红外成像阵列与系统(1).ppt

1、第一章历史回顾，1.1介绍，热像历史基础：是人类把手放在火种的高温中感受其位置。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；晶体学模糊成像技术；成像阵列等方面的知识。红外成像过程分两步，1)。场景的热辐射必须集中在产生物理效果的传感器上的光导体辐射计设备上。2)能够读取和显示产生的物理效果。1920年以来开发的电视技术对红外热成像技术的发展做出了极大的贡献。1960s MOS管开发1968年由Noble描述的X-Y地址图像阵列集成读取电路，红外热成像系统开发：20世纪20年代末。光电发射：Ag-O-Cs光电，军用第一个图像增强器。碱金属锑化合物光电阴极，S-25，New S-25

2、，Super S-25光电图像增强器。GaAs负电子亲和力光电池，第三代图像增强器。模糊的夜视技术忽略的两个波段：中红外(3-5m)远红外(8-14m)，1960年时光机扫描单个红外感应传感器进行成像。瑞典AGA公司使用了冷单位锑固有光度。美国的BARNES engineering最初使用热敏电阻辐射计，然后使用热电探测器(Astheimer，Schwartz，1968)。1959年，美国国家信号雷达建设部Lawson发现，固有半导体感光电阻冷却到77K就可以了，mercury cadmium telluride(MCT)。法国发现了光电池方法。制冷型红外探测器：1981年，英国和美国的Hon

3、eywell首次发明了以77K冷却的机器扫描、混合线性MCT阵列探测器、工作模式光电图形(Kruse)。由在8-12米范围内工作的美军和技术研究所建立，用作当今夜视技术的主要战场技术手段。他们当然也扩大到了军队、国内民间及研究领域，见表1。热成像第一代系统：光电效应，电子扫描，MCT视线阵列，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的tompstt申请了热成像摄像管专利，1970s，分辨率400行，NETD0.2(Goss，1987)(第7章)tompstt是固态热成像随着今天的应用而发展的单晶成像装置(第4章)，目前新一代单片郑智薰冷却铁电已经在开发中。1

4、978年Johnson提出了单片热成像相机：热敏电阻材料层沉积在气桥上(第3章)。制冷型红外探测器：从20世纪80年代开始，美国陆军夜视实验室首先认识到低成本、轻量应用的重要性，并与defense advanced project agency一起开发铁电和电阻阵列。精度超过300线的NETD的值0.04已经达到了性能峰值。现在用于军事和民用制作。这些设备在科学技术上的具体问题是，在1824年发现塞贝克效应的几年后，热电或温差电池首先用于红外辐射。1994年，Kanno et al在NEC上开发了用于成像的中等性能温差电池(第6章)。1947年Golay的气体热膨胀技术。1991年，Kenny

5、 et al通过微加工技术制作的小单元灵敏度可以通过隧道位移转换器检测到(第8章)。这项技术非常敏感，但需要用电反馈来控制隧道位移1/1纳米。因此，整合到整个存储中非常重要。1962年，Wade，Slutsky首次提出使用石英微谐振器的敏感辐射热装置(第10章)。用微电机机械加工制作的超灵敏度郑智薰冷却型已低。，1.2郑智薰冷却热成像相机的电子材料历史研究，1.1铁电-热电材料，1974年，Lang回顾铁电材料2300年的历史。温度变化后，晶体电极的另一端出现补偿电荷。1824年，D.Brewste首次利用了铁电。19世纪进行了很多实验，对晶体铁电效应有了基本的理解。展示了如何确定电荷分布，已

6、经用于直视显示器。硫磺和红色的氧化铅粉末混合在一起，飞进了一张丝网。硫的粒子由于摩擦带负电荷，被晶体的正电荷部分吸引，而红铅粒子带正电荷，在负电荷区域漂移。Kundt实验：1920年，Valasek发现铁电介电特性类似于两极分化区域曲线中具有对称的铁。在居里温度附近可以观测到很大的遗传变化，并且具有高温的郑智薰铁电效应。1930s发现了一系列铁晶体管(Busch，Scherrer，1935)。Bush1938:碳酸钡：介电常数3000，表示铁电。1941年，斯莱特开发了铁电的微观模型，然后在1960年扩展到量子模型化，1962年开始了对铁晶体管的良好研究领域。1994年，Resta明确说明了微

