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红外探测器技术既是一个古老的技术，又是一个充满活力的高技术领域。实际上，红外探测器技术不仅仅是一个需要掌握know-how的技术领域，也是一个充满探索无数未知的科学领域。以下以罗列大事记的方式，对红外探测器技术发展历史进行简要回顾。从中可知将红外探测器技术视为技术显然是不够全面的。科学引领技术，技术创造产品，产品决定市场。本书中还称之为红外探测器技术仅仅是照顾习惯。 早期发展 1593年，伽利略（Galileo）发明温度计。 1800年，赫歇尔（Herschel）在研究太阳光谱时，用温度计发现可见光红光之外存在的红外线。 1821年，赛贝克（Seebeck）发现热电效应，并演示了第一个热电偶。 1824年，卡诺（Carnot）提出以他名字命名的定律，建立了绝对温标理论基础。 1831年，诺毕力（Nobili）将多个热电偶串联起来，制备出第一个热电堆。 1834年，珀耳帖（Peltier）发现了热电制冷效应。 1848年，开尔文（Kelvin）提出热力学温标的概念。 1860-1862年，基尔霍夫提出了'黑体'的概念和以他名字命名的定律。 1873年，史密斯（Smith）在硒中发现光电导效应。 1877年，凯特勒和皮克泰特液化了空气、氮气、氧气和氢气，为红外探测器的制冷提供了冷源。 1881年，朗莱（Lang ley）发明测辐射热计，利用惠斯通（Wheatstone）电桥，可以测量出0.0000001℃的温度变化。至此，研究红外光谱学最重要的三个红外探测器都出现了，其中热电偶、热电堆和测辐射热计至今仍然在广泛使用。同时，研究了太阳光谱的红外区、地球的红外辐射和红外辐射在大气中透射的特性，确认地球的红外辐射波长超过5μm。 1894年，帕邢（Paschen）探测到9.3μm的红外辐射。 1897年，帕邢（Paschen）探测到23μm的红外辐射。 1898年，杜瓦（Dewar）发明以他名字命名的低温容器——杜瓦瓶，并液化了氦气。至此，制冷型红外探测器所需的封装和冷源具备了实际应用的条件。 1895-1901年，卢梅尔（Lummer）、普林舍姆（Pringsheim）和库尔鲍姆（Kurlbaum）等人测量了'黑体'辐射，奠定了黑体辐射的实验基础。 1900年，普朗克（Planck）提出了量子论和黑体辐射理论，奠定了红外辐射的理论基础。 1904年，柔斯（Rose）在方铅矿——天然硫化铅（PbS）、人类发现的第一种本征窄禁带化合物半导体中发现光生伏特效应。 1910～1920年，出现了探测船舰、飞机、人、炮兵阵地和冰山等目标的红外装置。 1917年，凯斯（Case）用硫化铊（TlS）研制成功第一个高性能光电导红外探测器。 1930年前后，人们在电子管技术的基础上，发明了使用银氧铯（Cs-O-Ag）材料的光电倍增管。 1930年代中期，柏林大学的库兹舒尔（Kutzscher）发现硫化铅对红外辐射的响应可以达到3μm。 1930年代末，第一个实用的硫化铅红外探测器在第二次世界大战中得到应用。 1941年，凯氏门（Cashman）改进了硫化铊红外探测器的技术，使其首先成功的进行了生产和应用。第二次世界大战之后，凯氏门又发现了硫化铅、碲化铅等其他铅盐半导体材料，构成了铅盐系列的红外探测器材料。 1943年，德国人将光电导硫化铅红外探测器投入生产和应用，从那时至今，光电导硫化铅红外探测器仍然是最重要的短波红外探测器。 1944年，美国人在西北大学进行了硫化铅红外探测器的生产。 1945年，英国人在英格兰的海军实验室进行了硫化铅红外探测器的生产。 至此，第一代热成像技术的理论、物质条件都基本具备了。 制冷红外探测器技术的发展简史 军事上的需求直接拉动了夜视技术的发展，对夜视技术发展影响最大的就是20世纪50年代初的那场朝鲜战争。在朝鲜战争中，美国军队总结了经验教训，深刻认识到夜战的作用和地位，从唯物主义的观点出发，为克服夜间的限制，必须在技术上突破，以解决人眼在夜间观察的局限性。