紅外焦平面探測器
一、引言
本世紀中超大規(guī)模集成電路和微電機械加工（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，使紅外探測器技術(shù)取得了驚人的進展，紅外焦平面陣列技術(shù)是這種技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。因紅外探測的隱蔽性和有效性，其應(yīng)用領(lǐng)域主要是軍事方面，對該技術(shù)的迫切期望使之成為軍方的“寵兒”。特別是冷戰(zhàn)軍備競賽，軍方投入巨資使紅外探測技術(shù)發(fā)展突破了前進道路上一個又一個的障礙，使紅外探測器技術(shù)從30年代單一的PbS器件發(fā)展到現(xiàn)在的多個品種，包括InSb、HgCdTe、PtSi、InGaAs、GaAlAs、非本征硅等量子探測器、 Vox、PZT、多晶硅和非晶硅等熱探測器；從單元器件發(fā)展到目前焦平面信號處理的大型紅外焦平面探測器。其陣列集成規(guī)模已高達2048′2048元[2]，從低溫工作發(fā)展到了目前的77K或室溫工作陣列，特別是近年的發(fā)展已接近于可見光CCD、APS和CMOS圖像傳感器的水平。同時紅外探測技術(shù)正在急速地拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域和市場，迅速地滲透到廣闊的商用領(lǐng)域，改變其長期以來主要用于軍用領(lǐng)域的狀況。
二、器件制造技術(shù)的發(fā)展趨勢
1、陣列集成規(guī)模將進軍4K′4K
超大規(guī)模微電子集成電路制造技術(shù)是實現(xiàn)紅外焦平面陣列工作的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。由于過去30年間存儲器芯片尺寸和微處理器技術(shù)所取得的進步，預(yù)期未來10~20年間仍將保持穩(wěn)步攀升的勢頭。而可見光Si-CCD 器件焦平面集成尺寸在90年代中期已達到16M（4096′4096像元）。DRAM和Si-CCD的發(fā)展為實現(xiàn)2K′2K以上乃至4K′4K（16M）紅外焦平面集成開辟了道路。
紅外焦平面陣列由紅外焦平面探測器和硅信號處理多路傳輸器組成，其集成發(fā)展要比DRAM和Si-CCD晚1~2代。目前的PtSi和短波HgCdTe陣列已達到了2K′2K的水平，預(yù)計到2005年焦平面陣列集成規(guī)?？蛇_4096′4096。陸軍研究實驗室、雷聲公司和洛克威爾國際科學中心采用分子束外延（MBE）工藝在Si片上生長制作1K′1K和2K′2K的陣列已經(jīng)取得很大進展。
2、探測器元尺寸
為實現(xiàn)1M級以上的高密度焦平面陣列集成，縮小探測器元尺寸是必要的。目前的大型陣列如柯達KIR-3900型PtSi 1968×1968元陣列像元尺寸為17′17mm2，洛克威爾PACE-1型2048′2048元HgCdTe 短波焦平面陣列的設(shè)計規(guī)格為0.8mm，像元尺寸18′18mm2 [2]，雷聲公司和噴氣式推進實驗室分別為8~9mm2和14~15mm2，洛克希德馬丁公司的640′480元非致冷陣列為28′28mm2，這些像元尺寸都已大大縮小。相應(yīng)的信號處理讀出集成電路多路傳輸器技術(shù)必須能滿足發(fā)展這種高密度大型陣列的需求，如洛克威爾HAWAⅡ-2 2048′2048位CMOS多路傳輸器讀出集成電路（ROIC），其光刻的每一、四象限曝光區(qū)精度達0.05mm，晶體管數(shù)達1300萬個，目前的這一水平已是非常高的了。預(yù)計在這一基礎(chǔ)上像元尺寸還會進一步縮小。對于SWIR和MWIR探測器，可由下式來量化推斷其像元尺寸：
d=2.44λf[5]式中：d—衍射限制光斑尺寸；
λ—波長；
f—聚焦透鏡的焦距。
對于f/2.0光學透鏡，5mm波長的光斑尺寸為25mm2，目前的MWIR 480′640元生產(chǎn)陣列，其像元尺寸為20mm。把用戶通常超取樣的因素考慮進去，像元尺寸可縮小到12mm數(shù)量級，甚至可縮小到10mm。原則上說來，長波陣列像元減小尺寸不會明顯低于20mm，但預(yù)期由于讀出設(shè)計和超取樣，終的中波和長波陣列像元尺寸也將會一樣小。
3、雙色和多色陣列
