红外成像器

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

可以“看见”温度的红外产品，正快速从小众走向大众。而在炙手可热的红外热成像市场中，中国红外企业凭借核心技术，正在快速崛起。郭晨凯 制图8月底，东风猛士发布全新豪华电动越野车M-Terrain，这款已实现L3级智能驾驶的新车型搭载了红外辅助驾驶系统。9月初，高德红外宣布全资子公司轩辕智驾收到广汽埃安的《零部件开发试制通知书》，又一次在国内乘用车红外前装项目上完成定点。“这是红外热成像产品在智能驾驶领域国产车型中的全新应用。”武汉高德智感科技有限公司董事长黄晟在接受上海证券报记者采访时表示，国内乘用车厂商均已在自己的旗舰车型上规划红外辅助驾驶功能，“红外将成为自动驾驶感知方案的必选项”。不仅仅是智能驾驶，红外热成像芯片已成为物联网时代不可或缺的重要传感器件。记者采访了解到，随着红外热成像技术的突破、推广和普及，户外夜视、工业检测、海关出入境检验检疫、辅助医疗中的疾病检测、日常红外测温、安防监控等方面，都可以看到红外热像设备的身影。智能驾驶“锁定”红外红外热成像产品，会成为智能驾驶的刚需或者标配吗？“会。”黄晟回答得很干脆。保障驾驶安全，这一个理由就够了。黄晟介绍，大约10年前，在红外探测器核心技术取得突破后，高德红外（高德智感母公司）开始寻找下游的应用场景，汽车是最被看好的领域之一。对标奔驰、宝马等高端车型，部分中高端新能源车开始探索智能驾驶方案，但高达近万元的价格成为红外探测器拓展市场的主要障碍，毕竟可见光摄像头、毫米波雷达等产品成本比较低，在一般情况下也够用。然而，随着智能驾驶技术需求的不断提升，人们发现，传统雷达并不能有效解决汽车驾驶中全天候场景的问题，复杂场景下，红外热像产品的价值体现则越来越清晰。“智能驾驶，尤其是复杂环境下如何更安全地驾驶，对红外设备的需求非常明确。”黄晟介绍，与传统 CIS（接触式图像传感器）和激光雷达相比，红外探测器在高动态范围、雨天、雾天、暗光及沙尘暴等多种场景下优势明显，可以全时全天候提升视觉感知能力。同时，红外探测器晶圆封装技术的成熟，也使得红外探测器的成本有了较大下降，为大规模应用提供了条件。“对于高等级自动驾驶系统来说，红外探测不可或缺。”日前，长江证券发布研报认为，多传感器融合的自动驾驶方案是未来汽车发展的必然趋势，如视觉+雷达+红外混合。“热数据”赋能千行百业凭借超越人眼的视觉能力，红外热成像技术已经在多个工业领域实现了广泛的应用。“热数据”已成为物联网的一个重要支撑。据了解，红外热成像不需要直接接触被测物体的表面，就能够捕捉静止和移动的目标物体温度，获取目标温度分布红外图，检测出温度异常、热分布不均匀等问题。利用好红外的这一特性，可以帮助及时发现与定位缺陷，消除潜在隐患，优化生产过程、完善质量管控体系，助力工业生产提质增效。譬如，在工业自动化领域，呈现汽车零部件生产过程中的温度分布；在PCBA电路板领域，为设计研发提供热数据，检测电路板故障；在太阳能光伏发电中，检测太阳能电池板工作状态及热缺陷；在石油石化生产过程中，检测储罐液位、衬里损伤等。据统计，红外的下游应用已拓展到钢铁冶金、石油化工等20多个大行业。在应用最成熟、渗透率最高的电力行业，红外热成像设备的总需求量达到约2.5万台，市场需求总额约20亿元。再如视频监控领域，由于不可避免的昼夜交替以及恶劣天气的影响，在一定程度上限制了可见光监控设备的正常发挥，而红外热成像监控产品正好弥补了这一缺失，特别适合高安全级别区域的入侵防范。还有医疗领域，除了人们已熟知的红外测温，红外热像仪还是皮肤、血管等病变诊断的标准手段，目前已开始用于手术中监视病人的心脏和血管，以便发现异常现象，及时采取措施。“如今影响红外市场发展的关键，不是成本，也不是技术，而在于应用。我们和客户一起探讨解决方案，做到从能用到好用。”黄晟说，红外产业的特征之一就是“碎片化的需求”，随着成功案例的示范效应不断显现，红外产品的价值正逐步被越来越多的行业认可，产业自身也进入新一轮高速发展期。中国红外企业迅速崛起据统计，目前，国内从事红外热成像产品研发、生产和销售的企业已有400余家。