红外与微光技术

1、红外与微光技术1. 红外技术的简介红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。 通常人们将其划分为近、 点击此处添加图片说明中、 远红外三局部。 近红外指波 长为0.753.0微米；中红外指波长为3.020微米；远红外那么指波长为20 1000微米。在光谱学中，波段的划分方法尚不统一，也有人将0.753.0微米、3.040微米和 401000 微米作为近红外、中红外和远红外波段。另外，由于 大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的 "窗口"区，即 13微米、 35微米 和 8 13 微米可让红外辐射通过， 因而在军事应用上， 又分别将这三个波段称为 近红

2、外、中红外和远红外。红外应用产品种类繁多，应用广泛。红外线自 1800 年被发现以来，人们对 她的研究从来没有停止过，目前已经开发出了众多的应用产品，从医疗、检测、 航空到军事等领域， 几乎处处都能看到红外的身影。 本文选择了红外热像、 红外 通讯、红外光谱仪、 红外传感器等几个比拟大的产品领域做介绍。 红外技术的发 展前景十分的广阔， 在军用和民用领域都有着极其广阔的应用。 按应用领域可分 为：安防领域、消防领域 、电力领域 、企业制程控制领域、医疗领域、建筑领 域、遥感领域等。2. 红外技术的根本原理红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波， 具有与无线电涉及可见光一 样的本质， 波长在

3、770纳米至 1 毫米之间， 在光谱上位于红色光外侧。 红外线可 分为：近红外线(7002000nm)、中红外线(30005000nm)、远红外线 (800014000nr)所有高于绝对零度(-273.15 C)的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。红外线穿透云雾能力比可见光强， 利用红外线可以观测低空水蒸气含量进行 天气预报；晴天可利用红外线观测大气 CQ含量，估计温室效应，亦可观测大 气污染的情况。红外线具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。俗称红外光。 生物体中的偶极子和自由电荷在电磁场的作用下，有按电磁场方向排列的趋势。 在此过程中，引发分子、原子无规那么运动加剧

4、而产生热，当红外辐射有足够强度 时即超过了生物体的散热能力，就会使被照射机体局部温度升高， 这就是红外线 的热效应。红外热效应是设计和制作热敏型红外探测器的物理根底。在生活中，利用红外热效应的有红外线高温杀菌、红外线治疗等。红外线检测物体外表温度分布的变化如图 1：反射波入射彼均质体无魏晤非均盧体隔热性iiTir度分布非均质体隔熱性 缺陷43丄鶴非均质体HEUXTHT外表襯非均质他度分布性fe魔分布图i红外线检测物体外表温度分布的变化从图中可知，热流注入是均匀的，因此对无缺陷的物体，正面和反面的温度 场分布根本上是均匀的。如果物体内部存在缺陷，在缺陷处温度分布将发生变化，对于隔热性的缺陷, 正

5、面检测时，缺陷处因热量堆积呈“热点，反面检测时缺陷处那么是低温点；而 对于导热性的缺陷，正面检测时，缺陷处的温度是低温点，反面检测到缺陷处的 温度是“热点可见，采用红外检测技术，可以形象的检测出材料表层与浅层缺陷和范围3. 红外技术的典型应用3.1 军用领域 红外技术可用于对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外 成像的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统；光电对抗等。 在美、英、法、德、日、以色列等兴旺国家的军队中，红外热像仪已配置在陆、 空、海军等各个军种中， 例如海湾战争中平均每个美国士兵配备 1.7 具红外热像 仪。与兴旺国家相比， 目前我国军队中红外热像仪的应

6、用相对较少， 其市场需求 量相当巨大。3.2 民用领域红外测温、红外成像已在工业、交通、电力、石化、农业、医学、遥感、安 全监控与防范和科学研究等民用领域广泛应用， 成为自动控制、 在线监测、 非接 触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影 像检查等重要方法。系统级产品种类和量产规模的不断扩大导致了红外器件本钱的降低， 这个发 展趋势不但促进了这项技术在民用领域能够不断地探寻更多的应用用途， 同时又 拉动了这项技术本身所牵引的根底行业的开展。民用领域的红外热像仪市场极有可能呈现出爆发性增长， 未来全球民用潜在 需求市场高达上千亿美元。3.3 安防领域从 2006

