红外与微光技术.docx

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红外与微光技术

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、远红外三部分。

近红外指波长为0.75〜3.0微米；中红外指波长为3.0〜20微米；远红外则指波长为20〜1000微米。

在光谱学中，波段的划分方法尚不统一，也有人将0.75〜3.0微米、

3.0〜40微米和40〜1000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1〜3微米、3〜5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较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.红外技术的基本原理

红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，波长在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（700~2000nm）、中红外线（3000~5000nm）、远红外线（8000~14000nr）所有高于绝对零度（-273.15C）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、原子无规则运动加剧而产生热，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基础。

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。

红外线检测物体表面温度分布的变化如图1：

图i红外线检测物体表面温度分布的变化

从图中可知，热流注入是均匀的，因此对无缺陷的物体，正面和背面的温度场分布基本上是均匀的。

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,正面检测时，缺陷处因热量堆积呈“热点”，背面检测时缺陷处则是低温点；而对于导热性的缺陷，正面检测时，缺陷处的温度是低温点，背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、以色列等发达国家的军队中，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。

与发达国家相比，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。

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成本的降低，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基础行业的发展。

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年至今，全球视频监控市场年增长速度达到70%左右，预计到2010年，全球视频监控市场规模将达到近60亿美元。

中国视频监控市场，2006年规模达18亿元，预计2010年将达到近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”等重大工程项目在全国不断推进，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机会。

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发展。

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发展，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2009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），市场需求总量达到50亿元。

红外安防已经开始成为安防领域的又一热门产业！

3.4消防领域

消防领域是世界上发达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，市场总量将达到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、国家发展和改革委员会、建设部修订的《城市消防站建设标准》要求，到2009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达到近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求总量达到200亿元，我国将达到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、山东等沿海经济发达地区，而且目前这些发达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，则能大大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，则市场需求总量将达到13万台，以每台售价10万元计算，则市场需求额可达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6〜12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、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。

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，则市场需求总量可达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.红外技术的发展趋势

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，时不时出现的新发明新应用，带给我们惊讶与感叹，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红外技术的发展及主要应用领域

4.1.1军用领域

在美、英、法、德、日、以色列等发达国家的军队中，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。

与发达国家相比，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。

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成本的降低，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基础行业的发展。

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”等重大工程项目在全国不断推进，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机会。

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发展。

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发展，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达到200亿元，我国将达到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、山东等沿海经济发达地区，而且目前这些发达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，则能大大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，则市场需求总量将达到13万台，以每台售价10万元计算，则市场需求额可达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6〜12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、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

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，则市场需求总量可达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第三部分国内外红外产业的现状与发展趋势

4.3.1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，世界范围内多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。

这些地面系统由于基本不受体积、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、美发达国家，非消耗性红外成像制导（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MaxtechInternational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2010年全球民用红外热像仪市场供给将达到28亿美元。

全球民用红外热像仪市场的供给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.微光技术的简介

微光学技术是90年代发展起来的光电学科前沿技术,是光电技术列阵化、微型化、智能化的主要发展方向。

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表面微结构，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发展以来，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发展，而电子技术又为微光学的发展创造了条件。

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.微光技术的基本原理

二元光学是80年代后期形成并迅速发展的一门新兴表面微结构光学。

首先由美国MIT的林肯实验室主任WBVeldkamp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

（＜70%）,工艺因素不易控制（湿处理,再现等）,成像质量欠佳,因而主要发展

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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①（x,y）。

目前国内外已有多种光学软件,例如CodeV,ZeMax,OSLD

等可以应用。

当波面①（x,y）用2n来量化,这就是Fresnel波带板。

当量化

用一个模函数:

N=2m。

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n〜40%。

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发展方向。

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.微光技术的发展趋势

信息光电子产业已成为经济发展中最引人注目、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，对于发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发展方向。

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发展空间，是目前重要的前沿学科方向之一。

信息光电子产业化的发展需要原创性的理论做指导并发展新的技术。

微光学技术利用先进的微电子工艺技术，为新型光学元件的发展提供了技术基础。

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、和领域差分规则传播规律。

（2）蚀微光学元件。

深刻蚀光学元件的最大优点是衍射效率高，同时使用友好，不怕潮解，易清洗。

传统的精密光栅极易受潮损坏，所镀的膜层也容易损坏。

深刻蚀光栅最大的难点在加工工艺。

我们经过长期的探索，对深刻蚀石英光栅的高密度等离体加工工艺进行了研究，加工出了670线／毫米，深度达2.5微米的高密度光栅，在通信波段1550纳米下的实测效率为89%（理论效率97%）。

深刻蚀微光学元件作为高效率的衍射光学元件，具有重要的应用前景，是微光学元件的一个发展方向。

（3）采用达曼光栅的飞秒测量技术。

自反射式达曼光栅飞秒测量技术开发以来，我国科学家搭建了相应的实验装置，测量了实验室目前可以得到的飞秒激光器的最短脉冲11飞秒，还测量了77飞秒的简单脉冲，以及在1000飞秒内的多个脉冲。

实验结果的误差很小，证明了反射式达曼光栅测量飞秒技术的可行性。

本装置的优点是结构简单，成本低，容易对准，有实用价值。

达曼光栅的制造和光刻工艺兼容，可以大规模低成本制造。

同时采用闪耀光栅可以进一步提高光的效率。

（4）超分辨技术激光通信、激光加工等许多场合均需要高精度的波面测量，这一直是个难题，特别对于1%波长精度的激光波面，要求光学元件有极高的加工精度，加工难度大，价格高。

利用消零点位相板技术对于波面的敏感性，提出了一种新颖的高精度激光波面的判断技术，激光波面的微小变化将导致零级谱点光强度的增加。

该技术具有成本低、性能稳定的优点，对于高精度激光波面的测量有重要意义。

（5）纳米光学技术首次采用近场光学扫描技术对高密度光栅的自成像进行研究，发现光栅的缺陷将导致自成像的变形，因此，该技术可以无损地检测高密度光栅的质量。

高密度光栅表面形貌的传统测量方法是采用扫描电镜技术，但需要破坏光栅。

高密度光栅价格昂贵。

我们研究的这种技术对高密度光栅的质量判断是一种有意义的辅助检测技术，利用这种技术，目前已经在高密度光栅的近场偏振效应方面发现了新的光学现象。

以上方向体现了微光学技术的内在进步和发展趋势，微光学在飞秒技术领域的应用有其独特的优越性，纳米光学近场扫描技术会产生许多新的成果。

这说明微光学技术是一项有实用价值的技术，其研究具有重要意义。