红外热成像仪原理及应用

什么是红外热成像

背景介绍

在了解红外热成像技术之前，首先要知道几个概念，分别是电磁波、可见光、红外线和紫外线。


1800年，英国科学家赫歇尔将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。

电磁波：物体表面温度如果超过绝对零度（-273℃）即会辐射出电磁波，随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变。

可见光：可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在0.4~0.75微米之间。

紫外线：紫外线指的是电磁波谱中波长从0.1~0.4微米之间的总称，不能引起人们的视觉。1801 年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。紫外线可以用来灭菌，过多的紫外线进入体内会对人体造成皮肤癌。

红外线：波长介于0.78-1000微米的电磁波称为“红外线”，又称红外辐射。其中波长为0.78-2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0-1000微米的部分称为热红外线。

红外线（或热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射，它还具有两个重要的特性：

（1）物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无需接触的温度测量和热状态分析，从而为工业生产，能源，环境保护等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
（2）大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3-5微米和8-14微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。由于这个特点，热红外成像技术在军事上提供了先进的夜视装备，并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在现代战争中发挥了非常重要的作用。

热像仪就是一种利用红外线热成像技术，通过对标的物的红外辐射探测，并加以信号处理、光电转换等手段，将标的物的温度分布的图像转换成可视图像的设备。

通俗的说，红外热成像是将不可见的红外辐射变为可见的热像图，并且能反映出目标表面的温度分布状态。 不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同。利用物体与背景环境的辐射差异以及景物本身各部分辐射的差异，红外热像图能够呈现景物各部分的辐射起伏，从而显示出景物的特征。

热成像技术原理

任何物体只要其温度高于绝对温度零度（-273.15度），虽然不发光，但都能辐射红外线（又称热辐射线）。通过红外热探测器吸收物体辐射的红外线，会根据其温度变化产生电效果应，再把电信号经过放大处理，就能得到与物体表面热分布相对应的热像图，即为“热成像”。

热成像分类

按照工作温度可分为制冷型/非制冷性
制冷式热成像仪，其探测器中集成了一个低温制冷器，这种装置可以给探测器降温度，这样是为了使热噪声的信号低于成像信号，成像质量更好。
非制冷式热成像仪，其探测器不需要低温制冷，采用的探测器通常是以微测辐射热计为基础，主要有多晶硅和氧化钒两种探测器。

按照功能可分为测温型/非测温型
测温型红外热像仪，可以直接从热图像上读出物体表面任意点的温度数值，这种系统可以作为无损检测仪器，但是有效距离比较短。

非测温型红外热像仪，只能观察到物体表面热辐射的差异，这种系统可以作为观测工具，有效距离比较长。

红外热成像和夜视仪之间的区别

我们的眼睛看到的反射的光，日光摄像头，夜视设备和人眼都遵循相同的基本原理：可见光能量撞击并反射出来，然后探测器接收并将其转化为图像。无论是眼球，还是在照相机中，这些探测器都必须接收足够的光，否则就无法成像。显然，晚上没有任何阳光可以反射任何东西，因此它们仅限于星光，月光和人造光提供的光。如果还不够，他们将无济于事。

红外热像仪

红外热像仪跟普通相机完全不同，我们称它们为“相机”，但实际上是传感器。要了解它们的工作原理，第一件事就是忘记以前相机拍摄照片的所有知识。FLIR通过热而不是可见光来拍摄图片。热（也称为红外线或热能）和光都是电磁光谱的一部分，但是能够检测可见光的相机不会看到热能，反之亦然。

热像仪不仅能检测热量，还可以检测到很小的热量差异（低至0.01°C），并显示为灰色阴影或不同颜色。很多人只是不理解这个概念，下面我们来解释一下它的原理。

我们在日常生活中遇到的一切事物都会释放出热能，甚至是冰。东西越热，它散发出的热能就越多。散发的热能称为“热信号”。当彼此相邻的两个物体的热特征略有不同时，无论光照条件如何，它们对热成像仪来说显示的都非常清晰。

热能来自多种能源，具体取决于您当时所查看的事物。有些东西，例如温血动物（包括人）、引擎和机械，会通过生物或机械方式产生自己的热量。其他事物-土地、岩石、浮标、植被白天吸收太阳的热量，并在夜间散发出热量。

由于不同的材料以不同的速率吸收和辐射热能，因此我们认为是一个温度的区域实际上是有微妙不同温度的区别。这就是为什么连续几天在水中记录的木头看起来与水中温度不同的原因，因此对于热成像仪来说是可见的。热成像仪可以检测到这些温差并将其转换为图像。虽然所有这些看似有点复杂，但现实是热像仪非常方便使用。

夜视仪

我们在电影和电视中看到的那些绿色图片来自夜视镜（NVG）。NVG吸收少量可见光，将其放大很多，然后投射到显示器上。

由NVG技术制成的相机具有与肉眼相同的局限性：那就是如果没有足够的可见光，它们的视线就不会很好。依赖于反射光的任何事物的成像性能都受到反射光的数量和强度的限制。NVG和其他微光相机在黄昏时不是很有用，因为它们的光线太多，无法有效工作，但肉眼看不到足够的光线。热像仪不受可见光的影响，因此即使在夕阳下，它们也可以为您提供清晰的图像。

红外照明相机

红外照明相机试图投射一束近红外能量来产生自己的反射光，当其从物体反弹时，其成像器可以看到。这一点可行，但是次此相机仍然需要依靠反射光来成像，因此它们与其他依赖反射光的夜视相机具有相同的局限性就是短距离和较差的对比度。

