测辐射热计的一行像元信号进行积分。INT必须在MC的上升沿改变状态,同时必须是RESET信号的低电平期间。

(3) RESET信号能使UL03191复位,这样,UL03191就会从探测器的有效区域的第一行开始积分。RESET信号必须在 MC 的上升沿改变状态,且RESET信号不能在一帧内发生两次及以上。RESET信号时长至少为1倍MC时间,其下降沿必须在INT下降沿之前。

本方案采用Xilix公司的CPLD器件XC2C128为探测器提供时钟信号、RESET、积分脉冲INT等信号。CPLD通过对27 MHz晶振进行4分频,为MC提供6.75 MHz频率时钟。红外焦平面的有效尺寸为384×288,即384列,288行。这里取红外图像的帧频为50 Hz。脉冲时序的仿真图如图3所示。

2.3 温度检测及控制电路的设计

非制冷焦平面热像仪的“非制冷”是指其可在某个恒定室温下工作,而不像低温制冷型热像仪那样工作温度通常低于200 K。而热敏元件的温度将直接影响热像仪的探测灵敏度和成像性能,只有尽量使探测器阵列所有像元温度保持在某个相同的恒定室温下,才能从根本上提高热像仪的探测灵敏度,抑制由此引起的工作波动,因此设计一个高精度的温控系统是完成高性能非制冷焦平面热像仪设计的关键。

本方案采用AD公司的ADN8830温度控制芯片,它是优秀的单芯片、高集成度、高输出效率、高性能的TEC驱动模块之一。小于0.5%的TEC电流波动噪声,片内集成MOSFET,尽量减少了外围器件,以提高输出效率,最高可设定的开关频率1 MHz,可以设定最大输出电压保护。ADN8830温控电路的控制原理是通过采样热敏电阻上的电压与传感器正常工作所设定的温度(与电压值相对应)相比较,从而调整致冷器中流过的电流的方向和大小来控制温度。

ADN8830的温度设定输入由12 bit的串行D/A转换器AD7390提供,使探测器稳定在不同的工作点,扩大了探测器的温度范围。

ADN8830输入桥路的偏值电阻的阻值应该按公式(1)计算:

undefined

式(1)中RT1和RT3分别表示热敏电阻在工作温度的两个上下极限时的阻值,RT2为热敏电阻在平均温度下的值,即RT2=(RT1+RT3)/2。

RT1,RT2和RT3的值通过查阅热敏电阻温度曲线得到,然后计算出电阻的值。

3 结束语

非制冷红外焦平面阵列的驱动电路是设计非制冷红外焦平面成象组件的重要环节。本文采用CPLD产生时序逻辑驱动,单片TEC芯片ADN8830调控UFPA的温度,结合高性能低噪声的偏压电路,构建了非制冷红外焦平面阵列器件的驱动电路。根据本方案研制出的驱动电路经过了实际测试和应用,结果表明:该电路达到了理想的效果,具有体积小、实用性好、可靠性高等特点。

摘要：介绍了384×288非制冷红外焦平面探测器UL03191及其工作原理,分析了非制冷红外焦平面阵列驱动电路组成原理、设计方法,重点是偏置电压电路、脉冲电压信号驱动电路、温度检测及控制电路的设计等关键技术,并对主要驱动信号进行了仿真。

关键词：UL03191,驱动电路,CPLD,温控电路

参考文献

[1]ULIS.Inc.UL03 19 1 384×288 LWIR UNCOOLED MI-CROBOLOMETER DATASHEET[M].U.S.A:ULIS.Inc,2006.