20世纪50年代，在半导体、微电子、红外探测器、精密光学与机械技术等基础上，发展了今天的热成像夜视技术。同时，在电真空技术的基础上，发展了红外夜视、微光图像增强技术等，成为今天的微光夜视技术。 1952年～1953年，美国研制成功世界上最早的热成像系统——AN/AAS-4，最初以下视状态挂在B-50轰炸机上，以后进行的侧置、前视试验表明，该系统也可用于地面，前视红外的名词即来源于此。 1955年，人们发明了锑化铟（InSb）窄禁带半导体材料，这是一种本征化合物半导体，可以用标准的拉单晶的方法进行生长。锑化铟晶体的发明，实现了对中波红外辐射的高灵敏探测。至今仍然是最重要的中波红外探测器之一。 1956年，人们发明了锗掺杂（一种非本征半导体材料）红外探测器。同年，美国芝加哥大学研制成XA-1型长波前视红外系统。同一时期，美国得克萨斯（Texas）仪器公司和休斯（Hughes）公司分别研究了并行扫描和串行扫描的热成像系统。 1959年，英国人劳森（Lawson）与其合作者发明了迄今为止仍然是最重要的红外探测器材料——碲镉汞（Hg1-XCdXTe）三元合金半导体，这是一种本征半导体材料。通过改变镉的组份，可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外三个红外'大气窗口'，并实现红外探测器工作波长与'大气窗口'最好的匹配。碲镉汞的发明奠定了第一代、第二代热成像技术的材料和技术基础。 1964年，美国得克萨斯仪器公司研制出被称为'孤独虎'（Lonesome Tiger）的热像仪，并成功用于越南战争。 1966年，人们发明了另一种重要的红外探测器材料——碲锡铅（Pb1-X SnXTe）三元合金半导体，这也是一种本征半导体材料。碲锡铅三元合金材料有与碲镉汞材料相同的优点，随着研究工作的深入，因碲锡铅材料的介电常数大，热膨胀系数与硅材料的相差大等因素，使得在20世纪80年代之后，对碲锡铅器件的研究集中在长波红外激光二极管上。 1968年，人们发明了硅掺杂（一种非本征半导体材料）红外探测器。因硅掺杂红外探测器的制备工艺与硅工艺兼容，因此在进一步向红外焦平面探测器发展时，仍有发展潜力。 1960年代，人们研制成功硫化铅、硒化铅（PbSe）、锑化铟的线列红外探测器，并进行了应用。同时，进一步研制成功了锗掺汞（Hg∶Ge）长波红外探测器，并用于U-2高空战略侦察机上的红外行扫仪。由于探测器需要工作在25K的低温，对制冷条件要求高，需要两级制冷器进行制冷。因此，在碲镉汞（Hg1-XCdXTe）材料发明之后，就只应用于特殊用途。利用锗掺汞长波红外探测器，人们首次实现了长波红外的热成像——前视红外（Forward-Looking Infra-Red——FLIR），从而奠定了第一代、第二代热成像技术的整机技术基础。至此，热成像技术的核心基础全部完成。 1960年代末、1970年代初，人们研制成功碲镉汞长波红外线列探测器。 1975年，美国提出了第一代热成像通用组件的概念。 1980年，美国基于碲镉汞长波红外线列探测器组件的第一代热成像通用组件投入大批量生产。 在第一代热成像技术还在发展的同时，西方国家又开始进行第二代热成像技术的探索。 1978年，美国德克萨斯公司研制成功规模为8×8的单片式碲镉汞电荷注入（成像）器件（Charge Injection Device——CID）。美国GEC公司研制成功规模为16×24的单片式锑化铟电荷注入（成像）器件（CID）。 1979年，美国德克萨斯公司研制成功规模为32×32单片式碲镉汞电荷注入（成像）器件（CID）。美国霍尼韦尔公司研制成功规模为32×32中波单片式碲镉汞电耦成像器件（CCD）。 1980年，美国休斯公司采用硅电荷耦合器件（CCD）读出电路、铟柱列阵和倒装焊接技术，研制成功规模为32×32混合式碲镉汞红外焦平面探测器。这种芯片组件的结构成为第二代红外焦平面探测器的主流结构。 1983年，英国GEC马克尼公司研制成功规模为32×32单片式锑化铟电荷注入（成像）器件（CID）。美国GEC公司研制成功规模为64×64单片式锑化铟电荷耦合成像器件（CCD）。