李相迪，黃 英，張培晴，宋寶安，戴世勛，徐鐵峰，聶秋華

(1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211;2.寧波大學(xué)紅外材料及器件實驗室，浙江寧波315211)

1 紅外成像系統(tǒng)簡介

雖然早在1800年物理學(xué)家赫歇爾就發(fā)現(xiàn)了紅外線，但紅外成像技術(shù)的實際應(yīng)用卻始于第二次世界大戰(zhàn)期間。紅外成像即根據(jù)熱力學(xué)零度以上一切物體都在發(fā)射熱紅外線的原理，通過感應(yīng)紅外線然后呈現(xiàn)出肉眼可見的圖像。紅外成像的發(fā)展來源主要是軍事需求，近年來，隨著機器視覺技術(shù)的迅速發(fā)展及熱成像精度的提高，紅外熱成像技術(shù)的研究與應(yīng)用已逐漸擴大到現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、食品和醫(yī)療等領(lǐng)域，呈現(xiàn)出越來越廣泛普及的趨勢［1］。

本文在簡要闡述了紅外熱成像原理的基礎(chǔ)上，分析了紅外成像裝置各個組成部分的研究進展，以及紅外熱成像技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，分析了目前存在的問題，并展望了未來可能應(yīng)用研究的領(lǐng)域及方向。

2 紅外成像系統(tǒng)的原理及組成

2.1 紅外成像的原理及系統(tǒng)組成

自然界中波長在2.0～1000μm之間的電磁波稱為熱紅外線(也叫熱輻射)，只要物體溫度在熱力學(xué)零度(－273℃)之上都可以發(fā)出紅外光。由于人眼無法識別紅外光，因此必需使用特殊的裝置實現(xiàn)紅外信號的可視化，即紅外成像系統(tǒng)。典型的紅外成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)，紅外探測器和電子處理系統(tǒng)組成。光學(xué)系統(tǒng)主要的作用是將目標物體熱輻射成像在紅外探測器的感光面上，探測器將紅外光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號量，最后通過電子處理系統(tǒng)把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成人眼能看到的圖像。

在紅外成像系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器是關(guān)鍵的組成部分，決定著紅外成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量和應(yīng)用范圍。隨著紅外光學(xué)技術(shù)的長足發(fā)展及其實際應(yīng)用范圍的不斷擴展，人們對于紅外成像的質(zhì)量和應(yīng)用范圍的要求日益增加，推動了紅外成像技術(shù)的快速發(fā)展。

2.2 紅外鏡頭材料

目前常用的紅外透鏡材料主要有鍺單晶、硒化鋅(ZnSe)晶體和硫系玻璃等。鍺單晶是重要的半導(dǎo)體材料，是目前用來制造紅外光學(xué)鏡頭以及保護紅外鏡頭的紅外光學(xué)窗口的主要材料，目前60%以上的中低端紅外光學(xué)鏡頭和50%的高端紅外光學(xué)鏡頭均為鍺單晶制造。硒化鋅材料是另一種常用的紅外鏡頭材料，基本不存在雜質(zhì)吸收，散射損失極低，被廣泛應(yīng)用在紅外夜視裝置中。

近年來，隨著非制冷型探測器制造技術(shù)的突破性進展，紅外成像系統(tǒng)在民用領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，隨之而來的問題是如何降低其制造成本，而紅外鏡頭便是其重要的影響因素。由于鍺單晶和硒化鋅材料等都比較稀有昂貴，對于紅外熱成像系統(tǒng)中常用的非球面、衍射面等一直采用傳統(tǒng)的單點金剛石車削工藝加工，成本高、效率低。因此尋找一種性價比高而且易于加工的替代材料成為必然的選擇［2］。硫系紅外玻璃可以克服鍺單晶、硒化鋅單晶及多晶加工成本高、不能制造大尺寸光學(xué)元件的缺點，作為非晶態(tài)的物質(zhì)，而且轉(zhuǎn)變溫度可以達到250℃以上，可以采用熱壓的方法加工成任意的形狀如圖1，從而大大降低紅外成像鏡頭的生產(chǎn)成本而備受紅外業(yè)界的關(guān)注［3－5］。

