第8章_微测辐射热计焦平面阵列解读
采用原位微真空传感器的微测辐射热计红外焦平面列阵
温度的网络化预测方法 ［ ． Ｊ 兵工学报，２０ ，９１： 】 ０８ ２（）
】 一】 ０】 ０６．
瞳墨置圈
度 的仪 器 。 因此 ， 件 的可 靠 性就 不 能 完全 得 到 保 证 。 器 本 发 明 提 供 一 种 具 有 原 位 真 空 敏 感 能 力 的 微 测 辐 射 热计 红 外 焦 平 面列 阵。 电信 号 被 施 加于 其 测 辐测 热 当 计 材料 时 ，该 材料 会 被 加 热 ， 而 产 生与 真 空 度 有关 的 从 可 变 电阻 。 种 给 定材 料 的变 率 取 决 于从 该 材 料 到周 围 一 环 境 的热 传递 效 率 。在 良好 的真 空 中 ，热 传递 较 差 ，因 此 热量 会 保 留在 材 料 中 ， 度 上 升就 较 快 ，而 电 阻 的变 温 率就 会 变 得较 大 ，反 之亦 然 。通 过 读 出这 种 可变 电阻 的 幅值 ，便 可 以 确 定 其 真度 。 本 专 利 说 明 书共 １ ，其 中有 １ ７页 ０张插 图 。
参考 文献
［ 韩玉阁，宣宜 民．坦克 动力舱 内的热特性 ［． １ 】 Ｊ 红外 】
技 术 ， ２０ ， ２３： ３２． ００ ２ （） ２－ ７
【 毕小平，赵 以贤，等．坦克装 甲车辆冷 却性 能的集 ２ ］ 成化预测模型 ［． Ｊ 兵工学报，２０ ，７４： ７－８ ． 】 ０ ６ ２（） ５ ８５０ ［ 毕小平， ３ 】 王普凯， 环境温度和压力对坦克柴油机 等．
采 用 原 位 微 真 空 传 感 器 的微 测 辐 射 热 计 红 外 焦 平 面 列 阵
美 国专 利 ＵＳ３５９ ７８ １９
（２ ０ ０ ８年 ７月 １ ｌ 权 ） ０ Ｅ授
微 测 辐 射 热 计 红 外 探 测器 一 旦 被 确 定 用 于 某 一 项 具 体应 用 ， 们就 要 用 芯 片级 或 晶 片级 技 术 以真 空方 式 它 封 装在 非 常 小 的封 壳 内。但 是 ，目前 在 市场 上 还 买 不到 用 于 监 测 已封 装 好 的微 测 辐 射 热 计 红 外 探 测 器 的 真 空
光学读出热成像焦平面阵列的制作技术
第36卷，增刊红外与激光工程狮年9月1Vr01．36Suppl e m e nt1116盈I_ed and L．a s er E ngi I l oef i ng S印．2(X y7光学读出热成像焦平面阵列的制作技术冯飞，李珂，杨广立，闰许，熊斌，王跃林(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)摘要：光学读出热成像是一种新型的红外成像技术，它基于双材料效应和光学原理实现像转换与像增强，具有高性价比的潜在优势。
光学读出热成像焦平面阵列由可动微镜阵列构成，其制作技术是光学读出热成像技术的重要研究内容之一。
目前，国内外的研究者已发展了基于表面微机械、一体微机械以及表面，体微机械工艺的3种制作技术，前两者各有优缺点，而基于表面／体硅微机械工艺的制作技术则兼顾了前两者的优点。
关键词：光学读出热成像；焦平面阵列；微机械工艺中圈分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007．2276(2007)增(探测与制导)．0483—04Fabr i cat i on t e chnol ogy of opt i caU y r e adabl e t her m al i m agi ngf ocal pl a ne ar r ayFE N G Fei，U K e，Y A N G G u粗g—l i，Y A N X u，ⅪoN G B i I l，W蝌G Y ue—l i n(Sh鲫ghai I I l s t it I I t e o f M i cm syst cm柚dInfom l at i叽慨hnol ogy．(耻∞∞A cadcm y0f Sci∞ccs，Sh锄gh ai200050，C h i l l a)A bs t r act：O pt i cal l y r e am bl e m e m a l i m a gi ng，a noV el i n缸ar ed i m agi II g t e cl l I l ol ogy bas ed o nbi l l l at er i al ef!I’e ct and opt i ca l pri nc i pl e，has pot e nt i a l r ne r i t of l l i gh peI f bnnan ce pri ce r at i o．