据Yole《2020年热像仪和热探测器报告》，在2020年全球红外热成像整机的出货量上，我国的高德红外、海康威视、睿创微纳和大立科技四家厂商合计占据全球44%的市场份额。关键技术的自主可控，为我国红外产业的发展提供了稳健的根基。经过多年的发展，我国已具备了材料、MEMS传感器芯片、CMOS读出电路、制冷机、杜瓦封装、整机制备的全产业链生产能力。据Yole统计，高德红外以17%的市场份额成为我国第一大红外传感器企业，同时也是全球第二大红外传感器公司。再如海康威视，公司目前已实现非制冷红外探测器量产，并借助安防销售渠道快速拓展到工业探测领域。今年1月，海康威视披露控股子公司海康微影将投资12.8亿元建设红外热成像整机产品产业化基地。“随着中国红外热成像厂商在产品研发和科技创新上的持续发力，中国红外企业在全球的市场份额将迅速扩大，这将重塑全球红外行业竞争格局。”Yole预测，到2025年中国红外厂商的全球市场占比将提升至64%。

p 　　随着检测器和数据处理系统的发展，傅里叶变换显微红外光谱技术在短短的二十几年间从单纯的显微镜与红外光谱联用，发展到了红外成像系统。 /p p 　　将傅里叶变换红外光谱仪中的红外光束引入显微镜光路，可以获得在显微镜下观察到微小尺寸样品的光学影像及相应成分的红外光谱信息。由于红外光的波长较长，红外显微镜的空间分辨率一般在6um左右。若采用单点检测器收集红外光谱，则为傅里叶变换显微红外光谱仪 若采用阵列检测器收集红外光谱，则为傅里叶变换红外成像系统。红外图像系统的出现大大提高了样品的检测速度，目前在刑侦学、生物学、医学、化学、材料科学和矿物学等诸多领域都得到了广泛的应用。 /p p 　　无论是显微红外光谱仪或是红外成像系统，使用者最关心的还是仪器的性能指标，也就是显微模式下红外光谱的信噪比及空间分辨率，另外，如何从红外光谱图像中提取有用的信息，也是大家所关心的，下面将综合这几点，介绍红外成像系统的进展。 /p p 　　一、信噪比 /p p 　　在红外显微镜和红外成像系统测试中，通过特殊设计的光学系统将测量光束直径缩小到微米甚至亚微米量级，从而可测试尺寸非常小的样品或者是大尺寸样品中非常小的区域，显然此时光通量远远小于常规红外光谱仪，若要获得高的信噪比，对整体光学系统的光路系统要求相应也有很大的很高，通常需要多个光学聚焦镜(卡塞格林镜)联合使用，才能保证红外光同轴，且能量损失最小，如图1所示为PerkinElmer公司红外光谱成像系统中的三卡塞格林镜光学系统。 /p p 　　红外光先从光源到达卡塞格林镜1，该镜为聚焦镜，将光束聚焦，经过样品，到达卡塞格林镜2，即物镜上，在此光路图中，最重要的卡塞格林镜为3号镜，即到达检测器前，将红外光谱的信号再次聚焦，保证能量最大。 /p p 　　高的光通量，才能保证高的信噪比，所以红外光谱成像系统中三卡塞格林镜的光路设计在一定程度上决定了其较高的信噪比。 /p p style=" text-align: center " img style=" width: 450px height: 338px " alt=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/old/NewsImags/images/201481101535.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" font-size: 14px " 图1 PerkinElmer公司红外图像系统中的三卡塞格林镜光学系统 /span /p p 　　如前所述，在红外显微镜和红外成像系统的光通量远低于常规红外光谱仪，且扫描速度较快，常规红外检测器不能满足要求，无论是单点还是图像分析，均需要使用液氮冷却的MCT检测器以保证在快速测量时的高信噪比。此处需要说明，虽然测试速度比较慢，但是单点检测器的信噪比更高、测量光谱范围更宽。 /p p 　　红外成像系统所用检测器基本上可以分为两种，一是焦平面阵列检测器，另一种是线阵列检测器。