非制冷红外成像 第4篇

红外光在电磁波段占据0.8-1000μm的范围, 而且根据普朗克黑体辐射公式, 任何温度高于绝对零度的物体都会发出与其特性相关的红外辐射, 而且根据红外波长范围包含的丰富信息, 由此来检测分析目的物, 具有非常重要的价值。

根据探测机理的不同, 可把红外探测器分为制冷型探测器和非制冷型探测器两大类。其中, 非制冷型红外探测器, 又称为室温红外探测器, 是指利用探测器接收红外辐射后自身温度开始升高, 从而引起热敏元件的物理性质发生改变而实现对红外光进行检测的探测器。

室温红外探测器及其焦平面阵列一般不需要制冷, 可以直接在室温下工作, 易于使用和维护, 可靠性好。因此, 研究开发重量轻、体积小、功耗小和成本低的非制冷焦平面阵列及其成像系统成为一种必然的发展趋势。非制冷红外焦平面阵列主要是以微机电技术 (MEMS) 制备的热传感器为基础, 大致可分为以下几种类型:热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计。

二、非制冷红外探测器技术发展及专利申请脉络分析

非制冷红外探测器是红外热成像技术的一个重要组成部分和重点发展方向, 通过对该领域申请的发明专利进行统计来看, 其发展可以分为以下三个阶段。

2.1材料和工艺技术研发

上世纪90年代中期以前, 主要是对体硅刻蚀和牺牲层工艺制备氮化硅微桥两种技术以及热敏材料进行了探索。技术上, 早期的氮化硅微桥制备工艺一般是先在硅衬底上沉积氮化硅薄膜, 利用光刻技术制备器件图形, 然后采用KOH等各向异性腐蚀液腐蚀体硅而成。由于湿法腐蚀工艺精度低, 而且像元间距大, 这就制约了像元尺寸缩小空间而无法提高像元数量, 从而抑制了器件分辨率的提高。更为重要的是, 随着上世纪80年代末至今硅集成电路的迅猛发展, 使得采用单片式结构、以硅ROIC作为器件的图像处理电路成为热成像技术的主要特点, 这样湿法腐蚀体硅工艺就无法满足工艺要求。由于PI、多晶硅薄膜淀积工艺与CMOS工艺兼容, 在其上沉积氮化硅薄膜后可以采用湿法或干法刻蚀且不会对硅ROIC造成损害, 是理想的牺牲层材料, 同时在降低像元尺寸、提高像素上具有绝对优势。

在热敏材料选择上, Honeywell公司于1992年6月11日提交了题为“具有增强灵敏度的微测辐射热计传感器”的专利申请, 公开号为WO9325877A1, 该申请在美国、日本、加拿大、欧洲均被授予专利权, 作为非制冷红外探测器 (微测辐射热计) 领域的一项基础专利, 其对微测辐射热计型非制冷红外探测器技术的发展具有重大的影响, 且使得微测辐射热计型非制冷红外探测器由美国军方的最高机密变成为公众所知, 通过专利许可和转让, 使得相关公司在此基础上又进行了不断的改进, 并应用到军事、民用的各个领域中去。

另外, 德克萨斯仪器公司 (TI) 在1992年提交了题为“应用于热探测器中的钛酸锶钡热释电探测材料”, 公开号为US5314651A, 在美国获得授予专利权, 开创了钛酸锶钡作为热释电型红外探测器的先河。

2.1器件阵列化

上世纪90年代中后期, 随着非制冷红外焦平面阵列技术的突破, 非制冷红外热像仪的灵敏度大幅提高, 同时由于其具有的低成本、低功耗、长寿命、小型化和高可靠性等优势, 使其在民用领域逐步得到广泛应用, 其中单片式、45x45μm2像素单元的320x240氧化钒微测辐射热计阵列成为主流产品。

与此同时, 非制冷热成像技术成为世界各国许多商业机构和研究单位竞相开发的目标, 美国的波音北美、洛克希德-马丁、DRS、Raytheon、AMBER公司;日本的NEC、三菱公司;英国的BAE System公司;法国的UUS公司等都先后获得了Honeywell公司的专利技术转让, 并且相继推出了成熟的热像仪产品, 主要有DRS的U系列、Raytheon的SBRC系列、BAE的Micro IR系列等非制冷热像仪。