圖1 硫系玻璃精密模壓示意圖

2.3 紅外鏡頭的設(shè)計

紅外熱成像技術(shù)的基礎(chǔ)是紅外探測器以及紅外透鏡材料。紅外透鏡材料較大的折射率會產(chǎn)生不可忽略的色散，尤其是當入射光線具有寬的光譜范圍時，色散更為嚴重，且紅外成像設(shè)備通常需工作在較大的溫度范圍，對紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和制造提出更高的要求。因此近年來，眾多學(xué)者提出含二元衍射面的非球面透鏡及具備溫度補償自適應(yīng)功能的紅外光學(xué)系統(tǒng)［6］。

在成像光學(xué)系統(tǒng)中，二元光學(xué)衍射透鏡同普通透鏡一樣會聚入射光線，但它不是根據(jù)折射，而是衍射原理。由于衍射作用透鏡產(chǎn)生色差的有效焦距同波長成反比［7］:

式中，f0為設(shè)計波長λ0的焦距;m為衍射級次(一般取m=1)。從式(1)可以看出，隨著波長變長，其焦距成線性變短。而傳統(tǒng)的折射透鏡的隨著波長變長，折射率減小，焦距變長;因此二者產(chǎn)生的色差正好相反，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中可以相互抵消。其示意圖如圖2所示。

圖2 含二元衍射面非球面消色差原理圖

含二元衍射面非球面在消除色差，簡化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面有著十分大的優(yōu)勢。特別是在中長波紅外應(yīng)用中，鏡面熱輻射雜光減小，顯著提高光學(xué)系統(tǒng)校正球差、彗差、像散、畸變的能力，減小光學(xué)系統(tǒng)的零件數(shù)量，提高光學(xué)系統(tǒng)的透過率，簡化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小光學(xué)系統(tǒng)體積。可以提高系統(tǒng)的信噪比，因此二元衍射面非球面中波紅外光學(xué)系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用價值［8－9］。

2.4 紅外探測器

紅外探測器是紅外成像系統(tǒng)的重要組成部分。紅外探測器的工作原理是以紅外輻射與敏感材料的相互作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)為基礎(chǔ)進行工作的。敏感單元的某些物理量，如尺寸大小、溫度、電阻等會隨著紅外輻射強度的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)這些物理量的變化就可以對紅外輻射進行探測。紅外探測器根據(jù)探測原理的不同可分為光子探測器與熱探測器兩大類［10－12］。

2.4.1 熱探測器

熱紅外探測器基于熱敏材料吸收紅外輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)，根據(jù)熱效應(yīng)的機制不同又可分為微測輻射熱計、熱釋電和熱堆3種類型［13］。

微測輻射熱計的主要工作原理是通過具有熱敏特性的探測材料，識別溫度的變換使其電阻發(fā)生變換的熱敏電阻效應(yīng)。目前研究的主要材料有半導(dǎo)體、Ti金屬薄膜及高溫超導(dǎo)材料［14］。在半導(dǎo)體材料中，VOx因其具有高的TCR值，低的熱導(dǎo)率，以及制備工藝與硅工藝兼容，較低的噪聲等優(yōu)點備受關(guān)注。

熱釋電探測器的主要工作原理在于外界的溫度迅速變化時導(dǎo)致晶體自發(fā)極化強度發(fā)生改變。由于熱釋電探測器工作時需要以適當?shù)念l率改變?nèi)肷涞膱鼍皽囟群蛥⒖紲囟纫垣@得目標探測信號，因此熱釋電探測器的顯著特點是需要一個調(diào)制器，單片式紅外熱釋電探測器結(jié)構(gòu)如圖3。熱釋電探測器具有功耗小，攜帶方便，響應(yīng)速度快，工作頻帶寬等特點，但由于工作環(huán)境的變化需要用不同性質(zhì)的熱釋電敏感材料。

