作者：Richard S. Salisbury

    相机设计方面的诸多创新，使新一代非制冷红外成像相机实现了良好的稳定性和无快门成像。

    自从1800年William Herschel爵士首次发现在可见光谱以外存在不可见光（即我们现在所了解的红外光）到现在，人们对红外光谱的研究已经取得了很大进展。事实上，当年William Herschel的发现纯属巧合，因为他实际上是要试图测量可见光谱产生的热量。

    从那以后，红外（IR）技术取得了飞速发展。第一个真正意义上的热成像系统是由Honeywell公司、Texas Instruments公司和Hughes aircraft公司在上个世纪50年代为美国在朝鲜战争中的军事应用而设计的。以现在的标准来看，这些系统都是粗糙的单像素探测器设备，但是却具有非常复杂的光学元件和扫描装置。直到上个世纪80年代晚期，更加先进的微测辐射热计系统才开始发展，并且逐渐获得了广泛商用。

    早期的相机使用液氮或复杂的制冷系统将红外探测器冷却至零下几百摄氏度，以此来提高相机对来自目标的热信号的灵敏度。系统造价的居高不下以及不便于携带等因素，使得相机的应用多年来一直停留在国防、航空航天等重要领域。随着技术的发展，探测器、相机和软件系统在性能方面都获得了一定的进展，并且入门级产品的价格也在下降。

    非制冷微测辐射热计的持续发展，使相机在功能和性能方面都获得了一定进步，相机逐渐变得更小、更轻并且更节能。目前，唯一限制相机尺寸和复杂程度进一步减小的因素是热成像器（红外探测器和机械部件）的最基本元件的物理尺寸。

    改进FPA探测器

    技术从单像素探测器发展到类似于传统数码相机中的电荷耦合器件（CCD）芯片的多像素焦平面阵列（FPA），使相机设计人员能够去除早期进行二维成像的单像素探测器中的包括移动式反射镜、棱镜和多面镜的复杂机械扫描系统。但是，不同于可见光CCD，红外FPA响应的是热量而不是光，并且需要将FPA中的每个像素和与其相邻的像素隔离开，能量落在每个像素上都会对性能产生影响（见图1）。

    随着邻近的电子元件产生的热量或容器温度的变化，或视野中的目标本身辐射热量的变化，探测器的增益和标准值将发生固有的漂移而偏离稳定区，并导致图像不均匀。更糟糕的是，这些热源可以产生随时间而增长的噪声。为了校正不均匀性，在探测器前面安装了一个机械控制校准快门，用于阻隔来自目标的所有入射能量，并且可以相对于一个固定的热源对探测器进行校正。根据在不同时间导致探测器漂移的因素不同，要求这种重新校正的时间间隔为几秒钟到几分钟不等。

 
图1. 辐射热计是基于测量阻抗变化的原理，而阻抗是随温度变化的。辐射热计的机械配置设计成对长波辐射具有最大响应，而对读取集成电路产生的分散变热响应最小。这样产生的绝热效果很好，从而防止它经过构成辐射热计的导线传导。

    降低热效应

    红外探测器制造商利用直接安装在探测器上的热电（珀尔帖效应）加热器/制冷器或者微制冷器稳定探测器的温度，试图以此减小探测器的漂移量。然而，这两种机制都只能在有限的工作条件下提供局部解决方法，并且严重消耗成像系统中最为重要的电力预算。

    直到最近，制造商们仍然在追求一个远大的、并且看起来不可能实现的目标：取消红外相机中一个重要的移动部件——快门。自从基于固态FPA的热成像技术诞生以来，无快门工作方式就成了业界追求的目标。
 
    目前，基于FPA的相机要求使用“快门”进行频繁的快门校准，并阻隔入射信号，其目的是使观察者每次对场景“盲视”几秒钟。在目标跟踪、在线机器视觉、头盔显示或武器应用等危险环境中，这种对视觉的完全阻碍可能会带来很多不便，甚至会有致命的危险。因此，快门的使用随之也带来了几个明显并且重要的问题。
 