夜视仪与红外相机对比

所有这些可见光摄像机（日光摄像机，NVG摄像机和红外照明摄像机）都通过检测反射光能量来工作。但是，它们接收到的反射光量并不是确定您是否可以使用这些相机看到的唯一因素：图像对比度也很重要。

如果您正在查看的东西与其周围环境相比具有很大的对比度，那么您将有更多的机会用可见光摄像机看到它。如果没有很好的对比度，那么无论阳光多么明亮，您都不会看清楚。在深色背景上看到的白色物体具有很多对比度，但是，较暗的物体将很难用这些相机在黑暗的环境下看到，这就是对比度差。在晚上，当缺少可见光自然会降低图像对比度时，可见光相机的性能降低很多。

热像仪没有这些缺点。首先，它们与反射的光能量无关，在日常生活中，您看到的所有东西都具有热信号。这就是为什么与使用可见光摄像头（甚至是夜视摄像头）相比，使用热成像仪在夜间看到东西的机会要大得多的原因。

实际上，您可能要寻找的许多物体（例如人）会产生自己的对比度，因为它们会产生自身的热量。热像仪可以很好地看到它们，因为它们不仅可以通过热能拍摄图像，还可以将热能成像，他们利用物体之间的微小热量差异来拍摄照片 。夜视设备具有与日光和低照度摄像机相同的缺点：它们需要足够的光线和足够的对比度才能创建可用的图像。另一方面，热成像仪可以白天和黑夜清晰地观察，同时创建自己的对比度。毫无疑问，热像仪是最佳的24小时成像选择。

红外热像仪都能看透什么

热成像技术是根据所有物体都发热这一事实来实现的。尽管许多物体从外表看不出什么，但在其上仍有冷热之分。借助热图上的颜色我们可以看到温度的分布，红色、粉红表示比较高的温度，蓝色和绿色表示了较低的温度。

热成像能穿透墙壁吗?
明确告诉大家，从目前的技术来说，热成像是不能穿透墙壁的！在我们的生活中，墙壁一般是足够厚的，绝缘性足以阻挡另一面的红外线辐射。如果你把一个红外热像仪指向一堵墙，它会探测到墙的热量，它后面的热量就“鞭长莫及”了。但是，如果墙里面的东西能够引起足够的温差，热像仪也是能够在墙的表面上感应到它的。比如：建筑维护专业人员经常使用热像仪来检测漏水或绝缘层缺失等问题，而无需拆墙来评估问题。

墙内的螺柱（垂直线）比隔热层冷，导致墙表面的温差

热成像能穿透烟雾吗？
这个问题的答案基本上与能否穿透墙壁相似，但热像仪可能探测到混凝土内部的某些东西，比如管道或辐射加热，从而导致与混凝土表面的温差，这样就可以被红外热像仪捕捉到！

暖管道在混凝土地板下清晰可见

热成像能穿透金属吗？
在热成像领域，金属可能是一种比较棘手的材料。任何光滑或抛光的金属物体都可能会反射红外辐射，这就可能给监测管道或机械过热部件的人带来困难。但是氧化过的金属或被涂上冰铜材料的金属更容易精确测量。红外热像仪可能永远不可以“穿透”金属物体，但金属内部材料造成的温差，会反应在金属表层，这样用红外热像仪查看，同样可以达到检测效果。

用红外热像仪很容易看到这些罐子有多满，因为里面的液体在金属表面造成温差。

热成像能穿透塑料吗？
我们可以红外热像仪做一个有趣的小实验：在一个温暖的物体或人面前举起一张薄薄的不透明的塑料片。红外辐射将穿透塑料，使热相机能够探测到塑料背后的带有温度的东西，而可见光却被阻挡。但是要说明一下，这个技巧只适用于非常薄的塑料，厚塑料就会阻挡住红外辐射。

可见光大部分被塑料袋挡住，但红外辐射却能穿透

热成像能穿透黑暗吗？
当然是可以的！热成像根本不受黑暗的影响，不需要可见光来显示热。

在黑暗环境下，热成像使得远处的人变得清晰可见

热成像技术还可以清楚的看见蝴蝶翅膀的纹路

热成像技术已经广泛应用在日常生活当中。其中应用是诊断疾病，大家都知道，当某一部位出现炎症时，体温会升高，测量体温能够判断有无炎症，但不能确定炎症的具体位置，而热像仪可以直观给出人体温度场分布图，将病变的热图与正常热图比较，就可以从异常变化上诊断病的部位。热成像技术也能在手术室大显身手。当血液流经刚刚被安置的动脉血管时，热像仪上的动脉管的颜色由灰变白，而在通常情况下，肉眼是很难观察到血管是否畅通无阻的。

与诊断疾病类似，高压输变电的电器部件、火车轴箱、电路板等出现故障，也可以用热像仪直接观测检查，避免故障带来的损失。热像仪也可以用于地质调查，地热探查，森林植被分布，大气与海洋监测，火灾的发现与救援。热像仪可以帮助救援者发现那些被浓烟和黑暗隐僻住的遇难者，从而救出他们。

如何选择制冷型和非制冷型红外热像仪

制冷型红外热像仪

非制冷型红外热像仪

实例对比

成像速度

这些红外图像对比了以20 mph速度旋转的轮胎的拍摄效果。上左面这张是用制冷型红外热像仪拍摄的。您可能会觉得轮胎并未在转动，但这是制冷型红外热像仪在极其高速条件下的拍摄结果，它会“定格”轮胎的转动。非制冷型红外热像仪的拍摄速度太慢，无法捕捉到轮胎旋转时使得轮辐显得透明的瞬间。

