紅外探測器技術是紅外技術的核心，紅外探測器的發展引領也制約著紅外技術的發展。紅外探測器的發展肇始于1800年英國天文學家威廉·赫胥爾對紅外線的發現，隨后出現了熱電偶、熱電堆、測熱輻射計等熱電、熱探測器。1917 年美國人Case研制出第一支硫化鉈（Tl2S）光電導紅外探測器，20世紀30年代末，德國人研制出硫化鉛（PbS）光電導型紅外探測器。二次世界大戰加速了紅外探測器的發展，使人們認識到紅外探測器在軍事應用中的價值。二次世界大戰后半導體技術的發展進一步推動了紅外技術的發展，先后出現了PbTe、InSb、HgCdTe、Si摻雜、PtSi等探測器。早期研制的紅外探測器存在波長單一、量子效率低、工作溫度低等問題，大大地限制了紅外探測器的應用。
1959年，英國Lawson發明碲鎘汞（HgCdTe）紅外探測器，可以覆蓋短波紅外（Short Wave Infrared，SWIR）、中波紅外（Medium Wave Infrared，MWIR）、長波紅外（Long Wave Infrared，LWIR）、甚長波紅外（Very Long Wave Infrared，VLWIR）等波段范圍。紅外探測器的發展由此呈現出蓬勃發展的局面，作為主流的紅外探測材料，碲鎘汞對紅外光電探測技術的發展起到了極大的推動作用。碲鎘汞紅外探測器自發現以來一直是紅外探測器技術的首選，它在紅外探測器發展歷程中占有重要的地位。美國、英國、法國、德國、以色列以及中國等國家的紅外研究工作者對碲鎘汞紅外探測器的發展投入了極大的精力，并持續不斷地進行研究和改進[1]。80年代后，由于電子技術和材料生長技術的高速發展，出現了更多的新型探測器，相繼發明了基于Ⅲ?Ⅴ族化合物半導體的量子阱紅外探測器（Quantum Well Infrared Photodetector, QWIP）、二類超晶格（Type-II Superlattice，Type-II SL）紅外探測器和量子點紅外探測器(Quantum Dot Infrared Photodetector, QDIP)，并且發展速度迅猛。
20世紀60年代末至70年代初，研制成功HgCdTe長波紅外線列探測器組件。1975年，美國提出基于第一代紅外探測器的熱成像通用組件(MCTNS)，從此HgCdTe材料和探測器大規模應用于軍事領域至今。在1999年，唐納德·里高等人提出SWaP3（Size，Weight，Power，Performance and Price）概念。基本思想是小型化、輕重量、低功耗、高性能、低成本。圖1 給出了紅外探測器SWaP3概念涉及的因素及其關聯性。在該概念的發展引領
 圖1 三代/高端三代紅外探測器的SWaP3概念
下，紅外探測器的發展主要集中在大規格、小型化、雙色/多色化、智能化和高溫工作等前沿領域方面。在戰略應用方面，紅外探測器的高性能是核心，更關注“四高”，重點是提高光譜、空間、時間的分辨率和輻射探測器的靈敏度。而在戰術應用時，則涉及SWaP3概念的各個方面，需要權衡尺寸、重量、功耗、價格，特別注重的因素是應用的泛在化。紅外探測器已經完成了第一代、第二代的研究與實用化。三代紅外探測器主要針對戰術泛在化、戰略高性能的應用特點，重點發展SWaP3概念的紅外探測器，目前技術基本突破、部分開始進入裝備。高端三代紅外探測器則趨于挑戰超高分辨率、超高能量分辨率、超高時間分辨率和超高光譜分辨率等光強探測的極限性能。2017年，Antoni Rogalski提出了第四代紅外焦平面探測器的概念，并總結了第一代至第四代紅外探測器發展路線圖與大事記，如圖2所示。圖2展示了1940年后現代化紅外探測器的發展歷程和標志性進展，在這50多年里，紅外探測器的發展大致可分為四個時代[2-3]。
 圖2 紅外探測器發展歷程[4]
1）20世紀40年代，第一代紅外探測器問世，單元探測器發展成線列/小面陣探測器，紅外系統從點源探測儀發展成第一代熱成像儀。60年代末出現線列光電導探測器，像元數在1000以下，通過逐行掃描形成二維圖像，需要復雜的光學掃描機構。隨后，還出現了時間延遲積分（Time Delay Integration，TDI）的紅外探測器，屬于1.5代產品。
