红外焦平面阵列技术的未来二十年

红外焦平面探测器

红外焦平面探测器

一、引言

本世纪中超大规模集成电路和微电机械加工(MEMS)技术的发展,使红外探测器技术取得了惊人的进展,红外焦平面阵列技术是这种技术发展的一个里程碑。因红外探测的隐蔽性和有效性,其应用领域主要是军事方面,对该技术的迫切期望使之成为军方的“宠儿”。特别是冷战军备竞赛,军方投入巨资使红外探测技术发展突破了前进道路上一个又一个的障碍,使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种,包括InSb、HgCdTe、PtSi、InGaAs、GaAlAs、非本征硅等量子探测器、 Vox、PZT、多晶硅和非晶硅等热探测器;从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面探测器。其阵列集成规模已高达2048´2048元[2],从极低温工作发展到了目前的77K或室温工作阵列,特别是近年的发展已接近于可见光CCD、APS和CMOS图像传感器的水平。同时红外探测技术正在急速地拓展新的应用领域和市场,迅速地渗透到广阔的商用领域,改变其长期以来主要用于军用领域的状况。

二、器件制造技术的发展趋势

1、阵列集成规模将进军4K´4K

超大规模微电子集成电路制造技术是实现红外焦平面阵列工作的关键支撑技术之一。由于过去30年间存储器芯片尺寸和微处理器技术所取得的进步,预期未来10~20年间仍将保持稳步攀升的势头。而可见光Si-CCD 器件焦平面集成尺寸在90年代中期已达到16M(4096´4096像元)。DRAM和Si-CCD的发展为实现2K´2K以上乃至4K´4K(16M)红外焦平面集成开辟了道路。

红外焦平面阵列由红外焦平面探测器和硅信号处理多路传输器组成,其集成发展要比DRAM和Si-CCD晚1~2代。目前的PtSi和短波HgCdTe阵列已达到了2K´2K的水平,预计到2005年焦平面阵列集成规模可达4096´4096。陆军研究实验室、雷声公司和洛克威尔国际科学中心采用分子束外延(MBE)工艺在Si片上生长制作1K´1K和2K´2K的阵列已经取得很大进展。

2、探测器元尺寸

为实现1M级以上的高密度焦平面阵列集成,缩小探测器元尺寸是必要的。目前的大型阵列如柯达KIR-3900型PtSi 1968×1968元阵列像元尺寸为17´17mm2,洛克威尔PACE-1型2048´2048元HgCdTe 短波焦平面阵列的设计规格为0.8mm,像元尺寸18´18mm2 [2],雷声公司和喷气式推进实验室分别为8~9mm2和14~15mm2,洛克希德马丁公司的640´480元非致冷阵列为28´28mm2,这些像元尺寸都已大大缩小。相应的信号处理读出集成电路多路传输器技术必须能满足发展这种高密度大型阵列的需求,如洛克威尔HAWAⅡ-2 2048´2048位CMOS多路传输器读出集成电路(ROIC),其光刻的每一、四象限曝光区精度达0.05mm,晶体管数达1300万个,目前的这一水平已是非常高的了。预计在这一基础上像元尺寸还会进一步缩小。对于SWIR和MWIR探测器,可由下式来量化推断其像元尺寸:

d=2.44λf[5]式中:d衍射限制光斑尺寸;

λ波长;

f聚焦透镜的焦距。

对于f/2.0光学透镜,5mm波长的光斑尺寸为25mm2,目前的MWIR 480´640元生产阵列,其像元尺寸为20mm。把用户通常超取样的因素考虑进去,像元尺寸可缩小到12mm数量级,最终可缩小到10mm。原则上说来,长波阵列像元减小尺寸不会明显低于20mm,但预期由于读出设计和超取样,最终的中波和长波阵列像元尺寸也将会一样小。

