非制冷热像仪选择

 非制冷热像仪选择
一、引言
 现代的军事和民用对红外热成像系统(热像仪)的需求量都特别大。众所周知，传统的红外焦平面(FPA)热成像系统其核心部件主要是需低温致冷的光量子型器件(在低温77K附近工作)，其中以碲隔汞(HgCdTe) 器件(工作在3～5um或8～14um 波段) 和锑化铟( InSb) 器件(工作在3～5um波段) 为典型代表。这类器件的光电性能的确优良，但它们存在的问题是必须制冷、价格昂贵、功耗大、重量重、寿命有限、后勤维护量大、使用条件苛刻，可靠性不足。因而其应用受到很大的限制。非致冷红外焦平面阵列不需致冷,且使红外摄像获得优良性能,又实现低成本,小型化和高可靠性。尤其是大面阵的凝视红外焦平面阵列,更是大大拓宽了红外技术的应用范围。
 非致冷凝视焦平面阵列根据其探测器可分为热电偶FPA ,热释电FPA 和微测辐射热计FPA。目前较为常用的是热释电FPA 和微测辐射热计FPA，其中,微测辐射热计FPA 因其系统简单应用更为广泛一些。
 国际市场上，核心部件焦平面探测仪只有美国、法国具有核心技术，日本和以色列则由美国取得技术许可，在其国内生产和有限制地使用。美国占据红外热像仪的领先地位，其次英国、法国、日本、德国、以色列跟随以后。我国的所有焦平面探测仪全部来自法国的SOFRADIR 和ULIS公司（两家是母子公司），其高端产品对我国禁售，中低端产品价格昂贵，并实行最终用户许可制度。
 目前非制冷焦平面探测器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。
 氧化钒技术由美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功，目前其专利授权FLIR-INDIGO、BAE、L-3/IR、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产。
 非晶硅技术主要由法国的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和ULIS公司生产，也是中国市场的供应商。
 现对热释电FPA和微测辐射热计FPA两类热像仪做一些比较。
二、研制历史
 热释电FPA 的原理是，入射辐射使材料的温度发生变化，引发材料的自发极化强度变化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。在自由电荷与感应电荷中和之前，通过外电路将其引出，利用感应电荷的变化来测量光辐射通量。热释电FPA 没有任何直流电流，但因其响应温度变化，必须使用斩波器,增加了系统的复杂性；微测辐射热计FPA 利用载流子密度变化和迁移度变化来测量物体的温度来得到目标图像。微测辐射热计FPA可分为氧化钒（VOx）和非晶硅（α-Si）两大类型。
 在上个世纪70年代，为了军事上的运用，美国政府设立基金鼓励两家研发企业来发展非制冷高密度阵列探测器芯片。1978年，其中一家在热释电方面利用钛酸锶钡BST（Barium Strontium Titanate ）材料制作探测器取得突破，并获得专利，并在1979年首次装备于军方。几乎在同一时间，利用微测辐射热计VOx材料制作探测器也取得突破性发展。大约过了10年，由于美国军方确信，由氧化钒制成的芯片的性能远远超过BST，因此决定不再支持BST探测器技术的研发，单独支持VOx探测器的研发。
 由于这种基础研发费用特别大，没有国家的支持很难坚持下去并获得突破性的发展，因此在随后几年，VOx探测器技术得到长足的发展，而BST探测器技术几乎停滞下来。更重要的是，VOx探测器技术授权给几家不同的制造商，而BST探测器技术目前只有一家。2008年3月，这家公司宣布将逐步退出BST探测器市场。因此现在美国基本都是采用VOx探测器这一技术。
 到了90年代，另一种技术非晶硅（Amorphous Silicon ，α-Si)探测器得到了发展。它的一大优点是能在现有的晶硅生产线上生产从而降低成本，更重要的是，VOx探测器技术控制在美国军方手里，当它要销售海外时需要出口许可证。
 到了现在，非晶硅探测器的这2个优势已经消失了。随着VOx探测器技术的发展，它也可在晶硅生产线上生产了，从而降低了成本。更重要的是，美国政府对VOx探测器的出口也解禁了，对于8.3Hz PAL/7.3Hz NTSC产品可自由出口，25Hz PAL/30Hz NTSC产品经过对美国商务部申请也可出口。因此，在全球市场上，VOx探测器比α-Si探测器有很大的竞争优势。
 
 由于众多美国制造商都选择了VOx探测器这一技术，使得VOx探测器的规模特别大，从而带动价格的降低，再加上技术上的优势，使得VOx探测器在市场上占有绝对的优势。与美国相比较，法国发展的非制冷探测器采用α-Si技术，如SOFRADIR 和ULIS公司，我国国内热像仪制造商使用的探测器芯片都是从这两家进口的。
二、性能比较
 1、噪声等效温差（NETD）

