红外焦平面技术发展（红外探测 红外成像）

　zui近几年间，红外热摄像仪技术已成为*普遍关注的热门产业技术。像90年代中期的CCD固体摄像技术一样，由于飞速发展的CCD制造技术已经成熟，范围的各有关厂家中有的已批量投产，有的正在等待投产，CCD固体摄像机的应用市场急剧增长，很快发展成为范围的新兴产业，对包括生活领域（如数码摄像机等）在内的各个领域产生了深刻而广泛的影响。毫无疑问，从目前红外焦平面阵列技术的发展趋势来看，由于作为红外热摄像仪关键性技术的红外探测器技术取得长足进展，特别是非致冷红外焦平面阵列技术取得的突破，实现了高性能廉价的小型化红外摄像仪，解决了价格长期居高不下造成的应用障碍，开拓了广阔的民用和军用市场。目前的*代、第二代和第三代致冷和非致冷红外焦平面阵列技术都已处于投产或等待投产阶段，预计未来5～10年间市场将保持持续增长的强劲势头。目前的红外焦平面阵列技术的发展趋势已预示着在红外热摄像机技术方面即将出现新的转折。
二、各种红外焦平面阵列热像仪的分类

　　 器件技术是整机技术发展的关键性因素。由于*代线阵列、第二代TDI阵列和第三代凝视焦平面阵列如320×240元的阵列发展已经成熟投入生产，更大型的如640×480元的大型红外焦平面阵列正在迈向成熟阶段，如PtSi阵列早已投入批量生产，HgCdTe阵列已达到2048×2048元，这种格式的阵列品种如HgCdTe、InSb、GaAlAs多量子阱和非致冷阵列代表了红外焦平面阵列技术的发展方向。这一切都已表明，红外焦平面阵列器件制造技术业已成熟，从而为这种热摄像仪技术的发展打下了坚实的基础，军界和工业界十分看好这种热像仪的广阔前景，急切期望获得这种热像仪技术的广泛应用能力，加大了投资力度，从而使红外焦平面阵列热像仪技术处于含苞欲放的阶段。表1根据对致冷条件的要求和工作波长对红外焦平面阵列热像仪进行了分类。
                 短冷红外          中波红外        长波红外
                 （1-3μm）          （3-5μm）        （8-14μm）

致冷工作      HgCTe             InSb            GaAlAs/GaAs
                       PTSi             HgCdTe
                       HgCdTe
非致冷工作    InGaAs            VOx
                                          BST
                                           -si
三、庞大的红外焦平面阵列热像仪产业市场

　　 未来5～10年间，红外焦平面阵列热摄像仪技术的应用领域将不断扩大，市场将保持持续增长的强劲势头。
　 　
　　 1.激烈竞争的红外焦平面阵列热像仪市场
　　
　　 随着红外焦平面阵列技术的迅速发展，研制和生产红外热像仪的厂家日益增多，市场竞争极为激烈。美、英、法、德、日、加拿大、韩和以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产*的红外焦平面阵列摄像仪，其中处于地位的是美国。美国从事这种红外热摄像仪技术研制和生产的厂家很多，从基础元器件技术开始，投入的资金和规模都很大，在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥地位，其焦平面阵列规模已大达2048×2048元，已接近于可见光硅CCD摄像阵列的水平。许多实力雄厚的厂家长期从事这种技术的研究和开发，涉及面广，力度大，进展快。这些公司主要有雷声、洛克希德-马丁、霍尼韦尔、洛克威尔、德州仪器、柯达、休斯、因的哥系统、萨尔洛夫、劳拉尔、辛辛那提电子、波特兰前视红外（FLIR）和传感器无限公司等。另外，还有一些大学和研究机构，如夏威夷大学和喷气式推进实验室等；日本在红外焦平面阵列器件基础技术方面投入的研究力度远不及美国，时间也不长，主要的公司和机构少，如三菱电机和日本电气两家公司，而且zui先取得明显进展是PtSi红外焦平面阵列技术，并在*处于地位，如PtSi阵列规模大达1024×1024和1040×1040元、在世界上zui先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列，但日本的厂家很能及时捕捉机遇，用更少的钱和zui短的时间获取zui丰厚的利润。