3、双色和多色阵列

双色和多色工作的红外焦平面阵列传感器将是2020年前发展的重要课题。由于军事和空间应用的推动与牵引,双色传感器已取得了显著的进展,像美国加州理工大学、喷气式推进实验室、洛克希德马丁等军事和航天部门都在加紧发展这种传感器,目前阵列已高达640´480元的焦平面阵列,是一种采用GaAlAs/GaAs量子阱结构的双色传感器[1]。同时有关专家已研制出双色阵列摄像机,2~3年后将投入生产,其性能与单色传感器摄像机一样好,预期其用量将不断增长。在双色红外焦平面阵列技术取得的成果基础上,将继续发展三色或四色红外焦平面阵列技术。

4、主流传感器将是廉价的非致冷红外焦平面阵列

虽然致冷工作的光量子型焦平面阵列技术已发展了数十年的时间,取得了举世瞩目的进展,但由于需致冷到约77K低温工作,这对于降低价格和实现小型高密度的便携式系统极为不利,妨碍了其推广应用。无论广大的商用市场或军用市场都迫切需要一种既能满足应用且价格低廉的消耗性红外传感器。光量子型红外焦平面阵列技术虽然具有极低的灵敏度,但却不能满足第二个条件。由于非致冷红外焦平面阵列微桥结构的灵敏度已达到第一代和第二代致冷焦平面阵列之间的水平,其NETD通常优于0.1K,可达0.05K[1],目前telops的红外热像仪产品普遍可以达到14 mK,这个精度已经达到军用科研级别,远远超过商业应用的要求。如萨尔洛夫公司用Si3N4作绝缘层的阵列设计时,其NETD可达到0.05K,用 SiC时为0.01K,雷声公司已演示了320´240元的双层结构传感器摄像机[6],其像元尺寸为25´25mm2。而通常的商用红外摄像机系统的灵敏度在0.08~0.1K,目前洛克希德马丁公司的640´480元非致冷红外摄像机的灵敏度<150mK(F/1,30Hz)[7]、最小可分辨的温度<0.40℃(尼奎斯特频率)。未来的灵敏度提高将向焦平面理论极限—0.002K的方向努力(50mm2像元尺寸),预计2020年前将发展成为今后红外焦平面阵列技术发展的主流传感器,从而成为满足军用和商用的高密度小型化的廉价消费性传感器,其机型将类同于可见光Si-CCD一体化摄录机。

总之,在红外探测方面,未来红外焦平面探测器的发展,一是探索新颖的器件结构,二是采用改进的材料,以获得更高集成密度的廉价焦平面阵列传感器,同时大幅度地提高阵列性能,而长期形成的1~3mm,3~5mm和8~14mm三个红外探测窗口的概念不会变化。

三、拓展应用

长期以来,红外探测器主要应用于为数有限的高级军用系统装备。随着红外焦平面阵列技术的飞速发展,使其在军用和民用方面,有了潜在性的大批量应用前景。

1、多光谱和超光谱遥感

从空间对地球陆地和海洋的监察在民用和军用方面都具有极为重要的意义。事实上,发达国家一直都在发展多光谱和超光谱遥感技术。由于器件技术的限制,目前为止大多采用可见光—近红外(VIS-NIR)成像光谱仪。由于红外焦平面阵列技术已由单像元单色发展到双色,并向三色、四色的方向发展,预计2020年前将获得超光谱应用的能力。目前双色凝视焦平面阵列的野外测试已在进行[8]。同时采用光谱滤波器线阵多色焦平面可实现覆盖可见光到长波红外的探测,其光谱段已可多达数十个到数百个。美国波音飞机公司电子系统和导弹防御部在这方面的研究已取得了很大的进展,波音/罗克威尔的遥感器用HgCdTe多光谱红外焦平面PACE-1已达1024´1024元,Hawaii-2 2048´2048元阵列已制作出来[2],其像元尺寸小达18´18mm2。海军研究实验室的超光谱遥感技术计划和海军测绘观测卫星成像光谱区的波长区为0.4~2.5mm[8],光谱通道多达210~512个[8]

