非制冷红外摄像机有望获得新的用途

14/on光谱区提供较低成本的成像。

30，000美元）已将其用途主要局限在防御性应用方面。如果红外摄像机变得比较便宜，其价格在1，美元至3，000美元范围，那么就可以有许多商业应用，如夜间运输导航辅助、透过墙面和烟雾的火焰探测、执法以及污染监测等。抱着降低红外摄像机成本和提高其灵敏度的目的，我们最近推出了一种新的红外视觉方案。

处在室温或者接近室温条件下的物体，在8至14/zm光谱波段具有最大的热辐射，而8至14/tm光谱波段是与大气的透射窗口相一致的。

工作于这一范围的红外探测器大致可以分为两类：光子探测器和热探测器。光子探测器是用诸如碲镉汞之类的材料制作的，这种材料具有足以吸收8至14pm光子的窄带隙（马wO.leT/）。然而，这种窄带隙使得这种探测器很容易受热噪声的影响，而这种影响是随绝对温度呈指数律增加的。

这种呈指数律的依赖关系使得必须将探测器冷却到低温一约80K.红外摄像机的一个品质因数是噪声等效温差（NETD），这是像机能够以单位信号/噪声比区分的一个物体的最小温度差别。现代的光子摄像机具有非常高的性能，其NETD低于5mK.然而，这些摄像机所需的制冷系统，会增加其重量、成本以及功耗，而且还会给采用光子探测器带来可靠性问题。

这些问题已经迫使人们要研究和发展基于热传感器的非制冷探测器。这种摄像机可以用氮化硅作为红外吸收体，并通过检测电阻或电容的变化来探测像元元件的温度上升。它们一般用二氧化钒或非晶硅作为电阻温度测量材料，而用钛酸锶钡作为测量电容用的热释电材料。最近，这种非制冷红外摄像机的性能有了很大的提高，其NETD已达到了约20mK.这种非制冷摄像机依然是由各像元产生电信号的，因此，制备起来比较复杂，因为它需要将传感器结构同CMOS读出电路合并在一起，而后者又必须与视频显示器相耦合。然而，使其性能降低的最关键因素却是以下这样一种情况，即，进行电学读出所需的各像元的金属互连必须防止像元的热隔离被增加到最大极限。

最近，一种不同的采用光机摄像机的红外视觉方法已经开发出来，该方法有可能成为一种低成本的、高分辨率的解决办法。

这种不同的方法便是带光学读出的徽光机红外接收器（mirror）系统，该接收器包含一个由各像元中的双材料微悬臂梁组成的焦平面列阵。各悬臂梁吸收红外图像辐射后，其温度会上升，这样它便会因两种悬臂梁材料的热膨胀不一致而发生均衡偏转。此时可用一个可见光系统瞬时测量该焦平面列阵所有悬臂梁的偏转，并将空间变化的红外辐射的一幅可见光图像集中投射到视频显示器上，以便直接观察（见）。

其可见光输出意味着该像机还可以与可见光CCD或CMOS成像器兼容，而可见光CCD或CMOS则要比红外对应物便宜得多。实质上，焦平面列阵是一种将红外转换成可见光的波长转换器。我们的小组已经在8Mm14/mi波长范围获得了室温目标的红外图像，这些红外图像的NETD约为1K.斯坦福大学的一个小组已尝试过同样的方法他们是在0.78/wh处对近红外辐射进行成像的。奥克里奇国家实验室、萨诺夫公司以及田纳西大学的一些小组还在研究用光机或光电机非制冷红外探测方法获取热图像，这些方法的有些特点与我们的工作具有共同之处。

在MIRROR系统的中心部分有两个元部件：焦平面列阵芯片和光学读出系统。焦平面列阵芯片中的像元是根椐材料的热、热机以及光学（红外和可见光）性能条件设计的。像元的件传导率必须尽可能低，这样，当给定辐射通量，才能使像元的温度变化达到最大限度。为了消除气体传导，必须将焦平面列阵封装在真空外壳内。热传导的最大极限应归因于辐射热传递。

这种热传递不能消除，因为高吸收还意味着高发射率；然而，大多数非制冷探测器的热传导并不晃受辐射传导支配的，而是受通过每个像元的引线及基座的传导支配的。这种传导不能消除，但从理论上讲，必须尽可能多地将其减小到一个小于辐射传导率的值。

