現(xiàn)代紅外激光

現(xiàn)代紅外激光第一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三第一章緒論1.1課程開設(shè)原因及目的學(xué)校的教育改革——加強(qiáng)素質(zhì)教育的產(chǎn)物

滿足社會和學(xué)生的科普的需要1.2課程的主要內(nèi)容紅外技術(shù)及其應(yīng)用激光技術(shù)及其應(yīng)用

1.3課程傳授過程及方法以講授為主，還結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)考試方式為寫論文演示實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在理科樓103、105室第16周交論文，理科樓102室。第二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三第二章紅外技術(shù)概述

1．紅外輻射的基本知識紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線，是一種客觀存在的物質(zhì);任何一個物體，只要它的溫度高于絕對零度，就要向周圍空間輻射出紅外線;紅外線是位于可見光中的紅色光以外的光線波長范圍大致在0.76μm~1000μm;頻率大致在4×1014Hz~3×1011Hz;圖2-1電磁輻射波譜第三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三1．紅外輻射的基本知識整個紅外輻射通?？煞殖上铝袔讉€波：近紅外：波長范圍0.75~3μm;中紅外：波長范圍3~6μm;遠(yuǎn)紅外：波長范圍6~15μm;極遠(yuǎn)紅外：波長范圍15~1000μm.第四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三

前三個波段中的一個至少包含一個大氣窗口,最后一個波段，大氣對他已基本上不透明了。2～2.6μm、3～5μm、8～14μm統(tǒng)稱為“大氣窗口圖2-2在一海里的長度上大氣的透過率曲線第五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2．紅外技術(shù)發(fā)展的歷史2.1紅外線的發(fā)現(xiàn)及其本質(zhì)1800年英國天文學(xué)家威·赫謝耳（W·Herschel）首次發(fā)現(xiàn)紅外線；早期對紅外線的研究都稱之為熱輻射；紅外線其本質(zhì)為電磁波輻射；研究紅外輻射的折射、反射和繞射，就產(chǎn)生了紅外技術(shù)。

第六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.2世界紅外技術(shù)的發(fā)展二十世紀(jì)初，科學(xué)工作者開創(chuàng)了紅外光譜學(xué)和精密輻射學(xué)的應(yīng)用；對恒星和行星的溫度進(jìn)行了輻射測量；并把紅外光源用于醫(yī)療過程；1910年到1920年間出現(xiàn)了紅外探測、保密通信、防盜預(yù)警、溫度遙測等設(shè)備的專利文獻(xiàn)；第二次世界大戰(zhàn)期間，紅外探測、紅外夜視等軍用紅外技術(shù)相繼出現(xiàn)；現(xiàn)代紅外技術(shù)起始于1940年前后；二戰(zhàn)后美國在完全封閉的條件下，優(yōu)先持續(xù)發(fā)展了十多年；五十年代以來，由于封閉的打破、半導(dǎo)體工藝和激光技術(shù)的發(fā)展，使得紅外技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展；到今天，紅外技術(shù)已經(jīng)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療、交通等方面，已逐步形成了一個相對獨(dú)立的紅外系統(tǒng)工程領(lǐng)域。第七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.3我國紅外技術(shù)的發(fā)展

2.3.1我國紅外技術(shù)的萌芽1953年初，部分科學(xué)工作者開始做硫化鉛紅外探測器研究；1958年秋，“55號任務(wù)”開始接觸到現(xiàn)代紅外技術(shù)；1959年底，物理所做成一個供展覽顯示紅外雷達(dá)原理的模型；1960年初物理所建立了以紅外探測器為主要研究方向的第九研究室。第八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.3.2紅外專業(yè)研究所的建立及其發(fā)展

