光電子器件_第七章 紅外成像器件

1、第七章紅外攝像器件(qjin)共一百頁Sunday, July 17, 20222長波(chngb)紅外6 - 15 m長波 常溫時靈敏度更好.給定溫度目標的信號水平更好.更少的大氣吸收.對于玻璃和塑料不透明, 測量它們的表面溫度很方便(fngbin).陽光下反射更少.更高的信噪比.穿透煙、霧、塵和擾流.對于可將光背景干擾不敏感.共一百頁Sunday, July 17, 20223熱像技術(shù)(jsh)可以拓展到很多領(lǐng)域 分析(fnx)技術(shù)熱像儀操作熱傳遞應用檢測計劃和報告IRT熱輻射什么是熱像技術(shù)?共一百頁Sunday, July 17, 20224紅外圖例(tl)暗色意味著更冷，亮色意味著更熱

2、. 這幅熱圖高速我們(w men)什么信息?共一百頁Sunday, July 17, 20225什么(shn me)是熱像技術(shù)?FLIR ITC 給出的定義(dngy)紅外熱像技術(shù)是一門利用非接觸式熱像設(shè)備獲取和分析熱信息的科學。Note : There exist standardized definitions in some countries, and ISO is also working on it.共一百頁Sunday, July 17, 20226 熱像圖像熱量溫度(wnd)分析(fnx)什么是熱像技術(shù)?共一百頁Sunday, July 17, 20227熱量是不同(b tn)

3、溫度的系統(tǒng)間的熱量交換.因此, 當沒有溫度差異時紅外圖像沒有任何對比，也不可能進行分析!什么(shn me)是熱像技術(shù)?共一百頁Sunday, July 17, 20228大氣(dq)吸收我們認為大氣應該是透明的我們能看見可見光大氣對于可見光是透明的但是大氣對于所有(suyu)波段并不是透明的.共一百頁Sunday, July 17, 20229大氣(dq)窗口紅外通過(tnggu)大氣的透射率取決于波長和大氣條件.紅外圖像的大氣窗口為:3 - 5 微米 中波/MWIR (SWIR)8 - 13 微米 長波/ LWIR共一百頁Sunday, July 17, 2022107.1 紅外的基本知識

4、紅外光是電磁光譜中介于可見光的紅光和微波之間的波段.所有超過絕對零度的物體(wt)都在紅外波段輻射能量.紅外遵從可見光的基本規(guī)律. 人眼是看不見紅外光的.可見光和紅外光最大的不同是它們的波長不一樣.伽馬射線X射線紫外可見紅外無線電可見光0.4 近紅外 中紅外 遠紅外 超遠紅外 0.75 3 7.5-15 15 - 1000微米共一百頁一、紅外的發(fā)現(xiàn)(fxin)和本質(zhì) 紅外線的發(fā)現(xiàn)(fxin)和本質(zhì) 電磁波譜 紅外輻射特性 1. 1800年 英國天文學家赫謝耳(Herschel)在研究太陽七色光的熱效應時發(fā)現(xiàn)了一種奇異的現(xiàn)象:在紅光外側(cè)，確實存在一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外線”，也稱

5、“紅外輻射”。 2.紅外線存在于自然界的任何一個角落。事實上，一切溫度高于絕對零度的有生命和無生命的物體時時刻刻都在不停地輻射紅外線。 3.研究表明，紅外線是從物質(zhì)內(nèi)部發(fā)射出來的，物質(zhì)的運動是產(chǎn)生紅外線的根源。由此可見，紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。這種輻射的量主要由這個物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定。特別是，熱輻射的強度及光譜成分取決于輻射體的溫度，也就是說，溫度這個物理量對熱輻射現(xiàn)象起著決定性的作用。 共一百頁二、紅外輻射特性 紅外線是一種電磁輻射，具有與可見光相似的特性，服從反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振(pin zhn)等現(xiàn)象；同時，它又具有粒子性，即它可以光量子的形式發(fā)射和吸收。

6、此外，紅外線還有一些與可見光不一樣的獨有特性: (1) 紅外線對人的眼睛不敏感，所以必須用對紅外線敏感的紅外探測器才能接收到； (2) 紅外線的光量子能量比可見光的小，例如10m波長的紅外光子的能量大約是可見光光子能量的1/20； (3) 紅外線的熱效應比可見光要強得多； (4) 紅外線更易被物質(zhì)所吸收，但對于薄霧來說，長波紅外線更容易通過。共一百頁三、紅外探測技術(shù)(jsh)的研究與發(fā)展紅外探測的研究意義 紅外探測器及技術(shù)(jsh)的發(fā)展 紅外探測器的發(fā)展 紅外技術(shù)的發(fā)展 以紅外物理學為基礎(chǔ)研究和分析紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸及探測過程中的特征和規(guī)律 為目標探測、識別提供理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù) 共一百頁

7、紅外探測器的發(fā)展(fzhn)溫度計 熱電偶 熱電堆 測輻射熱計 確立了紅外輻射的基本定律，紅外物理才作為一門獨立的學科分支本征型器件(例PbS探測器 ) 摻雜非本征型器件 三元(sn yun)化合物器件(例HgCdTe探測器 ) 多元線列紅外探測器 掃積型HgCdTe器件(SPRITE探測器 紅外焦平面列陣技術(shù) 共一百頁紅外技術(shù)(hn wi j sh)的發(fā)展19世紀：研究天文星體的紅外輻射，應用紅外光譜進行物質(zhì)分析。20世紀：紅外技術(shù)首先受到軍事部門的關(guān)注，因為它提供了在黑暗中觀察、探測軍事目標自身輻射及進行保密通訊的可能性。 第一次世界大戰(zhàn)期間研制了一些實驗性紅外裝置，如信號閃爍器、搜索裝置

