紅外系統協會（特別是在美國）規模并不很大。20世紀80年代國防預算減少后，保留了很少的紅外系統專家，許多都是光學工程師、物理學家，或者像我這樣從事光電的電力工程師。由于我們這個圈子很小，彼此之間十分熟悉。

20世紀80年代，隨著從第一代前視紅外線掃描器向第二代前視紅外時延積分掃描探測器、再向二維凝視陣列系統的轉變，紅外技術發展似乎非常快。光學元件全部是采用傳統紅外材料的單f數系統，但新的發展是一種新的孔徑尺寸和更大的窄-寬視場切換比。

我過去認為技術成熟地太快，很難跟上，現在則發展地更快了！

最令人興奮的時期莫過于成為一名紅外系統工程師。每年有多項技術突破，進展令人吃驚。我想介紹過去五年在元件和紅外系統方面的一些重大進展。這些紅外技術大多都和軍事系統有關，但某些成像系統正在打入商業市場。

持久監視系統

圖1 持久監視系統平臺

持久情報、監視和偵察（PISR）系統是最新的軍用紅外系統。這些系統在可見光波段的使用大約從6-10年前開始。它們用于戰區小城鎮上空飛旋的有人駕駛飛機，飛行周期12小時。

該想法是在簡易爆炸裝置、自殺式***或車輛爆炸后提出來的，圖像序列可以倒回，因此調查取證員可以辨認涉及的人和車。

由于PISR在夜間工作得更好，設備可以更隱蔽地工作，所以研發人員提出了紅外PISR系統。這些系統可放在移動或靜止無人平臺上，遙控站內的操作員設定地面采樣距離、覆蓋面積（km2）和幀速率以確定系統性能。

許多國家的軍事實驗室都在從事這一領域的系統。

用于防御應用的雙波段成像

雙波段成像儀的發展在防御應用中提供了重要優勢，使操作員可以用相同焦平面在中波紅外（MWIR，3~5μm）和長波紅外（LWIR，8~12μm）進行觀察。DRS技術公司、雷聲公司、Teledyne公司、洛·馬公司、Sofradir公司和FGAN-FOM公司、光電和圖像識別研究所是生產焦平面陣列的一些機構。

雙波段成像儀的光學元件復雜又昂貴。一些科學家和工程師對用組合波段瞬時成像的有用性還有爭論，但對給定孔徑尺寸，使用MWIR和LWIR的優勢很明顯。

在“惡劣戰場”條件下，世界上大多數陸軍都使用長波紅外，而多數空中和海上組織都使用中波紅外，因為其波長更短，距離更遠，工作環境的空氣更潮濕。將中波紅外用于地面的明顯優勢是，在“良好”條件下，中波紅外相機的觀察距離是長波紅外（由于衍射限）熱像儀的2.5倍。

但是，大多數陸軍不會為了中波紅外犧牲長波紅外，因為在有熱目標、燃燒目標、煙霧、昏暗和寒冷氣候的惡劣戰場條件下，中波紅外的光子不足。

圖2 中波紅外成像儀和長波紅外成像儀視場中的燃燒筒

證明長波紅外在惡劣戰場中優勢的最佳例子是燃燒筒，如圖2所示。普朗克曲線上的熱目標向左移動，中波紅外段的巨大能量讓探測器出現熱暈，并發出炫光，而LWIR圖像仍有效，燃燒筒在視場中。

同樣，由于在陸地目標和背景中，長波紅外波段有更多光子，積分時間更短，快速移動不會讓圖像模糊。因此用兩個波段的攝像機有很大優勢。美國陸軍夜視和電子傳感器部門（NVESD）是雙波段紅外技術的主要領先機構。

小型紅外探測器系統

小型紅外探測器可以提供不同于傳統設計的紅外系統特征。首先，它們在低f數具有遠距離目標識別性能。大多數紅外工程師習慣于用高f數的遠距傳感器，主要因為多年來一直用著較大的探測器。

可見光成像儀采用低f數進行遠距離成像有很長時間了。小型探測器的高密度陣列可以提供遠距識別和帶全電子聚焦的寬視場。

美國防高級研究計劃署（DARPA）的SPIE 合伙人Nibir Dhar負責小型探測器系統，并在間距為5~8μm的探測器方面有大量成功經驗。圖3（下）顯示攝像機和探測器間距為5μm的攝像機圖像，這是作為DARPA大孔徑海上基本數據陣列（LAMBDA）項目的一部分研發的。DRS技術公司設計和制造了帶碲鎘汞焦平面陣列的中波紅外攝像機。

周視紅外系統非常新

紅外系統相對新的領域是周視紅外系統，期望對一個區域進行360°成像。將來，這種系統可以從觀察車輛或小型艦船的更便宜、低分辨率系統發展到用于城鎮和工廠監視的中等距離系統。高分辨率系統非常昂貴，用于保護高價值平臺，如艦船和潛艇。

圖3 DRS公司的LAMBDA擴展攝像機和5μm間距攝像機的圖像

圖4 周視MWIR成像儀

圖4（上）是一種周視攝像機，是美國海軍研究實驗室（NRL）的Jim Waterman研發的。Remote Reality公司制造了“圓環形”透鏡，可以將周視圖像投影到一個焦平面上，L3辛辛那提電子公司制造了2000×2000像素InSb焦平面，對整個周圍成像，提供該區域的虛擬瀏覽。