1964年昆明物理研究所成為全國第一個確定的紅外技術(shù)專業(yè)性研究所。1964年在進(jìn)一步的調(diào)整中，上海技物所轉(zhuǎn)向紅外研究，成為了專業(yè)的紅外研究所，組成了兩個紅外探測器的研究室、一個紅外系統(tǒng)的研究室、一個微型致冷器和熱壓透紅外材料研究室。大動亂末期，國內(nèi)的紅外技術(shù)已達(dá)到一定的規(guī)模：國防科工委：5個紅外技術(shù)專業(yè)所；大學(xué)：5個紅外技術(shù)專門化教研室；在地理上的分布也比較合適，華東2個，華中、西北和東北各1個；出現(xiàn)了多種紅外專業(yè)雜志，如《激光與紅外》、《紅外與激光工程》、《紅外技術(shù)》、《紅外》和《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》等等；從1974年起舉辦“全國紅外科學(xué)技術(shù)交流會”，每兩年舉辦一次，至今尚在按期舉行。第九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.3.3當(dāng)代我國紅外技術(shù)的發(fā)展我國紅外探測器研制從1958年開始，至今已50多年。先后研制過PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和熱釋電探測器等。我國還在紅外光譜、紅外無損檢測、紅外遙感、紅外軍事等方面也取得了突出的成績。第十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3．紅外技術(shù)的組成部分