使用多光谱和超光谱遥感卫星对海洋、陆地、大气层、气象、农业和森林有效地监控具有重要的军用和商用价值。例如,森林遭到严重破坏造成覆盖面积减少,而生长新一代森林需上百年时间;辐射垃圾处理,臭氧消耗和CO2积累引起的全球变暖问题等。人类正面临着对全球性污染和气候变化带来的灾害采取补救性措施的问题,要解决这一问题也许要花费数百年的时间。红外多光谱和超光谱传感器系统将会提供极为有效的监控,提供气候变化的趋势和世界上陆地情况变化的详细图像照片,更为准确的大范围的灾难性天气预报。图1左边是卫星提供的全球植被生长情况,右边是全球陆地温度变化照片[5]

2、限制大规模毁灭性武器扩散监控

加紧发展这种更加先进的红外焦平面阵列传感器,对限制全球大规模毁灭性武器扩散监控具有极为重要的意义。显然,这也是加紧发展这种高性能阵列技术的另一个重要推动因素。

这种先进的红外焦平面阵列探测系统最有希望有效地用于发现和分辨出核武器、生化武器和导弹生产的位置和区域,提高对导弹发射的探测和跟踪能力。

3、太空天文探测

未来先进的红外焦平面阵列传感器将为人类的太空天文探测提供更为先进的手段。目前在许多空间探测器上已安装上先进的红外传感器,并已发回了大量有关我们所在太阳系遥远行星和月球的照片,如几年前获得的有关彗星撞击木星的红外天文照片[5]。美国航天局的哈勃(Hubble)空间望远镜是目前使用红外摄像传感器最为先进的空间探测器。图2是夏威夷凯克天文台用InSb阵列摄得的休梅克—利瓦伊彗星撞击木星的一系列红外图像中的两张照片[5]。左照片是在1.64mm波长时摄取的,右照片是在3.41mm时摄得的。

美国洛克威尔国际科学中心已研制出天文和低背景应用的1024×1024元、2048´2048元HgCdTe短波(0.9~2.5mm)红外焦平面阵列,采用硅CMOS信号读出集成电路,后者已由该中心和夏威夷大学等单位完成了最后的结果测试,该中心的下一个发展目标即是研制4096´4096元的短波和中波红外焦平面阵列。

4、医疗卫生

由于未来高灵敏度高分辨率廉价红外焦平面阵列技术的发展,这种阵列摄像机技术将广泛应用于医疗卫生领域,如肿瘤的早期诊断,对糖尿病患者的血糖监控,对麻风病的临床诊断和医学与遗传学研究。迄今为止,在该领域应用取得的成果表明这种应用是极为成功的,特别是在肿瘤诊断方面尤其引人注目。研究发现,由于癌细胞释放的氧化氮会使癌变组织周围的组织血液发生变化,由于对癌毒素的敏感性,其周围被癌化的组织大多是死的。用高灵敏度高分辨的红外焦平面阵列摄像机就可探测出因这种血液量改变而导致的温度改变,清楚地分辨出死组织和健康组织。美国新泽西州Omm.Corcler技术公司用喷气式推进实验室(JPL)研制的中等格式GaAlAs /GaAs量子阱红外焦平面阵列(QWIRFPA)研制出了叫做Bioscan系统医用诊断热像仪[9],用于动态区域遥控热测量(DAT),焦平面工作波长>8mm,帧速为30Hz,NETD<30mK,1999年12月美国食品和药品管理局已对该系统发放了乳腺肿瘤和其它医疗应用的市场许可证。该仪器已在波士顿Dana-Farber癌症研究所测试。南加州大学的一个外科小组也使用这一摄像机诊断脑肿瘤和皮癌与麻风病。在脑肿瘤截除外科手术中这种高灵敏度的热摄像机可帮助外科医生发现癌变的毛细血管。图3是这一手术中用GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列摄像机获得的脑癌手术图像,其健康组织和癌变死组织分辨十分清晰。预期2020年前这一应用将会急剧扩大。

