非制冷热成像仪

4年前，刚刚成立的烟台睿创公司决定研制一只&ldquo 火眼金睛&rdquo &mdash &mdash 无论雨雪交加，还是烟尘雾霾，完全不受光线影响的&ldquo 透视眼&rdquo ，看透暗夜中隐藏的秘密。 　　&ldquo &lsquo 非制冷红外成像&rsquo 及 &lsquo 太赫兹实时成像&rsquo 是一种比孙悟空的&lsquo 火眼金睛&rsquo 更神奇的技术&rdquo ，在研发者看来，它们的&ldquo 神奇&rdquo 之处在于：在战场上，可以探测夜幕掩盖下的目标、显示烟雾中隐藏的坦克 在日常生活中，可以打造车辆的夜视系统 在机场安检中&ldquo 1秒安检扫描全身&rdquo ，也可以&ldquo 验明&rdquo 建筑大楼的&ldquo 瑕疵&rdquo &hellip &hellip 　　这只&ldquo 眼睛&rdquo 的研制过程究竟有怎样的故事? 　　&ldquo 红外之眼&rdquo 能看到什么? 　　正在高速行驶的轿车前方突然窜出一只动物，在能见度只有两三米的情况下，车辆却提前十米刹了车。借助车上的远红外线摄像机，驾驶员能及时识别出人、动物和车辆等不同散热物体 一座建筑的质量&ldquo 瑕疵&rdquo 与节能水平难以用肉眼观察，但通过红外成像技术，检测易如反掌，因为裂缝处与其他地方的温度不同。 　　&ldquo 借助于目标自身发射的红外辐射来看透肉眼看不到的东西&rdquo ，就是红外成像技术。上述两个例子只是这项技术广泛用途的部分显示。 　　在军事上，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域 在民用方面，可以用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾&hellip &hellip 　　这是一个散发着巨大诱惑的市场，也是一个&ldquo 难以高攀&rdquo 的市场&mdash &mdash 核心成像芯片的研制太难了，难到只被西方少数国家掌握，却因其广泛的军事用途被列入技术封锁和产品禁运之列。而国内，围绕着这项&ldquo 高门槛、宽应用&rdquo 的技术，一批国字头科研院所和高新企业展开角逐，其中包括资金、实力并不占优的民营企业睿创公司。 　　这家公司创业者认为，&ldquo 实际上，红外行业特别是非制冷红外成像行业在中国是一个空白，没有谁真正突破了核心技术，这就给我们同等竞争的机会。&rdquo 　　企业的嗅觉是最灵敏的，这促使睿创公司招兵买马，试图在这个行业一展身手，&ldquo 成立公司之前，我们没有100%的把握，只有70%。&rdquo 在公司的创业者看来，睿创是民企，&ldquo 没有退路，只能拼命&rdquo ：&ldquo 我们把身家性命都押上了，这就是我们的饭碗，做不成就没有饭吃。&rdquo 　　不过，破釜沉舟的创业者还是没想到，&ldquo 这个领域的&lsquo 水太深了&rsquo 。&rdquo 　　&ldquo 深不可测&rdquo 的研发大海淹没了谁? 　　黑夜是光的坟墓，也让人们产生了对光明的渴求，红外成像与红外探测器便应运而生。 　　在夜视领域，红外探测器是热成像系统的核心，主要分为制冷型和非制冷型。尽管前者被认为是高端应用中的最佳选择，但因为成本居高不下，所以尺寸较小、重量较轻且功耗较低的非制冷红外探测器更获大家青睐。 　　但制作非制冷红外探测器并不容易。 　　作为资金密集型和技术密集型产业的代表，睿创的&ldquo 非制冷红外探测器&rdquo 之路首先面临着钱的考验，&ldquo 研发包括几个步骤，从设计开始就要花钱，做芯片肯定要流片，半导体流片需要花钱 这里面的风险在于，如果设计细节稍有不慎，则前功尽弃，整个之前的投入全部废掉 然后，封装、测试，上马设备都需要花钱 在此之外，原材料的费用，人员费用等等都离不开资金的投入&rdquo 。 　　