雙色和多色工作的紅外焦平面陣列傳感器將是2020年前發(fā)展的重要課題。由于軍事和空間應(yīng)用的推動與牽引，雙色傳感器已取得了顯著的進展，像美國加州理工大學、噴氣式推進實驗室、洛克希德馬丁等軍事和航天部門都在加緊發(fā)展這種傳感器，目前陣列已高達640′480元的焦平面陣列，是一種采用GaAlAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)的雙色傳感器[1]。同時有關(guān)專家已研制出雙色陣列攝像機，2~3年后將投入生產(chǎn)，其性能與單色傳感器攝像機一樣好，預(yù)期其用量將不斷增長。在雙色紅外焦平面陣列技術(shù)取得的成果基礎(chǔ)上，將繼續(xù)發(fā)展三色或四色紅外焦平面陣列技術(shù)。
4、主流傳感器將是廉價的非致冷紅外焦平面陣列
雖然致冷工作的光量子型焦平面陣列技術(shù)已發(fā)展了數(shù)十年的時間，取得了舉世矚目的進展，但由于需致冷到約77K低溫工作，這對于降低價格和實現(xiàn)小型高密度的便攜式系統(tǒng)不利，妨礙了其推廣應(yīng)用。無論廣大的商用市場或軍用市場都迫切需要一種既能滿足應(yīng)用且價格低廉的消耗性紅外傳感器。光量子型紅外焦平面陣列技術(shù)雖然具有低的靈敏度，但卻不能滿足第二個條件。由于非致冷紅外焦平面陣列微橋結(jié)構(gòu)的靈敏度已達到第一代和第二代致冷焦平面陣列之間的水平，其NETD通常優(yōu)于0.1K，可達0.05K[1]，目前telops的紅外熱像儀產(chǎn)品普遍可以達到14 mK，這個精度已經(jīng)達到軍用科研級別，遠遠超過商業(yè)應(yīng)用的要求。如薩爾洛夫公司用Si3N4作絕緣層的陣列設(shè)計時，其NETD可達到0.05K，用 SiC時為0.01K，雷聲公司已演示了320′240元的雙層結(jié)構(gòu)傳感器攝像機[6]，其像元尺寸為25′25mm2。而通常的商用紅外攝像機系統(tǒng)的靈敏度在0.08~0.1K，目前洛克希德馬丁公司的640′480元非致冷紅外攝像機的靈敏度<150mK（F/1，30Hz）[7]、可分辨的溫度<0.40℃（尼奎斯特頻率）。未來的靈敏度提高將向焦平面理論值—0.002K的方向努力（50mm2像元尺寸），預(yù)計2020年前將發(fā)展成為今后紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展的主流傳感器，從而成為滿足軍用和商用的高密度小型化的廉價消費性傳感器，其機型將類同于可見光Si-CCD一體化攝錄機。
總之，在紅外探測方面，未來紅外焦平面探測器的發(fā)展，一是探索新穎的器件結(jié)構(gòu)，二是采用改進的材料，以獲得更高集成密度的廉價焦平面陣列傳感器，同時大幅度地提高陣列性能，而長期形成的1~3mm，3~5mm和8~14mm三個紅外探測窗口的概念不會變化。
三、拓展應(yīng)用
長期以來，紅外探測器主要應(yīng)用于為數(shù)有限的高級軍用系統(tǒng)裝備。隨著紅外焦平面陣列技術(shù)的飛速發(fā)展，使其在軍用和民用方面，有了潛在性的大批量應(yīng)用前景。
1、多光譜和超光譜遙感
從空間對地球陸地和海洋的監(jiān)察在民用和軍用方面都具有重要的意義。事實上，發(fā)達國家一直都在發(fā)展多光譜和超光譜遙感技術(shù)。由于器件技術(shù)的限制，目前為止大多采用可見光—近紅外（VIS-NIR）成像光譜儀。由于紅外焦平面陣列技術(shù)已由單像元單色發(fā)展到雙色，并向三色、四色的方向發(fā)展，預(yù)計2020年前將獲得超光譜應(yīng)用的能力。目前雙色凝視焦平面陣列的野外測試已在進行[8]。同時采用光譜濾波器線陣多色焦平面可實現(xiàn)覆蓋可見光到長波紅外的探測，其光譜段已可多達數(shù)十個到數(shù)百個。美國波音飛機公司電子系統(tǒng)和導(dǎo)彈防御部在這方面的研究已取得了很大的進展，波音/羅克威爾的遙感器用HgCdTe多光譜紅外焦平面PACE-1已達1024′1024元，Hawaii-2 2048′2048元陣列已制作出來[2]，其像元尺寸小達18′18mm2。海軍研究實驗室的超光譜遙感技術(shù)計劃和海軍測繪觀測衛(wèi)星成像光譜區(qū)的波長區(qū)為0.4~2.5mm[8]，光譜通道多達210~512個[8]。