5、分配孔径红外传感器的(DAIRS)应用

在天空飞行并发出热辐射的任何物体都可能成为热寻导弹的牺牲品。许多飞机甚至目前最先进的军用战机等战术武器,由于没有导弹逼近告警器,或其告警装置还不足以对抗先进的热寻导弹,因而热寻导弹对战术喷气式战机、运输机、军用旋转翼飞机特别是飞得低和飞得慢的飞机的威胁最大,往往离导弹很近,探测和反应的时间少,幸免于难的机动能力极差。基于这种情况,欧洲和美国军方目前正在发展飞机自保护告警技术,开发数百万探测器元集成焦平面阵列,其分辨率已达到和超过电视质量水平,这使一种新型传感器系统—分配孔径红外传感器系统(DAIRS)得到了迅速发展。DAIRS采用6个相同的战略位置探测传感器,为军用飞机驾驶员提供4π弧度的传感器覆盖区,即360°范围的飞机处境认知(SA),包括导弹威胁告警、红外搜索与跟踪(IRST)、战场杀伤评估、目标捕获和导航,还可为水面船只、陆地装甲车辆和无人驾驶作战飞机等提供这种SA信息。图4是这种DAIRS传感器的使用概念,为360°球体覆盖。6个相同的传感器中,每个视场均为90°´90°,4p覆盖区。传感器由红外焦平面阵列和信号处理器构成,24时全天候球体监视,空—空探测跟踪和空—地探测跟踪。传感器比较大,可达1K´1K的阵列,还可更大些,帧速30frame/s,取样速率3´107/s,可采用平形面板多功能显示,也可采用驾驶员头盔式显示。

美国、俄罗斯、德国等欧洲国家和南非都一直在加紧发展导弹告警传感器系统(MAWS)技术,并从80年代开始装备军队。主要的一些公司有:美国的洛克希得 Sanders、罗斯罗普格鲁曼、雷声、辛辛那提电子和洛克希德马丁,法国的汤姆逊,丹麦的Perlldstn和Terma电子,德国的Claimler-Chrysler和Terma LFK,南非的Grintek航空电子等,俄罗斯也装备了自己的战机。美国计划用MAWS装备3000架各种型号的飞机,如:F16、F22、MH-60直升飞机、SA-7G Yail等低空慢速L-130运输机;英国准备装备其15种不同的直升飞机和运输机,“美洲虎”、“鹞式”和“狂风式”高速战机也在装备之中;欧洲的Typhoon和Dassualt Rafade;俄罗斯的Su-35、Su-24攻击机和Tu-22轰炸机;南非的“大羚羊”和Roolvalk直升机;阿联酋的“美洲豹”直升机都装有或准备装备MAWS。

目前使用的这种 MAWS系统均采用红外和紫外传感器。紫外传感器虽然小巧、便宜,不需致冷,对地面热目标引起的虚警率不敏感,但紫外辐射易被大气层中的臭氧层吸收,因而降低了对导弹威胁的探测能力。红外传感器虽然存在着虚警率问题,但随着红外焦平面阵列技术的发展,特别是未来高性能大格式和廉价红外焦平面阵列传感器的发展,通常工作于中波和长波红外波段的双色或多色阵列比紫外传感器更为有效。罗斯罗普格鲁曼、洛克希德马丁和雷声几家公司根据“联合攻击机(JSF)计划”正在加紧研制分配孔径红外传感器系统,将用具有360°视场的全球形高分辨率、低价格的红外凝视焦平面阵列传感器取代老式的导弹告警传感器,其图像将反射到飞机驾驶员的头盔显示器上,把传感器和信号处理系统高度集成在一起,是系统的一个重要功能块,实现了小型化。这将作为未来世界上数量庞大的战斗机等军用飞机必备的功能系数,数量极大,而且将日益增加。