焦平面阵列检测器包括两类，第一类主要是由红外显微镜和大面积焦平面阵列检测器(凝视型，以64*64和128*128为主)组成，凝视型同时以步进扫描技术(Step Scan)作支撑 第二类主要是由红外显微镜和小面积焦平面阵列检测器(非凝视型，以16*16和32*32为主)组成，非凝视型不需要步进扫描技术作支撑，而是采用了快速扫描(Rapid Scan)的技术。由于焦平面阵列检测器源于美国军方的技术，美国国防部对此类产品向中国大陆的出口进行了限制，目前仍存在禁运的问题。因此，国内市场上常见的红外光谱仪器公司如PerkinElmer、Thermo Fisher Scientific、JASCO等则提供双排跳跃式线阵列检测器(2*16或2*8)或线阵检测器(1*16)，再结合快速扫描功能，实现红外光谱成像质量和速度的双重提高。目前各仪器厂商阵列检测器的信噪比从150/1~800/1不等。 /p p 　　二、空间分辨率 /p p 　　空间分辨率是指被测试的样品采用显微红外“见到”的最小测试面积。采用红外显微光谱仪器的可见光显微系统对样品进行观察，选择感兴趣的测试区域，然后将其划分成若干个采样微区，通常将这些采样微区称为“像素(pixel)”。像素的尺寸是由仪器测试能力与样品表征要求共同决定的。较小的像素尺寸可以提高测试结果的空间分辨率，但是光谱信噪比会降低，测量相同面积的区域时所需时间也要增加。 /p p 　　由于红外光波长较长，易产生衍射现象，不能像可见显微镜将样品放大至1um甚至更小，一般常规的红外图像系统空间分辨率极限在6um左右，所获得的红外指纹图谱为6*6um区域的信息集合。 /p p 　　若要提高红外光谱成像系统的空间分辨率，可以考虑选择衰减全反射(ATR模式)。由于常规红外光谱透射或反射成像时物镜与样品之间的介质为空气，而ATR模式中物镜与样品之间的折射率更高的内反射晶体为介质，因而光束半径可以更小，即成像测试时的空间分辨率更高。例如，锗的折射率是空气的4倍，因此以锗作为内反射晶体时，ATR模式的空间分辨率比常规透射或反射模式高4倍左右。所以，在仪器厂家的宣传中可见ATR模式空间分辨率为1.56um的说法，应特别注意，此时为其名义空间分辨率，或称像素空间分辨率，而非实际真正的空间分辨率。 /p p 　　ATR模式包括ATR单点物镜与ATR成像附件两种测量方式。如图2所示，如果使用ATR单点物镜进行成像分析，每次只能测量与内反射晶体接触的一个像素，然后使晶体与样品脱离，移动样品使内反射晶体接触下一个像素并进行测量，直到获得所有像素的光谱。很明显的问题是，内反射晶体与样品接触后很容易被污染，影响后续像素测试结果的准确性，而且所有像素逐个测量的方式非常耗时。如果使用ATR成像附件，内反射晶体与所测样品一起固定在样品台上，二者之间没有相对位移，避免了晶体污染造成的测量误差。样品台同步移动内反射晶体与所测样品，改变红外光束在内反射晶体上的入射位置，完成所有像素的测量。由于可以使用阵列检测器，ATR成像的测试速度也非常快。但是，受到内反射晶体尺寸的影响，ATR成像的测试面积比较小(目前仪器上通常配备的反射晶体的直径为500um，最大可以定制直径为2 mm的晶体，但应同时考虑检测器、软件等因素)。此外， ATR单点物镜与ATR成像附件有个共同的问题：该方法只能测量距离内反射晶体表面几个微米深的样品部分 在样品表面与内部不一致时，该方法获得的一般只是表面信息。 /p p style=" text-align: center " img style=" width: 450px height: 277px " alt=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/old/NewsImags/images/201481101556.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图2 ATR红外光谱成像的两种测量方式。左：ATR单点物镜 右：ATR成像附件。 /p p 　　2013年，Neaspec公司推出了nano-FTIR光谱仪，利用其独有的散射型近场光学技术发展出来的纳米傅里叶变换红外光谱技术，使得纳米级化学鉴定和成像成为可能。