使用多光譜和超光譜遙感衛(wèi)星對海洋、陸地、大氣層、氣象、農(nóng)業(yè)和森林有效地監(jiān)控具有重要的軍用和商用價值。例如，森林遭到嚴重破壞造成覆蓋面積減少，而生長新一代森林需上百年時間；輻射垃圾處理，臭氧消耗和CO2積累引起的全球變暖問題等。人類正面臨著對全球性污染和氣候變化帶來的災(zāi)害采取補救性措施的問題，要解決這一問題也許要花費數(shù)百年的時間。紅外多光譜和超光譜傳感器系統(tǒng)將會提供有效的監(jiān)控，提供氣候變化的趨勢和世界上陸地情況變化的詳細圖像照片，更為準確的大范圍的災(zāi)難性天氣預(yù)報。圖1左邊是衛(wèi)星提供的全球植被生長情況，右邊是全球陸地溫度變化照片[5]。
2、限制大規(guī)模毀滅性武器擴散監(jiān)控
加緊發(fā)展這種更加先進的紅外焦平面陣列傳感器，對限制全球大規(guī)模毀滅性武器擴散監(jiān)控具有重要的意義。顯然，這也是加緊發(fā)展這種高性能陣列技術(shù)的另一個重要推動因素。
這種先進的紅外焦平面陣列探測系統(tǒng)有希望有效地用于發(fā)現(xiàn)和分辨出核武器、生化武器和導(dǎo)彈生產(chǎn)的位置和區(qū)域，提高對導(dǎo)彈發(fā)射的探測和跟蹤能力。
3、太空天文探測
未來先進的紅外焦平面陣列傳感器將為人類的太空天文探測提供更為先進的手段。目前在許多空間探測器上已安裝上先進的紅外傳感器，并已發(fā)回了大量有關(guān)我們所在太陽系遙遠行星和月球的照片，如幾年前獲得的有關(guān)彗星撞擊木星的紅外天文照片[5]。美國航天局的哈勃（Hubble）空間望遠鏡是目前使用紅外攝像傳感器先進的空間探測器。圖2是夏威夷凱克天文臺用InSb陣列攝得的休梅克—利瓦伊彗星撞擊木星的一系列紅外圖像中的兩張照片[5]。左照片是在1.64mm波長時攝取的，右照片是在3.41mm時攝得的。
美國洛克威爾國際科學中心已研制出天文和低背景應(yīng)用的1024×1024元、2048′2048元HgCdTe短波（0.9~2.5mm）紅外焦平面陣列，采用硅CMOS信號讀出集成電路，后者已由該中心和夏威夷大學等單位完成了結(jié)果測試，該中心的下一個發(fā)展目標即是研制4096′4096元的短波和中波紅外焦平面陣列。
4、醫(yī)療衛(wèi)生
由于未來高靈敏度高分辨率廉價紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展，這種陣列攝像機技術(shù)將廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，如腫瘤的早期診斷，對糖尿病患者的血糖監(jiān)控，對麻風病的臨床診斷和醫(yī)學與遺傳學研究。迄今為止，在該領(lǐng)域應(yīng)用取得的成果表明這種應(yīng)用是成功的，特別是在腫瘤診斷方面尤其引人注目。研究發(fā)現(xiàn)，由于癌細胞釋放的氧化氮會使癌變組織周圍的組織血液發(fā)生變化，由于對癌毒素的敏感性，其周圍被癌化的組織大多是死的。用高靈敏度高分辨的紅外焦平面陣列攝像機就可探測出因這種血液量改變而導(dǎo)致的溫度改變，清楚地分辨出死組織和健康組織。美國新澤西州Omm.Corcler技術(shù)公司用噴氣式推進實驗室（JPL）研制的中等格式GaAlAs /GaAs量子阱紅外焦平面陣列（QWIRFPA）研制出了叫做Bioscan系統(tǒng)醫(yī)用診斷熱像儀[9]，用于動態(tài)區(qū)域遙控熱測量（DAT），焦平面工作波長>8mm，幀速為30Hz，NETD<30mK，1999年12月美國食品和藥品管理局已對該系統(tǒng)發(fā)放了乳腺腫瘤和其它醫(yī)療應(yīng)用的市場許可證。該儀器已在波士頓Dana-Farber癌癥研究所測試。南加州大學的一個外科小組也使用這一攝像機診斷腦腫瘤和皮癌與麻風病。在腦腫瘤截除外科手術(shù)中這種高靈敏度的熱攝像機可幫助外科醫(yī)生發(fā)現(xiàn)癌變的毛細血管。圖3是這一手術(shù)中用GaAlAs/GaAs量子阱紅外焦平面陣列攝像機獲得的腦癌手術(shù)圖像，其健康組織和癌變死組織分辨十分清晰。預(yù)期2020年前這一應(yīng)用將會急劇擴大。
5、分配孔徑紅外傳感器的（DAIRS）應(yīng)用