空间分辨率

下面热图像对比了采用制冷型和非制冷型红外热像仪系统可实现的最佳特写放大效果。

左边的红外图像是用带4倍近焦镜头和像元间距13μm制冷型红外热像仪的组合装置拍摄的，其光斑尺寸为3.5μm。

右边的红外图像是用带1倍近焦镜头和像元间距25μm非制冷型红外热像仪的组合装置拍摄的，其光斑尺寸为25μm。


由于传感红外波长较短，制冷型红外热像仪通常具有比非制冷型红外热像仪更强的放大功能。由于制冷型红外热像仪的灵敏度更高，因此可使用带更多光学元件或更厚元件的镜头而不降低信号噪声比，从而提升了放大功能。

灵敏度

制冷型红外热像仪灵敏度改善带来的价值往往并不显而易见。为了对比灵敏度的优势，我们做了一个快速的灵敏度实验。我们将手按在墙上停留几秒钟来创建手印的热图像，以此进行对比。

制冷型红外热像仪拍摄的手印在墙上的初始图像

非制冷型红外热像仪拍摄的手印在墙上的初始图像

制冷型红外热像仪拍摄的手印在墙上2分钟后的图像

非制冷型红外热像仪拍摄的手印在墙上2分钟后的图像

制冷型红外热像仪仍能捕捉手印的大部分热特征，而非制冷型红外热像仪仅能捕捉其部分热特征。

显而易见，制冷型红外热像仪比非制冷型红外热像仪能检测到更细微的温差，其检测的持续时间也更长。

这意味着：制冷型红外热像仪能更清晰地显示被测目标的细节，并能帮助您检测到最微弱的热异常。

光谱滤波

制冷型红外热像仪最大的优势之一是能够轻松进行光谱滤波，以便侦测细节和测温，而这两点使用非制冷型红外热像仪则难以做到。

实例一：我们使用了滤片，将其置于镜头后的滤片支架内或者内置在杜瓦探测器组件内，以便让火焰完整成像。过去，终端用户希望测量和表征火焰内的煤颗粒的燃烧现象。借助“看穿火焰”的光谱红外滤片，我们对制冷型红外热像仪进行了光谱波段滤波处理，在该波段中火焰为穿透式，因而我们能够对煤颗粒进行成像。第一张图为不带火焰滤片拍摄的图像，我们看到的都是火焰本身。第二张图为带火焰滤片拍摄的图像，我们能够清晰地看清煤颗粒燃烧情况。

同步

精确的红外热像仪同步和触发功能使红外热像仪成为高速、高热灵敏度应用的理想之选。通过快照模式工作，FLIRA6750sc能够同步捕捉热活动中的所有像素。这对于监测快速移动物体时尤其重要，在这种时候，标准的非制冷式红外热像仪会使图像变得模糊。


图中的图像即是良好的示例。在该例中，我们扔下一枚硬币，并通过传感器触发红外热像仪拍摄图像。两次抛扔相同硬币时，同时触发红外热像仪，你每次都会看到物体处于相同的位置。借助非制冷式红外探测器红外热像仪，你根本无法捕获硬币，因为其无法触发此类型探测器。如果不走运的话，图像可能模糊不清。

何如选择合适的红外热像仪

像素

首先要确定购买红外热像仪的像素级别，大多红外热像仪的级别和像素有关。民用红外热像仪中相对高端的产品像素为640480=307,200，此高端红外热像仪拍摄的红外图片清晰细腻，在12米处测量的最小尺寸是0.50.5cm；中端红外热像仪的像素为320240=76,800，在12米处测量的最小尺寸是11cm；低端红外热像仪的像素为160120=19,200，在12米处测量的最小尺寸是22cm。可见像素越高所能拍摄目标的最小尺寸越小，下图为三个级别像素红外热图片的比较：

测温范围和被测物

温度分辨率

空间分辨率

简单来说，空间分辨率数值越小则空间分辨率越高，测温越准确，空间分辨率数值越小时，被测最小目标可以覆盖红外热像仪的像素，测试的温度即被测目标的真实温度。如果空间分辨率数值越大则空间分辨率越低，被测的最小目标不能完全覆盖红外热像仪的像素，测试目标就会受到其环境辐射的影响，测试温度是被测目标及其周围温度的平均温度，数值不够准确。见下图比较：

左图为高空间分辨率，被测点的温度更准确；右图空间分辨率低，测试温度为被测点及其周围环境温度的平均值，测温不准。

温度稳定性

热像仪的距离系数比

距离系数是红外测温仪的一个重要参数，也叫光学分辨率。

距离系数由D:S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。

如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，即增大D:S比值，测温仪的成本也越高。如果测温仪远离目标，而目标又小，就应选择高距离系数的测温仪。对于固定焦距的测温仪，在光学系统焦点处为光斑最小位置，近于和远于焦点位置光斑都会增大，存在两个距离系数。因此，为了能在接近和远离焦点的距离上准确测温，被测目标尺寸应大于焦点处光斑尺寸；变焦测温仪有一个最小焦点位置，可根据到目标的距离进行调节。

增大D:S，接收的能量就减少，如不增大接收口径，距离系数D:S很难做大，这就要增加仪器成本。

使用一台红外热像仪最远距离目标多远仍能精确测温？答案取决于诸多因素，但是需要记住的关键一点是，能借助热像仪看到目标，并不一定意味着您的距离够近，能够获得目标的精确测量值。

