紅外技術

Infrared Technique

紅外技術；紅外探測器；紅外系統

信息系統技術；探測技術;

1.紅外輻射的性質，其中有受熱物體所發射的輻射在光譜、強度和方向的分佈；輻射在媒質中的傳播特性--反射、折射、衍射和散射；熱電效應和光電效應等。

2.紅外元件、部件的研製，包括輻射源、微型製冷器、紅外窗口材料和濾光電等。

3.把各種紅外元、部件構成系統的光學、電子學和精密機械。

4.紅外技術在軍事上和國民經濟中的應用。由此可見，紅外技術的研究涉及的範圍相當廣泛，既有目標的紅外輻射特性，背景特性，又有紅外元、部件及系統；既有材料問題，又有應用問題。

探測技術 ;精確制導技術；光電子技術；先進材料技術 [技術難點]

紅外技術的發展關鍵在於紅外材料的研製、紅外設備的製冷、紅外設備向更長波段發展、紅外焦平面陣列器件的研製和紅外設備與數據處理設備的結合等。

自從1800年英國天文學家F·W·赫歇爾發現紅外輻射至今，紅外技術的發展經歷了將近兩個世紀。從那時開始，紅外輻射和紅外元件、部件的科學研究逐步發展，但發展比較緩慢，直到1940年前後才真正出現現代的紅外技術。當時，德國研製成硫化鉛和幾種紅外透射材料，利用這些元、部件製成一些軍用紅外系統，如高射炮用導向儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測和跟蹤系統，機載轟炸機探測儀和火控系統等等。其中有些達到實驗室試驗階段，有些已小批量生產，但都未來得及實際使用。此後，美國、英國、前蘇聯等國競相發展。特別是美國，大力研究紅外技術在軍事方面的應用。目前，美國將紅外技術應用於單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監視、預警、跟蹤以及武器制導等各個領域。

紅外技術發展的先導是紅外探測器的發展。

F·W·赫歇爾發現紅外輻射時使用的是水銀溫度計，這是最原始的熱敏型紅外探測器。

相繼研製出溫差電偶的熱敏探測器、測輻射熱計等。在1940年以前，研製成的紅外探測器主要是熱敏型探測器。

科學家們使用熱敏型紅外探測器，認識了紅外輻射的特性及其規律，證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質，遵守相同的規律。它們都是電磁波之一，具有波動性，其傳播速度都是光速、波長是它們的特徵參數並可以測量。

測量了大量的有機物質和無機物質的吸收、發射和反射光譜，證明了紅外技術在物質分析中的價值。

首次出現紅外光譜代，以後，它發展成在物質分析中不可缺少的儀器。

光電型紅外探測器問世，以硫化鉛紅外探測器為代表的這類探測器，其性能優良、結構牢靠。

半導體物理學的迅速發展，使光電型紅外探測器得到新的推動。

對於1～3、3～5和8～13微米三個重要的大氣窗口都有了性能優良的紅外探測器。在同一時期內，固體物理、光學、電子學、精密機械和微型致冷器等方面的發展，使紅外技術在軍、民兩用方面都得到了廣泛的應用。

60年代中葉起，紅外探測器和系統的發展體現了紅外技術的現狀及發展方向。

1.在1～14微米範圍內的探測器已從單元發展到多元，從多元發展到焦平面陣列。紅外探測器最早是用單元探測器，為了提高靈敏度和解析度，後來發展為多元線列探測器。多元線列探測器先後掃過(串掃)同一目標時，它輸出的信噪比可比單元探測器高n（開平方）倍，n為元數。如果多元線列探測器平行掃過(平掃)目標時，則可獲得目標輻射的一維分佈。以線列探測器為基礎的紅外探測系統，大都安裝在飛機或衛星遙感平台上，平台的前進運動垂直於線列作為第二維時，就可得到目標輻射的分布圖像。現在，紅外探測器已從多元發展到焦平面陣列，相應的系統已實現了從點探測到目標熱成像的飛躍。紅外熱成像儀是一種最有發展前途的設備，代表著夜視器材的發展方向，它用焦平面陣列取代了光機掃描結構。目前，長波碲鎘汞(HgCdTe)探測器面陣已達640×480元，焦平面陣列探測器的實驗室水平已達256×256元，預計到2000年可達到百萬元。