在天空飛行并發(fā)出熱輻射的任何物體都可能成為熱尋導(dǎo)彈的犧牲品。許多飛機甚至目前先進的軍用戰(zhàn)機等戰(zhàn)術(shù)武器，由于沒有導(dǎo)彈逼近告警器，或其告警裝置還不足以對抗先進的熱尋導(dǎo)彈，因而熱尋導(dǎo)彈對戰(zhàn)術(shù)噴氣式戰(zhàn)機、運輸機、軍用旋轉(zhuǎn)翼飛機特別是飛得低和飛得慢的飛機的威脅很大，往往離導(dǎo)彈很近，探測和反應(yīng)的時間少，幸免于難的機動能力差。基于這種情況，歐洲和美國軍方目前正在發(fā)展飛機自保護告警技術(shù)，開發(fā)數(shù)百萬探測器元集成焦平面陣列，其分辨率已達到和超過電視質(zhì)量水平，這使一種新型傳感器系統(tǒng)—分配孔徑紅外傳感器系統(tǒng)（DAIRS）得到了迅速發(fā)展。DAIRS采用6個相同的戰(zhàn)略位置探測傳感器，為軍用飛機駕駛員提供4π弧度的傳感器覆蓋區(qū)，即360°范圍的飛機處境認知（SA），包括導(dǎo)彈威脅告警、紅外搜索與跟蹤（IRST）、戰(zhàn)場殺傷評估、目標捕獲和導(dǎo)航，還可為水面船只、陸地裝甲車輛和無人駕駛作戰(zhàn)飛機等提供這種SA信息。圖4是這種DAIRS傳感器的使用概念，為360°球體覆蓋。6個相同的傳感器中，每個視場均為90°′90°，4p覆蓋區(qū)。傳感器由紅外焦平面陣列和信號處理器構(gòu)成，24時全天候球體監(jiān)視，空—空探測跟蹤和空—地探測跟蹤。傳感器比較大，可達1K′1K的陣列，還可更大些，幀速30frame/s，取樣速率3′107/s，可采用平形面板多功能顯示，也可采用駕駛員頭盔式顯示。
美國、俄羅斯、德國等歐洲國家和南非都一直在加緊發(fā)展導(dǎo)彈告警傳感器系統(tǒng)（MAWS）技術(shù)，并從80年代開始裝備軍隊。主要的一些公司有：美國的洛克希得 Sanders、羅斯羅普格魯曼、雷聲、辛辛那提電子和洛克希德馬丁，法國的湯姆遜，丹麥的Perlldstn和Terma電子，德國的Claimler-Chrysler和Terma LFK，南非的Grintek航空電子等，俄羅斯也裝備了自己的戰(zhàn)機。美國計劃用MAWS裝備3000架各種型號的飛機，如：F16、F22、MH-60直升飛機、SA-7G Yail等低空慢速L-130運輸機；英國準備裝備其15種不同的直升飛機和運輸機，“美洲虎”、“鷂式”和“狂風式”高速戰(zhàn)機也在裝備之中；歐洲的Typhoon和Dassualt Rafade；俄羅斯的Su-35、Su-24攻擊機和Tu-22轟炸機；南非的“大羚羊”和Roolvalk直升機；阿聯(lián)酋的“美洲豹”直升機都裝有或準備裝備MAWS。
目前使用的這種 MAWS系統(tǒng)均采用紅外和紫外傳感器。紫外傳感器雖然小巧、便宜，不需致冷，對地面熱目標引起的虛警率不敏感，但紫外輻射易被大氣層中的臭氧層吸收，因而降低了對導(dǎo)彈威脅的探測能力。紅外傳感器雖然存在著虛警率問題，但隨著紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展，特別是未來高性能大格式和廉價紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展，通常工作于中波和長波紅外波段的雙色或多色陣列比紫外傳感器更為有效。羅斯羅普格魯曼、洛克希德馬丁和雷聲幾家公司根據(jù)“聯(lián)合攻擊機（JSF）計劃”正在加緊研制分配孔徑紅外傳感器系統(tǒng)，將用具有360°視場的全球形高分辨率、低價格的紅外凝視焦平面陣列傳感器取代老式的導(dǎo)彈告警傳感器，其圖像將反射到飛機駕駛員的頭盔顯示器上，把傳感器和信號處理系統(tǒng)高度集成在一起，是系統(tǒng)的一個重要功能塊，實現(xiàn)了小型化。這將作為未來世界上數(shù)量龐大的戰(zhàn)斗機等軍用飛機必備的功能系數(shù)，數(shù)量大，而且將日益增加。
6、熱武器瞄準器（TWS）
未來作戰(zhàn)中，24小時全天候成像裝備對提高機械化部隊的作戰(zhàn)靈活性和作戰(zhàn)能力是十分重要的，步兵軍種也需獲得這種熱成像裝備，提高自身的晝夜作戰(zhàn)能力。