8、等。 第二次世界大戰(zhàn)前夕，德國：紅外顯像管； 戰(zhàn)爭期間：德國，美國：紅外輻射源、窄帶濾光片、紅外探測器、紅外望遠鏡、測輻射熱計等。 第二次世界大戰(zhàn)后：前蘇聯(lián)50年代以后，美國：響尾蛇導彈上的尋的器制導裝置和u2間諜飛機上的紅外照相機代表著當時軍用紅外技術(shù)的水平。前視紅外裝置(FLIR)獲得了軍界的重視，并廣泛使用：機載前視紅外裝置能在1500m上空探測到人、小型車輛和隱蔽(ynb)目標，在20000 m高空能分辨出汽車，特別是能探測水下40m深處的潛艇。 在海灣戰(zhàn)爭中，紅外技術(shù)，特別是熱成像技術(shù)在軍事上的作用和威力得到充分顯示。 共一百頁目前紅外技術(shù)作為一種高技術(shù)，它與激光技術(shù)并駕齊驅(qū)，在軍事

9、上占有舉足輕重的地位。紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導、紅外預警、紅外對抗等在現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭中都是很重要的戰(zhàn)術(shù)(zhnsh)和戰(zhàn)略手段。在70年代以后，軍事紅外技術(shù)又逐步向民用部門轉(zhuǎn)化。紅外加熱和干燥技術(shù)廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、交通等各個行業(yè)和部門。紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外防偽更是各行業(yè)爭相選用的先進技術(shù)。標志紅外技術(shù)最新成就的紅外熱成像技術(shù)，它與雷達、電視一起構(gòu)成當代三大傳感系統(tǒng)，尤其是焦平面列陣技術(shù)的采用，將使它發(fā)展成可與眼睛相媲美的凝視系統(tǒng)。共一百頁四、紅外探測器的分類(fn li)按波長分：近紅外: 0.763m中紅外：36m遠紅外：8

10、15m按工作溫度分：低溫(dwn)探測器中溫探測器室溫探測器按用途和結(jié)構(gòu)分：單元探測器多元探測器凝視列陣探測器按工作轉(zhuǎn)換機理分：熱敏探測器（熱電效應）熱釋電攝像管（如TGS等）熱探測器陣列熱釋電型非制冷焦平面陣列微測輻射熱計非制冷焦平面陣列（ Micro-Bolometer ）微測輻射熱電堆光子探測器（光電效應）光電導探測器（PC效應）光伏探測器（PV效應）肖特基勢壘探測器（PtSi探測器）量子阱探測器共一百頁一、紅外探測器分類(fn li)熱探測器光子(gungz)探測器 熱探測器是利用入射紅外輻射引起敏感元件的溫度變化，進而使其有關(guān)物理參數(shù)或性能發(fā)生相應的變化。通過測量有關(guān)物理參數(shù)或性能的

11、變化可確定探測器所吸收的紅外輻射。主要有熱電阻型、熱電偶型、熱釋電型和高萊氣動型等幾種型式。熱探測器的主要優(yōu)點是響應波段寬，可以在室溫下工作，使用方便。熱探測器一般不需致冷（超導除外）而易于使用、維護，可靠性好；光譜響應與波長無關(guān)，為無選擇性探測器；制備工藝相對簡易，成本較低。但由于熱探測器響應時間長，靈敏度低，一般只用于紅外幅射變化緩慢的場合。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計問題。光子探測器是利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光子效應，使材料的電學性質(zhì)發(fā)生變化。通過測量電學性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強弱。按照光子探測器的工作原理，一般可分為外光電和內(nèi)光電探測器兩種。內(nèi)光電

12、探測器又分為光電探測器、光電伏特探測器和光磁電探測器三種。光電探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，響應頻率高。但必須在低溫下工作，而且探測波段較窄。共一百頁、光子(gungz)探測器(1) 光電子發(fā)射(外光電效應)器件 利用光電子發(fā)射制成的器件稱為光電子發(fā)射器件。如光電管和光電倍增管。光電倍增管的靈敏度很高，時間常數(shù)較短(約幾個毫微秒)，所以在激光通訊中常(zhngchng)使用特制的光電倍增管。大部分光電子發(fā)射器件只對可見光起作用。 (2) 光電導探測器 利用半導體的光電導效應制成的紅外探測器叫做光電導探測器(簡稱PC器件)，目前，它是種類最多應用最廣的一類光子探測器。 光電導探測器可分

13、為單晶型和多晶薄膜型兩類。多晶薄膜型光電導探測器的種類較少，主要的有響應于13m波段的PbS、響應于35m波段的PbSe和PbTe(PbTe探測器，有單晶型和多晶薄膜型兩種)。 共一百頁(3) 光伏探測器 利用光伏效應制成的紅外探測器稱為光伏探測器(簡稱PV器件)。如果p-n結(jié)上加反向偏壓，則結(jié)區(qū)吸收(xshu)光子后反向電流會增加，它實際上是光伏效應引起的，這就是光電二極管、光電三極管。 (4) 光磁電探測器 利用光磁電效應制成的探測器稱為光磁電探測器(簡稱PEM器件)。目前制成的光磁電探測器有InSb、InAs和HgTe等。光磁電探測器實際應用很少。光子探測器能否產(chǎn)生光子效應，決定于光子的

14、能量。入射光子能量大于本征半導體的禁帶寬度Eg(或雜質(zhì)半導體的雜質(zhì)電離能ED或EA)就能激發(fā)出光生載流子。入射光子的最大波長(也就是探測器的長波限)與半導體的禁帶寬度Eg有如下關(guān)系： 共一百頁各類光子型探測器光電子發(fā)射探測器：紅外光陰極等利用外光電效應工作的探測器。光電導探測器（PC器件）：利用光電導效應(xioyng)工作的探測器。光伏探測器（PV器件）：利用光伏效應工作的探測器。光磁電探測器：利用光磁電效應制成的紅外探測器。肖特基勢壘器件：光子牽引效應。量子阱器件：利用量子阱效應。共一百頁、熱探測器(1) 熱敏電阻 熱敏物質(zhì)吸收紅外輻射后，溫度升高，阻值發(fā)生變化。阻值變化的大小與吸收的紅外