圓環圖像必須實時去翹曲，提供圓柱坐標圖像。這種特殊攝像機在中波紅外波段提供水平方向約5000像素，這是海上應用的潮濕環境中的重要紅外波段。

幀速對周視系統很重要。當這些圓環型透鏡提供高幀速時，旋轉掃描系統，通常使圖像慢下來。如果幀速太慢，攝像機就不能滿足目標探測和跟蹤要求或機動要求。

PbSe探測器具有良好的靈敏度和速度

去年的一項技術突破對紅外系統造成的沖擊很明顯，即諾·格公司Kenton Green 和Sung-Shik Yoo先生研發的硒化鉛探測器。他們研發出低成本PbSe探測器并在一段時間內用于機載威脅告警系統，以對抗單兵便攜式防空導彈（MANPADS）和其它防空武器。

這些探測器的焦平面是把PbSe沉積在硅讀出電路上，使探測器非常便宜。這些中波紅外探測器的明顯特征是它們用兩個熱電制冷器進行非低溫制冷。

靈敏度為30毫開溫，采用f/1光學元件和2.5毫秒積分時間，以230開溫工作。陣列為320×240像素，像素為60μm，重復能力為99.6。

我們從事紅外系統工程的很多人從不認為當非低溫制冷光子探測器有大靈敏度時就能看到類似白天的景象。這些探測器的應用不僅包括威脅告警和敵方火力指示，還可以在高速工業檢測、驅動、來復槍瞄準等方面表現突出。

他們之所以采用廉價的微輻射熱機是因為其具有良好的靈敏度和高速度。

Green, Yoo和同事ChristopherKauffman是5月份在巴爾的摩SPIE DSS上發表“鉛鹽熱電制冷成像傳感器研發”文章的作者。我鼓勵其出席本屆會議。如果我沒有關注馬德里新紅外技術公司在該領域取得的良好進展，我將會失職。

目前，商業機正面臨MANPADS的攻擊，這使這項技術變得很關鍵。

更小，更輕的扁平透鏡

在改進紅外系統的光學元件方面，人們真正感興趣的是光學元件的扁平透鏡法。DARPA投資的Ravi Athale的最初方案及與合作小組（包括加利福尼亞大學研究員）合作的項目取得重大進展。最初方案看起來像一個冰球（圖6頂部），光沿邊緣進入圓盤，繞冰球內側彈跳，出來時在另一側聚焦。反射面提供光學功率，形成圖像離光盤背部不是很遠。

圖5紅外FLAT光學元件

該方法的優點是尺寸更小，重量更輕，探測器功能更好。缺點是減少了調制傳遞函數和由于光線遮擋的光采集。但是，當需要小尺寸、重量和功率時這是一項重大技術。

UCSD的Joe Ford說紅外型號是從UCSD“畢業”的。NVESD的Philip Perconti、Jay Vizgaitis和Colin Reese在輕便系統中實現了這項技術，并因此獲得了獎勵。2010年SPIE DSS上發表的文章介紹了這種方法，并顯示了利用微輻射測熱計探測器陣列怎么實現紅外的方法。（參見圖6中間和底部圖像）。

微輻射測熱計的封裝

讓我們把目光轉向商業方面。目前由于一些公司在開發（某些公司有DARPA和Dhar的幫助）微輻射測熱計陣列的晶片級封裝，微輻射測熱計正在發生變化。

該技術把真空窗口放在一整塊微輻射測熱計陣列晶片上。然后用完整的真空窗口對陣列和窗口進行劃分。

價格方面的底線是微輻射測熱計退出市場。過去3~4年間，微輻射測熱計陣列從幾萬美元降到幾千美元，2014年預計將降到幾百美元。明年陣列售價小于100美元，甚至小格式陣列更便宜。

當微輻射測熱計投入溫度記錄、汽車和其它商業市場并使用了幾年后，廉價的陣列將使熱成像得到進一步的商業應用。

FLIR系統公司的FLIR ONE 智能手機

最新例子是1月發布的用于智能手機的FLIR系統公司的FLIR ONE 個人熱像儀。智能手機系統成本為350美元，用一個防護殼蓋住可見光攝像機和微輻射測熱計攝像機，它們的圖像融合起來呈現在智能手機屏上。

該例子中的Lepton小型熱攝像機采用一個成本非常低的微輻射測熱計核。Lepton探測器像素陣列為80×60，間距為17μm。響應波段為8~12μm，透鏡水平視場為50°。

隨著晶片級封裝和晶片級攝像機加工的發展，我們將看到這類紅外系統大量商業化。

誰能跟上時代

這是紅外系統飛速發展的時代，發展是加速度式的，在涉及有關軍事和商業系統的新型紅外元件和系統方面，我只是略懂皮毛。

我的許多同事會指出還有很多其他方面的最新進展。他們會說我漏掉了短波紅外系統、主動和被動紅外系統、超光譜系統、偏振系統、紅外系統中的相干成像及許多其他最新進展。