步兵軍種的任務(wù)是攻克和占領(lǐng)地形，這就必須在無星夜晚和雜亂的戰(zhàn)場條件下完成，要隨時看到比敵人或比自己可射擊距離更遠的地方，這就需要先進紅外傳感器技術(shù)。高性能非致冷的廉價紅外焦平面陣列為這一大批量的應(yīng)用提供了可行的支撐技術(shù)，滿足了這種應(yīng)用需求。
歐洲和美、日等國已在這方面作了長期努力，并已著手裝備部隊，如聯(lián)合國的Stairs A單兵攜帶式熱瞄準器。皮爾金頓光電子和馬可尼電子系統(tǒng)二家公司合作研制的熱武器瞄準器，采用的是256′128元的非致冷紅外焦平面陣列[10]。Signal USFA和Derlt傳感器系統(tǒng)二家公司為荷蘭皇家陸軍提供了800套輕型夜間觀察瞄準器（LION），其重量約為2kg。洛克希德馬丁公司也在加緊發(fā)展熱武器瞄準器，其瞄準器在晴空時觀察距離為550~2200m[11]，可觀察分辨出移動的人和車輛，使用電池連續(xù)工作時間達7個小時。SFIM公司專為法國國防部研制了小型兵器晝夜瞄準器，并已在法國國防部有關(guān)技術(shù)部門作了評估。產(chǎn)品主要特性是可在各種天氣和照度下分辨出1500m處地面上人目標[11]，和2500m以外距離的車輛目標，鋰電池供電，重量小于2.8kg。美國Sanders 公司研制的采用320′240元非致冷紅外焦平面陣列成像輕武器瞄準器，NETD<26mK（f/0.8，60Hz），并已展示了640′480元非致冷紅外焦平面攝像機，NETD<50mK（f/1，30Hz）。該公司在其熱武器瞄準器（TWs）計劃的第一階段中，已向美陸軍作戰(zhàn)實驗室提供了4套上述系統(tǒng)，并將在以后陸續(xù)交付4000多臺，每月約幾百臺。
7、車輛駕駛視覺增強紅外觀察儀
駕駛員視覺增強器將是紅外焦平面陣列未來應(yīng)用的廣大領(lǐng)域。提高車輛駕駛員在雨雪、灰塵、霧等惡劣天氣和光線不良條件下行車的能力，唯有紅外攝像系統(tǒng)能滿足這一應(yīng)用，這就是隨著紅外焦平面陣列技術(shù)，特別是非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的車輛駕駛視覺增強紅外觀察系統(tǒng)。
迄今為止，由于費用昂貴而使這種視覺增強器還僅限于軍用市場。這種觀察系統(tǒng)能使車輛在惡劣和全黑暗的條件下晝夜行進，從而保證在軍事應(yīng)用時車輛可以在全黑暗條件下或在不易被敵方發(fā)現(xiàn)的模糊條件下行駛，能避開障礙，特別是遇到安全危險時不但能避開，而且不會迷失方向。
近些年，隨著非致冷低成本紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展，民用車輛成為這種觀察系統(tǒng)的潛在市場。由于成本低、維護方便和小型化、性能適當，不但軍用車輛而且民用車輛也可以接受。
這種駕駛員視覺增強紅外熱成像觀察儀（DVE）由熱攝像頭組件和液晶顯示（LCD）屏組成。圖5是洛克希德馬丁和德國STN ATLAS公司合作研制的DVE系統(tǒng)[11]。非致冷紅外熱成像機組件是洛克希德馬丁公司提供的SLM100型組件，工作波長7.5~14mm，有效水平視場4.3°~50.6°，陣列像元數(shù)為27′245元，NETD（f/1，30Hz）<100mK，輸入方式RS-1701 NTSC或PAL，電源為4~29VDC，耗功<10W，該機已在德國和英國形成駕駛員觀察儀系列，歐洲和中東的軍用車輛準備選擇這種系統(tǒng)。表1是歐洲SAGEM公司制作的改進型DVE系統(tǒng)—SAGEM LUTIS的性能指標。
表1 SAGEM LUTIS駕駛員視覺增強器系統(tǒng)的性能指標
| 熱攝像機 | ||
| 光譜范圍 | 8~12mm | |
| 攝像模塊 | SIM 150 | |
| 視場 | 40°′30° | |
| 可伸縮式望遠鏡 | 被動式不透熱 | |
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顯示/控制
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| 形式 | 平面屏幕 | |
| 技術(shù) | LCT-TFT黑/白 | |
| 顯示尺寸 | 5.5英寸 | |
| 像元數(shù) | 320′240 | |
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接口