此外, 德克萨斯仪器公司 (TI) 在1994-1996年间提交了多份关于钛酸锶钡热释电型非制冷红外焦平面阵列探测器的开拓性专利申请, 申请号分别为US19940235835A、US19940225601A、US19950476409A、US19950368066A、US19950368067A, 且在美国、日本、欧洲、台湾获得专利权, 从而一举奠定了其在混合式热释电型红外焦平面阵列探测器领域的领军地位。此后, 英国的GEC-马可尼材料技术公司对热释电型红外焦平面阵列探测器进行了改良, 使得热释电红外焦平面阵列探测器的性能进一步得到提高。

2.3新技术发展

从本世纪初至今, 主要致力于研制基于亚微米工艺、信号处理功能强大的硅ROIC, 并以此降低微测辐射热计的功耗, 延长热像仪的工作时间以满足单兵野外作战的要求;同时进一步减小像素尺寸、增大面阵像素值、降低NETD、提高分辨率。目前, 非制冷红外焦平面阵列 (UIRFPA) 已成为国际上研究的热点之一, 除美国有DRS、Raytheon等多家公司外, 日本、俄罗斯、英国、以色列、法国和加拿大等国家也加大了这一方面的研究投入, 并先后向热成像市场推出25x25μm2像素单元的480x640焦平面阵列, 17x17μm2像素单元已在研发中。

此外, 新材料、新结构的非制冷焦平面阵列研发也取得较大进展, 而其中基于非晶硅 (a-Si) 的UIRFPA逐年呈上升趋势, 主要代表是法国的Sofradir公司的子公司ULIS, 包括名为“基于非晶硅的红外焦平面阵列探测器”, 公开号为US7138630B2的发明专利。ULIS公司先后推出320x240、640x480的UL系列a-Si微测辐射热计焦平面探测器, 像元尺寸由早期的45x45μm2、35x35μm2逐渐减小到25x25μm2, 热响应时间仅为7ms, 帧数可达60Hz, 而NETD也降到30m K, 接近氧化钒非制冷焦平面阵列的性能。

与氧化钒材料相比, a-Si具有更高的热导率低和机械强度, 其基于此材料的微测辐射热计更适应自悬浮支撑的结构, 同时该材料制备工艺与传统半导体工艺兼容, 更适应大规模生产。

三、发展趋势

a-Si非制冷红外探测器的发展趋势主要包括:进一步减少像元尺寸, 提高工艺兼容性, 实现大规模生产, 以达到缩小尺寸、降低成本的目的;提高探测器灵敏度, 以低成本生产像元间距更小的高性能器件;优化热敏感膜材料性能和微桥结构, 提高探测器的吸收率和填充因子;扩展非制冷红外探测器工作温度范围, 实现对不同目标能自动调节窗口的智能化;提高非制冷红外探测器的可调谐性, 使其能以大动态范围来适应工业应用, 而以小的噪声等效温差 (NETD) 来适应医学应用;发展中波非制冷红外探测器, 最终实现中长波双色、多光谱的非制冷红外探测器, 逐步代替昂贵的制冷型红外探测器。

摘要：红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光电传感器, 是红外系统的核心, 在军事和民用领域都有广泛的应用前景, 也是目前传感器领域发展的重点之一。本文关注非制冷红外探测器的技术发展, 并重点评述了以非晶硅和氧化钒为热敏材料的非制冷红外探测器在专利申请方面的进展与发展趋势。

关键词：红外,探测器,非制冷,焦平面阵列

参考文献

[1]Horn S.Uncooled sensor tech technology.Proceeding of SPIE, 1993, 2020:304-323.