15、輻射能量成正比。利用物質(zhì)吸收紅外輻射后電阻發(fā)生變化而制成的紅外探測器叫做熱敏電阻。 (2) 熱電偶 溫差電現(xiàn)象制成的感溫元件(yunjin)稱為溫差電偶(也稱熱電偶)。將若干個熱電偶串聯(lián)在一起就成為熱電堆。在相同的輻照下，熱電堆可提供比熱電偶大得多的溫差電動勢。因此，熱電堆比單個熱電偶應用更廣泛。(3) 氣體探測器 氣體在體積保持一定的條件下吸收紅外輻射后會引起溫度升高、壓強增大。利用此原理制成的紅外探測器叫氣體(動)探測器。(4) 熱釋電探測器 有些晶體如硫酸三甘肽(TGS)、鉭酸鋰(LiTaO3)和鈮酸鍶鋇(Sr1-xBaxNb2O6)等，當受到紅外輻照時，溫度升高，在某一晶軸方向上能產(chǎn)生

16、電壓。電壓大小與吸收的紅外輻射功率成正比。利用此原理制成的紅外探測器叫熱釋電探測器。共一百頁熱探測器是一種對一切波長的輻射都具有相同響應的無選擇性探測器。但實際上對某些波長的紅外輻射的響應偏低，等能量光譜響應曲線并不是一條水平直線，這主要是由于(yuy)熱探測器材料對不同波長的紅外輻射的反射和吸收存在著差異。熱探測器的響應速度決定于熱探測器的熱容量和散熱速度。減小熱容量，增大熱導，可以提高熱探測器的響應速度，但響應率也隨之降低。共一百頁3. 熱探測器與光子探測器的性能(xngnng)比較(1) 熱探測器一般在室溫下工作，不需要致冷；多數(shù)光子探測器必須工作在低溫條件下才具有優(yōu)良的性能。工作于13

17、m波段的PbS探測器主要在室溫下工作，但適當降低工作溫度，性能會相應提高，在干冰溫度下工作性能最好。(2) 熱探測器對各種( zhn)波長的紅外輻射均有響應，是無選擇性探測器；光子探測器只對短于或等于截止波長c的紅外輻射才有響應，是有選擇性的探測器。(3) 熱探測器的響應率比光子探測器的響應率低12個數(shù)量級，響應時間比光子探測器的長得多。共一百頁五. 紅外探測器的工作(gngzu)條件與性能指標評價紅外探測器的性能的指標稱為性能優(yōu)值，即其性能參數(shù)。因一個探測器的性能參數(shù)往往與其測量方法和使用條件，幾何(j h)尺寸等物理性質(zhì)相關(guān)故討論紅外探測器性能指標的同時，需說明其工作條件。工作條件入射輻射

18、的光譜分布：對探測器進行性能描述時，必須說明入射到探測器響應平面的光譜分布及空間輻射功率。實驗室多采用500K黑體輻射源作信號源。探測器的幾何參數(shù)：探測器面積（標稱面積、有效面積），形狀及接收入射輻射信號的立體角標稱面積：制造商提供的響應面積，是實際響應面積的近似值。有效面積：若s為響應平面，R(x,y)為對應點的響應度，則有效面積定義為共一百頁、紅外探測器的工作(gngzu)條件探測器接收輻射信號的立體角：輻射信號入射方向上以入射角的余弦(yxin)作為權(quán)重的立體角。標稱權(quán)重立體角：制造商提供的立體角。有效權(quán)重立體角：設(shè),為軸線垂直于響應平面的球坐標系的極角和方位角；R(x,y,)為探測器響

19、應平面s上某點(x,y)對(,)方向入射輻射的響應度，則有效權(quán)重立體角為：對于響應度與方位角無關(guān)的圓形對稱探測器若響應元中心到探測器光闌的視場角為，其權(quán)重立體角交可簡化為：=sin(/2)，若為朗伯探測器，則=。探測器的輸出信號：輸出信號電壓的振幅是施加在探測器的偏置電源b，輻射調(diào)制頻率f，波長及入射輻射功率Ps的函數(shù)。即：Vs=Vs(b,f, , Ps)共一百頁探測器的工作溫度與背景：不致冷時指環(huán)境溫度，致冷時指致冷的標稱溫度。背景輻射：由探測器的視場和被背景照射的光譜范圍來描述。探測器的阻抗：探測器兩端瞬時電壓(diny)V(t)對通過探測器的瞬時電流i(t)的導數(shù)，包括容抗和直流阻抗。多

20、數(shù)探測器的阻抗與純電阻等效，100 以下為低阻器件，需與放大器做變壓器耦合，100 1M 為中阻器件,最容易與放大器匹配;1M 以上為高阻器件，需高阻抗放大器輸入才能匹配。特殊工作條件：對于某些特殊器件，還有濕度、入射輻射功率、視場立體角、以及背景溫度等。共一百頁、紅外探測器的性能參數(shù)響應度R：描述入射到探測器上的單位輻射功率所產(chǎn)生的信號大小能力的性能參數(shù)：紅外輻射垂直(chuzh)入射到探測器光敏元上，探測器輸出信號電壓均方根值Vs與入射輻射功率均方根值Ps之比。噪聲等效功率NEP：紅外輻射信號入射到探測器響應平面上，若產(chǎn)生的電輸出信號的均方根值正好等于探測器本身在單位帶寬內(nèi)的噪聲均方根值（

21、信噪比為1）時，探測器表面所接收到的入射輻射功率均方根之為NEP。共一百頁探測率D和歸一化探測率D*：D=1/NEP；因大多數(shù)紅外探測器的NEP與光敏面積的平方根成正比，還與放大器的帶寬f有關(guān)，因此NEP的數(shù)值很難比較兩個不同探測器的性能優(yōu)劣。而定義歸一化探測率D*實際上是探測器單位面積、單位放大器帶寬，單位輻射功率所獲得(hud)的信噪比。一般D*與調(diào)制頻率f、輻射源與工作條件有關(guān)，單位為cmHz1/2/W。黑體源測得的D*稱為黑體探測率，用D*(T,f,1)表示，1表示單位帶寬，T多數(shù)情況下為500K。 響應時間（或時間常數(shù)）：指探測器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娸敵龅某谠r間，是表示探測器工作速度