從信息傳輸鏈的設(shè)計(jì)方案出發(fā)，把紅外技術(shù)的組成可以分成發(fā)射、傳輸和接收三個方面：

3.1發(fā)射方面人工：產(chǎn)生紅外輻射，輻射調(diào)制、發(fā)射天線；天然：各種天然的和人造的物體發(fā)射的紅外輻射；3.2傳輸紅外輻射的傳輸通常不要求通過介質(zhì)，大氣對它的影響；紅外輻射與物質(zhì)的相互作用過程中的衰減(吸收和散射)；紅外光纜。第十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.3接收方面接收鏡頭：輻射濾光片；輻射探測器——紅外輻射能轉(zhuǎn)變成電能，或者把一種波長的輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N波長的輻射；致冷器——探測器致冷在某一確定的工作溫度；電信號處理和濾波；信號顯示。第十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三(A)用激光器通過大氣傳輸；(B)通過光導(dǎo)纖維傳輸；(C)自然輻射中包含信息的傳輸；(D)用外差方法傳輸(振蕩信號混頻，差頻信號繼續(xù)處理)激光器調(diào)制器發(fā)射器鏡頭接收器鏡頭窄帶通濾光片探測器波長變換器放大器檢波器冷卻系統(tǒng)信息光學(xué)耦合器光學(xué)耦合器自然發(fā)射器多普勒控制器外差式激光器信息光導(dǎo)纖維大氣(A)(B)(C)(D)圖2-3一個信息傳輸鏈的簡圖第十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4．紅外技術(shù)的地位及應(yīng)用4.1紅外技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1)環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于可見光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力；2)隱蔽性好，一般都是被動接收目標(biāo)的信號，比雷達(dá)和激光探測安全且保密性強(qiáng)，不易被干擾；3)由于是靠目標(biāo)和背景之間的溫差和發(fā)射率差形成的紅外輻射特性進(jìn)行探測，因而識別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光；4)與雷達(dá)系統(tǒng)相比，紅外系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗低，特別適用于“發(fā)射后不管”的精確制導(dǎo)武器。第十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三紅外技術(shù)發(fā)展的革命性的變化表現(xiàn)在：1)探測器的光譜響應(yīng)從短波擴(kuò)展到長波；2)探測器從單元發(fā)展到多元、從多元發(fā)展到焦平面；3)發(fā)展了種類繁多的探測器和系統(tǒng)；4)從單波段探測向多波段探測發(fā)展。5)從室溫探測器發(fā)展到制冷型探測器，再從制冷型探測器發(fā)展到室溫探測器。6)從簡單的信息處理技術(shù)發(fā)展到功能復(fù)雜而強(qiáng)大的信息處理技術(shù)。第十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三三大環(huán)節(jié)制約紅外技術(shù)探測目標(biāo)的效果:不同的目標(biāo)有不同的光譜特性，目標(biāo)和探測器之間的環(huán)境和距離，探測系統(tǒng)的性能。第十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三紅外技術(shù)在未來軍事技術(shù)中的應(yīng)用及其其戰(zhàn)略地位表現(xiàn)：1）紅外技術(shù)是國家安全依賴的主要探測技術(shù)手段；2）紅外技術(shù)應(yīng)用將更加廣泛；4）熱成像系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈結(jié)合形成信息網(wǎng)絡(luò)；3）紅外技術(shù)是未來高技術(shù)局部戰(zhàn)爭使用的主要技術(shù)之一；4）熱成像系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈結(jié)合形成信息網(wǎng)絡(luò)。第十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4.2紅外技術(shù)的主要應(yīng)用4.2.1、輻射測量和光譜輻射測量在科學(xué)研究中的應(yīng)用：天氣觀察，空氣污染檢測，對農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和衛(wèi)生的地面勘察，行星和恒星溫度的測量，行星際和恒星際物質(zhì)的檢測，其他行星上植物的研究，地球熱平衡的測量。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：表面溫度的測量，器官中溫度分布的研究，不解包扎而進(jìn)行治療過程的檢查，呼吸的空氣中和血液中的CO濃度的確定，航空和宇航醫(yī)學(xué)中的溫度測量。在軍事技術(shù)中的應(yīng)用：地形分析，毒氣探測，廢氣探測。在工業(yè)中的應(yīng)用：非接觸測溫，生產(chǎn)過程的溫度檢查，機(jī)械設(shè)備和堆放材料中的危險過熱警報(bào)，陸上、海上和空中運(yùn)輸裝備的火災(zāi)報(bào)警裝置，礦山和汽車工業(yè)中的CO測量儀，在電子技術(shù)、機(jī)械制造和核技術(shù)設(shè)施中探測焊接不良和有損傷的構(gòu)件。第十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4.2.2、能量輻射物的搜索和跟蹤在科學(xué)研究中的應(yīng)用：衛(wèi)星探測與跟蹤，宇航裝置的導(dǎo)航，水平穩(wěn)定器，太陽跟蹤儀。在軍事技術(shù)中的應(yīng)用：火箭和飛機(jī)預(yù)警，防御火箭的控制，飛機(jī)控制，高射炮火控制儀，遙控引爆管，飛機(jī)碰撞預(yù)警；第十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4.2.3、熱象儀和夜視儀在科學(xué)研究中的應(yīng)用：發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染，火山和地震研究，石油勘探，冰川研究。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：腫瘤、創(chuàng)傷和血栓的確定，癌癥早期檢查，危險性中風(fēng)的早期檢查，醫(yī)學(xué)動物實(shí)驗(yàn)的觀察。在軍事技術(shù)中的應(yīng)用：駕駛員目視儀，瞄準(zhǔn)儀，工兵眼鏡，近場偵察，飛機(jī)著陸輔助器，低空飛機(jī)的地形偵察，帶人或不帶人飛行裝置的戰(zhàn)術(shù)前線偵察，偽裝識別，衛(wèi)星戰(zhàn)略偵察。在工業(yè)中的應(yīng)用：紅外透射材料的結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，半導(dǎo)體元件和集成電路的質(zhì)量檢查，機(jī)器設(shè)備、電站、配電設(shè)備和變電站的監(jiān)督，火災(zāi)的探測和監(jiān)督，土質(zhì)檢測，收獲量的估計(jì)、，魚群探測，暴風(fēng)探測，管道監(jiān)控，查找建筑物中的不良熱絕緣，火災(zāi)、害蟲和傳染病的預(yù)報(bào)，動物行為研究，刑事偵察儀，偽造品辨認(rèn)。第二十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4.2.4、通信和遙控在科學(xué)研究中的應(yīng)用：對宇宙飛船或在宇宙飛船之間進(jìn)行視頻和音頻傳輸，天文學(xué)中距離和速度的探測。在軍事技術(shù)中的應(yīng)用：視頻和音頻信息的傳輸和監(jiān)聽，威懾武器和制導(dǎo)武器的指令傳輸，海洋、陸地和空中目標(biāo)的距離和速度測量。在工業(yè)中的應(yīng)用：飛機(jī)和汽車防撞器，交通控制（計(jì)數(shù)和速度監(jiān)督），航空工具著陸輔助裝置，航空和計(jì)量學(xué)中的高精度測量，多頻道視頻傳輸，數(shù)據(jù)傳輸。第二十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三第三章紅外探測器概述