6、热武器瞄准器(TWS)

未来作战中,24小时全天候成像装备对提高机械化部队的作战灵活性和作战能力是十分重要的,步兵军种也极需获得这种热成像装备,提高自身的昼夜作战能力。

步兵军种的任务是攻克和占领地形,这就必须在无星夜晚和极为杂乱的战场条件下完成,要随时看到比敌人或比自己可射击距离更远的地方,这就需要先进红外传感器技术。高性能非致冷的廉价红外焦平面阵列为这一大批量的应用提供了可行的支撑技术,满足了这种应用需求。

欧洲和美、日等国已在这方面作了长期努力,并已着手装备部队,如联合国的Stairs A单兵携带式热瞄准器。皮尔金顿光电子和马可尼电子系统二家公司合作研制的热武器瞄准器,采用的是256´128元的非致冷红外焦平面阵列[10]。Signal USFA和Derlt传感器系统二家公司为荷兰皇家陆军提供了800套轻型夜间观察瞄准器(LION),其重量约为2kg。洛克希德马丁公司也在加紧发展热武器瞄准器,其瞄准器在晴空时观察距离为550~2200m[11],可观察分辨出移动的人和车辆,使用电池连续工作时间达7个小时。SFIM公司专为法国国防部研制了小型兵器昼夜瞄准器,并已在法国国防部有关技术部门作了评估。产品主要特性是可在各种天气和照度下分辨出1500m处地面上人目标[11],和2500m以外距离的车辆目标,锂电池供电,重量小于2.8kg。美国Sanders 公司研制的采用320´240元非致冷红外焦平面阵列成像轻武器瞄准器,NETD<26mK(f/0.8,60Hz),并已展示了640´480元非致冷红外焦平面摄像机,NETD<50mK(f/1,30Hz)。该公司在其热武器瞄准器(TWs)计划的第一阶段中,已向美陆军作战实验室提供了4套上述系统,并将在以后陆续交付4000多台,每月约几百台。

7、车辆驾驶视觉增强红外观察仪

驾驶员视觉增强器将是红外焦平面阵列未来应用的广大领域。提高车辆驾驶员在雨雪、灰尘、雾等恶劣天气和光线不良条件下行车的能力,唯有红外摄像系统能满足这一应用,这就是随着红外焦平面阵列技术,特别是非致冷红外焦平面阵列技术的发展而出现的车辆驾驶视觉增强红外观察系统。

迄今为止,由于费用昂贵而使这种视觉增强器还仅限于军用市场。这种观察系统能使车辆在极为恶劣和全黑暗的条件下昼夜行进,从而保证在军事应用时车辆可以在全黑暗条件下或在不易被敌方发现的模糊条件下行驶,能避开障碍,特别是遇到安全危险时不但能避开,而且不会迷失方向。

近些年,随着非致冷低成本红外焦平面阵列传感器的发展,民用车辆成为这种观察系统的最大的潜在市场。由于成本低、维护方便和小型化、性能适当,不但军用车辆而且民用车辆也可以接受。

这种驾驶员视觉增强红外热成像观察仪(DVE)由热摄像头组件和液晶显示(LCD)屏组成。图5是洛克希德马丁和德国STN ATLAS公司合作研制的DVE系统[11]。非致冷红外热成像机组件是洛克希德马丁公司提供的SLM100型组件,工作波长7.5~14mm,有效水平视场4.3°~50.6°,阵列像元数为27´245元,NETD(f/1,30Hz)<100mK,输入方式RS-1701 NTSC或PAL,电源为4~29VDC,耗功<10W,该机已在德国和英国形成驾驶员观察仪系列,欧洲和中东的军用车辆准备选择这种系统。表1是欧洲SAGEM公司制作的改进型DVE系统—SAGEM LUTIS的性能指标。

表1 SAGEM LUTIS驾驶员视觉增强器系统的性能指标

热摄像机
光谱范围 8~12mm
摄像模块 SIM 150
视场 40°´30°
可伸缩式望远镜 被动式不透热

显示/控制

 