22、的一個定量參數(shù)。共一百頁還可以利用頻率響應來描述響應時間，因為(yn wi)大多數(shù)探測器響應度隨調(diào)制頻率的變化有如公式，其中R(0)為零頻下的響應度，由此關(guān)系規(guī)定的響應時間為響應度下降到最大值的0.707時的角頻率(2f)的倒數(shù)值。有些探測器有兩個響應時間。其它指標響應度與輻射強度之間的線性關(guān)系響應度的均勻性與光學系統(tǒng)匹配時，接收面積與光學系統(tǒng)所成像的大小相同與前置放大器連用時，探測器內(nèi)阻應與放大器的阻抗相匹配。R(f)隨f變化的關(guān)系曲線具有兩個響應時間的頻率響應共一百頁7.2.光電導型紅外探測器光電導探測器的工作原理與性能分析(fnx)SPRITE探測器SPRITE探測器的工作原理及結(jié)構(gòu)SP

23、RITE探測器的性能指標光電導探測器材料光電導率：如果半導體受到外界作用，有非平衡載流子注入，就會附加電導率產(chǎn)生。當是由光照注入的非平衡載流子所產(chǎn)生時，稱之為光電導率。光照射產(chǎn)生的非平衡載流子稱為(chn wi)光生載流子。能產(chǎn)生光電導效應的材料稱為光電導體。共一百頁 致冷器 致冷器的作用是降低紅外探測器的噪聲，使其在低溫狀態(tài)(zhungti)工作。由致冷劑變相吸收(xshu)熱量而致冷B. 焦耳湯姆遜效應致冷C. 輻射熱交換致冷D. 溫差電致冷A. 變相致冷高壓氣體節(jié)流循環(huán)致冷高溫物體輻射能量降溫利用直流電通過半導體電偶對的珀爾帖效應致冷共一百頁7.2.1、光電導型紅外探測器工作(gngzu

24、)原理與性能分析光電導探測器的基本概念和基本方程光電導探測器的分類入射光強的衰減規(guī)律激發(fā)率和復合率光生載流子的基本方程本征光電導探測器的性能分析響應度探測率響應時間調(diào)制(tiozh)信號的影響共一百頁光電導型紅外探測器工作(gngzu)原理半導體的光激發(fā)過程(a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由載流子吸收光電導探測器按其基本激發(fā)過程可分為：本征光電導探測器：入射紅外輻射的光子能量(nngling)大于半導體禁帶寬度，使電子從價帶激發(fā)到導帶而改變其光電導率。其優(yōu)點是工作溫度比非本征型高。雜質(zhì)光電導探測器：入射輻射激發(fā)雜質(zhì)能級上的電子或空穴而改變其電導率，其優(yōu)點是長波效應較好。自由載流子探測

25、器：材料吸收光子后不引起載流子數(shù)量的變化，而是引起載流子遷移率的變化。這類器件常需要在極低溫度下工作，以降低能量向晶格轉(zhuǎn)移。共一百頁入射光強的衰減規(guī)律：輻射(fsh)進入探測器后，輻照度要逐漸衰減，若材料的吸收比為，則在z到z+dz處，其輻照度衰減的量值可寫成dE，設(shè)探測器表面反射率為，z=0時入射到表面處的照度為E0，則有輻射度隨厚度的衰減公式由此可見，輻照度隨厚度增加而呈指數(shù)衰減。入射光強隨厚度變化共一百頁激發(fā)率與復合率單位時間、單位體積內(nèi)吸收的光子能量：被吸收的光子數(shù)：量子效率：探測器吸收一個光子（h=Eg)所產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)目體激發(fā)率Q：單位時間、單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)在本

26、征半導體材料中，通常 1，若探測器厚度為d，略去(l q)下表面的反射，平均體激發(fā)率為：當入射光強減小到初始值的1/e時，光經(jīng)過的距離稱為光的有效透射深度，其值為1/。一般的本征半導體吸收很強，InSb材料探測器的吸收系數(shù)約為104/cm，即表面1m就達到了有效透射深度，此后的入射光的影響可以忽略。故，在滿足e(- d)1條件下，減少探測器厚度有利于提高響應度；減少反射，鍍增透膜也是提高響應度的好辦法。共一百頁本征光電導探測器的探測率D對本征光電導探測器，可以不考慮1/f噪聲時，主要噪聲為熱噪聲和產(chǎn)生(chnshng)復合(G-R)噪聲。熱噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓常記為：其中Rd為探測器等效電阻，f

27、為測量儀器噪聲等效帶寬。產(chǎn)生復合噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓常表示為。其中V0為外置偏壓，Ps為入射到探測器表面的輻射功率。按定義有Dv*更多時候，Dv*只受一種噪聲限制共一百頁本征光電導探測器的響應時間弱光入射時，上升情況：根據(jù)載流子濃度隨時間上升的微分方程，且t=0時，載流子濃度變化量為0，可解得：式中p0為穩(wěn)定值，故載流子隨時間按指數(shù)規(guī)律上升至穩(wěn)定值。顯然載流子壽命(shumng)越長，曲線上升越慢。光生載流子數(shù)目隨時間上升到穩(wěn)定值的(1-1/e)時所需的時間為上升時間。下降情況：若t=0時停止光照，則微分方程中的產(chǎn)生激發(fā)的載流子數(shù)量Q為0，解得又一個指數(shù)方程。顯然依然是載流子壽命越長，下降響應越

28、慢。光生載流子濃度p0由隨時間下降1/e時所需的時間為下降響應時間。光電導探測器的馳豫現(xiàn)象(或滯后現(xiàn)象)t共一百頁本征光電導探測器的調(diào)制信號(xnho)的影響為適應高速運動(yndng)目標的變化，有時對入射光要進行調(diào)制。當使用調(diào)制頻率為f的余弦波形來調(diào)制時，有輻射照度或體激發(fā)率的表達形式：光生載流子濃度變化p的基本方程為：若記p= p1+ p2,前者為與時間無關(guān)量，后者為與時間相關(guān)量，則:考慮調(diào)制的影響，僅需討論隨時間變化的部分，省去下標并用復數(shù)表示，可解得其中振幅和相位表達式為：載流子濃度變化量p可寫成：從而得到調(diào)制光入射時輸出信號電壓，及其均方根電壓表示的信號。顯然，f越高，信號越低。按