圖3 單片式紅外熱釋電探測器結(jié)構(gòu)圖

熱堆的主要原理是基于塞貝克效應(yīng)。早期的熱電堆材料主要是半金屬或復(fù)合半導(dǎo)體如鉍銻。這種材料具有低熱導(dǎo)、低電阻等優(yōu)點，但缺點是制作工藝不能與硅集成電路工藝兼容。近年來采用復(fù)合微機械加工技術(shù)制作的 Si和 Al結(jié)構(gòu)熱電堆可以與CMOS工藝兼容，大大方便了后續(xù)讀出電路的工藝設(shè)計以及器件最終各向異性腐蝕技術(shù)的應(yīng)用。

2.4.2 光子探測器

光子探測器基于光電效應(yīng)，其對波長的探測選擇性強，信噪比高，響應(yīng)速度快，但光子型探測器通常需要低溫工作，必須配備昂貴且笨重的制冷設(shè)備，高成本和難以小型化的缺點制約著其向民用領(lǐng)域應(yīng)用的擴展。光子探測器中應(yīng)用最廣的紅外材料當屬碲鎘汞(HgCdTe)，由于它具有較高的光子吸收率，在相同溫度下，HgCdTe材料熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子的暗電流較小，因而能獲得很高的信噪比。但是HgCdTe通常只能工作在低溫條件，高額的成本限制了其應(yīng)用的范圍，不能大規(guī)模的應(yīng)用于民用。之后人們發(fā)現(xiàn)了超晶格多量子阱，其結(jié)構(gòu)為:在構(gòu)成超晶格的兩種材料中，如果其中一種材料的禁帶能級完全包含在另一種材料的禁帶能級中，則由這兩種材料構(gòu)成的超晶格為Ⅰ類超晶格。圖4(a)為典型的GaAs/GaAlAsⅠ類超晶格能帶結(jié)構(gòu)圖［15］。雖然Ⅰ類超晶格的穩(wěn)定性好，能制造大規(guī)模雙色紅外焦平面器件陣列，但由于與碲鎘汞探測器之間在暗電流、探測器靈敏度還存在著較大的差距，因此難以大規(guī)模的使用。后來，人們的研究的目光開始轉(zhuǎn)向另一類超晶格結(jié)構(gòu)的材料:其中某一種材料的禁帶能級空間不完全包含在材料另一種材料禁帶能級空間之中，這兩種材料所構(gòu)成的超晶格能帶結(jié)構(gòu)為Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示［16］。

圖4 超晶格能帶結(jié)構(gòu)示意圖

近年來科學(xué)家又研發(fā)出一類新型的量子阱紅外探測器(QWIP)。與其他探測器相比，QWIP具有相應(yīng)速度快，探測率與HgCdTe相近和探測波長可調(diào)節(jié)的優(yōu)點，而且可以利用MBE和MOCVD等先進工藝生長出高品質(zhì)、大面積和均勻的量子阱材料，用以制備大面積探測器陣列。表1對HgCdTe、ΙΙ類超晶格及量子阱三種材料的性能進行了對比，可以看出InAs/InGaSb II類超晶格探測器具備能吸收正入射光能量、量子效率高、積分時間短(1～2 ms)和幀頻速率高的優(yōu)點，由于量子阱探測器不能吸收正入射光能量，因此需要在探測器表面需要制作復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)，增加了器件工藝的復(fù)雜性［17］。隨后在半導(dǎo)體超晶格、量子阱基礎(chǔ)上發(fā)展出了量子點紅外光電探測器(QDIP)，省去了表面光柵的制作，降低了器件工藝的復(fù)雜性和成本。

表1 HgCdTe、ΙΙ類超晶格及量子阱長波紅外探測器的性能比較(77K)