正如医院的视力检查。当您坐在检查室里看视力表时，您或许能够看清字母最小的那一行——但如果距离再远一点，您还能看得清吗（即精确“测量”它们）？

当您离待测目标越来越远，就会无法准确测量温度。
为了确定能精确测定多远的目标，您需要了解热像仪的光斑尺寸比（SSR）。也称作距离系数比（D:S比），能够决定您距离特定尺寸（光斑尺寸）的目标最远多远（测量距离）仍能精确测量目标温度。

SSR的公式为：SSR = 距离/光斑尺寸
SSR为36:1的热像仪能在距离被测物36英尺处测量直径1英尺的目标，或距离被测物36米处测量直径1米的目标，或距离144米处测量直径4米的目标。需要注意的是，距离系数比保持恒定。

计算光斑尺寸比

如果使用FLIR热像仪的视场角计算器，输入10英尺（120英寸），得到的IFOV为0.31英寸。该数值为单一像素（1×1）的可测量尺寸。通过将这些数值代入SSR公式：

SSR = 距离/光斑尺寸

我们得到的距离系数比为120:0.31。简而言之，0.31英寸大约为1英寸的1/3，因此该计算结果得出的结论就是：该热像仪能够在120英寸远的距离测量1/3英寸的物体。

太好了，大功告成，对吗？不完全对。该单一像素测量值被称为“光斑尺寸比理论值”。尽管该数值真实准确，但会令人误解，因为它必定达不到最高精确度。
光斑尺寸比理论值 - “正确”但是不精确

光斑尺寸比理论值仅能反映单一像素内非常小范围的温度，但是单一像素测量值可能不准确的原因有很多：
红外热像仪会产生坏像元

物体反射：镜头划伤或太阳光反射会造成错误的正读值或错误的高读数

物体温度较高——例如螺栓头——可能与单一像素宽度相近，但像素是正方形的，而螺栓头是六角形的。

没有完美的光学组件：光学系统中通常会存在一些失真影响测量值

在实际情况下，为了获得最精确的温度测量值，您的确需要尽可能多地获取待测目标的像素。一两个像素可能足以定性地确定温差的存在，但它可能无法精确反映整个区域范围内的平均温度。我们建议确保待测物体数值所在热区的面积至少达到3×3像素。

为了计算3×3像素的SSR，只需将您的IFOV乘以3，得出3×3像素而不是1×1。此数值会更加精确。
如果将之前的IFOV（0.31英寸）乘以3，会得到：
0.31×3=0.93英寸

最终得出的SSR为120:0.93，这意味着您能从120英寸处精确测量尺寸将近1英寸的目标。

常见热成像仪关键参数

量程

视场角 (FOV)

视场角由热像仪镜头决定，是热像仪在任何既定时刻看到的场景范围。对于特写工作，你需要一个广角视场(45°或更高)的镜头。对于长距离工作，您需要一个长焦镜头(12°或6°)。有些相机可能有多个镜头用于不同的应用。

红外分辨率

这是辨别热像仪好坏的一个重要因素，成像区域和目标的大小将决定所需的分辨率。小物体检测或者远距离检测将需要更高的分辨率。
热像仪的分辨率是热像仪在工作中有多少像素。更高的分辨率意味着每个图像包含更多的信息：更多的像素，意味着更多的细节，因此获得精确测量的可能性更大。选择红外热像仪时，取决于你的应用：当你能接近目标时，可以选择低成本，低分辨率的相机。从更远的地方测量较小的目标时，则需要更高的分辨率。

左：低分辨率热像仪适合近距离测量目标 右：在一定距离测量时需要使用高分辨率相机

热灵敏度（NETD）

焦距

热像仪的焦距可以是固定的，也可以是调节的，这意味着用户可以手动调整相机上的焦距，还可以自动调整焦距。一般来说，入门级热像仪是固定的焦距，高性能热像仪将有手动或自动调整焦距。手动对焦和自动对焦的优势在于用户的需要调整焦距，适应更多的场景。

光谱范围

精度

内置优化分析

NTED（热灵敏度）

什么是NETD

NETD即热灵敏度，噪声等效温差是衡量红外探测器系统性能的重要指标之一，它与总体大气透过率、探测器性能参数等因素有关。
使用3dB截止为1/(2t)的标准滤波器，在多路传输之前，系统所产生的信号及噪声（均方根值）之比为1时，所需的大空间目标（大于或等于瞬时视场）和背景的温差。它标志热像仪可探测的最小温差。

如何测量NETD？

为了测量探测器的噪声等效温差，热像仪必须对着一个温控黑体。开始测量前，需要将黑体固定。然后在特定的温度时测量噪声等效温差。这不是简单的快照测量，而是噪声的临时测量。

右侧图像显示了随着时间的推移，从几张图像中获取的所有像素值的直方图。这是在此温度时噪声的临时分布。NETD值是将此直方图转换为mK的标准偏差。

NETD如何影响测量？

以下图像表示由不同热像仪录制的相同场景：

一台热像仪的NETD值为60mK，另一台的NETD值为80mK。
图像中温度非常低的区域显著表明，80mK热像仪拍摄的图像中噪声更多。20mK的温差似乎差异不大，但是对图像质量和测量精确度会产生巨大的影响。

影响NETD的因素有哪些？

深度解析红外探测器

上面介绍了一系红外热成像仪的应用，下面来看下的红外探测器的相关知识吧：

非制冷红外技术原理

非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。

非制冷红外焦平面探测器分类

**非制冷红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件。**以下介绍了非制冷红外焦平面探测器的工作原理及微测辐射热计、读出电路、真空封装三大技术模块，分析了影响其性能的关键参数。

与微测辐射热计设计相关的重要参数包括低的热导、高的红外吸收率、合适的热敏材料等；读出电路的传统功能是实现信号的转换读出，近年来也逐渐加入了信号补偿的功能；真空封装技术包括了金属管壳封装、陶瓷管壳封装、晶圆级封装和像元级封装。