29、響應度定義可得響應度與調(diào)制頻率的關(guān)系式：響應度隨著f增加而減少，故對于載流子壽命一定的材料，應選擇適當?shù)恼{(diào)制頻率，以防響應度損失過多。目標運動速度不同，應選擇不同的調(diào)制頻率。共一百頁7.2.1 SPRITE(Signal Processing In The E1ement)紅外探測器 這種新型紅外探測器器件利用紅外圖像掃描速度等于光生載流子雙極漂移(pio y)速度這一原理實現(xiàn)了在探測器內(nèi)進行信號延遲、疊加，從而簡化了信息處理電路。它可用于串掃或串并掃熱成像系統(tǒng)，但與熱成像系統(tǒng)中使用的陣列器件不同。陣列器件是互相分立的單元，每個探測器要與前置放大器和延遲器相連，它接收目標輻射產(chǎn)生的輸出信號需經(jīng)

30、放大、延遲和積分處理后再送到主放大器，最后在顯示器中顯示出供人眼觀察的可見圖像。目前國內(nèi)外研制的SPRITE探測器，有工作溫度為77K、工作波段為814m和工作溫度為200K左右、工作波段為35m兩種。將它用于熱成像系統(tǒng)中，既完成探測輻射信號的功能，又完成信號的延遲、積分功能，大大簡化了信息處理電路，有利于探測器的密集封裝和整機體積的縮小。共一百頁p和n 的漂移過程一、 光電導型紅外探測器 SPRITE探測器原理(yunl)工作原理及結(jié)構(gòu)掃出效應當紅外光照射到兩端加有固定電壓的N型半導體上，光生載流子將經(jīng)歷產(chǎn)生、復合、擴散和漂移的過程，其濃度變化形式可寫成公式，其中D和為雙極擴散系數(shù)和雙極遷移

31、率。漂移是由于電場E作用下，且n與p不等造成的。若n=p，0,則無漂移運動；若np，則p,D=Dp，即p以p的速度運動。為保持電中性， n和p沿同一方向運動，因為有非平衡載流子存在，電中性難以滿足，則n和p不重合產(chǎn)生附加電場。它同E反向，使之消弱。在被消弱的電場區(qū)，多子（電子）的漂移速度降低，而該區(qū)兩端電子速度不變，導致左端電子濃度降低，右端增加，相當n于向右漂移?？傮w(zngt)呈現(xiàn)出，當p前進時， n也跟著前進，用這種方法就可以實現(xiàn)p分布的自動掃描，這種效應稱為“掃出效應”。SPRITE(Signal Processing in The Elements)()探測器屬于光電導效應型探測器，

32、但由于這種探測器利用了紅外圖像掃描速度與光生載流子雙極運動速度相等的原理，實現(xiàn)了在器件內(nèi)部進行信號探測、時間延遲和積分的三種功能，大大簡化了焦平面外的電子線路，從而使探測器尺寸、重量、成本顯著下降，并提高了工作可靠性，依據(jù)其原理，也稱之為“掃積型探測器”。是80年代英國人為高性能實時熱成像系統(tǒng)研制出的新型紅外探測器。共一百頁由于掃出效應的存在,當光照射樣品時,光信號會自動轉(zhuǎn)移出去，從而可以實現(xiàn)光信號的積累和延遲疊加。實現(xiàn)SPRITE探測器信號積累和延遲的必要條件紅外圖像掃描速度等于非平衡載流子的雙極運動漂移速度。雙極運動漂移速度與材料的少數(shù)載流子遷移率和外置偏壓大小有關(guān)，如果偏壓足夠大，非平衡

33、少子將全部或大部分掃出，若電場(din chng)場強過小，非平衡少子漂移長度小于器件長度，則光生少子將在體內(nèi)復合設(shè)一穩(wěn)定的紅外輻射入射到SPRITE探測器的x0處，若忽略陷阱效應及表面復合，并在強電場作用下忽略非平衡載流子的擴散，則沿探測器長度方向x處的光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程可寫成：式中L為空穴的牽引長度。L若大于樣品長度，則在時間內(nèi)p將移出體外，反之，將只有部分p能移出體外，在SPRITE探測器中，LL為全部掃出條件，可推知此時SPRITE探測器兩端所加電壓為V0，為臨界掃出電壓。SPRITE探測器工作原理示意圖共一百頁二、光電導型紅外探測器 SPRITE探測器原理(yunl)與結(jié)構(gòu)典型(d

34、inxng)的SPRITE探測器的結(jié)構(gòu)八條N型HgCdTe樣條構(gòu)成，每條尺寸（70062.5)m2，厚度10m,樣條間距12.5m。讀出區(qū)長度50m，寬度35m。每條大約等效于1012個分立單元探測器。當掃描點進入讀出區(qū)時，p將調(diào)制讀出區(qū)電壓從而有信號輸出。SPRITE探測器的實際結(jié)構(gòu)共一百頁設(shè)探測器截面為ww，讀出長度ll。外加電場為E。在足夠強的外電場作用下，光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程不受非平衡載流子的擴散影響。求解微分方程得到光點照射像元上，信號所產(chǎn)生的非平衡載流子濃度隨著掃描位置的變化關(guān)系。當掃描像元到達讀出區(qū)時，即x=L，有公式，其中t為光生載流子在器件中的渡越時間。進而求得光生載流子的光

35、電流強度，和開路電壓。響應度按定義可寫成：當反射(fnsh)損失很小，且d1時，可簡化寫成：設(shè)N型光電導體，其摻雜濃度遠大于背景輻射產(chǎn)生的載流子濃度，非平衡載流子壽命遠大于雙極漂移時間，雙極漂移速度(sd)等于光點掃描速度(sd)，有穩(wěn)定的紅外輻射照射到探測器，且沿長度方向自左向右連續(xù)掃描。共一百頁三、 光電導型紅外探測器 SPRITE探測器的響應(xingyng)度分析響應度表達式，可探討提高響應度的途徑：增大E會增大焦耳熱，從而增大熱噪聲電流，故增大E應該(ynggi)適當。增大載流子壽命，可以提高響應度，故可通過探測器表面鈍化技術(shù)來實現(xiàn)表面復合的影響降低到最低?？刹捎弥评浼夹g(shù)，降低讀出區(qū)