 

形式 平面屏幕
技术 LCT-TFT黑/白
显示尺寸 5.5英寸
像元数 320´240

接口

 

 

使用电源 20~32VDC
视频 CCIR或RS-170

尺寸与重量

 

 

热摄像机外形尺寸 90´86´234mm3(高×宽×长),1.8kg 
显示 133´210´150mm3(高×宽×长),3.2kg 

SAGEM司的防御和安全部在欧洲红外光电子方面处于领先地位,生产的红外光电子系统产品工作光谱范围覆盖全部防御和安全领域。SAGEM LUTIS DVE系统采用洛克希德马丁公司的SIM 159模块,这种轻型非致冷热摄像系统(LUTIS)DVE适用于绝大多数军用作战车辆,如装甲车和战术履带式或轮式战车,也适用于特殊的民用车辆,如城市安全、执法、防暴和消防等专用车辆。

四、市场

如前所述,随着各种红外焦平面阵列技术的迅速发展,特别是廉价的高密度高性能非致冷红外焦平面阵列技术的成熟和投产,其应用领域将不断开拓,而传统的应用领域也会扩展,未来红外焦平面阵列应用将不会像过去那样主要限于军用目的,更多的将会向民用市场推进。

未来决定市场的关键性因素不是性能,而是价格。低价格性能适合的小型化红外焦平面阵列摄像系统将使军用市场进一步扩大,并广泛地占领民用商业市场。由于目前产品价格尚高,约为40,000美元,已使许多新应用滞后。一旦未来价格突破1000美元以下[5],无论是军用市场,还是民用市场的销售量都将会急剧增长。

据国外资料报导,1991年美国商用红外探测器市场仅约为5000万美元[12],而军用市场为5亿美元。当时主要是由于PtSi红外焦平面阵列技术的出现刺激了这一市场的发展。现在交付装运量翻了一番,价格也因非致冷红外焦平面的出现正在下降。由于GaAlAs/GaAs量子阱和非致冷焦平面阵列技术的成就和投产,市场将保持持续升温的势头。其中处于市场主导的几家大公司有波音(北美)、雷声、洛克希德马丁、Indigo系统、辛辛那提电子、德州仪器、罗克威尔和法国的Sofradir公司。Sofradir公司是法国最大的HgCdTe红外探测器生产企业,1998年其销售额即达到了2500万美元,以后以每年10%的速度稳定增长,2000年已开始出售非致冷和量子阱红外焦平面阵列,其月销售额在150套以上。

据有关资料表明,2000年量子阱和非致冷焦平面阵列的军用和商用市场达2亿美元。2001年的红外焦平面阵列和系统总的市场规模超过了13亿美元[13],这是五年前推出第一批非致冷红外焦平面时市场的两倍。未来5年间的红外探测器产品商用市场将保持持续强劲增长的势头。2000年,包括测温、工业监控、安全、监视、消防和医疗领域的市场额为5.04亿美元,到2005年时有望达到8亿美元[14],平均年增长率为10.5%。如果价格突破1000美元的底线价格时,其市场将会像可见光CCD图像传感器一样出现急剧的增长。

五、结束语

红外焦平面阵列制造和生产技术正在向可见光硅CCD和CMOS图像传感器阵列的规模水平发展,未来5~10年间将是这种技术发展的关键时期。多色阵列技术将是未来值得关注的新课题,以微测辐射热计为主的非致冷红外焦平面阵列传感器将成为未来红外焦平面阵列的主流传感器。

由于器件制造和生产技术取得的迅速进展和军事与商用应用的强劲推动,未来20年将是红外焦平面阵列技术广泛拓展应用的时期,其每年产量将保持持续增长的势头,在今后几年内年增长率将至少达30%。由于生产和应用的持续升温,红外焦平面阵列技术将迎来其灿烂的时期。

参考文献

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