    首先，当快门关闭用于校正探测器时，使用者什么都看不见。第二，这种校正过程可能耗时数秒并且可能频繁发生，这取决于相机和它的工作环境。在使用者需要为生存而观察的情况下（比如在完全黑暗中驾驶车辆或观察敌方人员），快门操作是不能接受的。但因为业界认为快门是不可避免的，有规律的视觉丧失已经被认可为这项技术的一部分。

    向无快门工作方式迈进

    随着全球性反恐军事活动的扩大，人们正在寻求改进的夜视解决方案。为了能够可靠地工作在作战环境中，所有设备必须坚固耐用。而且，多余的运动部件的去除，也有助于提高设备的可靠性。快门的撤除不仅能够减少对牢固性和可靠性方面的负面影响，而且还能减小整个系统的体积、重量和功耗，而这些对应用日益增多的智能无人机来说都是非常重要的因素。另一个问题是与开关快门有关的实际声学噪声，这个问题有可能“促成或毁灭”隐蔽的或秘密进行的任务。

    针对这些要求，Thermoteknix Systems公司推出了首款硅基FPA热成像相机，它采用了无快门的专有XTi技术（见图2）。基于XTi技术的MIRICLE 110KS是一款超紧凑型非制冷（未加稳定）固态高分辨率红外相机，它可以实现“无盲视”热成像（见图3）。这款相机没有快门和任何运动部件，并且不受冲击或振动的影响。

    这项创新首先来自一款早期使用非晶硅的探测器，它去除了装置中的热电加热-制冷器或微制冷器，允许探测器从一个稳定的或固定的工作温度自由地漂移。热电（T/E）加热-制冷器只能在一个相对较窄的工作环境中稳定探测器，并且需要的环境控制范围越宽，电量消耗就越多。相应地，探测器只能在受控的温度范围内保持标称特性，一旦探测器离开控制点，图像质量和性能就会受损，同时仍然会消耗大量电能。然而，非晶硅技术具有三个明显的好处，即瞬时操作、功耗更小、成本更低。

    首先，非晶硅减小了相机启动后获取第一幅图像的时间，因为探测器不需要被加热或制冷到工作温度，因此动作几乎是瞬时的。这在大多数军事应用中是一个重要优点，因为获取图像的时间长短，意味着生存与死亡的差别。

 
    图2. Thermoteknix公司的MIRICLE Alpha Silicon焦平面阵列探测器的分辨率为 384 × 288，它具有三层印刷电路板（PCB），因此可以无快门工作。第一层PCB直接与探测器相连，用于产生探测器所需的定时信号，并且把来自探测器的模拟信号转换为数字信号。中间的PCB是相机的处理引擎，它包含从原始的探测器图像中提取无噪声图像的算法，并且包含不需机械快门的XTi技术。第三层PCB负责供电管理以及与外部系统的接口。

    第二，相机的功耗显著降低。对于所有的手持式设备，功耗是一个非常关键的因素。当相机工作的环境温度偏离设置的工作点时，热电加热-制冷器的功耗就会增加（这个工作点的典型值是30oC）；当超出正常的控制范围时，功耗就达到最大，并且探测器将丧失稳定性。 

 
    图3. 由于去除了热电加热-制冷器部件，并以无快门方式工作，使MIRICLE 110KS热成像相机能够采用尺寸小巧、结构紧凑的坚固封装。

    最后，降低了成本和复杂性。由于去除了热电加热-制冷器，因此降低了探测器的制造成本，并且排除了由此产生的故障和维修问题。
 
    MIRICLE下一步的发展是采用操作无热电加热-制冷器相机的方法，并进一步完善从而去除校准快门。这要求对每个探测器的输出改变方式、以及影响每个像素相对于其他像素性能的因素有基本的理解。由于采用了XTi技术，电子处理过程就不需要快门，使用者就可以不间断地进行图像观测。从非制冷或稳定的热成像相机中去除快门，为夜视和热成像在不同领域中的应用提供了无限机遇。

（中国图像网报道）

文章出自：激光世界