红外光谱仪的发展历程

在过去的50多年里,近红外光谱仪经历了如下几个发展阶段:

★第一台近红外光谱仪的分光系统(50年代后期)是滤光片分光系统,测量样品必须预先干燥,使其水分含量小于15%,然后样品经磨碎,使其粒径小于1毫米,并装样品池。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定(非连续波长),灵活性差,而且波长稳定性、重现性差,如样品的基体发生变化,往往会引起较大的测量误差!“滤光片”被称为第一代分光技术。

★70年代中期至80年代,光栅扫描分光系统开始应用,但存在以下不足:扫描速度慢、波长重现性差,内部移动部件多。此类仪器最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用容易磨损,影响波长的精度和重现性,不适合作为过程分析仪器使用。“光栅”被称为第二代分光技术。

★80年代中后期至90年代中前期,应用“傅立叶变换”分光系统,但是由于干涉计中动镜的存在,仪器的在线可靠性受到限制,特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求,比如室温、湿度、杂散光、震动等。“傅立叶变换”被称为第三代分光技术。

★90年代中期,开始有了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪,这种近红外光谱仪采用固定光栅扫描方式,仪器的波长范围和分辨率有限,波长通常不超过 1750nm。由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频,样品的摩尔吸收系数较低,因而需要的光程往往较长。“二极管阵列”被称为第四代分光技术。

★90年代末,来自航天技术的“声光可调滤光器”(缩写为AOTF)技术的问世,被认为是“90年代近红外光谱仪最突出的进展”, AOTF是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件,与通常的单色器相比,采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描,光学系统无移动性部件,波长切换快、重现性好,程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性,尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置,大大提高了仪器的环境适应性,加之全固态集成设计产生优异的避震性能,使其近年来在工业在线和现场(室外)分析中得到越来越广泛的应用。

非制冷红外技术发展现状(上)

在夜视领域,红外探测器是热成像系统的核心,主要分为两类:制冷型(基于光子探测)和非制冷型(基于热探测)。尽管前者(或者为光电探测器,或者为光伏器件)被认为是实际应用中最佳的红外热探测技术,但它们的制造和使用成本较高。不过,近年来非制冷红外探测器获得了长足发展。

与制冷红外探测器相比,非制冷红外探测器不需要在系统中安装制冷装置,因此尺寸较小、重量较轻且功耗较低。此外,它们与制冷型光子探测器相比可提供更宽的频谱响应和更长的工作时间。因此,非制冷技术能为军事用户提供成本更低、可靠性更高的高灵敏传感器。换句话说,它们能更廉价地进行采购和使用,这是其吸引人的地方。

不幸的是,非制冷红外探测器在灵敏度方面至今无法满足所有军事应用的要求,因此其应用仍然存在一定限制。不过,随着更多的投资涌向该技术领域,这种情况无疑会发生改变。在不以远距离应用为主的场合,非制冷红外技术的应用正日趋广泛。这方面的最好例子是许多国家准备发展的综合”未来士兵系统”,夜视能力是其基本要求,此时成本、重量和功耗显得格外重要。

工作原理

红外探测器产生的输出信号依赖于进入其作用区域的辐射总量。热(非制冷红外)探测器将入射辐射转换为热,而这将导致探测器元件温度升高。温度的变化随后将转换为可被放大和显示的电信号。热探测器能响应较宽范围的波长,而且不同波长的响应能力没有明显差异,同时在室温下具有足够高的灵敏度,可以满足成像要求。

红外频谱覆盖0.7~14 m,并被分为短波红外(也称为近红外,覆盖0.7~3 m波段)、中波红外(覆盖3~5 m)和长波红外(也称远红外,覆盖5~14 m),不过大多数长波红外探测器覆盖8~12 m。

非制冷红外探测器有三种类型:

“测辐射热计,它测量电阻随温度的变化;

“热电(或铁电)探测器,测量自发电子偏振随温度的变化;

“热电堆,测量电动势随温度的变化(这就是众所周知的塞贝克效应或热电效应)。

在这三种探测器中,测辐射热计探测器由于与CMOS(互补型金属氧化物半导体)技术兼容而成为应用最广泛的非制冷红外探测器。这种探测器可以单片方式与标准CMOS电路集成,因此生产成本较低。它还允许使用超大规模集成技术实现”有源像素”结构,这种结构可以在一块芯片上集成摄像机的所有功能。

为了成为热成像摄像机的一部分,单独的红外探测器(包括制冷型或非制冷型)通常以集群成所谓的焦平面阵列(FPA),不过在特定的应用中也可以制成线阵。每个探测器提供一个探测像素,组成阵列的像素越多,所形成的图像越清晰(且越精确)。

除了红外探测器或焦平面阵列外,热成像摄像机还需要电源、信号处理器、各种光学子部件以及视频监视器系统。现有的热成像摄像机的用途多种多样,例如机载应用中的前视红外系统(或者装在吊舱中,或者成为传感器转塔有效负载的一部分)、装甲战车和海军导弹系统用的火控系统、单兵或班组武器的瞄准镜以及导弹寻的器等。非制冷红外探测器目前的应用范围主要有监视、轻型头盔瞄准具、灵巧弹药、武器瞄准具、无人值守地面传感器和导弹/灵巧炸弹寻的器等。

对非制冷技术的进一步发展要求可以概括为更高的灵敏度、更小的像素尺寸和更大阵列(目标是640×480元或更大)。此外,这类热像仪还需要提高温度稳定性、降低光学系统成本和减小功耗。这些需求的不同组合将导致更轻、更紧凑且生产成本更低的设计。

在美国,陆军通信-电子司令部夜视与电子传感器局和国防高级研究计划局(DARPA)合作研究非制冷技术。主要有三家公司–BAE系统公司北美分公司、DRS技术公司和雷西昂公司从事军用非制冷微测辐射热计研究工作,其中DRS公司曾兼并了得克萨斯仪器公司、休斯公司和波音公司的红外业务。

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