國外多家研究機構(gòu)采用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)自組織生長量子點，先后研制出中波256×256、雙色(中、長波)320×256、長波640×512焦平面陣列，由于其自身具有的優(yōu)點，未來將與HgCdTe、InSb和QWIP等探測器和非制冷微測輻射熱計等探測器展開激烈的競爭［18］。

3 紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

紅外成像技術(shù)起源于軍事技術(shù)，隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展與成熟，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。紅外夜視儀和紅外槍瞄系統(tǒng)可以使士兵在黑暗環(huán)境中發(fā)現(xiàn)潛在的“敵人”，并精確瞄準，大大提高了單兵的作戰(zhàn)能力，目前紅外夜視儀已經(jīng)成為各國軍隊普遍采用的裝備。在制導(dǎo)領(lǐng)域，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)目前已經(jīng)成為研究的新熱點，這是一種可以使導(dǎo)彈威力倍增的高效費比技術(shù)。其具備隱蔽性好、能晝夜工作、穿透煙霧能力強等優(yōu)點，是一種準全天候的制導(dǎo)方式，具有在各種復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下自主搜索、識別和跟蹤目標的能力。此外，紅外成像系統(tǒng)還可以應(yīng)用于各種實地戰(zhàn)爭中的偵查、探測裝置、自動跟蹤、識別及抗干擾裝置等許多軍用設(shè)備［19－20］。

3.2 工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)中，大多設(shè)備發(fā)生故障的地方溫度都發(fā)生明顯變化，可以利用紅外成像及測溫技術(shù)來發(fā)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備儀器的故障并及時進行維修，而且紅外成像檢測裝置具備遠距離非接觸操作，檢測速度快，精度高等優(yōu)點，尤其對某些高溫、高壓、有毒、有害或帶電等環(huán)境的設(shè)備檢測具有其他手段不可比擬的優(yōu)勢。帶電設(shè)備的紅外診斷技術(shù)目前已經(jīng)成為一門新興的學(xué)科。它是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng)，采用紅外成像儀器獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信號，從而判斷出設(shè)備的工作狀況，如圖5所示。由于紅外檢測技術(shù)具有不需停電、準確高效、遠距離等優(yōu)點，克服了定期檢修的盲目性，具有很高的安全性和經(jīng)濟價值。

圖5 帶電工作的電阻絲和電容器的紅外成像圖

3.3 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科技的進步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)從落后的傳統(tǒng)耕種逐漸發(fā)展到依賴高科技的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)與過去普通的農(nóng)業(yè)相比，機械自動化是其主要特點，但紅外成像技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中也發(fā)揮著日益重要的作用。如將紅外成像技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物生長監(jiān)測、苗圃大棚室溫監(jiān)控、農(nóng)作物病蟲害預(yù)防等［21］，可以大大提高農(nóng)作物的生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)效率。此外，在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測、深加工監(jiān)測控制、農(nóng)產(chǎn)品儲藏控制等也離不開紅外成像和探測技術(shù)［22］。為確保食品質(zhì)量和安全，監(jiān)測其溫度是十分重要的。由于熱成像技術(shù)可以無損、快速、非接觸式測量，大大避免了食品的交叉感染和損壞?？紤]到食品上產(chǎn)生的細菌通常是在食品表面生長，通過快速測量食品表面的溫度，紅外熱像儀可以提供有關(guān)危險情況的重要信息。