2.紅外探測器的工作波段從近紅外擴展到遠紅外。早期的紅外探測器通常工作在近紅外。隨著紅外技術的發展，紅外探測器的工作波段已擴展到中紅外和遠紅外，例如，美國國防高級研究計劃局提出了一項超波譜地雷探測計劃，目的是為了提供一種安全有效地探測地雷的方法。該計劃採用空間調製成像傅里葉變換光譜儀，這是一種紅外感測器，它已在直升機上進行了近、中波段的試驗，下一步計劃把工作波段延伸到遠紅外。遠紅外已經成為科學家們關注的重點。

3.輕小型化。非致冷、集成式、大面陣紅外探測器方向發展。採用低溫製冷技術，是為了提高紅外探測器件的靈敏度和輸出信號的信噪比，使其具有良好的性能，但它也使紅外探測器體積大、成本高。為了實現小型化，必須減少製冷設備和相關電源，因此，高效小型製冷器和無需製冷的紅外探測器將是今後的發展方向。如採用非致冷工作的紅外焦平面陣列技術，不僅可使系統成本降低2個數量級，而且可以使體積、重量和功耗也將大大減少。此外，利用材料電子計算機和微電子方面的最新技術，可使紅外探測器與具有一定數據處理能力的數據處理設備相結合，使其輕集成化、大面陣、焦平面化方向發展，以提高其性能，實現對室溫目標的探測。

4.紅外探測系統從單波段向多波段發展。正如前面所述：在大氣環境中，目標的紅外輻射只能在1～3、3～5和8～13微米三個大氣窗口內才能有效地傳輸。如果一個紅外探測系統能在兩個或多個波段上獲取目標信息，那麼這個系統就可更精確、更可靠地獲取更多的目標信息，提高對目標的探測效果，降低預警系統的虛警概率，提高系統的搜索和跟蹤性能，適用更多的應用需求，更好地滿足各軍兵種的需要。目前，多波段的紅外探測系統已經研製成功，如法國和瑞典聯合研製的"博納斯"末敏子彈藥，就採用了多波段紅外探測系統探測目標。

60年代激光的出現極大地影響了紅外技術的發展，很多重要的激光器件都在紅外波段，其相干性便於移用電子技術中的外差接收技術，使雷達和通信都可以在紅外波段實現，並可獲得更高的解析度和更大的信息容量。在此之前，紅外技術僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術用於紅外探測，使探測性能比功率探測高好幾個數量級。另外，由於這類應用的需要，促使出現新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術向更先進的方向發展。

紅外應用產品種類繁多，非一篇文章所能描述，本文僅選擇紅外熱像、紅外攝像、紅外通訊、紅外光譜儀、紅外感測器等幾個比較大的領域做介紹。

紅外熱像儀行業是一個發展前景非常廣闊的新興高科技產業，也是紅外應用產品中市場份額最大的一塊，在軍民兩個領域都有廣泛的應用。紅外熱像儀在現代戰爭條件下的衛星、導彈、飛機等軍事武器上獲得了廣泛的應用。同時，隨著非製冷紅外熱成像技術的生產成本大幅度降低，該產品的應用已延伸到了電力、消防、工業、醫療、安防等國民經濟各個部門。過去國內市場一直由FLIR、FLUKE等國外知名企業佔領。不過最近10年來，這個領域發生了可喜的變化，國內紅外熱像儀企業在產品技術、性能和質量等方面的改進，市場份額逐步擴大，湧現出了大立科技、昆明北方紅外、武漢高德、颯特紅外等知名企業，經過這幾年的發展，已經積累相當的技術力量。

