紅外光譜儀的發展歷程

在過去的50多年里,近紅外光譜儀經歷了如下幾個發展階段:

★第一臺近紅外光譜儀的分光系統(50年代后期)是濾光片分光系統,測量樣品必須預先干燥,使其水分含量小于15%,然后樣品經磨碎,使其粒徑小于1毫米,并裝樣品池。此類儀器只能在單一或少數幾個波長下測定(非連續波長),靈活性差,而且波長穩定性、重現性差,如樣品的基體發生變化,往往會引起較大的測量誤差!“濾光片”被稱為第一代分光技術。

★70年代中期至80年代,光柵掃描分光系統開始應用,但存在以下不足:掃描速度慢、波長重現性差,內部移動部件多。此類儀器最大的弱點是光柵或反光鏡的機械軸長時間連續使用容易磨損,影響波長的精度和重現性,不適合作為過程分析儀器使用?!肮鈻拧北环Q為第二代分光技術。

★80年代中后期至90年代中前期,應用“傅立葉變換”分光系統,但是由于干涉計中動鏡的存在,儀器的在線可靠性受到限制,特別是對儀器的使用和放置環境有嚴格要求,比如室溫、濕度、雜散光、震動等?!案盗⑷~變換”被稱為第三代分光技術。

★90年代中期,開始有了應用二極管陣列技術的近紅外光譜儀,這種近紅外光譜儀采用固定光柵掃描方式,儀器的波長范圍和分辨率有限,波長通常不超過 1750nm。由于該波段檢測到的主要是樣品的三級和四級倍頻,樣品的摩爾吸收系數較低,因而需要的光程往往較長?!岸O管陣列”被稱為第四代分光技術。

★90年代末,來自航天技術的“聲光可調濾光器”(縮寫為AOTF)技術的問世,被認為是“90年代近紅外光譜儀最突出的進展”, AOTF是利用超聲波與特定的晶體作用而產生分光的光電器件,與通常的單色器相比,采用聲光調制即通過超聲射頻的變化實現光譜掃描,光學系統無移動性部件,波長切換快、重現性好,程序化的波長控制使得這種儀器的應用具有更大的靈活性,尤其是外部防塵和內置的溫、濕度集成控制裝置,大大提高了儀器的環境適應性,加之全固態集成設計產生優異的避震性能,使其近年來在工業在線和現場(室外)分析中得到越來越廣泛的應用。

非制冷紅外技術發展現狀(上)

在夜視領域,紅外探測器是熱成像系統的核心,主要分為兩類:制冷型(基于光子探測)和非制冷型(基于熱探測)。盡管前者(或者為光電探測器,或者為光伏器件)被認為是實際應用中最佳的紅外熱探測技術,但它們的制造和使用成本較高。不過,近年來非制冷紅外探測器獲得了長足發展。

與制冷紅外探測器相比,非制冷紅外探測器不需要在系統中安裝制冷裝置,因此尺寸較小、重量較輕且功耗較低。此外,它們與制冷型光子探測器相比可提供更寬的頻譜響應和更長的工作時間。因此,非制冷技術能為軍事用戶提供成本更低、可靠性更高的高靈敏傳感器。換句話說,它們能更廉價地進行采購和使用,這是其吸引人的地方。

不幸的是,非制冷紅外探測器在靈敏度方面至今無法滿足所有軍事應用的要求,因此其應用仍然存在一定限制。不過,隨著更多的投資涌向該技術領域,這種情況無疑會發生改變。在不以遠距離應用為主的場合,非制冷紅外技術的應用正日趨廣泛。這方面的最好例子是許多國家準備發展的綜合”未來士兵系統”,夜視能力是其基本要求,此時成本、重量和功耗顯得格外重要。

工作原理

紅外探測器產生的輸出信號依賴于進入其作用區域的輻射總量。熱(非制冷紅外)探測器將入射輻射轉換為熱,而這將導致探測器元件溫度升高。溫度的變化隨后將轉換為可被放大和顯示的電信號。熱探測器能響應較寬范圍的波長,而且不同波長的響應能力沒有明顯差異,同時在室溫下具有足夠高的靈敏度,可以滿足成像要求。

紅外頻譜覆蓋0.7~14 m,并被分為短波紅外(也稱為近紅外,覆蓋0.7~3 m波段)、中波紅外(覆蓋3~5 m)和長波紅外(也稱遠紅外,覆蓋5~14 m),不過大多數長波紅外探測器覆蓋8~12 m。

非制冷紅外探測器有三種類型:

“測輻射熱計,它測量電阻隨溫度的變化;

“熱電(或鐵電)探測器,測量自發電子偏振隨溫度的變化;

“熱電堆,測量電動勢隨溫度的變化(這就是眾所周知的塞貝克效應或熱電效應)。

在這三種探測器中,測輻射熱計探測器由于與CMOS(互補型金屬氧化物半導體)技術兼容而成為應用最廣泛的非制冷紅外探測器。這種探測器可以單片方式與標準CMOS電路集成,因此生產成本較低。它還允許使用超大規模集成技術實現”有源像素”結構,這種結構可以在一塊芯片上集成攝像機的所有功能。

為了成為熱成像攝像機的一部分,單獨的紅外探測器(包括制冷型或非制冷型)通常以集群成所謂的焦平面陣列(FPA),不過在特定的應用中也可以制成線陣。每個探測器提供一個探測像素,組成陣列的像素越多,所形成的圖像越清晰(且越精確)。

除了紅外探測器或焦平面陣列外,熱成像攝像機還需要電源、信號處理器、各種光學子部件以及視頻監視器系統?,F有的熱成像攝像機的用途多種多樣,例如機載應用中的前視紅外系統(或者裝在吊艙中,或者成為傳感器轉塔有效負載的一部分)、裝甲戰車和海軍導彈系統用的火控系統、單兵或班組武器的瞄準鏡以及導彈尋的器等。非制冷紅外探測器目前的應用范圍主要有監視、輕型頭盔瞄準具、靈巧彈藥、武器瞄準具、無人值守地面傳感器和導彈/靈巧炸彈尋的器等。

對非制冷技術的進一步發展要求可以概括為更高的靈敏度、更小的像素尺寸和更大陣列(目標是640×480元或更大)。此外,這類熱像儀還需要提高溫度穩定性、降低光學系統成本和減小功耗。這些需求的不同組合將導致更輕、更緊湊且生產成本更低的設計。

在美國,陸軍通信-電子司令部夜視與電子傳感器局和國防高級研究計劃局(DARPA)合作研究非制冷技術。主要有三家公司–BAE系統公司北美分公司、DRS技術公司和雷西昂公司從事軍用非制冷微測輻射熱計研究工作,其中DRS公司曾兼并了得克薩斯儀器公司、休斯公司和波音公司的紅外業務。

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