1、紅外探測器紅外探測器是紅外探測系統(tǒng)中的核心元件，它是把入射的紅外輻射能轉(zhuǎn)變成其它形式能量的紅外輻射能轉(zhuǎn)換器。紅外探測是用儀器（紅外系統(tǒng)）接受被探測物發(fā)出或反射的紅外線，從而掌握被探測物所處位置的技術(shù)。第二十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2紅外探測器的分類根據(jù)工作溫度，可以分為低溫(需要用液態(tài)He、Ne、N致冷)探測器、中溫(工作溫度在195～200K的熱電致冷)探測器和室溫探測器；根據(jù)響應(yīng)波長范圍，可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外探測器多根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途，可分為元型(單元)探測器、多元陣列(鑲嵌)探測器和成像探測器。根據(jù)探測機(jī)構(gòu)（響應(yīng)方式）的不同，可分為熱探測器和光子探測器兩大類。第二十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖1，紅外探測器分類第二十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.1熱探測器

1）測輻射熱電偶和熱電堆；利用溫差電效應(yīng)制成的紅外探測器。2）金屬或半導(dǎo)體熱敏電阻測輻射熱器；3）氣動探測器；4）熱釋電探測器；第二十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三熱探測器的優(yōu)缺點(diǎn)熱探測器的響應(yīng)只依賴于吸收的輻射功率，與輻射的光譜分布無關(guān)。熱探測器響應(yīng)速度的快慢決定于探測器熱容量的大小和熱遷移的快慢。減小熱容量，增加熱遷移，可以加快器件的響應(yīng)速度。熱探測器一般不需致冷(超導(dǎo)除外)而易于使用、維護(hù)，可靠性好；光譜響應(yīng)與波長無關(guān)，為無選擇性探測器；制備工藝相對簡易，成本較低。但靈敏度低，響應(yīng)速度慢。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計(jì)問題。

第二十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.2、光子探測器1）光電子發(fā)射探測器2）光電導(dǎo)探測器3）光伏探測器4）光磁電探測器5）光發(fā)射Schottky勢壘探測器6）量子阱探測器(QWIP)

第二十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三探測器類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熱型輕、堅(jiān)固、可靠、低成本、室溫下運(yùn)行高頻探測率低、響應(yīng)慢（毫秒級光子型本征類Ⅳ-Ⅵ族易得小帶隙材料、研究廣泛力學(xué)性能差、電容率高Ⅱ-Ⅵ族易于能隙剪裁、理論和實(shí)驗(yàn)研究深入、多色探測器大面積不均勻性、生長和加工成本高Ⅲ-Ⅴ族好的材料和摻雜、技術(shù)先進(jìn)、可獨(dú)立集成異質(zhì)外延生長、具有大的晶格失配非本征類很長波應(yīng)用、相對簡單的工藝要求在極低溫度下運(yùn)行自由載流子類低成本、產(chǎn)率高、大面密集的封裝陳列量子效率低、低溫運(yùn)行量子阱類Ⅰ型材料生長技術(shù)成熟、大面積下具有好的均勻性、多色探測器量子效率低、設(shè)計(jì)和生長工藝復(fù)雜Ⅱ型低的俄歇復(fù)合率、波長易控制設(shè)計(jì)和生長工藝復(fù)雜、對界面敏感表1紅外探測器比較第二十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3、紅外探測器的性能參數(shù)

（一）探測器的主要工作條件1）入射輻射的光譜分布2）電路的頻率范圍3）工作溫度4）光敏面的形狀和尺寸5）偏置情況6）特殊工作條件

第二十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三(二)紅外探測器的性能參數(shù)1）響應(yīng)度(響應(yīng)率)

探測器的輸出信號與入射到探測器的輻射功率之比——探測器的響應(yīng)度R

2）探測器的響應(yīng)時間（時間常數(shù)）反映探測器響應(yīng)速度的快慢

;