非制冷红外成像 第5篇

关键词：非制冷红外探测器,产业,现状,发展策略

红外探测器是红外热成像产品的核心部件, 红外热成像产品通过红外探测器件实现夜间、浓烟、云层、浓雾等能见度极低条件下的视觉增强, 还可以通过观测物体红外辐射图像的变化了解物体的温度分布变化, 进而发现物体特性上的一些异常情况。

红外探测器根据其敏感面是否需要制冷, 分为制冷型红外探测器和非制冷红外探测器。制冷型红外探测器的优势在于灵敏度高, 能够分辨更细微的温度差别, 探测距离较远, 主要应用于高端军事用途。非制冷红外探测器较之制冷型, 由于省去了制冷装置, 探测器体积小、功耗低、价格低、环境适应性强、可靠性高、寿命长, 广泛应用于夜间观察、打击瞄准、红外测温等领域。

一、非制冷红外探测器市场应用

随着非制冷红外探测器工艺技术水平的提升, 其性能不断接近于制冷型红外探测器, 使得非制冷红外探测器在军事及商业用途中的比重逐渐加大, 成为红外热成像领域中最具有市场应用前景的技术发展方向。以红外热成像领域中最常见的红外热像仪为例, 其主要应用领域如下:

1、民用领域。

红外热像仪目前已形成十多个成熟的民用市场领域:

1) 视频监控:广泛应用于商场、银行、工厂及大型公共场所的安全防范, 尤其是夜间防范。2008年汶川大地震中, 红外热像仪也应用于唐家山堰塞湖的24小时视频安全监控。

2) 警用执法:通过机载、手持等红外热像仪, 警务人员可以在夜间或隐蔽条件下成功实施搜索、观察、追踪、定位以及提供情报。

3) 搜索救援:用于在地震、火灾、交通事故、飞机事故、海难等各种突发事件中救援部门对现场遇险及遇难人员的搜索救援。

4) 交通夜视及导航:用于在夜间或雨雾天气增强各类车辆驾驶人员的视觉, 也可用于海洋船运导航, 防范冰山、暗礁等隐蔽危险。

5) 预防维护:用于观测机械设备的运行状态, 将设备故障以温度图像的形式表现出来, 通过与历史或标准数据的对比提前找到危险源。

6) 制程控制:用于所有工业制造在各种环境下生产过程的监控及对温度分布、温度均衡性的测量。

7) 研发:通过观测热分布状况图像处理产品自热问题, 在微电子产品、手机、笔记本电脑、电信设备、家用电器、汽车零件、飞机引擎等的研发过程中均有应用。

8) 医疗检疫:通过观测受病体或病变组织的热分布及温度差异情况, 在群体中区分病体或对病变组织进行检查。

9) 建筑检测:用于检测建筑的节能、绝缘、电气故障、渗水等。

1 0) 新市场:用于食品配送、汽车保养、遏制走私及偷渡等。

2、军用领域。

红外热像仪能在完全黑暗的环境下探测到物体, 使其成为现代高技术常规兵器装备中不可缺少的一部分:

1) 地面武器:用于坦克、装甲车等军用车辆的夜视。提高战场烟幕和夜间环境下的识别能力。海湾战争多国部队均配有各类热像仪, 美军第7团在地面战斗中使用的坦克中, 大部分配有热像仪作为夜视器材。

2) 个人携带式武器:用于枪支、轻型反坦克武器系统、夜视头盔等。兼具夜视、自主选择目标、多目标选择、瞄准点选择等多种功能。美军在伊拉克战争中平均每个士兵拥有1.7具红外热像仪产品。

3) 飞行武器:用于飞机及导弹的侦察、监视、导航, 兼具昼夜作战能力和选择目标后的自动跟踪功能。伊拉克战争中, 美军的20多种固定翼飞机和直升机均装备了先进前视红外目标导引。

