20世纪80年代开始，非制冷红外焦平面阵列探测器在美国军方支持下发展起来的，在1992年全部研发完成后才对外公布。初期技术路线包括德州仪器研制的BST热释电探测器和霍尼韦尔研制的氧化钒（VOx）微测辐射热计探测器。后来由于热释电技术本身的一些局限性，微测辐射热计探测器逐渐胜出。2009年，L-3公司最终宣布停止继续生产热释电探测器。

之后，法国的CEA/LETI以及德州仪器公司又分别研制了非晶硅（a-Si）微测辐射热计探测器。霍尼韦尔后来把技术授权给数家公司生产制造，CEA/LETI的技术在新成立的ULIS公司生产。而后的近20年内，美国的非制冷探测器发生过多次的公司并购重组，目前世界上主要的非制冷焦平面探测器制造商及各自的市场份额如图1所示。

从目前到未来相当长的时间内，非制冷市场将是VOx技术与a-Si技术两者竞争的舞台。由于VOx发展时间长，并且美国是全球最大的红外市场，所以VOx探测器目前占据的市场份额处于领先地位。

图1主要非制冷焦平面探测器制造商及市场份额

非制冷红外焦平面探测器工作原理

非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量，其基本原理（图2）：a):红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化；b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；c):CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。

图2 非晶硅红外探测器工作原理

为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间常数，因此MEMS像元一般设计成如图3所示的结构。利用细长的微悬臂梁支撑以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。在衬底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。像元微桥通过悬臂梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。所以，非制冷红外焦平面探测器是CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。

图3 非晶硅红外探测器结构

(3）应用领域

非制冷红外探测器在军事和商用领域具有非常广泛的应用：

（a）军事领域

军事领域应用包括武器热观瞄（TWS）、便携式视觉增强、车载视觉增强（DVE）、远程武器站（RWS）、无人机（UAV）、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等，如图4所示。

图4 非制冷红外探测器在军事领域的主要应用

（b）热像测温领域

热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面，用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等，如图5所示。

图5 非制冷红外探测器在热像测温领域的主要应用

（c）商用视觉增强领域

商用视觉增强的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等，如图6所示。主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势，对人眼视觉进行有效的补充。

图6非制冷红外探测器在商用视觉增强领域的主要应用

非制冷红外探测器主要制造厂商美国FLIR SYSTEMS公司技术发展情况

（一）Boson长波红外热像仪机芯重新定义了尺寸、重量和功率(SWaP)的革新标准，再次引领行业先锋。Boson采用FLIR全新的XIR™可扩展红外视频处理架构，在融合 了先进的图像处理技术、视频分析功能、外围传感器驱动、以及数个工业标准通信 接口的同时，仍保持了极低的功耗。此外，Boson提供种类繁多的镜头供客户选择， 因此，热像仪机芯的最终尺寸和重量根据镜头选择而定。Boson小巧、轻便、功能强大。

（二）FLIR Lepton® 是一款长波红外（LWIR）热像仪，价格不到传统热像仪的十分之一。Lepton拥有80 × 60有效像素的分辨率，可将热成像技术用于新一代电子设备，能够满足工作、娱乐和任务关键型应用的需求。

Lepton拥有三种不同型号： 50°视场角（不带快门）、25°视场角（不带快门）以及 50°视场角（带快门，手动校准）。

（三）Tau 2 具有以下两个重要突破：

FLIR 还提供了三种低成本的 Tau 2 选择，以用于不需要高分辨率成像的应用：

Tau 2 160，160×128，25 μ-像元间距

Tau 2 162，160×128，50 μ-像元间距

Tau 2 168，160×128，34 μ-像元间距

关键词:非制冷探测器 红外热像仪 测试测量

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编辑：FLIR

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