概述

红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。

红外焦平面探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器，制冷型红外焦平面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装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。

虽然在灵敏度上不如制冷型红外焦平面探测器，但非制冷红外焦平面探测器的性能已可满足部分军事装备及绝大多数民用领域的技术需要。近年来，随着非制冷红外焦平面探测器技术的不断进步和制造成本的逐渐下降，其性价比快速提升，为推动非制冷红外焦平面探测器的大规模市场应用创造了良好条件。

非制冷红外焦平面探测器主要是以微机电技术（MEMS）制备的热传感器为基础，大致可分为热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计等几种类型，其中微测辐射热计的技术发展非常迅猛，所占市场份额也最大。近年来非制冷红外焦平面探测器的阵列规模不断增大，像元尺寸不断减小，并且在探测器单元结构及其优化设计、读出电路设计、封装形式等方面出现了不少新的技术发展趋势。本文将在介绍测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器的基础上，分析其技术发展趋势。

微测辐射热计IRFPA及其技术进展

非制冷红外焦平面探测器从设计到制造可分成微测辐射热计、读出电路、真空封装等 3 大技术模块。下面分别对它们进行介绍。

1.1 微测辐射热计的设计与制造

图1为单个微测辐射热计的结构示意图，在硅衬底上通过MEMS技术生长出与桥面结构非常相似的像元，也称之为微桥。桥面通常由多层材料组成，包括用于吸收红外辐射能量的吸收层，和将温度变化转换成电压（或电流）变化的热敏层，桥臂和桥墩起到支撑桥面，并实现电连接的作用。微测辐射热计的工作原理是：来自目标的热辐射通过红外光学系统聚焦到探测器焦平面阵列上，各个微桥的红外吸收层吸收红外能量后温度发生变化，不同微桥接收到不同能量的热辐射，其自身的温度变化就不同，从而引起各微桥的热敏层电阻值发生相应的改变，这种变化经由探测器内部的读出电路转换成电信号输出，经过探测器外部的信号采集和数据处理电路最终得到反映目标温度分布情况的可视化电子图像。

图1 微测辐射热计像元结构示意图

为了获得更好的性能，需要在微测辐射热计的结构设计上做精心的考虑与参数折衷。主要的设计参数及要求包括：微测辐射热计与其周围环境之间的热导要尽量小；对红外辐射的有效吸收区域面积尽量大以获得较高的红外辐射吸收率；选用的热敏材料需要具有较高的电阻温度系数（TCR）、尽量低的1/f噪声和尽量小的热时间常数。

1.1.1 热导
如图1所示，为使微测辐射热计与其衬底间的热导尽量小，微桥的桥臂设计需要用低热导材料，并采用长桥臂小截面积的设计。此外，需将微测辐射热计探测器阵列封装在一个真空的管壳内部，以减小其与周围空气之间的热导。

1.1.2 吸收率
要使微测辐射热计对红外辐射的吸收率尽量高，可从以下两方面入手。

1）提高填充系数
填充系数定义为微测辐射热计对红外辐射的有效吸收面积占其总面积的百分比。微桥的桥臂、相邻微桥之间的空隙、连接微桥与读出电路的过孔等所占的面积都是没有红外吸收能力的。图1所示的是典型的单层微桥结构，其填充系数一般是60%～70%，且随着像元尺寸的减小，单层结构的填充系数会进一步下降。

要增加填充系数以获得更高的吸收率，可以采用如图2所示的双层伞形微桥结构，红外辐射吸收材料处于上方第二层，形似撑开的雨伞，桥臂及其他无吸收能力的部分都放到伞下的第一层。这种结构的填充系数可做到90%左右。

图2 双层伞形微桥结构

2. 光学谐振腔设计
   通过设计光学谐振腔也可以提高微测辐射热计对红外辐射的吸收率。因为有相当一部分入射的红外辐射能量会穿透微桥结构的红外吸收层，所以通常在微桥下方制作一层红外反射面，将从上方透射来的红外辐射能量反射回红外吸收层进行二次吸收。吸收层与反射面之间的距离对于二次吸收的效果有较大影响，如果设计为红外辐射波长的1/4，就可增加吸收层对反射回来的红外能量的吸收。对 8～14um的长波红外辐射，该距离约为2～2.5um。

图3(a)所示为一种类型的谐振腔结构示意图，反射面位于读出电路的硅衬底表面，所以微桥的桥面与硅衬底的距离是1/4辐射波长；图3(b)所示为另一种类型的谐振腔结构示意图，反射面位于微桥的下表面，所以微桥的厚度要做成1/4辐射波长。

图3 红外光学谐振腔示意图

1.1.3 热敏材料
热敏材料的选取对于微测辐射热计的灵敏度（NETD）有非常大的影响，优选具有高温度电阻系数（TCR）和低1/f噪声的材料，同时还要考虑到所选材料与读出电路的集成工艺是否方便高效。目前最为常用的热敏材料包括氧化钒（VOx）、多晶硅 （a-Si）、硅二极管等。微测辐射热计的NETD主要受限于热敏材料的1/f噪声，这种噪声与材料特性密切相关，不同材料的1/f噪声可能会相差几个数量级，甚至对材料复合态的细微调整也会带来1/f噪声的显著变化。

1）氧化钒（VOx）
20世纪80年代初，美国的Honeywell公司在军方资助下开始研究氧化钒薄膜，并于 20 世纪 80 年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计。氧化钒材料具有较高的TCR（在室温环境下约为 2%/K～3%/K），其制备技术经过多年的发展已很成熟，在微测辐射热计产品中得到了广泛的应用。