4) 海军舰艇:用于夜间识别和射击指挥两大系统。可以自动搜索、捕获和跟踪目标, 从海面、岛屿和水平背景中将导弹识别出来。

二、非制冷红外探测器产业竞争现状

1、国外美法独秀。

(1) 国外产业竞争概况。

非制冷焦平面红外探测器的研究始于二十世纪八十年代, 目前的主流技术为热敏电阻式微辐射热计, 根据使用的热敏电阻材料的不同可以分为氧化钒探测器和非晶硅探测器两种。其中氧化钒技术由美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功, 其专利授权于美国FLIR、BAE、L-3/IR、DRS以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产;非晶硅技术由法国CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功, 目前主要由法国的Sofradir其子公司ULIS生产。

美国政府实行较严格的出口管制政策, 生产的红外探测器主要提供给本国企业使用, 且出口的红外探测器价格较高。而法国政府对红外探测器的出口实行相对开放的许可政策, 价格水平也相对合适, 其提供的红外探测器已占据美国以外全球市场的绝对份额。

虽然国际市场上美国、法国、日本和以色列四个国家均具备产业化生产非制冷红外探测器的能力, 但是仅有美国和法国拥有核心技术, 日本和以色列则从美国取得技术许可、在其国内生产并有限制地使用。

(2) 国外技术标杆厂商。

1) 美国F L I R公司。美国F L I R-SYSTEMS公司创立于1978年, 是总部位于美国的专业从事高性能红外热像仪系统研制、生产和销售的全球领先者, 是世界上最大的红外热像仪及航空热像系统的制造集团, 是美国纳斯达克股票上市公司, 在美国设有三家工厂, 在瑞典设有一家工厂, 分支机构及销售网络遍及全球60多个国家和地区。美国FLIR-SYSTEMS目前在中国上海、北京、广州设有办事处。

2) 法国Sofradir公司。法国Sofradir公司是由法国Thomson-CSF公司出资40%, SAT公司出资40%, 原子能委员会出资20%联合创办。法国Sofradir公司的明确任务是:在陆海空三军战略方面, 将法国拥有的技术设备、工艺化和商品化设备更趋于集中、合理和适宜化。目前Sofradir已成为一家全球性高级红外探测器制造商和开发商, 服务于军事、航空和工业领域。

2、国内依赖进口。

(1) 国内产业竞争概况。

非制冷红外探测器进入中国只有10余年时间, 随着探测技术的日益成熟, 从事红外热成像系统研发的厂商也在逐渐增加, 然而大多数厂商研发实力薄弱, 实际是国外产品的代理或系统集成商, 不具备真正的核心竞争力。

因大面阵非制冷红外探测器在国内仍处于小批量研制阶段、尚未有公司能够量产, 各厂商研制所需的非制冷红外探测器基本由法国的Sofradir及其子公司ULIS供应, 尽管因批量大可采购到低价探测器, 但均与供应商有协议, 必须带机芯电路销售, 不单卖探测器, 且供应商的高端产品对我国禁售, 中低端产品价格昂贵。

为打破非制冷红外探测器的国外垄断, 国内具有一定研发、生产实力的代表性厂商如浙江大立科技股份有限公司、武汉高德红外股份有限公司、广州飒特电力红外技术有限公司等, 近年来已开始倾力于非制冷红外探测器的国产化研制工作。同时, 部分科研院所如昆明物理研究所、西安应用光学研究所、中国科学院微电子研究所、清华大学、成都电子科技大学、中国电子科技集团第11研究所等也陆续开始着力于非制冷红外探测器的研发。

此外, 企业规模是国内厂商面临的另一个考验。电力、建筑、检疫等下游行业客户多为国家政府部门或国有大型企事业单位, 对红外热成像产品的品质、价格水平、交货期限都提出了较高的要求。为此, 国内资源将逐渐向行业内规模较大、技术水平较高的优势企业倾斜, 小规模厂商的生存空间越来越小, 产业集中现象逐步显现。

