红外成像阵列与系统(1)

《红外成像阵列与系统(1)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外成像阵列与系统(1)（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章 历史回顾1.1 引言热成像历史基础: 是人类把手放在火烬余温下感受 其位置。热成像知识基础: 黑体辐射的理论基础；热敏感材料的化学性质；结晶学；微光成像技术；成像阵列等方面的知识。红外成像的过程有两个阶段：1）.景物的热辐射必须集中到一个能 引起物理效应的传感器上光导体辐射计装置。2）引起的物理效应必须能够读出以及显 示。1920年以后发展起来的电视技术对红外热 成像的发展作了巨大的贡献。1960s的MOS 管的发展1968年由Noble描述的X-Y地址成像阵列集成读出电路红外热成像系统发展：于二十世纪二十年代末期。光电发射：Ag-O-Cs光电阴极，第一个用于军事的像 增强器。碱金属锑

2、化物光电阴极， S-25、New S-25 、Super S-25 光电阴极像增强器。GaAs负电子亲和势光电阴极，第三代像增 强器。微光夜视技术忽略的两个波段：中红外（3-5m）远红外（8-14m ） 1960年，光机扫描单个红外敏感探测器以 成像。瑞典的AGA 公司曾经使用一个致冷型的单 元锑化铟本征型光导体。美国的BARNES工程部最初使用了一个热 敏的电阻辐射计，接着使用了一个热电探测器 (Astheimer,Schwartz,1968)。1959年，在美国的国家信号雷达建设 部，Lawson发现一种只需致冷到77K的 MCT(mercury cadmium telluride)作为本

3、征半 导体光敏电阻。 法国则找到了一种光伏型方法。致冷型红外探测器：1981年，英国及美国的Honeywell最 早发明了冷却到77K的机械扫描的、混合 的、线性的MCT阵列探测器，工作模式为 光电导型(Kruse)。工作在8-12m范围内，是由美国军 队和技术实验室建立起来的，成了今天的 夜视技术的主要战场技术手段。他们当然 也扩大到军事，国内民用以及研究领域范 围内，如表1所示。热成像第一代系统： 光伏效应，电子扫描，MCT凝视型阵列 ，噪声等效温度0.02。需要低温冷却。热成像第二代系统：1969年，英国EEV公司的Tompsett申请了 热成像摄像管的专利， 1970s， 分辨率400

4、 线，NETD0.2（Goss,1987） （第七章） Tompsett提出了固态热成像阵列：场效应 管（FETS）阵列和热电-铁电材料薄膜。发 展成今天应用的单晶成像装置（第四章） ，目前正在发展下一代单片的非致冷型铁 电体成像仪。1978年Johnson提出了单片热成像仪： 将热敏电阻材料层沉积在气桥（air-bridges ）上（第三章）。非致冷型红外探测器：最早开始于二十世纪八十年代，美国军 队夜视实验室首先意识到低成本，轻重量应用 的重要性，并且联合了DAPRA（Defense Advanced Project Agency） 奠基了铁电以及 电阻型阵列的发展。这些阵列精度大于300

5、线 ，NETD的值为0.04，性能已经达到顶峰，现 在为军事及民用制作所用，第三、四和五章里 详细的讨论这些装置科学技术上具体的问题1824年，发现塞贝克效应后的几年,热电 结或温差电池最早被用来探测红外辐射。1994年，Kanno et al在 NEC已经开发了用 于成像的温差电池，性能中等（第六章）。1947年，Golay的气体热膨胀技术。1991年，Kenny et al通过微机械加工技术 制作的小单元灵敏度可以通过隧道位移转换器 探测到)（第八章）。这项技术很灵敏，但是需 要电反馈来控制隧道位移到几分之一纳米。所 以将其集成到整个阵列上是很重要的。1962年，Wade ,Slutsky

6、首次提出了敏感测 辐射热计装置，使用石英微型谐振腔（第十章 ）。微电机械加工制作的具有超高灵敏度的非 致冷型成像仪。1.2 非致冷型热像仪的电子材料 历史研究1. 1 铁电-热电材料l1974年，Lang回顾了铁电材料2300年的 历史.温度发生变化后晶体电极的另外一端 出现补偿电荷。l 1824年，D.Brewste第一个利用了铁 电性。l 在19世纪人们做了很多实验,对晶体 铁电效应有了基本的理解。演示一种决定电荷分布的方法，已经用在直 视显示器中。硫和红色的氧化铅粉末混合在一起吹进一块 丝质屏幕.硫的颗粒由于受摩擦而带负电荷,受到晶 体的正电荷部分的吸引,同时红色的铅微粒带上正 的电荷而

7、向负电荷区漂移。Kundt实验：1920年，Valasek发现铁电体的介电性 质类似于铁的电磁性质,即在极化区域曲线 有对称性.在居里温度附近可以观测到大的 介电变化，且有高温的非铁电效应发生.1930s发现了一系列的铁电晶体（ Busch,Scherrer,1935;Bush1938）： 碳酸钡：介电常数3000，显示铁电性。1941年,Slater发展了铁电性的微观 模型,在1960年他将其延伸到量子模型化, 于是在1962年开始了一个对于铁电晶体 很好的研究领域。1994年,Resta明确地解 释了微观电极化的可能进展。1938年，Ta发现一种热电晶体电 石,可以用来作为红外探测器。19