nano-FTIR光谱仪的工作原理如图3所示，将一束宽带中红外激光耦合进入近场显微镜(NeaSNOM)，对原子力显微镜(AFM)针尖进行照明， 通过一套包含分束器、参考镜和探测器在内的傅里叶变换光谱仪对反向散射光分析，即可获得针尖下方20 nm区域内的红外光谱，使得红外光谱成像系统的的空间分辨率突破了微米的界限。该类型仪器综合了AFM的高空间分辨率，和FTIR的高化学敏感度，实现了对有机、无机材料的纳米级化学分辨。 /p p style=" text-align: center " img style=" width: 450px height: 269px " alt=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/old/NewsImags/images/201481101615.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图3 Nano-FTIR光谱仪的工作原理 /p p 　　图4所示为在不使用任何模型矫正的条件下，nano-FTIR获得的近场吸收光谱，由图中可见，其分子指纹特征与使用传统FTIR光谱仪获得的分子指纹特征吻合度极高，这在基础研究和实际应用方面都具有重要意义，因为研究者可以将nano-FTIR光谱与已经广泛建立的传统FTIR光谱数据库中的数据进行对比，从而实现快速准确的进行纳米尺度下的材料化学分析。对化学成分的高敏感度与超高的空间分辨率的结合，使得nano-FTIR成为纳米分析的独特工具。 /p p style=" text-align: center " img style=" width: 450px height: 271px " alt=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/old/NewsImags/images/201481101630.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图4 Nano-FTIR所获得的光谱图与传统红外光谱图的比较 /p p 　　但目前昂贵的价格，较为复杂的操作(需要与AFM联合使用)，以及红外光谱波段的限制(每次扫描的波数范围有限)，光谱分辨率有待提高等，仍是该类仪器需要克服的难题，同时也是未来发展的方向。 /p p 　　三、红外光谱成像的信息提取 /p p 　　使用合适的信息提取方法，从像素光谱中获得所需要的信息，是红外光谱成像技术应用的关键。成像所测量的数据为若干个像素的红外光谱，这些像素具有特定的空间位置，一般用横坐标和纵坐标来表示。如果按照测量时的空间位置进行排列，像素光谱数据需要表示为一个r*c*n维的矩阵，因此需要使用适当的数据处理方法，对上述矩阵进行降维。若将每张像素光谱均转换为反映特定信息的单一数值之后，再按照像素的空间位置将这些数值排列成一个r*c维的矩阵，然后以二维或三维图形表示出来，就得到了反映特定信息的数据采集区域的化学图像。 /p p 　　常见的降维手段包括：像素光谱平均强度图像，该方法可以反映测试区域内样品数量较多的位置 像素光谱图像特征峰强度或面积图像，该方法可以反映测试区域样品中特征官能团的分布情况 使用模式识别方法对像素光谱进行分类，根据像素光谱所属类别将成像区域分割为不同部分，对各个部分的典型像素光谱进行解析，可以了解一些成分的分布情况等。 /p p 　　本课题组近期也提出了两种新的振动光谱成像数据信息提取方法。 “主成分载荷乘积聚类分析-交替最小二乘法” 可用于没有参考信息时的样品化学成分非靶向解析 “偏最小二乘投影-相关系数法”，则主要用于已知目标成分的靶向检测，对微量成分的识别能力更强。若有兴趣可查阅相关文献，此处不多加描述。 /p p style=" text-align: right " 　　(撰稿人：清华大学 周群) /p p style=" text-align: right " 　　注:文中观点不代表本网立场,仅供读者参考 /p