 噪音等效温差是表征探测器性能的一个重要指标。
 
 其定义为：采用如上图所示的标准侧视图，角尺寸为W×W，温度为TT的均匀方形黑体目标，处在温度为TB（TT >TB）的均匀黑体背景中构成测试图案。热像仪对这个测试图案进行观察，当系统的基准电子滤波器输出的信号电压峰值和噪声电压的均方根值之比为1时，黑体目标和黑体背景目标的温差称为噪声等效温差（NETD）。
 NETD表征探测器对最小温差的探测能力，其值越小，探测能力越强，探测距离也就越远。但由于同一个探测器可配不同的镜头，因此在提到NETD时要标出镜头的标准，即F数。
 现对三种探测器的NETD进行比较。
 BST探测器NETD的一个典型值为100mK，当F＝1，温度为25℃时。
 VOx探测器NETD的一个典型值为100mK，当F＝1.6，温度为25℃时。
 在这种情况下，二者的噪声水平相当。但当把VOx探测器的F数换成1时，其值为39mK。从中可以看出，VOx探测器的噪声性能比BST探测器好大概3倍左右。VOx探测器与α-Si探测器的比较也差不多是这样的结果。因此可以说，VOx探测器是三者中灵敏度是最高的，其可探测温差也是最小的。
 另外，VOx的电阻大概为100KΩ，而α-Si的电阻大概30MΩ，根据约翰逊电阻随机噪声理论可知，电阻越大，电流噪音越大，因此VOx探测器的电流噪声比α-Si探测器噪声小多了。
 2、热像仪镜头尺寸比较
 热像仪镜头所用的材料是锗玻璃，它是一种非常贵的材料，使得镜头的成本占了热像仪成本的很大比例，因此镜头尺寸关系到热像仪的成本问题。所以，热像仪制造商一般都选择小口径或高F数的镜头来降低成本。
 前面提到，VOx探测器的NETD比较小，配F数较大的镜头就可达到系统性能的要求，从而减小镜头的尺寸，降低了成本。
 另一方面，F数小的镜头，其焦深也比较小，使得系统成像清晰范围变小，因而制造商一般都采用F数较大的镜头以得到较大的焦深。
 最后一点，大口径的镜头不仅增加系统的成本，也造成系统安装和集成的困难。镜头口径越大，热像仪的重心越靠近镜头前端，造成热像仪安装的困难。在一些空间狭小或对热像仪体积有限制的地方更是难以装备或集成。
 3、像元尺寸
 红外焦平面探测器是由大量的像元在焦平面上排成阵列而成的，而像元尺寸的大小将影响一系列性能指标。
 相对于BST探测器，VOx和α-Si探测器的像元尺寸现在可以做得特别小，如FLIR的Photon320的像元尺寸为38μm，Photon640的像元尺寸为25μm。
 像元尺寸越小，就可制作越高像素的探测器。
 像元尺寸越小，其像元均匀性越好，图像性能越好。另外，像元尺寸越小，系统所配的镜头口径也可越小，进而降低成本。
 4、是否需要斩波器
 由热释电原理可知，它只响应变化的热像，因此需要装配一个斩波器来调制目标图像，而微测辐射热计探测器不需要这种斩波器。
 
 加装这种斩波器一方面增加了系统的复杂性，另一方面，由于斩波器是一种机械旋转，将增加系统的故障率，降低系统的使用寿命。
 5、是否需要铁电制冷器（TEC）
 BST热释电探测器在其工作期间需要铁电制冷器来保障探测器芯片的恒温，大部分α-Si探测器也需要这种铁电制冷器来保障芯片的恒温，而VOx探测器则不需要制冷器来保障恒温。
 取消TEC，能够使热像仪工作在很宽的温度范围,同时又保持极好的动态范围和图像均匀性。取消TEC,带来了两大优势:即降低了功耗、又提高了快速启动能力。使成像的启动时间可小于2秒,这对于某些要求的应用是很有利的。比如在使用电池的情况下，其优点更是明显。
 6、图像保持能力和日晕现象
 图像保持能力是指当热像仪对一高辐射目标进行成像，然后视角从这目标移开，但那高辐射目标的像将还保持在热像仪中一段时间，从而无法对目标清晰成像。就如人们直接看了太阳后再看别的物体时，就会一段时间看不清物体。VOx和α-Si探测器相比较，α-Si探测器这种现象更严重一些。
 日晕是一目标周围出现的光环，在热成像中也会出现这种现象，而BST热释电探测器对此特别敏感。当BST热像仪所成像的目标中，有一较热的物体时，它的周围将会出现一个黑环，如图所示。很明显，这将严重影响成像效果。
 

 总之，当我们购买非制冷热像仪时，必须考虑到以下几个因素：价格、灵敏度、可靠性、实用性等。