7、年至今，全球视频监控市场年增长速度到达 70%左右，预计到 2021 年，全球视频监控市场规模将到达近 60 亿美元。中国视频监控市场， 2006年规 模达 18 亿元，预计 2021年将到达近 70亿元。随着商业和民用安防监控实际需求的不断增长、 部署监控系统性价比的不断 提升，以及“国家应急体系 、“平安建设、“科技强警等重大工程工程在全国 不断推进，我国视频监控市场将持续升温， 并不断创造出更多的市场需求和时机。 北京奥运会、 上海世博会、广州亚运会等国内大型活动的举办和世界社会平安形 势的多变， 对各种危险性的预防也提出了越来越高的要求， 具有全天时准全天候 的红外监视显得更加突出。非

8、制冷红外探测器的出现和市场价格的可接收性， 红外报警已从近红外主动 照射成像报警、点源红外探测报警快速向红外凝视焦平面成像开展。红外成像、红外 / 可见光融合的智能视频监控报警系统将获得快速开展，并 将广泛运用到海边防、银行、机场、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监 狱等重要部门，以及交通、工业、仓储、港口码头、物联网和森林防火等行业市 场。到 2021 年，全国约有 300 万个监控摄像头用于城市监控与报警系统。未来 按三十分之一配置红外热像仪，市场规模即达 10 万只，平均每台按 5 万元计算 目前售价约为 10 万元，市场需求总量到达 50 亿元。 红外安防已经开始成为 安防领域的又

9、一热门产业！3.4 消防领域消防领域是世界上兴旺国家红外热像仪最大的民用市场。 据统计，目前全球 有大约 500 万消防人员，如果每辆消防车辆配备一台热像仪，市场总量将到达 20 万台。据我国公安部消防局装备处的统计资料，目前我国消防车保有量约为 2.3 万辆，按照公安部、国家开展和改革委员会、建设部修订的?城市消防站建设标 准?要求，到 2021年，每个消防站的消防车配置将由 3.2 辆增加到 5 辆，全国 消防车总量因此将到达近 3.6 万辆。我国消防车中配备红外热像仪的还很少， 如果每台消防车配备一台红外热像 仪，平均每台按 10 万元计算目前售价约为 15 万元，全球消防领域的市场需

10、求总量到达 200 亿元，我国将到达 36 亿元。电力领域作为最成熟、 最有效的电力在线检测手段， 红外热像仪可以大大提 高供电设备运行的可靠性，大大降低了设备的检修时间。虽然电力行业是目前我国民用红外热像仪应用最多的行业，但仅限于广东、 浙江、江苏、 山东等沿海经济兴旺地区， 而且目前这些兴旺地区的拥有量也仅为 需求量的 20%。据统计，我国电力行业红外热像仪的总需求量约为 2.5 万台，以平均每台售 价 6 万元目前售价约为 10 万元计算，市场需求总额约为 15 亿元。3.5 企业制程控制领域目前，我国制造业共有约 130 多万家企业，这些制造业如果利用红外热像仪 做制程控制，那么能大大

11、提高企业的产品品质，如制造业中 10%的大型企业配备红 外热像仪，按每家企业配备一台红外热像仪来计算，那么市场需求总量将到达 13 万台，以每台售价 10 万元计算，那么市场需求额可达 130亿元。3.6 医疗领域红外技术的医学应用主要包括人体温度检测、 疾病临床诊断、 疾病治疗与保 健三个领域。 红外测温检测在非典、流感期间发挥了重要作用；医用红外热成 像技术是对结构成像技术B超、CT核磁共振是一个很好的补充，许多以往 结构成像技术不能表现或晚于机能表现的异常信息， 却能通过红外热成像技术表 达。据文献报道，在发现肿瘤方面，它比 CT核磁早612个月。它又是疼痛 及软组织损伤的唯一可查仪器。

12、目前，医用红外热成像技术正在生物信息、无创检测、亚健康评估、肿瘤预 测、中医诊断客观化、人体异常信息的无创监测包括SARS疫情监测等重大前沿领域得到广泛的应用。各种红外理疗仪已经逐步进入了人们的家庭。我国医用红外热像仪的研制起步较晚， 1991 年才开始研制医用红外，由于 技术和市场的原因， 销售量一直较小， 目前在使用的医用红外热像仪产品大约有 200 台，北京协和医院、军区总医院、 309 医院、 304医院、 721 医院、电力总医 院、北京医院等均有此类设备， 据报道， 目前全国各大医院均已建立了红外医疗 中心， 80%的中小型医院成立了红外医疗科室，国内医疗界对红外医疗设备的需 求大