美国诺斯洛普公司研制成功规模为128×128单片式锑化铟电荷注入（成像）器件（CID）。 1984年：英国马拉德公司研制成功长波、中波红外64×64/CCD混合式碲镉汞焦平面探测器。 1986年，法国研制成功64×64/MOS混合式碲镉汞焦平面探测器。日本富士公司研制成功64×64/CCD混合式碲镉汞焦平面探测器。美国麦克唐纳-道格拉斯公司研制成功64×64混合式碲镉汞焦平面探测器。英国皇家雷达信号研究所与马拉德公司合作，研制成功64×64/NMOS 混合式碲镉汞焦平面探测器，之后又研制成功128×128/NMOS混合式碲镉汞焦平面探测器。美国加州理工学院研制成功256×256/MOS混合式锑化铟焦平面探测器。美国GEC公司开始研制中波红外480×12/CCD混合式碲镉汞焦平面探测器。 1987年，美国罗克韦尔公司研制256×256混合式碲镉汞焦平面探测器。美国陆军夜视光电中心开始研制1000×16、480×4、960×4等规格混合式碲镉汞焦平面探测器。 1988年，美国休斯公司研制成功长波红外640×480混合式碲镉汞焦平面探测器。 1989年，日本研制成功Pt:Si红外焦平面探测器。 1990年，法国索法拉迪公司开始生产长波红外288×4混合式碲镉汞焦平面探测器。 1992年，美国琥珀公司研制成功512××512/CMOS混合式锑化铟焦平面探测器。 1994年，美国休斯公司研制成功1024×1024/CMOS混合式碲镉汞焦平面探测器、短波红外288×4混合式碲镉汞焦平面探测器。 1995年，英国GEC马克尼公司研制成功长波红外768×10/CMOS混合式碲镉汞焦平面探测器。 1997年至今，美、英、法等国家所研制的红外焦平面探测器形成主流产品，并进入大批量生产，这是第二代热成像技术成熟的标志。 总结起来，制冷型红外焦平面探测器的发展大致可以分成三个阶段： 技术探索期 大约从1978年至1986年。在这一阶段，主要是对各种可能的技术、技术路线进行了探索，例如：在红外焦平面探测器上，研究了碲镉汞、锑化铟。在信号的读出方式上，研究了单片式和混合式结构，研究了电荷注入器件、电荷耦合器件、金属-氧化物-半导体场效应管开关矩阵器件等。从技术的发展看，早期人们希望用一种材料，同时完成对红外辐射的光电转换和信号的读出，例如用碲镉汞、锑化铟材料研制的单片式电荷注入器件。由于碲镉汞、锑化铟材料都是窄禁带的半导体，所形成的势阱容量不足，红外辐射的背景通量很大，因此，几年后人们就将注意力转移到混合式结构上了，即红外探测器列阵用碲镉汞、锑化铟材料，信号处理电路用硅集成电路，再将其互连形成一个焦平面探测器芯片组件。 技术成型期 从1986年至1997年。在这一时期，人们已认识到：用窄禁带半导体材料研制红外探测器列阵芯片，用硅集成电路芯片实现信号处理是研制红外焦平面探测器的最佳途径，所以，技术路线主要集中在混合式结构上，进而研制成功各种规格的红外焦平面探测器，开始进入系统应用阶段。即使单片式结构的红外焦平面探测器，也要采用其它探测器材料。例如：肖特基势垒红外焦平面探测器采用Pt:Si等薄膜材料。在这一时期，人们结合特定领域的应用，集中研制集中规格的红外焦平面探测器，例如：扫描型的有288/240×4、480×4/6、576×6、768×10等，凝视型的有128×128、256×256、320×240、384×288、512×512、640×480等。 技术成熟期 从1997年至今。在这一时期，形成红外焦平面探测器主流产品，并投入大规模生产。由于成本的原因，即使已经研制出来的一些产品也未投入大规模生产，例如：长波红外碲镉汞640×480规模的焦平面探测器。 迄今为止，已研制和生产了两代热像仪，正在研制、探索第三代、第四代热成像技术。 可以说，20世纪60年代为热成像技术的探索时代，20世纪70年代为第一代热成像技术的装备研制、开发时代，20世纪80年代为第一代热成像技术成熟和广泛应用的时代，20世纪90年代是以红外焦平面探测器组件（Focal Plane Assemblies——FPA）。从21世纪初开始到目前，正在进行第三代热成像技术、甚至第四代热成像技术的研发与探索。 