當(dāng)探測器受輻射照射時，輸出信號上升到穩(wěn)定值的63％時所需要的時間。它表征著探測器對輻射響應(yīng)的快慢，這個參數(shù)越小越好。

輻射強(qiáng)度ta輸出信號tb圖2探測器的響應(yīng)時間logRω/vw--1圖3探測器的頻率響應(yīng)曲線0.71R01/2πτlogRω/vw--11/2πτ21/2πτ1圖4具有兩個時間常數(shù)的頻率響應(yīng)第三十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3）噪聲等效功率(NFP)當(dāng)輻射在探測器上產(chǎn)生的信號電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓值（即信號噪聲比為1)時，所需投射到探測器上的輻射功率稱作為探測器的噪聲等效功率

.它標(biāo)志探測器所能探測的最小功率;

有的使用噪聲等效溫差（NEDT）作為表征該方面的性能參數(shù)。一般情況下，噪聲等效溫差（NEDT）越小越好。

4）探測率

取為NEP的倒數(shù)，以D表示;它表示每瓦的輻射功率所能獲得的信號噪聲電壓比;一般用歸一化探測率--D*,它是當(dāng)探測器的敏感元具有單位面積，放大器的測量帶寬為1Hz時，單位輻射功率所能獲得的信號噪聲電壓比。

第三十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三

5）探測器的光譜響應(yīng)響應(yīng)度隨入射輻射波長的變化，稱為探測器的光譜譜響應(yīng)。

相對響應(yīng)值λA圖5探測器的光譜響應(yīng)B第三十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三探測器的使用還要注意以下幾點(diǎn)：

(a)探測器內(nèi)阻的問題；(b)探測器的接收面積；(c)探測器的響應(yīng)度與輻射強(qiáng)度之間是否是線性關(guān)系；(d)探測器接收面上響應(yīng)度是否均勻。第三十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4紅外探測器更新?lián)Q代

4.1第一代紅外探測器——單元和線陣列探測器

4.2第二代紅外探測器——TDI和凝視IRFPA探測器

1.超高集成度探測器像元的大型焦平面陣列

1）短波IRFPA：HgCdTe陣列，InGaAs陣列；

2）中波IRFPA：PtSi陣列，HgCdTe陣列

，InSb陣列；

3）長波IRFPA：HgCdTe陣列，GaAlAs/GaAs陣列，

GeSi／Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)，非致冷IRFPA；第三十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.高性能的IRFPA：

波段產(chǎn)家單元材料或型號D*

量子效率NEDT光響應(yīng)不均勻性短波美國新澤西州傳感器無限公司128×128和320×240元InGaAs>1013cmHz1/2W-1(室溫）>1014cmcmHz1/2W-1（250K）

（1.3-.6μm）90％洛克威爾國際科學(xué)中心1024×1024元PACE-l型65.4％4.3％

洛克威爾國際科學(xué)中心2048×2048元HAWAII-2型65.4％4.3％中波

三菱公司801×512元PtSi

0.076K圣巴巴拉研究中心640×512元InSb20mK圣巴巴拉研究中心1024×1024元85％(0.9μm-5μm)

洛克威爾國際科學(xué)中元640x480PGM600-00368％0.013K

長波

法國LETI-GEA256×256元Grenoble1.6-1.64×1011cmHz1/2W-170％~75％，13mK日本NEC公司用

256×256元

HgCdTe

60％

0.1K第三十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.高密度小像元尺寸的IRFPA陣列材料像元大小產(chǎn)品或產(chǎn)家PtSi20×20μm2日本柯達(dá)KIR-3900型1968×1968元17×17μm2三菱1040×1040元HgCdTe18×18μm2洛克威爾科學(xué)中HAWAII-2型2048×2048元28×28μm2洛克希德馬丁紅外攝像公司的640×480元GaAIAs/GaAs25×25μm2雷聲和噴氣式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室第三十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4、多色I(xiàn)RFPA波段陳列材料產(chǎn)家8-9μm和14~15μm

640×486元GaAs/A1GaAs美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室空間微電子中心、雷聲先進(jìn)紅外中心和空軍研究實(shí)驗(yàn)室