13、大增加。3.7 建筑领域2006 年 11 月 1 日，中国工程建设标准化协会批准实施?红外热像法检测建 筑外墙饰面层脱粘结缺陷技术规程? ，对红外热像仪在建筑行业的应用进行了规 范。目前，我国建筑企业约为 10万家，如果每家配备 1 台红外热像仪，那么市场 需求总量可达 10 万台，以平均每台售价 5 万元计算，市场需求额可达 50 亿元。3.8 遥感领域红外遥感仪器获取地物目标的红外波段辐射数据， 经过信号或信息处理可以 获得地球环境的信息。在地球资源探查、气象预报、防灾减灾、抗灾搜救等方面 具有重要的应用价值和广阔的应用空间。 有星载、机载、浮空器等众多遥感平台。4. 红外技术的开展趋势

14、红外线自 1800 年被发现以来，人们对她的研究从来没有停止过，目前已经 开发出了众多的应用产品，从医疗、检测、航空到军事等领域，几乎处处都能看 到红外的身影。 但人们对她的研究仍然延续， 时不时出现的新创造新应用， 带给 我们惊讶与感慨， 人类对这座宝藏的开发还远远不够， 红外产业还有广阔的扩张 空间！4.1 红外技术的开展及主要应用领域4.1.1 军用领域在美、英、法、德、日、以色列等兴旺国家的军队中，红外热像仪已配置在 陆、空、海军等各个军种中， 例如海湾战争中平均每个美国士兵配备 1.7 具红外 热像仪。与兴旺国家相比， 目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少， 其市场需求 量相当巨大

15、。4.1.2 民用领域红外测温、红外成像已在工业、交通、电力、石化、农业、医学、遥感、安 全监控与防范和科学研究等民用领域广泛应用， 成为自动控制、 在线监测、 非接 触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影 像检查等重要方法。系统级产品种类和量产规模的不断扩大导致了红外器件本钱的降低， 这个发 展趋势不但促进了这项技术在民用领域能够不断地探寻更多的应用用途， 同时又 拉动了这项技术本身所牵引的根底行业的开展。民用领域的红外热像仪市场极有可能呈现出爆发性增长， 未来全球民用潜在 需求市场高达上千亿美元。4.2 红外技术产业的主要领域方向按产品和技术类别可分为：红外

16、传感器、红外成像器 、红外材料、光学元 件、制冷器、前放、专用信号读出处理电路、图像处理、系统设计、系统检测、 仿真与试验等；按应用领域可分为： 安防领域、 消防领域 、电力领域 、企业制程控制领域、 医疗领域、建筑领域、遥感领域等。4.2.1 安防领域随着商业和民用安防监控实际需求的不断增长、 部署监控系统性价比的不断 提升，以及“国家应急体系 、“平安建设、“科技强警等重大工程工程在全国 不断推进，我国视频监控市场将持续升温， 并不断创造出更多的市场需求和时机。北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等国内大型活动的举办和世界社会安 全形势的多变， 对各种危险性的预防也提出了越来越高的要求， 具

17、有全天时准全 天候的红外监视显得更加突出。非制冷红外探测器的出现和市场价格的可接收性， 红外报警已从近红外主动 照射成像报警、点源红外探测报警快速向红外凝视焦平面成像开展。红外成像、红外可见光融合的智能视频监控报警系统将获得快速开展， 并将 广泛运用到海边防、银行、机场、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱 等重要部门， 以及交通、工业、仓储、港口码头、物联网和森林防火等行业市场。4.2.2 消防领域我国消防车中配备红外热像仪的还很少， 如果每台消防车配备一台红外热像 仪，平均每台按 10 万元计算目前售价约为 15 万元，全球消防领域的市场需 求总量到达 200 亿元，我国将到达 36