氧化钒也有多种复合形态，如VO2、V2O5、V2O3等。单晶态的VO2、V2O5的TCR高达4%，但是需要采用特殊制备工艺才能得到；V2O5的室温电阻太大，会导致较高的器件噪声；V2O3 的制备技术相对不太复杂，且室温电阻较低，能得到更低的器件噪声，成为重点研究的氧化钒材料。

2）多晶硅（a-Si）
法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室（CEA2LETI/LIR）从1992年开始研究多晶硅材料的探测器，目前技术上已很成熟。多晶硅的TCR与VOx相当，也是一种得到较多应用的微测辐射热计材料，其优点是与标准硅工艺完全兼容，制备过程相对简单。但由于多晶硅是无定形结构，呈现的1/f噪声比VOx要高，所以NETD通常不如VOx材料。由于采用多晶硅材料的微测辐射热计可以将薄膜厚度控制的非常小，具有较低的热容，所以在保持较低热响应时间的同时也具有较小的热导，可一定程度兼顾图像刷新率和信号响应率的要求。

3）硅二极管（SOI）
硅二极管正向压降的温度系数特性可用于红外探测器的制造。红外吸收导致的温度变化可带来的PN结正向压降变化并不显著，等效的TCR只有0.2%/K，比通常的电阻型热敏材料低一个数量级。但硅二极管的优点在于其面积可做的比电阻的面积更小，因而能做出尺寸更小的像元，获得更大阵列规模的焦平面。硅二极管微测辐射热计可在标准CMOS工艺线上生产，制造更为方便。

4）其他材料
还有一些材料也可用于微测辐射热计的制造，它们具有某些优异的特性，但也存在较明显的缺点。钛金属薄膜具有较低的1/f噪声，可方便地与CMOS读出电路集成，具有较低的热导，但其TCR只有0.35%/K 左右；锗硅氧化物材料（ GexSi1-xOy）具有较高的TCR（可达5%/K 以上）和较低的热导，但其较高的1/f噪声限制了最终器件的性能；硅锗（SiGe）是一种值得关注的材料，可采用标准CMOS工艺实现非常薄（如100 nm）的薄膜制备，并具有较高的TCR（3%/K 以上），通过实现单晶态的SiGe可得到较低的1/f噪声；YBaCuO是另一种值得关注的材料，有比VOx高的电阻温度系数（约3.5%/K）以及较低的1/f噪声，其光谱响应范围很宽（0.3～100um)，是未来制造多光谱探测器的潜在材料。

1.2 读出电路（ROIC）

非制冷红外焦平面探测器的读出电路将每个微测辐射热计的微小电阻变化以电信号的方式输出。照射到焦平面上的红外辐射所产生的信号电流非常小，一般为纳安甚至皮安级，这种小信号很容易受到其他噪声的干扰，因此读出电路的电学噪声要控制的尽量小，以免对探测器的灵敏度指标造成不必要的影响。

传统读出电路的工作原理是：给微测辐射热计的热敏薄膜施加固定的低噪声偏置电压，将其随温度的阻值变化以电流变化的形式得到，再由积分器转换成电压信号，经驱动器输出，如图4所示。

图4 非制冷红外焦平面的读出电路原理图

探测器制造工艺存在的偏差会导致探测器的输出信号存在非均匀性，近年来一些降低读出信号非均匀性的设计方法逐渐在读出电路上得到实现。例如列条纹非均匀性就是一种与读出电路密切相关的形态，这是由于读出电路中有一些部件是焦平面阵列中每一列共用的，如积分器。这种电路结构会给同一列的输出信号引入一些共性特征，不同列之间的特征差异就表现为列条纹。针对列条纹的产生机理，可以通过改进读出电路设计来有效地抑制甚至基本消除列条纹，提高列与列之间的均匀性。

早期的非制冷红外焦平面探测器必须使用热电温控器（TEC）来保持焦平面阵列的温度稳定，这是因为不同像元之间由于制造工艺的偏差会带来阻值的差异，最终表现为阵列的不均匀性：即使所有像元接受同样的黑体辐射，它们各自输出的电压信号幅值也是不同的；即使所有像元面对同样的黑体辐射变化，它们各自所输出的电压信号的变化量也是不同的。上述这种由于像元之间差异所导致的阵列不均匀性，还会随着焦平面温度的变化而改变，使得探测器输出信号呈现出复杂的变化，为后续信号处理工作带来困难。

近年来随着读出电路设计水平的提高，在实现传统读出电路的行选列选、积分器、信号驱动等基础功能之外，一些抑制像元输出信号随温度漂移的补偿电路也逐渐用于读出电路设计，从而可以实现无TEC应用，使得非制冷红外焦平面探测器在功耗、体积、成本等方面更具备优势。

1.3 真空封装技术

微测辐射热计接收目标红外辐射后的温度变化很微弱，为了使其上面的热量能够维持住，避免与空气分子进行热交换，需要将其置于真空环境下工作，一般对真空度的要求是小于0.01mbar（即0.00001atm）。对非制冷红外焦平面探测器真空封装的要求是： 优异且可靠的密闭性； 具有高透过率的红外窗口；高成品率；低成本。目前的封装技术可分为芯片级、晶圆级、像元级等，其中芯片级封装技术按照封装外壳的不同又可分为金属管壳封装和陶瓷管壳封装。

1.3.1 金属管壳封装

金属管壳封装是最早开始采用的封装技术，技术已非常成熟，图5是金属管壳封装使用的主要部件。由于采用了金属管壳、TEC和吸气剂等成本较高的部件，导致金属管壳封装的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的应用受到限制。