目前國產產品在性能上已經和進口產品接近，但進口產品的價格高出國內產品50%以上。隨著紅外熱像儀在消防、電力、建築等行業的擴張，國際民用紅外熱像儀行業迎來了市場需求的快速增長期。2004年全球民用紅外熱像儀及系統產量約為5萬台，而2006年，僅FILR公司就取得了寶馬汽車公司為其新款7系列轎車配備的紅外熱像儀訂單，並獲得了美國政府35萬台的出口許可申請。2006年全球民用紅外熱像儀的銷售額為16.3億美元，同比增長17.35%。

據美國著名高科技行業諮詢公司Maxtech International的預測，未來5年全球民用紅外熱像儀市場需求年均增長率將達到15%，到2012年，全球民用紅外熱像儀的市場需求將達到38.12億美元。由於國內經濟高速發展，中國紅外熱像儀市場的年均增長率可以達到20%，預計2011年中國民用紅外熱像儀市場的需求量可以達到9.95億元。以美國為例，2000年，美國紅外成像與紅外測溫系統的市場銷售總額為18.2億美元，比1999年增長了3%，預計到2008年，總的市場銷售額將達到28.2億美元，年綜合增長率達到6.5%。

“我國紅外熱像儀市場還處於起步階段，未來發展空間巨大。”中國光學學會常務理事兼秘書長倪國強先生在中國光電產業高層論壇上表示：在發達國家的軍用領域，紅外熱像儀已得到非常廣泛的配置，例如海灣戰爭中平均每個美國士兵配備1.7具紅外熱像儀。與發達國家相比，目前我國軍隊中紅外熱像儀的應用相對較少，其市場遠景需求量相當巨大。隨著高性能多色紅外焦平面以及智能靈巧型片上圖像處理技術的發展，預計這一比例還將繼續走高。

隨著北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等國內大型活動的增加，對安全的要求越來越嚴格，越來越多的場所需要24小時持續監控。紅外線在夜間監視的應用更加突出，不僅金庫、油庫、軍械庫、圖書文獻庫、文物部門、監獄等重要部門採用，而且也在一般監控系統中也被廣泛採用，甚至居民小區監控工程也應用了紅外線攝像機。帶動了紅外攝像市場持續升溫。根據2006年的一份調查報告，相比紅外熱像儀，紅外攝像機的技術門檻不高，目前大部分國內市場被國內品牌佔據，外國品牌只佔據了一部分高端市場。從國內紅外攝像機分佈來看，深圳最多，佔總數的64%，與東莞、浙江形成了我國的三大產業基地。

我國的紅外攝像企業以生產、貿易為主，能夠自主創新的不多。未來提高自主研發能力將是發展的主要方向，只有這樣才能向全球擴張、賺取更高的利潤。

傳統的紅外通訊應用主要在與家電和汽車防盜遙控器方面，由於調製技術、相關收發器技術的快速發展，紅外傳輸應用也發生了質的飛躍。1993年國際紅外線協會在美國成立，積極整合建立紅外傳輸的標準，極大地推動了紅外產品的發展。

2000年全球已有1．7億台配有國際紅外線協會模組的電子產品進入市場，尤其在電子遊戲機市場有極大的潛力。2001年，在信息收發模組方面，由於國際紅外線協會模組的價格已從早期的5美元降至2美元，國際大廠紛紛在亞太地區一些勞動力相對低廉的地方尋求加工場所，估計年產值將有1億多美元的規模，當時一些IC設計公司、系統與應用軟體廠商已積極投入應用產品的研究與生產，目前已經形成一定規模。

