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红外行业报告:蓝海的需求(43页)

行业报告下载 2019-09-24 16 管理员

根据焦平面阵列工作单元光电转换过程中应用物理原理的不同, 红外探测器可分为光子探测器和热探测器。光子探测器基于光电效 应,探测器在吸收光子后,敏感材料电子状态发生改变,通过测量光 电效应大小,可以确定被吸收的光子数,进而得到目标红外辐射分布。 而热探测器则基于热敏材料温升后的物理性质变化(如电阻变化), 通过测量这些物理性质的变化,可以确定探测器所吸收的红外辐射能 量,同样可以得到目标红外辐射分布。成像机理不同是决定性能差异 的核心。基于光电效应的光子探测器,在受到特定频率的红外线辐射 后能够瞬时产生光电子,一般系统响应时间为纳秒级;基于热电效应 的热探测器,在受到红外辐射后需要升温过程,响应时间为毫秒级, 两类探测器在响应时间上相差多个量级。同时,光电效应的激发只需 要特定频率辐射,对辐射强度没有要求;热电效应则只在辐射达到一 定强度后才能产生可以准确测量的材料物理性质变化,因此制冷在探 测率、噪声等效温差等反应灵敏度的指标上同样大幅优于非制冷。

两类探测器应用不同的敏感材料,对应不同工作温度,因此光子 型探测器也称制冷型探测器,热探测器则称非制冷探测器。基于不同 的物理原理,近年来两类探测器都发展出了多种性能各异的敏感材 料。光子探测器的各类敏感材料中,碲镉汞应用最广泛,量子阱 (QWIP)、量子点、超晶格材料近年来也都在快速发展。上述敏感材 料一般工作于低温环境,如适用于中波段的碲镉汞材料有效工作温度 为 200K(-73℃),当探测器制冷到 77K 时,该材料的响应波段才能 延伸到 3~5μm,只有接近绝对零度光谱效应才能超过 8μm,因此光 子型探测器需要配置制冷器,也称制冷型探测器。而制冷器的应用也 决定了制冷型探测器的体积大、功耗大、寿命短。在热探测器的敏感 材料中,氧化钒和非晶硅应用最广泛。参考 Antoni Rogalski 2011 年发 表的《Recent progress in HgCdTe infrared detector technology》,全球范 围内应用氧化钒材料的非制冷探测器市场份额达 70%,而多晶硅为 17%。因为该类材料都工作在常温环境,不需要制冷器,所以热探测 器也称非制冷探测器。

整体看,红外探测器正朝焦平面阵列规模扩大、像元尺寸和像元 间距缩小的方向发展。提升阵列规模与像元密度,能够在不扩大探测 器体积的前提下大幅提升探测器的探测与成像能力,像元尺寸和像元 间距的缩小都能显著提升阵列密度,且像元间距减小还能节省原材 料,降低探测器成本。同时,光学系统的技术更迭有助于探测性能的 提升。例如,制冷型领域目前正朝变 F 数镜头(充分发挥制冷型探测 器的高灵敏度和大面阵)、双波段镜头(通过双孔径同时接收中、长 两个波段的红外辐射,使系统获得双波段探测能力)发展;非制冷领 域,为更好发挥探测器性能需要适配不同的镜头,据《红外成像光学 系统进展与展望》,随着体积和重量的大幅减低,非制冷探测器对光 路小于 1/2 焦距的微型红外镜头需求日益提升。不同像元尺寸的红外 探测器需要匹配不同的镜头,以国内较大的红外镜头供应商舜宇科技 为例,其官网在售的红外镜头产品主要面向 12μm 和 17μm 的红外 探测器。预计在未来适配 10μm 等镜头的加速研制,具备更为先进 探测器的红外厂商或率先受益,市场份额有持续扩大的可能。

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标签: 光电行业

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