投钱多、见效慢考验着企业的定力，但找钱还不是最难的，探测器所需要的芯片攻关才是最大挑战，&ldquo 红外焦平面探测器芯片采用IC(集成电路)+MEMS(微机电系统)，长期以来，我国电子信息产业一直饱受&ldquo 缺芯&rdquo 之痛，况且，红外成像芯片相对其它芯片来说，复杂程度和研发难度更高&rdquo 。 　　大浪淘沙，适者生存，&ldquo 深不可测&rdquo 的研发大海检验着研发阵营的成色：那些并未做好准备的投入者，一个接一个被淘汰 剩下的是善水的坚持者。千百次的&ldquo 实验&mdash 失败&mdash 再实验&mdash 再失败&mdash 直到成功&rdquo ，亲历者的刻骨记忆永远比文字记述来得真切，公司负责人一句&ldquo 太不容易了&rdquo ，概括了所有的研发故事。 　　尽管步履维艰，挑战重重，但&ldquo 非制冷红外探测器&rdquo 的研制还不是这家企业的终极野心。 　　如何掌握改变未来的技术? 　　如果问一下联合国维和部队最怕的是什么，路边炸弹是回答之一。防不胜防的路边炸弹，给爱好和平的人们造成的伤亡不绝于耳。在传统威胁面前，高技术也无能为力?比&ldquo 非制冷红外成像技术&rdquo 更为先进的&ldquo 太赫兹成像&rdquo 的穿墙透视能力给出了答案。 　　太赫兹技术被美国评为&ldquo 改变未来世界的十大技术&rdquo 之一，它可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。同时，与耗资较高、作用距离较短、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比，太赫兹成像具有独特优势，目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。 　　2013年1月对中国红外行业来说有着标志性意义：这一天，烟台睿创研制的第一代&ldquo 非制冷红外焦平面探测器&rdquo 迎来&ldquo 鉴定大考&rdquo ，&ldquo 国际同类产品先进水平&rdquo 的结论证明了过去3年努力所达到的高度。2014年初,睿创又发布了第二代高性能红外成像探测器产品，关键指标已经优于国外的竞争产品。 　　公司负责人表示,&ldquo 以前，核心的芯片和器件主要依赖进口，它的价格从几万到十几万不等，我们产品开发成功可以使价格大幅度下降，当前我们看好安防监控和汽车辅助驾驶市场，这个量是非常大的。&rdquo 　　利用3年时间将非制冷红外探测器打造出来后，这个上进的民企并没有停下脚步，而是瞄准了下一代非制冷红外成像技术与更高难度的太赫兹探测器。 　　借助在前期非制冷技术的积淀，睿创又开发出了国内首款太赫兹焦平面探测器产品。值得一提的是：经过国外权威机构的测试，该设备的成像芯片指标达到了国际一流水准。 　　为什么是他们做出来了? 　　睿创成立短短四年，做出了西方需要十年时间才能做出的产品。公司负责人时常面临的疑问是：你们是如何做出来的? 　　&ldquo 之所以能取得成功，是因为我们站在巨人的肩上。在调研、分析与总结之前很多伟大科学家与工程技术人员的杰出成果的基础上最终形成了公司自己的核心技术，争取少犯前人犯过的错误&rdquo 。 　　在关键的环节找关键的人和灵活的用人机制也推动着项目的成功。&ldquo 我觉得成功的重要原因是股东和董事会充分放权，对总经理和研发团队信任。在公司，500万以下的研发资金支出可以不经过董事会 总经理全国各地搜罗产业链条上所需人才，薪金待遇随需而定&rdquo 。 　　公司近100名员工，研发人才占了50%多，这就是睿创作为研发初创企业的典型特征。记者了解到，这个包括8名博士、34名硕士的研发团队已经在短短4年间取得了26项专利，其中包括6项发明专利。当然，股权激励是必不可少的。公司一旦上市，拥有股权的研发人员也将获得相应的回报。 　　激励机制和充分放权给企业带来了活力。 　　眼下，&ldquo 非制冷红外成像&rdquo 和&ldquo 太赫兹成像&rdquo 的技术都已成熟，进入了产业化的&ldquo 前夜&rdquo ，这让睿创公司有了更大的信心：&ldquo 预计我们的一期芯片达产后，年产值可以达到10亿人民币，在二期完工之后，我们可以达到50亿的产值。&rdquo