個人筆記本、PDA、數碼相機等產品的普及帶動了紅外傳輸的發展。國際紅外線協會1994年推出了1．0版紅外線資料交換標準，傳輸速度為115．2Kbps，目前的最大傳輸速度最大速率已達4Mbps以上。2006年，紅外無線技術已經有了龐大的用戶群。當時紅外數據通訊技術(IRDA)已擁有每年一億五千萬套的設備安裝量，並且它保持著每年40%的高速增長。網舟諮詢在近期發布的《無線短距離通訊技術市場研究報告》中認為，強勁的增長數字錶現在全球範圍內廠商對於紅外通訊仍持有的樂觀態度，紅外通訊技術已被全球範圍內的眾多軟硬體廠商所支持和採用，目前主流的軟體和硬體平台均提供對它的支持。手機市場上，各大主流廠商也早已在其產品中配套支持了紅外通訊技術。從當前的情況來看，紅外技術無論是從應用覆蓋度，技術成熟度和用戶接受度來說，都在各類無線通訊技術中處於領先地位。

在遙控器市場方面，市場研究機構Instat公司預測，2005年，全球應用於IrDA領域的8位控制器的單位出貨量將達到2.06億個，到2009年將達到3.73億個。據介紹，Zilog公司自1993年進入遠程控制市場以來，產品銷量以超過2.75億，2004年公司交付了大約4，000萬片的IrDA相關晶元。目前，公司的IrDA晶元的解決方案型號已超過12，000種，所服務的遙控器品牌也超過1，300種，客戶包括飛利浦、三星、索尼、Yamaha，東芝，微軟等。目前全球萬能紅外遙控器市場佔到了70、80%的市場份額，特別是在歐美市場等。

紅外光譜儀主要用於化學物理分析領域，可應用於各種物理化學實驗室、石油、農業、檢測等領域。按應用範圍可分為通用型紅外光譜儀和專用紅外光譜儀，按波長範圍分可分為近紅外光譜儀和遠紅外光譜儀，目前以近紅外光譜儀為主。現代近紅外光譜分析技術包括了近紅外光譜儀、化學計量學軟體和應用模型三部分。只有三者的完美結合才能達到高性能的要求。目前近紅外專用光譜儀器的研製及應用在國內已受到很多專家的關注，並已開發研製出一批適應國內分析對象的儀器及應用軟體。如，中國石油科學院的一批年輕學者在陸婉珍院士的帶領下，研製和開發出了有我國自主知識產權的近紅外專用光譜儀器及其在我國石油科學中應用的一些軟體；以北京農業大學嚴衍祿教授領導的“中國農業近紅外分析技術網路系統”課題已完成，研製和開發了有自主知識產權的、適用於中國農業品品質的分析的軟體；相秉仁教授在中國藥科大學分析計算中心建立了Internet近紅外光譜分析虛擬建模中心，進行近紅外光譜分析的建模和數學模型維護等工作，並建立了一些中草藥近紅外分析的數學模型。

06年初，國家食品藥品監督管理局（SFDA）通過招標的方式訂購了總計超過300餘台進口傅立葉變換近紅外光譜儀。財政部當時加上後續的維護費，撥了共 5億人民幣的資金。假如能夠實現國產的話，可以節省一大筆外匯。我國目前的相關企業有聚光、英賢、大連依利特、東西電子、普析通用等，主要做低端產品，高端產品還無法和國外抗衡。

國產的通用型紅外光譜儀FT–IR主要是北分瑞利分析儀器公司引進的美國Analect公司技術生產的幾種不同型號的、不同檔次的產品，但是量很少。專用紅外光譜儀方面，近紅外光譜的一些專用紅外光譜儀在國內有較大的潛在市場，主要是在農業中農產品品質分析和石油化工中石油產品生產過程中質量控制及產品品質分析中有很大的市場。但是由於近紅外分析需要根據分析對象引入一些數學模型，分析對象不一樣，其數學模型也有所不同。因此，國外的近紅外專用光譜儀所帶的分析軟體（是根據國外的分析對象的數學模型設計的），並不一定適合於國內的分析對象，致使近年來引進的一些近紅外專用光譜儀器在國內並沒有發揮多大作用，加之國外近紅外專用光譜儀器價格又偏高，國內進口的近紅外專用光譜儀器並不多。