图5 非制冷红外焦平面的金属管壳封装部件

金属管壳封装形式的探测器曾经占据了非制冷红外焦平面探测器的大部分市场，无论国外还是国内的生产厂商都有大量的此类封装产品。图6为几种量产的金属管壳封装的探测器。随着更低成本的新封装技术的日渐成熟，目前金属管壳封装形式的探测器所占市场份额已经显著减少。

1.3.2 陶瓷管壳封装
陶瓷管壳封装是近年来逐渐普及的红外探测器封装技术，可显著减小封装后探测器的体积和重量，且从原材料成本和制造成本上都比传统的金属管壳封装大为降低，适合大批量电子元器件的生产。陶瓷管壳封装技术的发展得益于目前无TEC技术的发展，省去TEC可以减小对封装管壳体积的要求并降低成本。图7为两种典型的陶瓷管壳封装红外探测器。

图7 非制冷红外焦平面的陶瓷管壳封装

1.3.3 晶圆计封装

晶圆级封装是近两年开始走向实用的一种新型红外探测器封装技术，需要制造与微测辐射热计晶圆相对应的另一片硅窗晶圆，硅窗晶圆通常采用单晶硅材料以获得更好的红外透射率，并在硅窗口两面都镀有防反增透膜。微测辐射热计晶圆与硅窗晶圆通过精密对位，红外探测器芯片与硅窗一一对准，在真空腔体内通过焊料环焊接在一起，最后再裂片成为一个个真空密闭的晶圆级红外探测器。图8是一个晶圆级封装红外探测器的剖面图和晶圆级封装示意图。

图8 非制冷红外焦平面的晶圆级封装

与陶瓷管壳封装技术相比，晶圆级封装技术的集成度更高，工艺步骤也有所简化，更适合大批量和低成本生产。晶圆级封装技术的应用为红外热成像的大规模市场（如车载、监控、手持设备等）提供了具有足够性价比的探测器。

1.3.4 像元级封装
像元级封装技术是一种全新的封装技术，相当于在非制冷红外焦平面探测器的每个像元微桥结构之外再通过MEMS技术制造一个倒扣的微盖，将各个像元独立的密封起来。图9是其工艺过程的示意图，其中1～5步是目前的微测辐射热计的MEMS工艺步骤，在这之后继续在微桥的桥面上方生长第二层牺牲层，做为生长红外窗口薄膜的支撑层。待红外窗口薄膜及微盖四壁生长完成后，在真空腔体内通过窗口上的释放孔将前后两次的牺牲层释放掉，最后封堵住释放孔，完成像元级真空封装。

图9 像元级封装工艺步骤

像元级封装技术使封装成为了MEMS工艺过程中的一个步骤，这极大地改变了目前的封装技术形态，简化了非制冷红外焦平面探测器的制造过程，使封装成本降低到极致。目前这种技术还处于研究阶段，但随着像元级封装技术的成熟和实用化，非制冷红外焦平面探测器的成本还将大幅下降，更加贴近民用和消费级应用市场的需求。

非制冷红外焦平面阵列探测器技术

发展历史

非制冷红外焦平面阵列探测器是从20世纪80年代开始，在美国军方支持下发展起来的，在1992年全部研发完成后才对外公布。初期技术路线包括德州仪器研制的BST热释电探测器和霍尼韦尔研制的氧化钒（VOx）微测辐射热计探测器。后来由于热释电技术本身的一些局限性，微测辐射热计探测器逐渐胜出。2009年，L-3公司最终宣布停止继续生产热释电探测器。之后，法国的CEA/LETI以及德州仪器公司又分别研制了非晶硅（a-Si）微测辐射热计探测器。霍尼韦尔后来把技术授权给数家公司生产制造，CEA/LETI的技术在新成立的ULIS公司生产。而后的近20年内，美国的非制冷探测器发生过多次的公司并购重组，目前世界上主要的非制冷焦平面探测器制造商及各自的市场份额如图所示。

从目前到未来相当长的时间内，非制冷市场将是VOx技术与a-Si技术两者竞争的舞台。由于VOx发展时间长，并且美国是全球最大的红外市场，所以VOx探测器目前占据的市场份额处于领先地位。

图1主要非制冷焦平面探测器制造商及市场份额

工作原理

非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量，其基本原理（图2）：

a):红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化；
b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；
c):CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。

图2 非晶硅红外探测器工作原理

为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间常数，因此MEMS像元一般设计成如图3所示的结构。

利用细长的微悬臂梁支撑以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。在衬底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。像元微桥通过悬臂梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。所以，非制冷红外焦平面探测器是CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。

图3 非晶硅红外探测器结构

氧化钒（VOX)和法系的多晶硅两者的区别

采用氧化钒焦平面探测器的非制冷热像仪在国内是一种比较新型的热像仪。氧化钒材料焦平面探测器与多晶硅相比有更好的图像质量和灵敏度，可更好地满足不同的使用要求。而过去国内生产的热像仪主要采用的是多晶硅测辐射热计。

多晶硅红外探测器特点

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅被喻为微电子产业和光伏产业的"基石"，它是跨化工、冶金、机械、电子等多学科、多领域的高新技术产品，是半导体、大规模集成电路和太阳能电池产业的重要基础原材料，是硅产品产业链中极为重要的中间产品。它的发展与应用水平，已经成为衡量一个国家综合国力、国防实力和现代化水平的重要标志。据了解，目前国内生产多晶硅产品的厂家为数很少，远远无法满足国内微电子产业和太阳能电池产业的高速发展。随着我国集成电路、硅片生产和太阳能电池产业的发展，多晶硅在国内国际市场需求巨大，价格不断攀升多晶硅。