8、42年出版的文献中有一项关于“能量转 化装置”的专利，其中使用了一种热电体去探 测调制的红外光束。1956年，Chynowth使用热电效应来研究铁 电体. 在温度影响下，非偏置的晶体电荷会沿 着极化方向发生变化。如果此轴的方向和晶体 表面垂直,就会在晶体表面上测出电压和电荷 位移。Hamel论述了可以在一个分立测辐射热 计中,使用具有对温度敏感的介电常数的铁电 体。在这种情况下,晶体上需要直流偏置电压. 温度的变化引起介电常数的变化,因此可以测 量到电荷位移或者电流。另外一方面如果对 目标充电至某一电位然后断电,则介电常数的 变化转化为晶体的电压降,并且可以测得。1962年，Cooper表明热

9、电方法要比介 电方法优越,灵敏度更高。这个理论被进一 步地用于商业上。热电材料的品质因数是热电系数被介电 常数来除。lBeerman表明了一个有机晶体TGS的品质 因数要高于其他的无机铁电材料（Mathias et al.1956;Puthey,1966）。1968年，Putley讨论了主要的噪声源和热电 环境下的铁电探测器的性能限制。在实际 应用中,这两种工作模式均决定了电荷电压 的信号输出量（Wattor,1989）。1986年，Whatmore出版了书籍.对热 电材料及其性能和品质因数在热电摄像管 和成像仪上的应用作了很好的回顾。l l 第二个生成非致冷型热成像系统的 有效途径是利用电阻

10、对温度的依赖性。2 .电阻材料1 . 铁电-热电阵列l1880年,Langley用惠斯通电桥做了第一 个铂带辐射计。他为此研究了20年的时间 。在1901年他表明了可以通过一个辐射计 的反射探测到1/4英里外的一头牛,如图1.1 所示。图1.1 德州公司使用非致冷成像传感器在500米以外摄 取 到的牛的图像。 1946年Brattain和Becker用各种氧化物的焦结物制 成了热敏电阻辐射计。而1980s的微机械加工技 术的发展更加提高了热绝缘的可能性。VO有很高的电阻温度系数(Moffatt et al.,1986 ，Umadevi et al.,1991，Jeraminek et al;

11、1993)。在 现代的制作装置中已经将Pt和VO和在一起，其比 探测率为109cmHz1/2W-1。1.3 使用硅读出电路的非致冷 型成像阵列l Tompsett(1969b,c)第一个提出使用FET阵 列作为读出电路,并将热电材料与FET的栅极 接触但保持热隔离.在此以后研究发展了很 多种的使用固态的非电子束扫描技术的非致 冷成像阵列。l 在1972到1973年间，在美国政府RCA实验 室领导下，进行了该领域中的首项工程。该 项目在硅ROIC上使用了TGS,同时考虑了X- Y寻址阵列和一个电荷耦合阵列。作为改进分辨率的一个方法,发展了TGS的 网状结构.因为要达到好的温度灵敏性,衬底的绝 热

12、性能很重要,所以使用一种新颖的技术-用应 力将薄膜做成薄膜型应力指状物,以提供较低的 ROIC和TGS之间的热电阻接触。X-Y寻址的计 算结果表明一个非常薄,10m厚的TGS切片,在 200m中心上面有100m大小的单元,其分辨率 可以达到0.4.但是,这是个折中的方法,因为使 空间分辨率减半会使温度分辨率提高四倍多.Plessey Ltd制造了固态阵列的实物模型：在250m大小的片子上放了32个分立的 TGS探测器，固定在一个旋转的装配线上，相 关的放大电路驱动一个相似的LED阵列。这样 就封装成一个手握的直视装置。 1992年，TI公司于又推出了245328单元 阵列(Honson et

13、al.1992)，具有更好的性能。在二十世纪七十年代中期德州公司开始研究非 致冷热像仪.l1979年，Hopper申请了混合装置的专利。在 1987年演示了第一个100100元的非致冷成像 阵列，使用了BST晶体切片倒装焊接在ROIC上 ，其NETD值为0.5。 l1994年，英国展示了100100元的热 成像仪(Watton,1994)。l1987年，在DARPA赞助下，美国军队夜 视实验室开展了高密度成像阵列(HIDAD) 项目，在1990年出现了第一个HIDAD试验 性成像仪并且做出了评估。焦平面阵列的 NETD值为0.08,优于预期的0.30。245328元阵列使用X-Y寻址装置(Ha

14、nson et al,1992)，工作在BST探测器材料相位转变 之处，使用一个机械斩波器做场差分处理。 另外对目标进行网状化以增加MTF和减少像 素之间的串音(Advena et al,1993)。1989年， Watton提出， TI阵列使用双模 式探测，即是一个复合的介电-热电工作模式， 其极化和介电常数都随温度发生变化以产生输 出信号。 基于HIDAD项目的成功实现，开始实 现一种低成本的非致冷型传感器原型以发展 低成本,重量轻的场效应红外探测器硬件。在 F/1光学系统下阵列的性能改善到0.047。 现在TI公司生产夜视技术传感器用于法律实 施目的(Hanson,Beracan,1994)。1992年，Loral Inc描述了192128元阵 列(Butter Iwasa,1992)，该阵列使用了锂化 钽，工作在真实的热电模式下，对基底没 有热稳定装置。氢化物阵列使用了一个吸 收性的镀层网状结构，NETD值为0.07。l l2 . 2 . 电阻型测辐射热计电阻型测辐射热计