十多年来，FLIR光学气体成像（OGI）热像仪一直用来可视化各种气体泄漏。这些OGI热像仪的开发是为了“看到”各种气体，包括碳氢化合物、二氧化碳、六氟化硫、制冷剂、一氧化碳、氨等。FLIR OGI热像仪被应用于各行各业，包括减少排放、提高生产效率和确保安全的工作环境。与其他检测技术相比，OGI热像仪的一大优势是该技术能够在不中断工业过程的情况下精准定位气体泄漏部件。从历史上看，OGI热像仪一直采用制冷型红外探测器，与非制冷型红外探测器相比具有多个优势，但成本往往更高。非制冷型红外探测器技术的进步使得像FLIR OGI热像仪这样的制造商，能够为相关行业设计和开发成本较低的OGI解决方案。尽管成本较低，但与使用制冷型探测器的热像仪相比，使用非制冷型红外探测器的热像仪存在一定局限性。光学气体成像背后的科学在我们讨论OGI热像仪中制冷或非制冷探测器的问题之前，我们可以先解释这项技术背后的理论。光学气体成像可以比作通过普通的摄像机进行观察，但操作员看到的是一股类似烟雾的气体喷出。如果没有OGI热像仪，这将是肉眼完全看不见的。为了能看到这种气体飘动，OGI热像仪使用了一种独特的光谱(依赖于波长)过滤方法，使它能够检测到特定的气体化合物。在制冷型探测器中，滤波器将允许通过探测器的辐射波长限制在一个非常窄的波段，称为带通，这种技术被称为光谱自适应。光谱自适应OGI热像仪利用某些分子的吸收特性，将它们在原生环境中可视化。热像仪焦平面阵列（FPAs）和光学系统专门调整到非常窄的光谱范围，通常在数百纳米左右，因此具有超选择性。只能检测到由窄带通滤波器分隔的红外区域中的被气体吸收的红外波段。大多数化合物的红外吸收特性取决于波长。氢、氧和氮等惰性气体无法直接成像。黄色区域显示了一个光谱滤波器，设计用于对应大部分背景红外能量将被甲烷吸收的波长范围。（图中横坐标代表波长，纵坐标代表甲烷气体的透射率）如果将OGI热像仪对准没有气体泄漏的场景，视野中的物体将通过热像仪的镜头和滤光片透射和反射红外辐射。如果物体和热像仪之间存在气体云，并且该气体吸收滤波器带通范围内的辐射，那么通过气体云到达探测器的辐射量将减少或增加。具体情况要看气体云与背景的关系，云与背景之间必须有一个辐射的对比。总而言之，让气体可见的关键是：气体必须吸收热像仪看到的波段中的红外辐射；气体云必须与背景形成辐射对比；气体云的表面温度必须与背景不同。此外，运动使气体云更容易可视化。熟悉光学气体成像相关的波长为了解决理解“制冷与非制冷”光学气体成像热像仪的挑战，您需要了解与光学气体成像相关的波长以及这些热像仪中使用的探测器。OGI热像仪的两个主要波长通常被称为中波（3到5微米）和长波（7到12微米）。在气体成像领域，这些区域也可以称为“功能区”和“指纹区”。在功能区，一个热像仪可以看到单一类别的更多气体，而许多单独的气体在指纹区有特定的吸收特征。几乎所有碳氢化合物气体都在FLIR GF320的过滤区域(黄色部分)吸收能量，但在长波或指纹区域(蓝色部分)有不同的吸收特征虽然许多气体在中波和长波区域都有吸收特性，但也有气体仅在一个红外波段发射和吸收。有些气体在中波而非长波光谱中发射和吸收(如一氧化碳/CO)和吸收，另一些仅在长波光谱中发射和吸收（如六氟化硫/SF6）。这些气体不属于指纹或功能区，通常指烃类气体。下面是CO和SF6气体的红外光谱图。