紅外線對射管的驅動分為電平型和脈衝型兩種驅動方式，本系統中紅外感測器選用脈衝型驅動方式。由紅外線對射管陣列組成分離型光電感測器。該感測器的創新點在於能夠抵抗外界的強光干擾。太陽光中含有對紅外線接收管產生干擾的紅外線，該光線能夠將紅外線接收二極體導通，使系統產生誤判，甚至導致整個系統癱瘓。本感測器的優點在於能夠設置多點採集，對射管陣列的間距和陣列數量可根據需求選取。

在實現遠距離溫度監測與控制方面，紅外溫度感測器以其優異的性能，滿足了多方面的要求。在產品加工行業，特別是需要對溫度進行遠距離監測的場合，都是溫度感測器大顯身手的地方。在食品行業紅外溫度可以在不被污染的的情況下實現食品溫度記錄，因此備受歡迎。光纖紅外感測器還具有抗電磁和射頻干擾的特點，這為攜帶型紅外感測器在汽車行業中的應用又開闢了新的市場。

隨著紅外測溫技術的普遍應用，一種新型的紅外技術—智能（Smart）數字紅外感測技術正在悄然興起。這種智能感測器內置微處理器，能夠實現感測器與控制單元的雙向通信，具有小型化、數字通信、維護簡單等優點。當前，各感測器用戶紛紛升級其控制系統，智能紅外感測器的需求量將會繼續增長，預計短期內市場還不會達到飽和。

另外，隨著攜帶型紅外感測器的體積越來越小，價格逐漸降低，在食品、採暖空調和汽車等領域也有了新的應用。比如用在食品烘烤機、理髮吹風機上，紅外感測器檢測溫度是否過熱，以便系統決定是否進行下一步操作，如停止加熱，或是將食品從烤箱中自動取出，或是使吹風機冷卻等。隨著更多的用戶對攜帶型紅外溫度感測器的了解，其潛在用戶正在增加。

由於紅外溫度感測器在實現遠距離控溫及無接觸測溫等方面的優勢，使其產量每年以10%的速度增長。在1996年至1997年間，其產量從15.5萬隻增長到23萬隻；總銷售額也從2.3億美元增長到3億美元。2006年，市場銷售總額將達到5.576億美元，總產量將超過48.9萬隻。

對於紅外感測器的全球市場，第三世界國家將比歐美更加看好。雖然歐美很多工業國家加工業廣泛，但其市場以趨向飽和；而在中國以及拉美一些新興國家和地區，隨著其經濟的復甦與發展，各國各地區紛紛加強工業化建設，加工廠不斷增多，紅外感測器在該區域的銷量每年以2%～5%的速度增長，並且其市場銷量還處於增長趨勢。

[影響]

產生紅外輻射的物體就是紅外輻射源。物理學的研究告訴我們，在自然界中，任何溫度高於絕對零度(0°K或-273℃)的物體都在向外輻射各種波長的紅外線，物體的溫度越高，其輻射紅外線的強度也越大。我們根據各類目標和背景輻射特性的差異，就可以利用紅外技術在白天和黑夜對目標進行探測、跟蹤和識別，以獲取目標信息。在現代戰爭中，獲取戰場信息的優勢已經成為掌握戰爭主動權的關鍵，紅外技術是從空中和空間獲取戰場信息的關鍵技術之一，因此，許多國家均投入很大的人力和物力去研究紅外技術，並將其廣泛地應用于軍事領域，併產生巨大影響。1.成為軍事目標的偵察、監視、預警與跟蹤的重要手段。一切軍事目標，如海洋中的艦船、地面部隊行動及各種裝備、空中的飛機、導彈，都散發熱量，發出大量的紅外輻射。利用紅外技術裝備，就可以從空中和空間對這些目標進行偵察、監視與跟蹤。如偵察衛星依靠紅外成像設備和多光譜儀可以白天黑夜地獲取大量的軍事情報。裝有紅外探測器的導彈預警衛星從70年代以來，一直監視著世界各國的彈道導彈發射，為國家及軍事指揮部門提供警報，如目前美國國防支援計劃中的預警衛星在幾十秒鐘內，就可以鑒別來襲導彈的發射和方向，據說將來美國的天基紅外系統可在20秒內，提供有關導彈發射和方向方面的精確信息，為攔截來襲導彈提供寶貴的預警時間。又如，在1991年的海灣戰爭中，美國的導彈預警衛星把伊拉克的所有導彈發射盡收眼底，然後及時地把有關信息傳送給美軍的"愛國者"導彈部隊，使"愛國者"導彈有效地攔截了伊方的"飛毛腿"