11.2μm和16.2μm256×256元GaAs/GaAlAs雷聲、美國陸軍研究、NASAGooddard航天飛行中心、洛克威爾科學(xué)中心第三十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖6.焦平面陣列元數(shù)變化趨勢和2010年前的預(yù)測第三十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三4.3第三代高性能焦平面陣列(UFPA)紅外探測器第三代IRFPA的性能和技術(shù)要求更高：焦平面上探測器像元集成度為≥106元，陣列格式≥1000×1000，至少雙色工作；高的工作溫度，以便實(shí)現(xiàn)低功耗和小型輕量化的系統(tǒng)應(yīng)用；非致冷IRFPA傳感器的性能達(dá)到或接近目前第二代致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的水平；必須是極低成本的微型傳感器，甚至是一次性應(yīng)用的傳感器。

第三十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三表2第三代IRFPA傳感器的特點(diǎn)高性能多色致冷傳感器高性能多色非致冷傳感器非致冷微型傳感器焦平面陣列格式1000×1000、1000×20002000×2000、2096×40961000×1000160×120320×240像元尺寸18μm×18μm1mm×1mm2mm×2mm工作波段雙色或多色8×12μm封裝真空高真空中等真空中等陣空制冷器機(jī)械或熱電溫差致冷器非致冷非致冷工作溫度120K~180K室溫，無需溫度穩(wěn)定室溫，無需溫度穩(wěn)定目標(biāo)最大作用距離最大雜波抑制低成本，低功耗，中等性能一次性作用，10mW功率第四十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖7第二代和第三代IRFPA傳感器實(shí)用性能第四十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8第三代非致冷IRFPA步槍瞄準(zhǔn)器的作用距離性能指標(biāo)第四十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三5幾種典型的高性能紅外探測器5.1碲鎘汞探測器(MCT)三大優(yōu)勢：1）本征激發(fā)、高的吸收系數(shù)和高的量子效率(可超過80％)且有高的探測率；2）其最吸引人的特性是改變Hg、Cd配比調(diào)節(jié)響應(yīng)波段，可以工作在各個紅外光譜區(qū)段并獲得最佳性能。3）同樣的響應(yīng)波段，工作溫度較高，可工作的溫度范圍也較寬。

第四十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三5.2非致冷焦平面陣列(UFPA)紅外探測器熱釋電FPA熱釋電探測器的研究：60~70年代

微測輻射熱計(jì)(Microbolometer)：90年代初

第四十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三6紅外焦平面探測器的發(fā)展20世紀(jì)：軍事應(yīng)用占整個紅外傳感器市場的75％；2002年以來：軍事應(yīng)用已下降到50％以下；今后焦平面紅外圖像系統(tǒng)及傳感器年增長率將達(dá)29％；軍事應(yīng)用中的商用成品有望每年增加15％；非制冷焦平面系統(tǒng)年增長率將超過60％；2002年美國紅外技術(shù)市場將達(dá)到12億美元；今后5年，我國熱像設(shè)備總數(shù)在4萬臺左右，而年自產(chǎn)不足500臺。

第四十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三第四章紅外熱成像技術(shù)第四十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三1成像器件及其原理第一類

此類器件或者在系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生一幅比系統(tǒng)輸入圖像更明亮的圖像，或者把某波段的圖像轉(zhuǎn)變成另一波段的圖像。這種系統(tǒng)的輸出圖像或者用眼睛直接觀察，或者借助透鏡或纖維光學(xué)（光纖鏡片）的耦合而作為其它成像系統(tǒng)的輸入。變像管、像增強(qiáng)器和微通道管像增強(qiáng)器都屬于這一類。膠卷，特別是紅外膠卷原則上也屬于此類。