36、的熱激發(fā)載流子濃度，提高響應度，減小表面反射損失，也是重要途徑。共一百頁四. 光電導型紅外探測器 SPRITE探測(tnc)器的探測(tnc)率D*D*Blip為面積為w*w單元的光電導探測器受背景限制的探測率。S為單位時間通過讀出區(qū)的像素數(shù)，像素大小為w*w，稱為像素速率，也可寫成F為積累因子。當F1時，即積累的原因，可以預期SPRITE探測器的探測率要比相應分立列陣背景限探測率大，性能好；因為積累時間大于快速(kui s)串掃系統(tǒng)中單元器件的駐留時間，故可以觀察到更大的輸出信號；因為信號與積累時間成正比，而噪聲與積累時間的平方根成正比，故信噪比與積累時間的平方根成正比，故增大積累時間，有利

37、于提高S/N。D*與讀出長度無關(guān)，但過高的掃描速度會使響應度下降，故可以減小讀出去寬度，增大l/w的比值，來減小非平衡載流子通過讀出區(qū)的渡越時間。在SPRITE探測器中，S/N與積累時間成線性關(guān)系。共一百頁五. 光電導型紅外探測器 SPRITE探測器的分辨力影響SPRITE探測器分辨能力的三個主要因素：非平衡載流子的擴散圖像掃描速度與光生載流子漂移速度的失配讀出區(qū)長度。此外，讀出區(qū)結(jié)構(gòu)和背景輻射也會產(chǎn)生一定的影響。為減小擴散的影響，常用的兩種技術(shù)：迴形結(jié)構(gòu)器件，選擇偏壓(pin y)場，使在像掃描方向載流子的平均速度等于像掃描速度。因此在該方向載流子的有效擴散長度減小一個因子W/Y。W為器件總

38、寬度，Y為器件實際寬度。Anomorphic Optic：使像在掃描方向增加放大，探測長度和掃描速度也相同比例增加，而載流子擴散長度仍然不變。迴形掃積型探測器共一百頁六、 光電導型紅外探測器光電導探測器材料(cilio)光電導紅外探測器對材料的要求：應滿足波長響應的要求熱激發(fā)產(chǎn)生(chnshng)的G-R噪聲應遠小于背景輻射光子噪聲，即暗電流應小于背景電流熱噪聲電流應遠小于背景輻射光子噪聲電流高的線性吸收系數(shù)和量子效率常用的光電導紅外探測器：Hg1-xCdxTe （MCT）814m,77KInSb 35m,77KPbS,PbSe 13.5m,室溫非本征激發(fā)光電導材料，如摻雜Si，可在三個大氣窗

39、口都有響應探測器，因工藝簡單通用，易于制造大面積陣列，往往也要在77K下工作。幾種探測器的探測率與波長的關(guān)系共一百頁七、光電導紅外探測器的工作模式：探測器與負載電阻串聯(lián)，并連接直流偏壓。低于低阻探測器，常取固定電流電路(dinl)，這時串聯(lián)電阻比元件電阻大得多，探測器上的電壓變化作為檢測信號輸出。對于高阻探測器，采用固定電壓電路更好，以電路中電流的變化為輸出信號。光電導探測器工作電路示意圖共一百頁7.7. 紅外焦平面(pngmin)陣列探測器單片式紅外焦平面(pngmin)陣列混成式紅外焦平面陣列Z平面紅外焦平面由紅外探測器和具有掃描功能的信號讀出器組合而成的紅外焦平面陣列，是凝視型紅外熱成像

40、系統(tǒng)的核心。紅外焦平面陣列包括光敏元件和信號處理兩個部分，可采用不同的光子探測器、信號電荷讀出器及多路傳輸。IR-CCD基本結(jié)構(gòu)共一百頁共一百頁一. 紅外焦平面(pngmin)陣列探測器單片式單片式又稱整體式，可分為兩種情況(qngkung)CCD本身就對紅外敏感，故探測、轉(zhuǎn)移功能于一體。紅外探測器與CCD作在同一基底上，基底通常為Si，而探測器部分常用非本征材料，基本結(jié)構(gòu)為金屬絕緣物半導體。典型情況分：本征窄帶半導體IR-CCD非本征半導體IR-CCD肖特基勢壘IRCCD共一百頁肖特基勢壘光電探測器工作(gngzu)原理工作原理：金屬淀積在半導體表面而形成的具有單向?qū)щ?，整流作用的金屬半導體

41、接觸肖特基勢壘隧道效應：隨著摻雜濃度提高，空間電荷區(qū)變窄，肖特基勢壘變薄，出現(xiàn)穿透幾率迅速升高(shn o)，穿透形成的電流為隧道電流，該隧道電流會超過熱電子發(fā)射產(chǎn)生的電流。半導體中的費米能級高于金屬中的費米能級，兩者接觸后，為使費米能級達到平衡，在接觸面電子流向金屬，電子電荷分布在金屬層10-10m以內(nèi)，半導體的表面層形成空間電荷區(qū)厚幾個m。結(jié)果，半導體附近能帶彎曲，形成勢壘，勢壘阻擋金屬與半導體內(nèi)的電子交換，形成高阻層。正偏時，肖特基勢壘不變，金屬流向半導體的電子數(shù)不變，形成大正向電流。反偏時，流過勢壘的電子流主要為金屬向半導體方向，故電流很小，所以肖特基勢壘只能單向?qū)щ?。肖特基勢壘光二極