氧化钒红外探测器特点

• 采用了先进的非制冷测辐射热计（氧化钒）凝视型焦平面探测器；
• 探测器单个光敏元的面积较小（38μm间距），从而可以减小热像仪系统的体积和重量；
• 探测器的灵敏度更高，在f/1.6时NETD可达到85mK，当f/1.0时，其NETD等效为35mK，接近一般的制冷型探测器。因而使热像仪具有更高的探测和识别距离；
• 内部采用了很好的非均匀性补偿电路，因此不需要使用热电制冷器（TEC）来稳定焦平面的工作温度，在（-40~+75℃）的工作温度范围内，热像仪具有良好的图像均匀性和动态范围；
• 由于不使用TEC，使热像仪带来启动工作快和功耗低两大特点。2s的驱动时间，可以使热像仪随时开机使用，无需等待。而热像仪机芯的功耗可以减小到1.5W，延长了电池的工作时间；
  简言之，氧化钒探测器主要的优势是对于红外光线的光电转换效率更高，相比于多晶硅探测器拥有更高的信噪比和强光保护能力。氧化钒探测器的温度稳定性好、寿命长，温度漂移小。

氧化钒机芯相对多晶硅机芯有更好的图像质量和灵敏度，使热像仪有更高的探测和识别距离。功耗低、启动工作快，开机即可使用。图像清晰度是多晶硅机芯的3倍。氧化钒的温度探测灵敏度可以达到0.03℃，而多晶硅机芯只能达到0.1℃。同时氧化钒机芯相比多晶硅机芯寿命更长更耐用。采用氧化钒焦平面探测器的非制冷热像仪在国内是一种比较新型的热像仪。氧化钒材料与多晶硅相比有更好的图像质量和灵敏度，可以更好地满足不同的使用要求。而过去国内生产的热像仪主要采用的是多晶硅。

随着热成像技术的日臻成熟，人们的要求也越来越高，对温差的感应、机芯的耐用程度及图像清晰度也有了近乎严苛的要求，传统的多晶硅机芯在安防设备中已经不占优势，而氧化钒则可以弥补多晶硅机芯的短板且有自己独有的优势，已经在安防市场中占据了举足轻重的地位。

应用领域

非制冷红外探测器在军事和商用领域具有非常广泛的应用：

军事领域
军事领域应用包括武器热观瞄（TWS）、便携式视觉增强、车载视觉增强（DVE）、远程武器站（RWS）、无人机（UAV）、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等，如图4所示。

图4 非制冷红外探测器在军事领域的主要应用

热像测温领域
热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面，用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等，如图5所示。

图5 非制冷红外探测器在热像测温领域的主要应用

商用视觉增强领域
商用视觉增强的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等，如图6所示。主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势，对人眼视觉进行有效的补充。

图6非制冷红外探测器在商用视觉增强领域的主要应用

主要厂商

国外

FLIR

美国FLIR SYSTEMS公司是高性能红外热像仪系统研制、生产和销售的全球领先者，也是世界上首屈一指的非制冷氧化钒红外焦平面探测器的制造商。

FLIR不单独销售焦平面探测器，都是随着它的机芯或整机系统一同销售，从FLIR推向市场的产品可看出其量产的红外探测器的性能。目前FLIR非制冷焦平面探测器的像元尺寸以25um和17um为主；面阵规模以336×256和640×512为主；封装形式上既有陶瓷管壳封装， 也有晶圆级封装的成熟产品；NETD指标约为40 mK左右；热响应时间约10～15 ms。总的来说，FLIR的产品代表了目前世界主流先进水平.

国内

高德

高德红外全称武汉高德红外股份有限公司

武汉高德红外股份有限公司位于中国光电子产业基地——“武汉；中国光谷”，是一家专业制造红外热成像系统的高科技企业，是全球领先的红外热像仪专业研制厂商。
公司成立于1999年，现已发展成为员工近2600人、总资产过132亿元、年销售额10亿元的大型红外热像系统产业化研发生产基地，是中国光谷高速发展的高科技国际化光电明星企业，企业效益成长性在武汉高科技企业中排名第一，目前公司已经在深圳A股主板挂牌上市。

自成立以来，高德公司立足自主创新，积极开展红外光学、成像电路、图像处理、人工智能、机械结构及系统工程等方面的设计与研究，开发出上百款拥有完全知识产权的红外热像系统及高科技光电系统，各项技术居国内领先、国际先进水平，并拥有“GuideIR”, “MobIR”，“Thermopro”等驰名海外的注册商标。雄厚的研发实力，国际化的管理模式，出类拔萃的人才，高精尖的工艺设备，使公司顺利通过了ISO9001质量管理体系、GJB9001A质量管理体系及出口欧洲CE认证等权威认证。

艾睿

艾睿光电专注于红外成像技术和产品的研发制造，具有完全自主知识产权，致力于为全球客户提供专业的、有竞争力的红外热成像产品和行业解决方案。主要产品包括红外焦平面探测器芯片、热像机芯模组和应用终端产品。
公司研发人员占比47%，已获授权及受理专利技术567项，涵盖的技术领域包括集成电路芯片、MEMS传感器设计和制造、MatrixⅢ图像算法和智能精准测温算法等。
公司产品广泛应用于疾病防控、工业测温、安防消防、户外观察、自动驾驶、物联网、人工智能、机器视觉等领域。

参考文献

1. link.
2. link.
3. link.
4. link.
5. link.
6. link.
7. link.