第二類這類器件將系統(tǒng)入口處的圖像轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)出口處的視頻信號。它是由電子束對圖像信息有次序地進(jìn)行掃描來實(shí)現(xiàn)的。大家所熟悉的攝像管就是屬于這一類，原則上有分流直像管（Isocon）、超正析像管、二次電子導(dǎo)電(SEC)光導(dǎo)攝像管以及其它類型的光導(dǎo)攝像管，如硅二極管陣列光導(dǎo)攝像管、電子激發(fā)硅二極管陣列光導(dǎo)攝像管等都屬于這一類。在此我們介紹的只是將紅外像轉(zhuǎn)變成可見像信息的攝像管。第三類系統(tǒng)輸入的圖像被分解成許多像點(diǎn)的組合。按每個點(diǎn)排列的輻射信息由電子開關(guān)或者機(jī)械開關(guān)依次取出，然后被放大并傳給圖像顯示器，于是就在成像平面上出現(xiàn)一個隨時間變化的輻射分布圖。熱像儀（紅外攝像機(jī)）和電荷耦合成像（CCD）均屬此類。

第四十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三1.1紅外變像管圖8.1紅外變像管作用原理簡圖目標(biāo)物鏡光陰極變像管觀察屏目鏡人眼B第四十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三直觀式的成像器件取得了很多發(fā)展。（1）光陰極材料上取得了新的進(jìn)展；（2）可見光的“像加強(qiáng)器”，使微弱的可見光像變成清晰的可見光像；（3）微光夜視儀；（4）在變像管的光陰極與熒光屏之間用微管道使光陰極出來的電子數(shù)目大量倍增，也能觀察到微弱光照的目標(biāo)；（5）采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)可以把紫外輻射的像或X射線的像轉(zhuǎn)變成可見像，這在工業(yè)和醫(yī)療上都有很多的用途。

第四十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三1.2光導(dǎo)攝像管圖8.2光電導(dǎo)攝像管結(jié)構(gòu)示意圖第五十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三1.3掃描成像圖8.3光機(jī)械掃描成像示意圖第五十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.4航空用熱像儀的掃描原理意圖第五十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三1.4多元陣列圖8.5一維電荷耦合器件的成像示意圖第五十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2．紅外成像技術(shù)的應(yīng)用把景物反射的或自身輻射的紅外輻射圖樣轉(zhuǎn)換成人眼可觀察圖像的技術(shù)稱為紅外成像技術(shù)。利用物體自身發(fā)射的紅外輻射攝照物體的像稱為被動式紅外成像；而以紅外輻射源照射物體，利用被反射的紅外輻射攝照物體的像，稱為主動式紅外成像。被動式紅外成像習(xí)慣上又稱為熱像，它是紅外探測技術(shù)的發(fā)展結(jié)果，已成為紅外技術(shù)研究的重要方向之一。

第五十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.1主動式紅外成像2.1.1用紅外變像管的夜視裝置圖8.6主動式紅外夜視儀裝置原理圖第五十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.1.2用近紅外攝像管的紅外電視裝置圖8.7開路紅外電視工作原理第五十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.8閉路紅外電視工作原理第五十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三硅靶攝像管電視顯示器圖8.9紅外電視顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖第五十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.2被動式紅外成像2.2.1熱像儀的工作原理背景濾光聚光掃描大氣目標(biāo)散射放大探測器同步圖象顯示熱像儀記錄圖8.10熱像儀工作原理第五十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三2.2.2熱像儀的型式(1)望遠(yuǎn)鏡型：圖8.11飛點(diǎn)掃描管工作示意圖第六十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三(2)普通型：主要用于近距離的探測，視角較小，約從5℃至30℃，如醫(yī)用或工業(yè)用的熱像儀就屬這類型。

(3)顯微鏡型：這是熱像儀的一種特殊類型，用于觀察很小的物體，如集成電路內(nèi)部缺陷。由于觀察對象小，室溫下工作，致使入射能量也小，幀時不能做得很小。顯示方式多用波型顯示。也有掃描手動式的攝像部分用顯微鏡型輻射溫度計(jì)配合，也能描繪出熱像。