(2) 国内实力派厂商。

1) 浙江大立科技股份有限公司。浙江大立科技股份有限公司是由浙江省测试技术研究所改制后与浙江日报报业集团有限公司、浙江省科技风险投资有限公司组建而成的股份制高新技术企业, 是国内规模最大、综合实力最强的民用红外热像仪生产厂商之一, 在国内民用红外热像仪领域的市场占有率超过20%。

公司于2008年2月在深圳证券交易所挂牌上市 (大立科技:002214) , 是红外和安防行业国内A股首家上市公司, 总股本为10000万股。

公司是国内首家打破国外垄断、自主研发出160*120型非制冷红外探测器并实现小批量生产的厂商, 在高端的320*240型产品开发方面也取得一定突破, 预计2011年将小批量生产2000片左右非制冷红外探测器, 基本用于自产热像仪配套。据公司初步测算, 若实现非制冷红外探测器的量产, 则单套探测器成本将从2000欧元左右下降到人民币2000元左右。

2) 武汉高德红外股份有限公司。武汉高德红外股份有限公司成立于1999年, 主要由自然人黄立投资设立, 是一家专业制造红外热成像系统的高科技企业, 为中国第一批通过军工产品质量体系认证的民营企业, 获得《军工产品质量体系认证证书》, 并被批准为国家二级保密资格单位和武器装备科研生产许可证单位。

公司于2010年7在深圳交易所中小板上市 (高德红外, 002414) , 成为A股红外光电第一股, 总股本30000万股, 创始人黄立直接、间接持有公司97.40625%的股份。

公司研制、生产所需的非制冷红外探测器占其生产成本的7 0%, 主要从法国Sofradir及ULIS公司采购。目前, 公司已与清华大学微电子研究所联合研发符合军用标准的400*300型非制冷红外探测器, 计划在探测器读出电路设计、生产工艺、真空封装技术等方面进入深入研究。2011年6月, 公司披露该型号探测器研发已经过第一轮流片, 相关性能检测效果获得业内专家好评, 预计2012年正式量产, 有望打破长期以来西方国家在非制冷红外探测器领域的垄断。

3) 广州飒特电力红外技术有限公司。

广州飒特电力红外技术有限公司成立于1998年, 由广州市电力总公司、北京飒特检测技术有限责任公司、广州恒运集团、广州明珠电力 (集团) 公司和佛山鸿基房地产开发公司共同投资, 注册资本8000万元。公司位于广州市经济技术开发区, 占地1 0 0 0 0平方米, 其设计生产能力为每年1600-3200套。公司致力于专业研发、生产和销售红外热像仪, 其产品目前占据一定的国内市场份额。

三、非制冷红外探测器国内市场潜力分析

技术进步带来产品制造成本的下降, 将推动红外热成像市场潜在需求的快速增长。仍以最具代表性的红外热像仪市场为例:根据全球著名的红外热像仪行业咨询公司Maxtech International的预测, 到2012年, 全球民用红外热像仪需求将达到38.12亿美元, 因中国经济高速发展, 中国红外热像市场的年均增长率将达到20%以上, 预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量将达到9.95亿元人民币。国内热像仪市场呈现以下特征:

(1) 民用领域纵深度不断加大。在民用领域, 随着产品性能的不断优化, 红外热像仪市场无论从广度还是从深度上都将迅速扩张。

从广度上, 预防检测、检验检疫、消防、制程控制、安防、汽车夜视、环境监测、科研应用等将成为红外热像仪消费的主要领域, 新兴红外热像仪市场将得到不断开拓, 产品将逐步渗透到国民经济生活的各个领域。

从深度上, 红外热像仪在某一领域的应用深度将不断扩大。以电力检测为例, 目前国内电力检测的客户主要是省级供电局, 检测对象以220万伏以上的高压电力系统为主, 随着红外热像仪应用的普及, 电力检测对象将向低压电力系统扩展, 客户范围发展到县、乡级供电局甚至是最终的电力用户。