在红外热像仪的研制和生产方面，日本厂家把产品推向市场的速度却抢先于美国和欧洲，如日本的许多公司早在1999年就把产品推向市场，2000年这些公司的数量明显增加，1999～2000年推出上市产品的公司主要有三菱电机、NEC、尼康、富士通、东洋技术、日制产业、商岩宇航、ITI、安全技术电子、光洋、切洛、日本航空电子、NEC三荣、日本电子数据和日本巴恩斯等公司，而且，在品种方面，从HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷红外焦平面阵列等种类也不少，已显示出急剧竞争的势头，日本公司看准了这一广阔的市场，迅速介入其中抢占市场和商机；欧洲的竞争伙伴国主要有法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等。主要的公司有英国的GEC-MACONI、法国的Sofradir、CEA-LETI，荷兰的AGMA、比利时的1MEC，德国的AEG红外组件和STNATLAS电子等。欧洲的这些公司竞争实力都很强，像荷兰AGMA、法国的Sofradir和英国的GEC-MACONI等公司都具有很强的竞争能力，与美国一些实力雄厚的公司不相上下，特别是在非致冷红外热摄像仪技术的发展方面已显出其处于前沿的竞争地位，如AGEMA公司的热视570，AGEMA520和德国STNATLAS电子公司驾驶员视觉增强系统都具有很高的水平和市场竞争实力，AGEMA520，570已中国广泛推广使用，市场前景令人鼓舞。此外，除了美国公司而外，北美的加拿大的一些公司和机构，如国家光学研究所、EG&G光电子和AEREX航空电子公司，以色列的飞机工业公司，韩国的*科学技术研究所，还有澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发展*红外焦平面阵列热摄像仪技术以便尽快挤入这一市场，竞争已遍及几大洲。
　　
　　 2.加快投产步伐，满足市场
　　 由于红外焦平面阵列，特别是非致冷红外焦平面热摄像技术的发展和日趋成熟，军界和产业界都急于获得这种新技术，各公司机构为满足这一需要已大大地加快了现有成熟技术投产的步伐，政府和军界的投资强度急剧增大，政府、军界和各大公司主要是看准了这种技术提升现有相关军事装备的能力和产业界应用的潜力。如法国的CEDIP红外系统公司已于2002年初开始投产其非致冷红外焦平面阵列传感器，这是一种非晶硅320×240元的微测辐射热计焦平面阵列，工作波长8～12μm，像元尺寸47μm×47μm，NETD优于120mk（f/1.0）。该热像仪采用天马公司的小型低价格电路，重量不到300g，功耗5W，整机重量2.5kg，可用于步枪瞄准器、车辆驾驶视频增强器和手提式监视辅助设备等。该公司还在2001年12月份投产了3～5μm的中波红外热像仪，传感器像元格式640×512元，采用全电视工作模式，帧速高达150Hz，这家公司的Enztraid系列产品对像元为25×25μm的HgCdTe和InSb阵列都适用，典型灵敏度18mk，识别范围大于5公里，视场18°×14°到4°×3°，斯特林制冷器的寿命1000小时。
　　 3.各大公司争抢合同
　　 *各国庞大的军用市场需求在未来5～10年间仍是红外热像仪市场占据主导地位，而且快速增长的需求量将促使这一市场进入暴涨期，各大公司都在争抢*的合同订货。
　　 ● 英国一些大公司正在为赢得*向红外热像仪合同而加紧争夺战。英国不列颠*2001年3～4月份启动了作战*热摄像仪计划，该计划费用高达2.5亿英磅，合3.63亿美元。英国*目前正在考虑把该合同授与三家承包商：Avimo、Pilkington Optronics和Hunting，主要用于勇士步兵战车、弯刀侦察车和斯巴塔机动侦察车、*瞄准器、导航、目标定位和驾驶员夜视增强器等，这三家公司在众多竞争者中zui有希望获得该合同。