18、亿元。电力领域作为最成熟、 最有效的电力在线检测手段， 红外热像仪可以大大提高供电设 备运行的可靠性，大大降低了设备的检修时间。虽然电力行业是目前我国民用红外热像仪应用最多的行业，但仅限于广东、 浙江、江苏、 山东等沿海经济兴旺地区， 而且目前这些兴旺地区的拥有量也仅为 需求量的 20%。据统计，我国电力行业红外热像仪的总需求量约为 2.5 万台，以平均每台售 价 6 万元目前售价约为 10 万元计算，市场需求总额约为 15 亿元。4.2.3 企业制程控制领域目前，我国制造业共有约 130 多万家企业，这些制造业如果利用红外热像仪 做制程控制，那么能大大提高企业的产品品质，如制造业中10%的大

19、型企业配备红外热像仪，按每家企业配备一台红外热像仪来计算，那么市场需求总量将到达 13 万台，以每台售价 10 万元计算，那么市场需求额可达 130亿元。4.2.4 医疗领域红外技术的医学应用主要包括人体温度检测、 疾病临床诊断、 疾病治疗与保 健三个领域。红外测温检测在非典、 流感期间发挥了重要作用； 医用红外热成像技术是对 结构成像技术B超、CT核磁共振是一个很好的补充，许多以往结构成像技 术不能表现或晚于机能表现的异常信息， 却能通过红外热成像技术表达。 据文献 报道，在发现肿瘤方面，它比 CT核磁早612个月。它又是疼痛及软组织损 伤的唯一可查仪器。目前，医用红外热成像技术正在生物信息

20、、无创检测、亚健康评估、肿瘤预 测、中医诊断客观化、人体异常信息的无创监测包括SARS疫情监测等重大前沿领域得到广泛的应用。各种红外理疗仪已经逐步进入了人们的家庭。我国医用红外热像仪的研制起步较晚， 1991 年才开始研制医用红外，由 于技术和市场的原因， 销售量一直较小， 目前在使用的医用红外热像仪产品大约 有 200 台，北京协和医院、军区总医院、 309 医院、 304 医院、 721 医院、电力 总医院、北京医院等均有此类设备， 据报道， 目前全国各大医院均已建立了红外 医疗中心， 80%的中小型医院成立了红外医疗科室，国内医疗界对红外医疗设备 的需求大大增加。4.2.5 建筑领域20

21、06年 11月 1 日，中国工程建设标准化协会批准实施?红外热像法检测建 筑外墙饰面层脱粘结缺陷技术规程? ，对红外热像仪在建筑行业的应用进行了规 范。目前，我国建筑企业约为 10万家，如果每家配备 1 台红外热像仪，那么市场 需求总量可达 10 万台，以平均每台售价 5 万元计算，市场需求额可达 50 亿元。4.2.6 遥感领域红外遥感仪器获取地物目标的红外波段辐射数据， 经过信号或信息处理可以 获得地球环境的信息。在地球资源探查、气象预报、防灾减灾、抗灾搜救等方面 具有重要的应用价值和广阔的应用空间。 有星载、机载、浮空器等众多遥感平台。4.3 第三局部国内外红外产业的现状与开展趋势4.3

22、.1 军用领域红外技术已广泛应用于陆、海、空各军兵种，其中红外成像精确制导是各国 红外技术应用的主流方向之一。红外成像制导技术是由美国人从 60 年代初开始 研创。有资料统计，在过去的 20 年里，世界范围内屡次的局部战争和有限军事 冲突中，被导弹击中的飞机中有 90%是被红外制导导弹击落的 , 有 85%的地面和 海上目标是被有红外制导能力的武器系统所击中。红外制导技术的扩展应用领域相当宽广，大量装备的还有阵地型、机载型、 舰载型和星载型制导火控系统和预告警系统。这些地面系统由于根本不受体积、 重量、造型和时效性的严格限制，又有人工参与进行维护和参数的现场设置。在欧、美兴旺国家，非消耗性红外

23、成像制导指挥、预警和火控系统的列 装率较高，几乎军用警用舰船上、飞机上、战车上和重要的地面阵地都装备了大量的红外成像设备，并发挥了相当重要的作用。4.3.2 民用领域根据美国 Maxtech International 发布的红外市场报告， 2006 年全球民用 红外热像仪的销售额为 16.3 亿美元，几年来，全球民用红外热像仪市场需求年 均增长率已超过了 15%，预计 2021 年全球民用红外热像仪市场供应将到达 28 亿美元。全球民用红外热像仪市场的供应和需求趋势 由于红外技术具有很高的军用和民用价值， 近年来国外主要厂家纷纷在核心器件 及系统产品的产业化进程中加大投入和研发的力度。5.