(2) 军用领域需求规模急速膨胀。夜战已经成为现代化战争中一种主要的作战方式, 红外热成像技术满足了战争中夜间观测、瞄准、预警、跟踪等需求。红外热像仪作为各种现代化武器装备的一个重要部分, 不仅对武器装备战斗力, 甚至对战争的作战模式都产生了巨大的影响。

国内军队中红外热像仪的应用相对较少, 随着中国国防和军队现代化建设的发展, 国内军用红外热像仪的需求量必然急速膨胀。

(3) 实际需求与潜在需求存在追赶空间。目前, 国内红外热像仪民用市场的实际需求与潜在需求存在较大的差异, 造成这种差异的主要原因在于其核心部件——红外探测器的成品率不高且主要依赖进口, 造成产品成本和售价居高不下, 影响了红外热成像市场潜在需求的开发。此外, 红外热成像产品应用最多的是军事、电力、消防等领用, 在其他领域的大规模应用需要一个市场培育和市场井喷的过程。

四、非制冷红外探测器产业发展策略

鉴于国内厂商受困于核心部件国外采购的现状, 针对非制冷红外探测器行业竞争的特征及其巨大的潜力市场, 提出以下产业发展策略:

(1) 厂厂联合。

国内企业普遍经历了红海战略之后, 厂商间的关系不再是单纯的对立竞争, 而是逐步趋向合作共赢。在非制冷红外探测器国产化领域, 厂厂联合既弥补了单个厂商研发力量薄弱、资金实力有限的先天缺陷, 又使单个厂商在优胜劣汰、产业趋向集中的行业竞争中生存下来。

受传统竞争关系及战略发展模式的影响, 目前产业内厂商基本处于“单打独斗”状态, 其研发投入资金局限于企业自身可承受范围之内, 亟待“转变观念, 走出自我”, 借助合作伙伴的研发实力及资金投入, 减少自身投资压力、快速打通工艺流程、成功抢占市场先机。

(2) 厂所联合。

厂商侧重于产品开发及市场销售, 其产品研发则受限于企业规模及资金实力;而科研院所拥有先进的科研设备、充足的研发资金及相对成熟的科研成果, 但缺乏科研成果产业化的经验及平台。

目前, 国内尚缺乏厂商与科研院所信息沟通的平台与机制, 导致信息不对称现象普遍存在。例如, 华中科技大学武汉光电国家实验室在网上发布其合作意向, 称其项目组在十五期间已经研制出非制冷红外探测器, 并掌握了全部相关技术, 期待与企业合作完成产业化攻关并实现批产;中国科学院微电子研究所披露其研发的新型非制冷红外焦平面探测器芯片, 具有完全自主知识产权, 目前处于试生产阶段, 所需投资规模约为1亿元。

一面是科研院所掌握的科技成果期待产业化, 一面是厂商受困于自身的研发实力。为此, 科研院所与厂商必须主动出击积极协商, 而不是等待国家政策、等待机会上门。目前, 做的较好的案例数武汉高德红外股份有限公司与清华大学微电子研究所的联合研发。厂所联合将实现互通有无、资源共享, 为技术进步、社会发展做出更大的贡献。

综上所述, 非制冷红外探测器的研发及市场规模与西方发达国家相比还有较大差距, 但是, 随着非制冷红外探测器国产化步伐的加快, 红外热成像产品价格趋于合理, 产品市场潜力逐渐呈现, 整个产业呈良性发展的趋势。

厂厂联合、厂所联合将有效提速非制冷红外探测器的国产化进程, 突破高端产品的进口封锁, 实现真正意义的自主产品。对于国内厂商而言, 谁率先实现非制冷红外探测器的国产化量产, 谁将领跑国内红外热成像市场、尽享技术领先优势带来巨大蛋糕。

参考文献

[1]、姜啸宇, 钟声, 赵圣.红外阵列探测器研究进展[J].商品与质量, 2010 (10) :91

[2]、中国巨潮网:www.cninfo.com.cn