2）20世紀80年代，第二代紅外焦平面探測器問世，第一代線列/小面陣探測器發展成從焦平面讀出電信號的長線列/大面陣焦平面探測器，像元規模103～106，第一代熱像儀發展成第二代紅外成像儀，性能提高，成本大幅度降低，實現凝視成像，在成像速度和質量方面相比于第一代有了質的飛躍。20世紀末，歐美等發達國家已在航天遙感、武器裝備等各大領域實現了產業化應用，并在實戰中顯示出了巨大的威力。2010年前后，我們國家也初步具備了二代紅外探測器應用于航天遙感、武器裝備等的實用化能力。
3）20世紀末，隨著半導體材料、芯片技術的不斷進步，2000年以來開始了第三代紅外探測器的研究。2010年左右，業內提出了小尺寸、輕重量、低能耗、低價格、高性能的概念，相應地紅外探測器步入了以大規格、小型化、雙色/多色化（two/multi-color）、智能化和高溫工作（High Op? eration Temperature，HOT）等為技術特征的時代。隨著SWaP3概念的提出，第三代紅外探測器已進入高速發展階段。第三代紅外探測器時，第二代焦平面探測器發展成長線列/大面陣、雙色/雙波段焦平面探測器，像元規模106以上，第二代熱像儀發展成第三代紅外成像儀，實現高清晰紅外成像 (與高清晰電視成像技術兼容)、雙色/雙波段的高清晰紅外成像。
4）隨著紅外探測器技術的發展，在探測機理 (例如雪崩模式、甚長波、雙/多色、偏振、小尺寸像元等)、材料設計與制備 (例如能帶工程、MBE 和 MOCVD等)、工作溫度 (例如 150 K、室溫工作等)、信號處理(例如片上數字化等)、封裝 (例如組件級封裝、片上封裝等)、 光學集成、智能化信息處等環節均取得顯著的技術突破，紅外焦平面探測器技術的多元化發展導致至今對第四代紅外探測器的定義未形成統一觀點。
近半個世紀以來，尤其是近30年，紅外探測技術的發展異常迅速，大量的新型材料、新穎器件不斷涌現，實現了從第一代的單元、多元光導器件向第二代紅外焦平面器件的跨越，正朝著以大規模面陣、高分辨率、多波段、高集成、智能靈巧型系統級芯片、輕型化和低成本為特征的第三代紅外焦平面技術的方向發展，具有高性能數字信號處理功能，甚至具備單片多波段融合探測與識別能力。紅外探測器經歷了第一代單元、多元器件，通過串/并掃描成像，第二代288×4為代表的時間延遲積分（TDI）掃描型紅外焦平面陣列和中等規模的凝視型焦平面。單元、多元探測器掃描成像需要復雜笨重的二維、一維掃描系統結構, 且靈敏度低。第二代紅外焦平面探測器是小、中規格的凝視型( staring )紅外焦平面列陣（FPA）。M×N 凝視型紅外焦平面探測器陣列像元數從1元、N元變成M×N元，靈敏度也分別從1與N 1/2增長(M×N )1/2倍和M 1/2。而且，大規模凝視焦平面陣列，不再需要光機掃描，大大簡化整機系統。并逐步向著高集成度、高性能、多維度探測和低成本的方向發展，對于響應速度、探測靈敏度、響應時間和器件的體積、質量和成本等指標提出了更高的要求。
參考文獻
[1]史衍麗. 第三代紅外探測器的發展與選擇[J]. 紅外技術，2013, 35(1): 1-8
[2] Rogalski, Infrared detectors: an overview[J]. Infrared Physics&Technology,2002, 43: 187-210.
[3] 何力, 楊定江, 倪國強等. 先進焦平面技術導論[M]. 國防工業出版社, 2011.
[4] A. Rogalski, J. Antoszewski, L. Faraone. Third-generation infrared photodetector arrays[J]. Journal of Applied Physics. 2009,105,091101.
李建林
20230318
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