对于依靠电学方法敏感各像元输出的技术来说，要做到这一点是很困难的，因为这种器件的每条腿上都需耍有一个金屈互连，这样便会增加传导率。MIRROR，系统的一个主要优点是，它是依靠光学方法敏感各像元的输出的，不需要在腿上使相导热的金属。因此，可以将总热传导率降低至辐射极限。

MIR.HOR.像元的隔热腿是用氮化硅（忒凡）一种材料制作的，而双材料悬梁区则包含了凡和金（A）两种材料。氮化硅在8/tm~14/n波长范围具有高的吸收，而且其热传导率较低，一般为5T.F/A'这要随所使用的薄膜淀积方法而定。金在可见光范围具有高的反射率，而且其热膨胀系数与的热膨胀系数有很大差别。

热机分析表明，双材料悬梁随给定温度变化而发生的偏转，是按悬梁长度的平方增加的。因此，细长的悬梁是合乎需要的，悬梁的最大长度会受到决定图像空间分辨率的像元尺寸的制约。通过将像元交错排列，可以使悬梁的长度（双材料区）相对像元尺寸增加一倍。这些焦平面列阵都是用已经发展成为微机电系统（MEMS）技术的一部分的标准表面徽切削技术制备的。

2可见光光学系统MIRROR系统的光学读出使得它与其它非制冷红外像机比较起来是独特的。同电子读出相比，光f读出具有儿个优点。它取消了电子扫描，而且不需要制备CMOS读出电路。此外，它还使得将像元的热传导率降至辐射极限变得更容易，这样便可以提高热性能。最后，它可以直接与一种视频显示监连接，因而可以提供直接观看的能力。目前，MIRROR系统是与一种技术已被完全确认而且价格低廉的CCD像机连接的。

设计光学读出系统所遇到的难题有几个。第一，人们必须以亚毫微米的垂直分辨率探测双材料悬梁的偏转。第二，为了使系统保持低廉的价格，人们必须用单个光源同时探测焦平面列阵中所有悬梁的偏转。第三，光学读出必须最大限度地降低邻近像元之间的串音。MIRROR系统是用傅里叶变换光学装置实现这些目标的w.邻近像元中的悬梁包含有交叉指。由于像元是交错排列的，所以一个悬梁像元的末端是与邻近的那个像元的底部相互作州的。因此，当双材料悬梁因吸收红外辐射而发生偏转时，交叉指的相对移动就变成了一种可变形的衍射光栅。当单色光入射在该光栅上时，这些光便以特定的角度衍射，这些角度是与零级、一级、二极以及更高的衍射级相对应的。这些衍射峰中的能量随该悬梁的位移而定。

在用于处理衍射光的光学系统中，第一个透镜实施空间傅里叶变换并在焦平面上产生一个衍射图形⑶。初级峰（级、1级、2级…

…）包含若干个亚级衍射峰。被清楚分离的初级峰与像元传感器衍射光栅中交叉指的空间频率相对应。亚级峰代表列阵内像元至像元的周期性。因此，整个列阵的信息便包含在各初级峰的亚级峰内。

然后，用一个空间滤光片（针孔）选择一个初级峰。一般选择一级峰，因为零级峰中包含有焦平面列阵的所有镜面反射，这些镜面反射可能会淹没来自衍射光栅的信号。用第二个透镜进行逆向傅里叶变换，这样便可以在包含一个CCD像机的像平面上重现焦平面列阵的偏转图。

3改进研究结果经过近18个月的研究，MIRROR系统于IMS年后期提供了第一批红外图像。经进一步研究之后，现在它已经能够获得诸如人手之类的室温物体的红外图像，所获图像的NETD约目前的性能受到了焦平面列阵芯片热稳定性的限制。该性能要等多久才能得到改进呢，一个像元的由热动力变化决定的热噪声极限约为5/*K.这个极限与大致lmK3mK的NETD有关系。为了实现这个分辨率，必须使其它噪声源产生较小的噪声。在MIRROR系统中，噪声源包括芯片的热稳定性、激光或光源的稳定性、CCD噪声以及振动噪声。目前的研究焦点集中在以下两个方面：用先进的像元结构改进信号输出性能；降低来自不同源的噪声，以达到像元温度变化的热动态极限。虽然这是一项具有挑战性的工作，但是我们对用25x 25/，川，像元实现1mAlOmK的NETD是有信心的。