　　 ● 美国量子阱红外光电探测器（QWIP）技术公司已获得了国防技术规划局的160万美元合同，正在加紧发展一种4色多功能焦平面阵列，其波长复盖区从可见光到长波红外，其中有二色为中波红外区，其材料为GaAlAs/GaAs，阵列规模大达1024×1024元，预计在24个月后交付使用，该公司目前正在测试640×512元阵列，美国和欧洲的合同承包商都在竞争之列。
　 　
　　 4.庞大的军用产业市场
　　 军用领域是红外热像仪zui大的市场，特别是非致冷红外热像仪zui引人注目。其主要应用范围包括：夜视装备，如机载前视红外吊舱，夜视眼镜和驾驶员夜间驾驶夜视增强器等；热武器瞄准器；导弹逼近告警器；制导打击武器，如各种导弹和巡航导弹等；舰载红外搜索与跟踪系统等。
　　 夜视和热成像瞄准器是未来红外焦平面阵列热像仪应用的大市场。非致冷红外热像仪是这一市场zui为成功、竞争力而又zui吸引人的廉价技术，由于性能冷中、可靠性高、小型便携式和低廉的价格等*的优点，会导致军用夜视装备和武器瞄准器迅速更新换代，上一个新台阶，极受军界青睐。
　　 （1）新一代的*夜视眼镜——ENVG
ENVG即增强夜视眼镜，是美军正在实施的水平技术集成（HTI）计划的目标，是把非致冷红外热摄像技术与图像增强技术结合应用的图像融合夜视技术。美军计划用NEVG取代老式的AN/PVS-7夜视眼镜，用非致冷摄像和图像增强器组合封装在一起的新型夜视眼镜，包括电池在内重量不足450克，可连续工作15小时以上，热摄像观察距离可达175米，图像增强器大于160米。
　　 （2）热武器瞄准器
除去夜视眼镜外，美军特别看重的非致冷红外焦平面阵列技术是热瞄准器，这又是一个翘首等待的热门大市场。不仅*和*大量需要这种瞄准器，而且由于*各国的*作战需要都急需这种新的高密度小型化轻量热武器瞄准器。美军希望购买10000套轻型中等性能的非致冷热武器瞄准器（TWS），每套10000美元，这是美*的热Omni busz计划的zui初行动。这种热武器瞄准器功耗降到了不足4W，重量不足1.8公斤。2006～2010年度再购10000套这种小型*瞄准器，使用传感器为640×480元的非致冷红外焦平面阵列，并用有机发光二极管阵列显示。美军准备用非致冷红外热摄像技术取代现有热武器瞄准器，轻型武器用320×240元阵列，中型和重型武器系统使用640×480元的阵列技术，未来准备采用1024×1024或更大型的阵列高性能非致冷焦平面阵列。
　　 此外，由于目前和未来*作战的需求，美军等待投产三种机型的高性能单兵热瞄准器装备特种作战*，其采用致冷型红外焦平面阵列技术的TIPS-HPC单人瞄准器夜间观察距离1500米，识别500米，采用3～5μm InSb 256×256元阵列，环境工作温度23℃时的NETD为0.02℃，重2.5公斤，功耗＜4.5W。
　　 在军用市场方面，除了上述夜视和热武器瞄准器市场外，还有如导弹逼近告警，火控、打击系统和舰载红外目标搜索与跟踪等，市场宽广，投资极为雄厚。
　　 5.民用市场具有极为广阔的前景
　　 由于红外焦平面阵列热摄像仪技术目前正处于新的转折前夜，其整机价格较之过去已明显下降，但是总的情况仍处于高位，目前近期军用仍占主要成分，民用仍难以承受其价格方面的压力，价格问题仍是阻碍其民用领域普及应用的关键性因素，但未来随着大批量投产，价格大幅下降，民用领域会迅速扩大。主要的应用领域有：工业检测、监控、测温等；*消防和监视，缉毒等；保安（金融机构和政府重要部门）；医疗；电力检测；科研应用等等。
　　
　　 6.红外焦平面阵列热像仪的市场价格
　　 目前市场上的红外焦平面阵列热像仪虽有*（原来军用机为10万美元），但仍然居于高位。根据前文中所提及的数据，美军用市场要到2005年时320×240元的非致冷红外焦平面热摄像仪的价格才为每套7500美元～10000美元，而日本市场的2001年报价具有测温功能的非致冷热像仪都为150万～480万日元，致冷型机种有的甚至高达580万日元，因此其价格范围也在1.5～6万美元之间，更高性能的则更贵。这样的价格对军用不利，民用难以承受。据Flow Research预测，未来5年间红外探测器商品市场将保持强劲持续增长的势头，平均年增长率为10.5%，一旦价格突破1000美元底线就会像可见光CCD传感器技术一样出现爆炸性的增长。