7、电极化的可能进展。1938年，Ta发现了一种热晶体钙卡维，可以用作红外探测器。在1942年发表的文献中，有一项关于“能量转换装置”的专利，该专利使用热电体检测调制的红外光束。1956年，Chynowth使用热电效应进行铁电研究。受温度影响，晶体电荷沿着极化方向变化，而不是偏置。如果此轴垂直于晶体表面，则在晶体表面测量电压和电荷位移。Hamel讨论了在单个辐射热量表中具有温度敏感介电常数的铁电体的使用。在这种情况下，晶体需要直流偏压。温度变化导致介电常数的变化，因此可以用电荷位移或电流来测量。另一方面，如果用电位填充目标，然后关闭电源，则介电常数的变化将转换为晶体的电压降，以便测量。1962年，

8、库珀表明热电方法优于介质方法，灵敏度高。这个理论更多地用于商业。热电材料的质量系数用介电常数去除。贝尔曼表明，有机晶体TGS的质量因子高于其他无机铁电材料(Mathias et al.1956)。Puthey，1966)。1968年，Putley讨论了主要噪声源和热电环境下铁电探测器的性能极限。在实际应用中，两种操作模式都决定了电荷电压的信号输出量(Wattor，1989)。1986年，Whatmore出版了一本书。已经和热电摄像管在上面很好地研究了热电材料的特性和质量因素。产生制冷型热成像系统的第二个有效方法是利用对温度的电阻依赖性。2 .电阻材料，1 .铁电-热电阵列，1880年兰利用惠斯

9、通电桥制作了第一个铂带辐射计。他为此研究了20年。1901年，他展示了通过辐射计的反射可以探测到四分之一英里外的一头牛，如图1.1所示。图1.1德克萨斯州使用郑智薰冷却图像传感器从500米外摄取的牛的图像。1946 Brattain和贝克用各种氧化物的早期临界量制作了热敏电阻辐射计。相反，1980s的微机械加工技术的发展进一步提高了热绝缘的可能性。VO表示电阻温度系数，1986，uma devil，1991，Jeraminek et al1993年)。Pt和VO在现代制作设备中一起使用，比检测率高109cmHz1/2W-1。使用1.3硅读出电路的郑智薰冷却成像阵列，tompstt (1969b

10、，c)首次提出使用FET阵列作为读出电路，将热电材料与FET的栅极接触，但保持热隔离。之后，开发了大量使用固态郑智薰电子束扫描技术的郑智薰冷却成像阵列。该领域的第一个项目是在1972年至1973年美国政府RCA研究室领导下进行的。项目在考虑X-Y寻址阵列和电荷耦合阵列的情况下，在硅ROIC上使用了TGS。开发了TGS的网格结构，作为提高分辨率的一种方法。为了提高温度敏感性，基板的隔热特性很重要，因此使用新技术薄膜应力手指制作薄膜，提供低ROIC和TGS之间的热阻接触。X-Y寻址计算结果表明，非常薄、10米厚的TGS片可以在200米的中心达到100米大小的单元，达到0.4。但是，将空间分辨率降低

11、一半是一种折中的方法，因为温度分辨率将提高4倍以上。Plessey Ltd制造了实体阵列的物理模型。在250米大小的胶片上插入32个单独的TGS探测器，固定在旋转装配线上，相关放大电路驱动相似的LED阵列。这是用手抓的直接装置包装的。1992年，TI推出了245328单元阵列(Honson et al.1992)，以获得更好的性能。、20世纪70年代中期在德克萨斯州开始了郑智薰冷却相机的研究。1979年，霍珀申请了混合装置的专利。第一个100100元的非冷却成像阵列是在1987年使用ROIC上的BST晶体切片翻转焊接完成的，NETD值为0.5。1994年，英国推出了价值100100元的热卖(W

12、atton，1994)。1987年，在DARPA的赞助下，美国陆军夜视实验室在1990年出现了第一台HIDAD飞行员摄像机，进行了评估。焦平面阵列的NETD值为0.08，高于预期的0.30。245328元阵列使用X-Y寻址单元(Hanson et al，1992)作为场差处理，在BST探测器材料的相位转换中工作。此外，将目标网格化可增加MTF并减少像素之间的串扰(Advena et al，1993)。1989年，沃顿提出，TI阵列使用双模检测，即极化和介电常数均产生随温度变化的输出信号的复合介质-热电操作模式。在成功实施HIDAD项目的基础上，实现了低成本郑智薰冷却传感器原型，开始开发低成本轻