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| 使用電源 | 20~32VDC | |
| 視頻 | CCIR或RS-170 | |
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尺寸與重量
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| 熱攝像機外形尺寸 | 90′86′234mm3（高×寬×長），1.8kg | |
| 顯示 | 133′210′150mm3（高×寬×長），3.2kg | |
SAGEM司的防御和安全部在歐洲紅外光電子方面處于領(lǐng)先地位，生產(chǎn)的紅外光電子系統(tǒng)產(chǎn)品工作光譜范圍覆蓋全部防御和安全領(lǐng)域。SAGEM LUTIS DVE系統(tǒng)采用洛克希德馬丁公司的SIM 159模塊，這種輕型非致冷熱攝像系統(tǒng)（LUTIS）DVE適用于絕大多數(shù)軍用作戰(zhàn)車輛，如裝甲車和戰(zhàn)術(shù)履帶式或輪式戰(zhàn)車，也適用于特殊的民用車輛，如城市安全、執(zhí)法、防暴和消防等專用車輛。
四、市場
如前所述，隨著各種紅外焦平面陣列技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是廉價的高密度高性能非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)的成熟和投產(chǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嚅_拓，而傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也會擴展，未來紅外焦平面陣列應(yīng)用將不會像過去那樣主要限于軍用目的，更多的將會向民用市場推進。
未來決定市場的關(guān)鍵性因素不是性能，而是價格。低價格性能適合的小型化紅外焦平面陣列攝像系統(tǒng)將使軍用市場進一步擴大，并廣泛地占領(lǐng)民用商業(yè)市場。由于目前產(chǎn)品價格尚高，約為40,000美元，已使許多新應(yīng)用滯后。一旦未來價格突破1000美元以下[5]，無論是軍用市場，還是民用市場的銷售量都將會急劇增長。
據(jù)國外資料報導(dǎo)，1991年美國商用紅外探測器市場僅約為5000萬美元[12]，而軍用市場為5億美元。當時主要是由于PtSi紅外焦平面陣列技術(shù)的出現(xiàn)刺激了這一市場的發(fā)展?，F(xiàn)在交付裝運量翻了一番，價格也因非致冷紅外焦平面的出現(xiàn)正在下降。由于GaAlAs/GaAs量子阱和非致冷焦平面陣列技術(shù)的成就和投產(chǎn)，市場將保持持續(xù)升溫的勢頭。其中處于市場主導(dǎo)的幾家大公司有波音（北美）、雷聲、洛克希德馬丁、Indigo系統(tǒng)、辛辛那提電子、德州儀器、羅克威爾和法國的Sofradir公司。Sofradir公司是法國排名第一的HgCdTe紅外探測器生產(chǎn)企業(yè)，1998年其銷售額即達到了2500萬美元，以后以每年10%的速度穩(wěn)定增長，2000年已開始出售非致冷和量子阱紅外焦平面陣列，其月銷售額在150套以上。
據(jù)有關(guān)資料表明，2000年量子阱和非致冷焦平面陣列的軍用和商用市場達2億美元。2001年的紅外焦平面陣列和系統(tǒng)總的市場規(guī)模超過了13億美元[13]，這是五年前推出第一批非致冷紅外焦平面時市場的兩倍。未來5年間的紅外探測器產(chǎn)品商用市場將保持持續(xù)強勁增長的勢頭。2000年，包括測溫、工業(yè)監(jiān)控、安全、監(jiān)視、消防和醫(yī)療領(lǐng)域的市場額為5.04億美元，到2005年時有望達到8億美元[14]，平均年增長率為10.5%。如果價格突破1000美元的底線價格時，其市場將會像可見光CCD圖像傳感器一樣出現(xiàn)急劇的增長。
五、結(jié)束語
紅外焦平面陣列制造和生產(chǎn)技術(shù)正在向可見光硅CCD和CMOS圖像傳感器陣列的規(guī)模水平發(fā)展，未來5～10年間將是這種技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時期。多色陣列技術(shù)將是未來值得關(guān)注的新課題，以微測輻射熱計為主的非致冷紅外焦平面陣列傳感器將成為未來紅外焦平面陣列的主流傳感器。