42、管結(jié)構(gòu)共一百頁流經(jīng)肖特基勢壘的電子流密度主要經(jīng)過四個過程(guchng)半導體電子越過勢壘進入金屬熱發(fā)射；電子由量子力學隧道穿過勢壘；隧道電流；空間電荷區(qū)電子與空穴的復合；金屬向半導體的少數(shù)載流子（空穴）注入。對于理想的肖特基勢壘二極管，通常以1過程為主，并可忽略少數(shù)載流子的注入影響。正偏壓下肖特基勢壘的載流子輸運過程共一百頁工作原理：輻射透過硅照在硅化物上產(chǎn)生熱空穴，這些空穴能越過勢壘進入到硅基底，從而在硅化物一邊的電極上積累負電荷，形成信號，由于(yuy)鋁層的反射作用，硅化物對輻射的吸收增強，可使靈敏度提高一個數(shù)量級。改進的肖特基勢壘IR-CCD 肖特基勢壘工作原理共一百頁肖特基勢壘光電

43、探測器工作(gngzu)模式EgheB,V Eg,V Eg,VVB高反偏壓，雪崩光二極管工作模式。肖特基勢壘光二極管的幾種工作方式應用特點：可直接用Si集成電路工藝，制成FPA?；跓犭娮影l(fā)射的原理，其均勻性比一般的紅外探測器（由于其載流子壽命、擴散長度，合金組分不均勻）FPA強100倍。典型材料：PtSi陣列，工作波段35 m共一百頁二. 紅外焦平面陣列(zhn li)探測器混成式根本特點：把探測器和CCD移位寄存器分開，CCD仍用普通硅制成，工藝相對成熟，而對幾個重要的紅外波段，都已經(jīng)發(fā)展了性能優(yōu)良的本征紅外探測器。因此，將兩者耦合起來組成混合焦平面技術(shù)，能獲得高量子(lingz)效率高性

44、能的紅外FPA。前照結(jié)構(gòu)：探測器在前面受到照射，電信號就在這同一面上被抽出。填充因子受到一定影響。背照結(jié)構(gòu)：要求鑲嵌探測器有薄的光敏層，在光敏層上吸收輻射，產(chǎn)生的光生載流子從背面擴散到前面，被P-N結(jié)檢測到信號。填充因子高，目前FPA大多基于這種結(jié)構(gòu)?；旌匣ミB方式混合紅外焦平面(a)前照射結(jié)構(gòu) (b)背照射結(jié)構(gòu)共一百頁三. 紅外焦平面陣列(zhn li)探測器Z平面技術(shù)根本特點：不同于單片式與混成式的二維FPA方式，所謂Z平面：是一塊立體的FPA，這是將信號讀出及處理功能的芯片（包括低噪聲前放、濾波器和多路傳輸?shù)龋┎捎茂B層的方式組裝起來，形成(xngchng)信號處理模塊，再把模塊與探測器和輸

45、入輸出線等連接在一起。該技術(shù)可用于光導型、光伏型等各種探測器信號的讀出處理。Z平面焦平面陣列原理示意圖共一百頁7.3 非制冷(zhlng)焦平面陣列探測器 非制冷焦平面熱成像技術(shù)的特點特 點由于沒有制冷系統(tǒng)，故具有低成本、低功耗、長壽命、小型化和可靠性等優(yōu)點，是當前熱成像技術(shù)發(fā)展和應用的熱點之一。非制冷焦平面探測器的類型熱電型非制冷焦平面陣列鈦酸鍶鋇(BaxSr1-xTiO3, BST)：美國德克薩斯儀器公司(TI)，80年代末至90年代初鈦酸鋯鉛(PbxZi1-xTiO3, PZT)和鈦酸鈧鉛(PST)：英國GEC-馬可尼材料技術(shù)公司(GMMT)，90年代初微測輻射熱計(Micro-Bolo

46、meter)非制冷焦平面陣列美國Honeywell公司電阻型VOx非制冷焦平面探測器(90年代初)法國Sofradir公司研制并批量生產(chǎn)多晶硅型非制冷焦平面；澳大利亞國防科技署采用(ciyng)非晶、微晶和多晶等研制成功單片式非致冷焦平面；日本防衛(wèi)廳技術(shù)研究和開發(fā)研究所溫差電堆熱像傳感器。非致冷焦平面技術(shù)的應用共一百頁 熱釋電型非制冷焦平面陣列BST器件采用1英寸40腳DIP封裝, 328245像元，像元尺寸48.5 48.5m2，包括(boku)探測器恒溫熱電致冷器、溫度傳感器及機械斬波器?，F(xiàn)已研制出640480元陣列，像元尺寸2030m的焦平面陣列。系統(tǒng)重量約1.36kg, NETD0.1

47、K, 視頻信號, 可探測700m遠的人，性能雖只是致冷型熱像儀的1/3左右，但價格只有1/10。TI公司建立非致冷傳感器生產(chǎn)線, 96年100套/月，97年提高到1000套/月，上世紀末提高到5000套/月。美國Loral紅外成像系統(tǒng)公司研制熱釋電焦平面陣列192128，像元尺寸為35 35m2，典型的NETD0.1K (f/1)。共一百頁熱釋電型非制冷焦平面陣列PZT非制冷焦平面90年已制成直徑為10m ，間距為100m (現(xiàn)間距為40m)的100 100像元探測器陣列，用于為國防研究局(DRA)/英國宇航公司的新一代輕型反裝甲武器NLAW4的輕型夜間瞄準具、Pyro 2500 Gecsen

48、try 手持熱像儀和美國Cairn公司消防頭盔熱像儀；93年GMMT收到英國國防部STAIRS計劃A類裝置的武器瞄準具演示器合同(h tong)，STAIRS A推薦新一族熱瞄具最終來取代英國TICM設(shè)備系列；94年DRA和GMMT研制出256128像元,節(jié)距為56m 的探測器陣列(鈦酸鈧鉛PST)，并在96年得到384288像元，節(jié)距為40m 的探測器陣列，典型的NETD為0.1K，并可望達到0.05K。共一百頁Honeywell公司開發(fā)的微測輻射熱計 微測輻射熱計：以VOx，多晶硅或非晶硅等薄膜為熱敏材料，采用微機械加工技術(shù)(MEMS)把探測器做成微橋結(jié)構(gòu)，探測器在ICCMOS讀出電路襯底

