焦平面热像仪的发展与应用综述

    引言

    红外热成像技术是当今迅速发展的高新技术之一，已广泛地应用于军事、准军事和民用等领域，并发挥着其它产品难以替代的重要作用。世界上，美国、德国、英国、法国等发达国家非常重视红外热成像技术的研究与应用，把二代焦平面技术成功地应用于军事和民用领域，对三代焦平面成像技术的研究也取得了实质性进展。掌握世界上热成像技术的发展进程、应用领域和发展趋势，有利于启发科学、合理的发展思路，为热像仪的优化发展提供方向性的支持。

    1 红外探测技术发展简史

    红外线是英国天文学家赫胥耳（Herschel F.W）在做光谱的颜色含量试验时发现的，至今已有 200 多年的历史。而红外线的实际应用到 20 世纪 40 年代才开始。探测器是热像仪的核心部件，热成像系统的发展几乎是伴随着探测器的发展而发展的。早期的探测器是单元的。二次大战期间，德国开始研究硫化铅（PbS）探测器，并在战争中进行多种应用。美国于1940 年集中研究硫化铊（Tl₂S）探测器，后转向硫化铅探测器研究，因 PbS 具有更长的光谱响应和更高的性能。

     二战期间，法国人和美国人首先使用了主动夜视仪和红外通讯，并获得显著成效后，引起了各国的重视。40 年代后期和 50 年代，发展了大气窗口为 3～5 μm 的硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）、锑化铟（InSb）等探测器新材料，它们的响应波长都超过了 PbS。同时，参杂铜、锌、金的非本征锗材料的响应达到 8～14 μm 和 14～30 μm 长波大气窗。50 年代中期，高灵敏硫化铅红外探测器的出现，使红外制导的空对空导弹得以研制成功。50 年代末，首次出现了Ⅲ－Ⅴ，Ⅳ－Ⅵ，Ⅱ－Ⅵ族半导体合金材料。这种合金允许半导体的禁带宽度所对应的光谱响应可以调整。

     1959 年英国人提出碲镉汞材料（HgCdTe），现已成为可调禁带宽度广泛使用的材料。60 年代初，光刻技术的发展，促进了线列和面阵列探测器发展。线列探测器技术首先用于PbS, PbSe和InSb探测器。随着单晶InSb材料的成熟，开始发展光伏探测器。同一时期，非本征锗掺汞探测器的出现，产生了第一个使用制冷到 25k的线列探测器，工作在长波红外谱段的前视红外系统。60～70 年代，发展了第一代本征 HgCdTe 光导探测器线列，并批量生产 10 多种。60 年代后期，被动式红外夜视仪、卫星红外预警系统和各种红外传感器相继投入使用。70 年代，开发了非本征硅器件，并在长波段取代了非本征锗探测器。而锗掺汞仍是一种优选产品。另外，掺杂锗探测器已将最外层杂质能级的长波响应扩展了一倍，从 120 μm 延伸到 200 μm。利用硅工艺还研制了新颖的铂化硅（PtSi）探测器。