3.4 安防領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)如今大多數(shù)的夜間監(jiān)控系統(tǒng)為可見光攝像頭進行拍攝，除了需要人力實時監(jiān)測之外，尤其在光線差的地方成像十分模糊，監(jiān)測人員根本看不清錄像，以致于夜間犯罪案件頻頻發(fā)生。為了解決這一問題，紅外夜視監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生，如圖6所示，它可以無論白天黑夜進行實時監(jiān)控，即使在伸手不見五指的夜晚也能將周圍的環(huán)境看的一清二楚，既節(jié)省人力又有效阻止不法分子進行盜竊等犯罪行為。在黑暗的夜晚，沒有強光，物體發(fā)出的紅外光，可以通過車載夜視儀，幫助我們識別路段，同時就算對面有強光過來，由于紅外光不受強光的影響，照?？梢詭椭覀兎謩e過來的車輛。此外，紅外成像裝置在火災(zāi)防治和消防救援等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。如對煤層自燃高溫火源區(qū)域的探測一直是煤礦防滅火治理中的重大難題。紅外成像探測法可以快速區(qū)分燃燒區(qū)與正常區(qū)域溫度的差異，準確地測出煤層火源位置、范圍和燃燒程度［23］。

圖6 利用紅外熱成像裝置監(jiān)控小區(qū)安全

3.5 醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

由于紅外波段包含了大量生物分子的特征譜線，因此可以利用紅外成像技術(shù)對人體進行醫(yī)療診斷。如利用紅外熱像儀在海關(guān)出入境檢疫口岸對大量出入境人群的體溫進行非接觸式快速測量，根據(jù)體溫的變化及時發(fā)現(xiàn)病患，在SARS和禽流感期間發(fā)揮了巨大的作用。另一方面，由于紅外波段包含大量分子特診譜，可以將紅外成像技術(shù)用于癌癥的識別。紅外顯微成像技術(shù)能夠在分子水平上反映組織中生物大分子結(jié)構(gòu)組成及官能團振動方式的改變［24］，當自身的細胞發(fā)生病變時，通過此技術(shù)就可以分別出來，而且此技術(shù)用的是被動成像原理，因此對人體的傷害十分小。腫瘤是嚴重威脅人類健康和生命的疾病，盡管目前腫瘤診斷技術(shù)(內(nèi)窺鏡技術(shù)、影象技術(shù)和腫瘤標志物檢查技術(shù)等)迅速發(fā)展，但最終還是依賴于形態(tài)學(xué)的診斷來確定腫瘤的性質(zhì)，分化程度及預(yù)后等。由此導(dǎo)致對腫瘤診斷存在一定的主觀性，而紅外顯微成像技術(shù)是一種準確、高效、客觀的腫瘤診斷技術(shù)［25］。圖7為利用LI－COR公司開發(fā)出的商品化的紅外熒光探針和紅外熒光染料，在小白鼠體內(nèi)實現(xiàn)多種腫瘤細胞如A431(表皮癌)，SW620(結(jié) 腸 癌)，22Rv1(前 列 腺 癌)，PC3MLN4(前列腺癌)標記的示意圖，此方法可實現(xiàn)活動生物的紅外成像，為腫瘤的研究提供了新的途徑［26］。

圖7 利用紅外熒光探針檢測

4 總結(jié)和展望

紅外材料及光學(xué)集成技術(shù)在不斷進步，但仍然存在一些問題和困難有待進一步探討。由于其研究技術(shù)水平尚未成熟，所用材料特殊性使其價格遠超非紅外成像設(shè)備，這阻礙了其在軍用、民用領(lǐng)域的普遍應(yīng)用。在我國，紅外成像的仿真手段、測試方法與評價標準和國外有著很大差距，沒有一套完整統(tǒng)一的規(guī)范化標準，這在一定程度上制約了紅外技術(shù)的發(fā)展。

雖然紅外成像技術(shù)存在一定的問題，但是它潛在的能力不可以低估。隨著硅集成電路技術(shù)和工藝的日益成熟，紅外成像技術(shù)的缺點將會逐步得到改善;在納米技術(shù)的幫助下，測量的精度也將得到大量的提高;同時第二類超晶格材料和量子點探測器的發(fā)展，也將大幅度的改善光探測器工作條件。隨著紅外新材料和新技術(shù)的進步，紅外成像設(shè)備的成本將逐漸降低，其在民用的道路上將會有更大的突破。

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