49、上做成懸空的微橋，使之形成良好的熱隔離探測器吸收紅外輻射，產(chǎn)生溫升，熱敏材料的電阻率發(fā)生變化，在外接電路的作用下輸出響應(xingyng)信號。與熱釋電FPA相比：采用硅集成技術(shù)，成本低，有好的線性響應和高動態(tài)范圍，像元間絕緣性好，串音少，圖像清晰度高低1/f噪聲，高幀速，和潛在的高靈敏度（理論上可達0.01K)。但偏置電路功耗大，噪聲帶寬寬。共一百頁微測輻射熱計陣列Honeywell公司VOx非制冷焦平面采用5050 m2像元, 像元數(shù)320240 (336240), 電阻溫度系數(shù)TCR典型(dinxng)范圍為1.52.5%，NETD= 0.040.06K，功耗約40mW。專利轉(zhuǎn)讓給Amb

50、er工程公司、波音北美公司、休斯圣巴巴拉研究中心SBRC、聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)公司及洛克希德馬丁公司。1996年Amber公司推出非致冷測輻射熱計熱像儀,工作波段814m，NETD=0.1K(f/1)，重量1.9kg，體積9.510.7 25.4 cm3，視頻輸出(30幀/秒)，可與256256像元的InSb焦平面熱像儀圖像質(zhì)量相媲美。1997年SBRC研制的非致冷測輻射熱計焦平面熱像儀；北美波音公司已成為氧化釩微測輻射熱計焦平面陣列的批發(fā)供應商，其陣列產(chǎn)品的型號為U3000，60Hz幀頻提供(tgng)單通道的信號輸出。Honeywell公司開發(fā)的微測輻射熱計共一百頁微測輻射熱計陣列法國Sofrad

51、ir公司批量生產(chǎn)多晶硅型非制冷焦平面探測器是目前(mqin)可能進入中國市場的非制冷焦平面技術(shù)。其他非制冷焦平面探測器日本(r bn)防衛(wèi)廳和日本(r bn)電氣公司用N型和P型多晶硅作熱電材料制作出了128128像元的熱電堆焦平面陣列 熱電堆紅外焦平面陣列的像元結(jié)構(gòu) 共一百頁非制冷焦平面(pngmin)熱成像技術(shù)的應用美國陸軍的便攜式發(fā)射后不管的“標槍”反坦克武器；美國陸軍總結(jié)沙漠風暴經(jīng)驗后，提出布雷德利戰(zhàn)車(BFV)配備184套駕駛員視覺增強器DVE的改造計劃，DVE還將用于HEMTT、PLS、FMTV等陸軍后勤車輛上;美國陸軍已研制成功類似AN/PVS5的頭盔夜視儀，重量約1.3kg，其

52、中傳感器重量只有0.68kg; 美軍夜視和電子傳感器已訂購30具改進型樣機；聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)公司將非致冷紅外技術(shù)應用于軍事項目，如精確制導彈藥和子母彈系統(tǒng)、微輻射熱計與雷達傳感器組成的具有探測、捕獲和跟蹤功能的先進雙模尋的器、遠距離警戒系統(tǒng)及目標單獨作戰(zhàn)武器計劃的武器瞄準系統(tǒng)，認為對于向21世紀步兵提供先進能力具有積極作用；共一百頁 非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應用荷蘭皇家陸軍與Signaal USFA公司和Delft傳感器公司簽訂合同，研制輕型紅外觀察夜視(LION)非致冷熱瞄具，96年中完成(wn chng)樣機，97年交付300套產(chǎn)品。LION采用GMMT的256128元的PST探測器陣列，工作

53、波段813m，配105視場的3光學系統(tǒng)，重量2kg，體積102024cm3，功耗7W，啟動時間5000h，2m以外就聽不到噪聲。在良好能見度下，對標準坦克的探測、識別和認清的距離分別為2240m/790m/ 400m，而在能見度較差時分別為1630m/705m/375m；TI公司“夜瞄具”200系列攝像機是目前標價最低的非致冷熱像儀，本土價約8100美元，主要為警用和汽車夜間駕駛儀；洛克希德馬丁紅外成像系統(tǒng)公司LTC500攝像機用于醫(yī)學研究和醫(yī)療診斷；IR Solutions公司的IR Snapshot攝像機用于檢測和預防維修，可提供假彩色圖像顯示，NETD約0.2K。共一百頁非制冷焦平面熱成

54、像技術(shù)的應用美國ElectroPhysics公司95年研制了民用非制冷焦平面熱像儀PV320, 采用BST320240陣列，光譜響應214m，像元尺寸48.5 48.5m2, MRTD300TVL，體積1411.4 11.4cm3，重量2.27kg, 工作溫度-40C 54 C，存貯溫度-40C 80 C，輸出視頻信號RS-170 (60Hz B&W) 。外形設(shè)計類似攝像頭，價格較低，適合于二次研究和開發(fā)。價格US$2萬元。EP公司與Lifesight Fire Research公司開發(fā)了消防熱像儀Lifesight Plus, 體積26.71415.2cm3, 重量2.7kg, 功耗(n h

55、o)9W, 視場角50, 焦距18mm, 全防水, 帶有300m圖像發(fā)射功能, 可供前線指揮員了解現(xiàn)場情況。97年美國緬因州南波特蘭市消防局對正在使用的消防熱像儀Iris, ISI, Argus和Lifesight Plus進行了客觀的性能測評，Lifesight Plus最佳，將成為該消防局今后的主選型號之一,價格-0.2高溫區(qū)病變區(qū)域與正常相比溫差 1.2常溫區(qū)雙鎖骨上、頭、下腰、后頸背部、手、雙液下、肘窩、雙髂腹股溝血管影像增粗、中斷、團狀（瘤）、扭曲（壓迫）、衛(wèi)星影像（惡性瘤）區(qū)形式片狀、條狀（強直性脊狀炎）、帶狀、次熱區(qū)、點狀、不規(guī)則共一百頁附錄(fl)：紅外成像的醫(yī)學應用紅外熱圖的診斷(zhndun)標準（20)診 斷表 現(xiàn)正常熱圖指人