紅外技術作為一種高技術，它與激光技術並駕齊驅，廣泛應用於工業、農業、醫學、交通等各個行業和部門。紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外防偽更是各行業爭相選用的先進技術。如今開發的產品已經得到普遍運用，但是，科技在進步，產品也會更新。接下來我們詳細介紹光電探測器這個在紅外技術中突顯作用最大之一的產物。

光電探測器作為紅外輻射光子在半導體材料中激發非平衡載流子(電子或空穴)，引起電學性能變化。因為載流子不逸出體外，所以稱內光電效應。量子光電效應靈敏度高，響應速度比熱探測器快得多，是選擇性探測器。為了達到最佳性能，一般都需要在低溫下工作。光電探測器可分為：

光伏型：主要是p－n結的光生伏特效應。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結區及其附近激發電子空穴對。存在的結電場使空穴進入p區，電子進入 n 區，兩部分出現電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導探測器比較，光伏探測器背影限探測率大於40%；不需要外加偏置電場和負載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。這些特性給製備和使用焦平面陣列帶來很大好處。

光導型：又稱光敏電阻。入射光子激發均勻半導體中的價帶電子越過禁帶進入導帶並在價帶留下空穴，引起電導增加，為本徵光電導。從禁帶中的雜質能級也可激發光生載流子進入導帶或價帶，為雜質光電導。截止波長由雜質電離能決定。量子效率低於本徵光導，而且要求更低的工作溫度。

量子阱探測器(QWIP)：將兩種半導體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。90年代以來發展很快，已有512×512、64 0×480規模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面製成相應的熱像儀誕生。因為入射輻射中只有垂直於超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應光譜區窄；低溫要求苛刻。人們正深入研究努力加以改進，可望與碲鎘汞探測器一爭高低。

隨著家用電器、視聽產品的普及，自動化辦公設備的廣泛應用和網路化的不斷發展，越來越多的產品具有了待機功能（如遙控開關、網路喚醒、定時開關、智能開關等）。產品的待機功能實現遙控操作，極大地方便了我們的生活，但也浪費了大量的能源。中國節能產品認證中心（CECP）調查顯示，全球每個家庭處於待機狀態下的家電相當於亮著一個15 W～30 W 的長明燈，僅一台彩電每年在“無用待機狀態”下浪費電力近100°，在我國彩色電視機待機一項一年就浪費電力150 多億度，相當於十幾個大型火力發電廠白白髮電。澳大利亞電器設備能源委員會新近的研究成果顯示，不僅會耗費可觀的電能，每月支付數額不小的“冤枉電費”，而且其

釋放大量有害氣體二氧化碳在一定程度上加速了氣候的變暖。利用本系統可以良好的達到節能和環保的效果。同時在家庭或工業控制現場，一些手動操作不太方便的場合，可以使用現有遙控器通過設置代替手動操作，比如可以利用家中現有的彩電遙控器，控制其它沒有遙控功能的電器（如電燈、計算機、音響、電腦、印表機、飲水機、熱水器等），方便生活。