非制冷红外探测器技术发展简史 制冷器/机的存在，限制了热像仪的价格、体积、重量和可靠性等。因此，研制不需要制冷的红外焦平面探测器就成人们关注的一个焦点。从20世纪70年代末，美国等国家秘密开展了非制冷红外焦平面探测器的研制。到20世纪90年代初公开，美、英等国的非制冷红外焦平面探测器已经进入生产。 1979年，美国得克萨斯公司开展了研制规模为100×100的钛酸锶钡非制冷红外焦平面探测器。 1983年，美国霍尼韦尔光公司开始研制采用硅微桥的氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器。 1987年，美国德克萨斯公司成功的进行了规模为100×100的钛酸锶钡非制冷红外焦平面探测器的成像演示。美国陆军夜视实验室开展非制冷焦平面探测器的高密度成像列阵计划。 1988年，英国普莱赛公司研制钛酸钪铅热释电材料的非制冷焦平面探测器，规模为100×100。 1989年，美国霍尼韦尔光公司研制成功采用硅微桥的氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器，规模为128×64。 1991年，美国洛拉公司研制成功热释电材料的非制冷焦平面探测器，规模为192×128。美国霍尼韦尔光公司研制成功氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器，规模为336×240。 1992年，美国德克萨斯公司研制成功规模为328×245的钛酸锶钡非制冷红外焦平面探测器。 1995年，美国琥珀公司研制成功氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器，规模为320×240。 1996年，英国GEC马克尼公司研制成功采用钛酸钪铅热释电材料的混合式、规模为256×128/CMOS的长波非制冷焦平面探测器。法国红外实验室研制成功非晶硅的非制冷焦平面探测器，规模为320×64。 1992年至今，美、英、法等国的非制冷红外焦平面探测器投入大批量生产，形成主流规格和产品。 总结起来，非制冷型红外焦平面探测器的发展大致可以分成三个阶段： 技术探索期 大约从1979年至1992年。在这13年中，主要是对两种材料——热释电材料和氧化钒材料，两种技术路线——混合式（金属凸点列阵/有机物-金属膜凸点列阵）和单片式（硅微桥列阵）进行了探索。以美国德克萨斯公司研制成功规模为328×245的钛酸锶钡非制冷红外焦平面探测器、霍尼韦尔光公司研制成功规模为336×240的氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器为标志。 技术成熟期 从1992年至今。在这一时期，形成红外焦平面探测器主流产品，混合式、单片式非制冷型红外焦平面探测器均投入生产。例如：美国德克萨斯公司规模为328×245的钛酸锶钡非制冷红外焦平面探测器、霍尼韦尔光公司规模为336×240的氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器、英国GEC马克尼公司规模为256×128的钛酸钪铅非制冷焦平面探测器、法国索法拉迪公司规模为320×240的非晶硅非制冷焦平面探测器等，并大量被各种低成本热像仪所采用。非制冷焦平面探测器的出现，使非制冷热像仪的价格低至第一代制冷型热像仪的十分之一，这使热像仪可以在更大规模、更多领域得到应用，是热成像技术领域的一个里程碑。为进一步降低成本，还生产了160×120规模的非制冷红外焦平面探测器。 新技术探索期 从1992年至今。非制冷红外焦平面探测器的成功，使更多的人投入新材料、新工艺、新技术的探索之中，希望解决还存在的问题，例如解决微测辐射热计的非制冷红外焦平面探测器的功耗问题，减小探测元尺寸，进一步降低成本的问题，研制640×480、1024×768等规模更大的器件等等。 |
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