第六十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3紅外熱像儀的應(yīng)用自然現(xiàn)象、人體的生理現(xiàn)象、加工生產(chǎn)過程等方面都普遍進(jìn)行著能量交換，都和熱或溫度有關(guān)的，所以熱或溫度是認(rèn)識能量交換過程的一個重要信息，而熱像儀則是獲取這種信息的一個手段，因此熱像儀的應(yīng)用范圍非常廣。目前，它的應(yīng)用已涉及到醫(yī)療、工業(yè)、企業(yè)、軍事、公安、氣象、資源勘探等部門，應(yīng)用的類型從小的顯微鏡到大的衛(wèi)星傳感儀器，各式各樣。

第六十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.1熱像技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用3.1.1熱像技術(shù)診斷疾病的基礎(chǔ)圖8.12正常人面部的熱像第六十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.1.2在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用醫(yī)用熱像技術(shù)首次使用是1957年探測乳腺癌，1963年開始用于臨床，至今已有將近50年的歷史?，F(xiàn)在已發(fā)展到用于十幾種疾病的診斷。熱像儀在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已成為一專門的研究課題。目前，全世界有近百家醫(yī)院使用這種儀器，我國上海，已研制了HWX-1型熱像儀，并投入了臨床使用，填補(bǔ)了祖國醫(yī)學(xué)上的這一空白。

臨床主要應(yīng)用：①腫瘤的早期診斷；

②

周圍血管疾病的診斷；

③

下肢靜脈交通枝或靜脈瓣膜功能不全的診斷；

④

脈管炎；

⑤

肢端動脈痙攣病(雷諾氏病)；⑥動脈病變；⑦斷肢(指)再植；⑧皮膚??；⑨針刺麻醉；⑩炎癥；11其它。第六十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.13閉塞性脈管炎熱圖像第六十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.14從前后兩方位記錄的脈管炎熱像第六十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.15肢端動脈痙攣病圖像第六十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.16斷肢再植術(shù)后效果熱像第六十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.17檢查皮膚燒傷面積用熱像第六十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.18對炎癥與腫瘤的熱像鑒別第七十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.2熱像技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用3.2.1電力系統(tǒng)的檢測圖8.19輸電線接頭的熱像第七十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.2.2高爐設(shè)備等的檢查

3.2.3石油化工廠的安全監(jiān)控

圖8.20大型反應(yīng)器的熱像第七十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.2.4高超音速風(fēng)洞模型的熱傳輸研究圖8.21熱像儀用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的工作示意圖第七十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三圖8.22風(fēng)洞模型熱像溫度分布圖第七十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.2.5飛機(jī)尾焰紅外輻射的分析圖8.23熱像儀顯示的各種轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)噴氣尾焰的溫度分布圖第七十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.2.6空間技術(shù)中專題問題研究

①在空間模擬室中確定人造衛(wèi)星的表面溫度：圖8.24人造衛(wèi)星作模擬實(shí)驗(yàn)時的熱分布圖第七十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三②對硅材料紅外窗口溫度分布的研究：③太陽能電池板功能的研究：

圖8.25太陽能電池板冷卻降溫時熱分布像第七十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.2.7其它在自動化連續(xù)生產(chǎn)中，采用熱像儀對有溫度變化的工序進(jìn)行控制，可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，如鋼鐵工業(yè)中，壓延工序里，各種鋼件的凝固速度，工件熱處理后的冷卻速度等。對軋鋼機(jī)鋼板以3米/秒高速運(yùn)動情況、船舶曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)中溫度升高情況、噴霧狀態(tài)下涂料溫度以及切削加工中工具和工件的升溫情況等都可以用熱像顯示做動態(tài)連續(xù)觀測。第七十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期三3.3熱像儀在軍事上的應(yīng)用3.3.1軍用熱像儀分類按軍用熱像儀的用途大致可將其分為5類：觀瞄型，如用于車輛、飛機(jī)、艦船等武器平臺的目標(biāo)觀察、火力控制等方面的平臺用熱像儀。便攜式，便于士兵攜帶的、用于偵察、輕武器射擊、近程導(dǎo)彈發(fā)射的輕便熱像儀。制導(dǎo)型，用于熱成像精確制導(dǎo)，如用于空空、空地、地地、地空、反艦導(dǎo)彈等。周視型，用于對地面或水面的低空飛行目標(biāo)進(jìn)行搜索、