24、微光技术的简介微光学技术是 90 年代开展起来的光电学科前沿技术 , 是光电技术列阵化、微 型化、智能化的主要开展方向。微光学技术已经在光通讯、光开关、光扫描、光 互连中得到应用。微光学( micro-optiCS )是 20世纪 90 年代的产物，其中包括 微米尺度的光学外表微结构， 其在日本称为微小光学。 微小光学是广义上的微光 学，不是物理意义上的微光学。 自从微电子学的微细加工技术开展以来， 在光学 这个学科上就产生了微光学这个前沿学科分支。因此，微光学是一个知识密集、 前沿和技术先进的新的光学学科分支， 被誉为光学新技术， 代表着光学领域的科 学前沿。微光学是一门属于多门前沿学科交叉

25、领域的新兴科学，是光学与微电子学 和其他科学相互渗透、 交叉而形成的前沿学科。 光学仪器的微型化及微系统工程 的开发迫切要求系统结构及光学元件的微型化， 从而推动了微光学的开展， 而电 子技术又为微光学的开展创造了条件。 微光学借助于微电子工业技术的最新研究 成果，是国际上最前沿研究方向之一，并具有广泛的应用前途。6. 微光技术的根本原理二元光学是 80 年代后期形成并迅速开展的一门新兴外表微结构光学。 首先 由美国 MIT 的林肯实验室主任 W B Veldkamp 于 1987 年提出。二元光学是用大 规模集成电路工艺方法来制造的衍射光学。常规衍射光学元件由于衍射效率低元光学 70 %,工

26、艺因素不易控制湿处理,再现等,成像质量欠佳,因而主要开展厂1() Fnesnd lensnn l|b)DQL1 n n -ft) BOE0图2二元光学原理二元光学的原理如图2所示。首先用要求的波面经计算机设计成三维位相微结构,这种微结构其光的衍射形式可用多项式来逼近一个任意波面形状：式中 入入射光波长；anm像差优化系数。当多项式取到10阶以上,就可以决定像差优化系数 anm ,如果要考虑偏振等特性，必须采用矢量理论 计算x , y 。目前国内外已有多种光学软件,例如Code V , ZeMax , OSLD等可以应用。当波面x , y用2n来量化,这就是Fresnel波带板。当量化用一个模函

27、数:N = 2 m。式中 m是二元量化水平，代表二元的掩模数当m = 1 相位深度为n ,即一个量化水平，称衍射光学。这种衍射光学一 般是指全息光学元件,衍射效率n40 %。7. 微光技术的典型应用微光技术在医学上有重要作用。 微光学电子机械系统集微传感器、 微执行器、 电子电路和微光学元件于一体， 同时执行光学、 电学和机械功能， 是微电子机械 系统与集成光学的有机结合， 是微电子机械系统在微光学领域的应用， 是微电子 机械系统大有希望的开展方向。微光学元件具有体积小、 重量轻、设计灵活可实现阵列化和易大批量复制等 优点已成功地应用到各个领域中，如 SurgiLas 德国全球专利微光学治疗仪

28、就是 对微光学的灵活运用， 在静脉曲张治疗方面具有划时代的意义， 唯一遗憾的是此 技术只被少数机构掌握，而 SurgiLas 德国全球专利微光学治疗仪也仅仅在少数 综合能力强、医务人员技术强硬的医疗机构引进。8. 微光技术的开展趋势信息光电子产业已成为经济开展中最引人注目、 最有活力的产业之一。 研究 新型的、具有自主知识产权的信息光学技术， 对于开展我国的信息光电子产业具 有重要意义。 微光学器件及应用是信息光电子产业中一个重要的开展方向。 微电 子的快速进步， 以及飞秒激光的迅速进展， 为新的信息光电子技术提供了开展空 间，是目前重要的前沿学科方向之一。信息光电子产业化的开展需要原创性的理论做指导并开展新的技术。 微光学 技术利用先进的微电子工艺技术， 为新型光学元件的开展提供了技术根底。 我们 课题组最近在光栅自成像的理论、 微光学元件、以及在飞秒技术中的应用等方面 取得了如下进展：1光栅自成像效应中的简单规律。主要是泰伯效应中的对称性、和领域 差分规那么传播规律。2蚀微光学元件