制冷与非制冷型探测器制冷型OGI热像仪使用需要冷却到低温（约77K或-321°F）的量子探测器，可以是中波或长波探测器。检测功能区碳氢化合物气体（如甲烷）的中波热像仪通常在3-5μm（微米）范围内工作，并使用锑化铟（InSb）探测器。检测SF6等气体的制冷型长波热像仪在8-12μm范围内工作，可以使用量子阱红外光电探测器（QWIP）。制冷型OGI热像仪有一个集成了低温冷却器的成像传感器，其可以将传感器温度降低到低温。传感器温度的降低对于将探测器噪声降低到低于被成像场景的信号水平是必要的。制冷机运动部件的机械公差非常小，随着时间的推移会磨损，氦气也会慢慢通过气体密封。最终，在运行1万至1.3万小时后，需要对冷却器进行重建。带有制冷探测器的热像仪有一个与探测器连接的滤波器。这种设计可以防止滤波器和探测器之间的任何杂散辐射交换，从而提高图像热灵敏度，进而会使光学气体成像仪更有效地可视化某些气体，甚至使OGI热像仪符合美国环保局的OOOOa或其他要求等监管标准。用制冷型热像仪拍摄墙上手印的图像和两分钟后再次拍摄的图像用非制冷型热像仪拍摄墙上手印的图像和两分钟后再次拍摄的图像非制冷OGI热像仪使用微测辐射热计探测器，不需要制冷探测器所需的额外零件。它们通常由氧化钒（VOx）或非晶硅（a-Si）制成，在7-14μm范围内具有响应性。它们比制冷型热像仪更容易制造，但热灵敏度或噪声等效温差（NETD）较差，这使得更难以可视化较小的气体泄漏。NETD是一个指标，表示热像仪可以探测的最小温度差异。上图显示了制冷和非制冷探测器灵敏度的差异。更好的NETD将使制冷型OGI热像仪检测气体的效果至少是非制冷的五倍。用于确定OGI热像仪检测气体效果的类似标准是噪声等效浓度长度（NECL），该标准确定在定义的拍摄距离上可以检测到多少气体。例如，用于甲烷检测的FLIR GF320制冷型OGI热像仪（3-5μm探测器）的NECL小于20 ppm*m，而非制冷型（7-14μm探测器）的NECL大于100 ppm*m。对于非制冷型的OGI热像仪，另一个需要考虑的是滤波器。有些热像仪没有在长波光谱中过滤，这意味着它们只是一个完全开放的探测器，使用独特的分析来可视化气体。FLIR的高灵敏度模式(HSM)是利用软件和分析来增强气体可视化的热像仪示例。有些热像仪内部设置更有针对性的过滤器。这些滤波器可能与镜头有关，在探测器和镜头之间，以多种方式设计。使用非制冷过滤，由于限制到达热像仪探测器的辐射，您会失去热灵敏度。这将导致产生更高的NETD热灵敏度值，但可以提供与气体成像相关的更好图像。随着光谱滤波器宽度变窄以聚焦于特定气体时，来自场景的辐射减少，而探测器的噪声保持不变，来自滤波器的反射辐射增加。这会产生与气体成像相关的更高质量的图像，但会降低热像仪用于温度测量（辐射测量）的热灵敏度。当你使用冷滤镜时，比如制冷型OGI热像仪，这种现象就可以避免，因为反射的辐射量非常小。如何选择制冷与非制冷型OGI热像仪FLIR GF320甲烷和VOC检测用红外热像仪

红外探测器是一种能够探测红外辐射的设备，主要由探测元件和信号处理电路组成。根据其工作原理的不同，红外探测器可以分为制冷型和非制冷型两种类型。本文将详细介绍制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器的原理、特性、区别、应用场景等。制冷型红外探测器【原理】制冷型红外探测器采用红外辐射的吸收来产生电信号，其探测元件是一种特殊的半导体材料，例如氧化汞、锑化铟等。当红外辐射照射到探测元件上时，将会激发探测元件中的载流子，进而产生电信号。但由于载流子的寿命非常短，为了保证探测器的灵敏度和响应速度，需要将探测元件制冷至低温，通常为77K。这种制冷技术通常采用制冷剂制冷的方法，例如液氮和制冷机等。【特性】制冷型红外探测器具有高灵敏度、高分辨率、高响应速度和宽波段响应等特点。由于探测元件的制冷温度非常低，因此可以有效减少热噪声的影响，提高探测器的灵敏度和分辨率。