由于器件制造和生產(chǎn)技術(shù)取得的迅速進展和軍事與商用應(yīng)用的強勁推動，未來20年將是紅外焦平面陣列技術(shù)廣泛拓展應(yīng)用的時期，其每年產(chǎn)量將保持持續(xù)增長的勢頭，在今后幾年內(nèi)年增長率將至少達30%。由于生產(chǎn)和應(yīng)用的持續(xù)升溫，紅外焦平面陣列技術(shù)將迎來其燦爛的時期。
參考文獻
[1]. 孫志君. 21世紀紅外焦平面陣列技術(shù)[J]. 傳感器世界，2001， 7（5）：1-7.
[2] . C.A.Cabell et al. Latest results on HgCdTe 2048×2048 and silicon focal plane array[c]. Proceedings of SPIE Vol.4028,Orlando,April, 2000:331-342.
[3]. S.D.Gunapala et al. 8~9 and 14~15μm Two-color 640′480 GaAs/AlGaAs quantum well infrared photo detector(QWIP) focal plane array camera[C]. Proceeding of SPIE Vol.3698,?Orlando, April, 1999: 678-698.
[4]. P.E.Howard et al. Advanced high performance 320′240 Vox micro-bolo meter uncooled IR focal plane[C]. Proceedings of SPIE Vol. 3698,?Orlando, April, 1999:131-136.
[5]. R.S.Balcerak. Uncooled infrared sensors rapid growth and future perspective[C]. Proceedings of SPIE Vol.4028,?Orlando, April, 2000:36-39.
[6]. R.Murphy et al. Recent developments in uncooled IR technology[C]. Proceedings of SPIE Vol.4028,?Orlando, April, 2000:12-16.
[7]. A.Goldberg et al. Dual band QWIP MWIR/LWIR focal plane array test results[C]. Proceeding of SPIE Vol.4028,Orlando, April, 2000: 276-287.
[8]. L.J.Otten Ⅲ et al. MightysatⅡ.1. 超光譜成像器的工程樣機[J]. 紅外, 2000(10):20-27.
[9]. S.D.Gunapala etal. Recent developments and applications of quantum well infrared photo detector focal plane arrays [C]. Proceedings of SPIE Vol.3698,?Orlando, April, 1999: 262-275.
[10]. R.K.Mcewen. European uncooled thermal imaging sensors[C]. Proceedings of SPIE, Vol.3698.?Orlando, April, 1999:262-275.
[11]. Thomas Breen et al. Even more applications of uncooled micro bolo meter sensors[C]. Proceedings of SPIE, Vol.3698,?Orlando, April, 1999:308 -321.
[12]. 紅外探測器市場為何處在不斷變化中[J]. 紅外，2000（11）：34-36。
[13]. D.C.Mccarthy. 依*遙控技術(shù)進行戰(zhàn)斗[J]. 紅外，2000（9）：29-32。