同时，制冷型红外探测器具有极高的响应速度，可以实现高速实时探测，非常适合于远距离监测、目标跟踪等应用场景。【应用场景】制冷型红外探测器广泛应用于远距离监测、目标跟踪、导弹导航、航空、航天、军事侦察、安防监控等领域。例如，制冷型红外探测器可以用于导弹的制导和跟踪，对于高速飞行的目标，需要具备高灵敏度和高响应速度，这正是制冷型红外探测器的优势所在。此外，制冷型红外探测器还可以用于医学诊断和科学研究等领域，例如在医学诊断中，可以通过制冷型红外探测器来检测人体的体表温度分布，从而诊断疾病。非制冷型红外探测器【原理】非制冷型红外探测器采用红外辐射的吸收来产生电信号，其探测元件通常是一种半导体材料，例如硅和锗等。当红外辐射照射到探测元件上时，将会激发探测元件中的载流子，进而产生电信号。由于探测元件的电阻随温度的变化而变化，因此可以通过测量探测元件的电阻来实现对红外辐射的探测。【特性】非制冷型红外探测器具有体积小、重量轻、价格低廉等特点，相较于制冷型红外探测器来说，更加便于制造和使用。同时，非制冷型红外探测器还具有响应速度快、适用于宽波段的特点，因此在一些特定的应用场景中具有优势。【应用场景】非制冷型红外探测器广泛应用于热成像、火灾报警、工业检测、安防监控等领域。例如，在热成像领域，非制冷型红外探测器可以用于检测建筑物和设备的热分布，从而提高能源利用效率和安全性。此外，非制冷型红外探测器还可以用于火灾报警，可以及时发现火灾并进行报警处理。在工业检测中，非制冷型红外探测器可以检测工业设备的异常热量，从而及时发现设备故障。在安防监控领域，非制冷型红外探测器可以用于监测人员和车辆等移动目标的热分布，从而提高监控的精度和准确性。区别【灵敏度与精度】制冷型红外探测器由于配备了制冷机组件，可以使红外探测器工作温度降低到很低的水平，从而提高了灵敏度，并具备更高的测量精度，能够实现更高的信号检测和分辨能力【工作波长】制冷式红外热像仪是敏感型红外热成像仪，可探测物体间细微的温差，它们工作在光谱短波红外(SWIR)波段、中波红外(MWIR)波段和长波红外(LWIR)波段。因为从物理学角度来讲在这些波段热对比度较高，热对比度越高就越容易探到那些目标湿度与背景差异不大的场景。非制冷型红外热像仪光谱集中在长波红外(LWIR)波段，8~14um范围。【使用功耗】制冷型红外探测器需要通过制冷机维持较低的工作温度，这个制冷系统通常需要耗费较高的电能来驱动。所以，相对于非制冷红外探测器，制冷型红外探测器的功耗一般较高。【应用】制冷型红外探测器通常具有更高的灵敏度和分辨率，适用于需求更高性能的应用场景，例如远距离探测系统等、科学研究等。非制冷型红外探测器虽然相对于制冷型红外探测器性能较低，但价格更经济实惠，适用于安防监控、消防救援、无人机载荷、户外观测等领域。举例说明以非制冷型红外探测器在安防监控领域的应用为例，一些商业场所需要进行24小时的监控，以确保安全。在这种情况下，非制冷型红外探测器可以用于监测人员和车辆等目标的热分布，从而提高监控的精度和准确性。例如，在停车场的监控中，可以通过非制冷型红外探测器来检测停车位上是否有车辆，以及车辆的数量和位置。当检测到停车位上有车辆时，就可以向管理人员发送相应的通知，以便及时采取措施维护停车场的秩序和安全。另外，非制冷型红外探测器还可以用于火灾报警。在一些需要保持高温的场所，例如电力设施、化工厂等，火灾的风险较高。这些场所可以使用非制冷型红外探测器来监测设备的温度，一旦检测到异常温度变化，就可以及时发出火灾报警信号，通知相关部门进行应急处理。综上所述，红外探测器作为一种重要的光学传感器，在热成像、安防监控、工业检测、医学诊断等领域中发挥着重要作用。制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器各有优缺点，在不同的应用场景中都有广泛的应用前景。