opt i ca l l y r eadab l e t l l e呻al i m a gi ng f oca l pl a l l e anr ay(oR一Ⅱ一H'A)consi st s of m oV abl e rni croⅡl in．or蝴y．’nlef abr i c撕on t echn ol ogy of O R—T I—FP l A is on e of t l le i m pom m t r es ear ch subj ect s．N ow t hI’ee f al试cal i ont ccl l l l ol og i es of O R—TI—FPA，w l l i ch ar e bas ed on sum l c e r nj cr om achi I l i ng，bu l k m i crom achi ni ng卸ds疵饥ul l(IIlicm m acll illing pr oces s，haV e be en deV el oped．T he f om er t w o t echnol ogi es ha V e t11eir m er i t s aI l d di sadV an住唱e s，aI l d tl l e l at t er com bi nes t l le m er i t s of t he f o加er t w o．K ey啪rds：opt i cal l y r eadabl e m e衄al i m ag她；Focal pl aI l e ar r ay；M i cr om acl l i l l ing pr oces sO引言红外成像技术在军事、民用领域均有十分广泛的应用。
红外焦平面阵列
2.4.1 光电转换原理
为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器 的等效电路,我们先讨论一下光伏探测器的 光电转换规律是十分必要的. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. 为了说明光功率转换成光电流的关系, 光子 我们设想光伏探测器两端被短路, 电极 并用一理想电流表记录光照下 SiO 2 耗尽层 流过回路的电流,这个电流常常 n 电极 称为短路光电流 称为短路光电流. 短路光电流. n+
p+
PN结光伏探测器的作用原理如图所示: PN结光伏探测器的作用原理如图所示: 假定光生电子假定光生电子-空穴对在结的结区,即耗尽 区内产生.由于内电场作用,电子从n 区内产生.由于内电场作用,电子从n区向 p区漂移运动,被内电场分离的电子和空穴 就在外回路中形成电流.
p Ec EF Ev o 光生空穴 p
几 种 国 产 硅 光 电 池 的 特 性
2.4.4 光电二极管
光电二极管和光电池一样,其基本结构也 是一个PN结. 是一个PN结. 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 ,因此它的频率特性特别好 频率特性特别好. 小,因此它的频率特性特别好. 光生电势与光电池相同,但输出电流普遍 比光电池小,一般为数微安到数十微安. 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 化锢,铈化铅光电二极管等许多种. 按结构分,也有同质结 异质结之分.其 同质结与 按结构分,也有同质结与异质结之分.其 中最典型的还是同质结硅光电二极管.
为了减小暗电流,设置一个N Si的环把受光面(N Si)包围起 为了减小暗电流,设置一个N+-Si的环把受光面(N-Si)包围起 来,并从N Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 来,并从N+-Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 位更高的电位上,为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达 到电源的通路.
采用CMOS N势阱层的低成本红外微测辐射热计焦平面列阵
列 阵像元 的 蚀刻效 率，研 究人员 决定 将孔 径宽
度 增加 到 １＃ ，这 样可 使像元 尺 寸达 到 ７． ０ｍ ４ｍ ａ
×７＃ 。如 果将布线 用 的面积 包括进 去，列 阵 ４ｍ
的最 后的像 元尺寸 就成 为 ８＃ ×８＃ ，而 占 ０ｍ ０ｍ 空 因子 为 １％ 。通 过使 用 先进的 Ｃ Ｓ工艺 和 ３ ＭＯ
表 面或 块体 微 切削 加工技 术来 完成 的 。
表 面微 切削非 致 冷探 测 器大 多 基 于磺 测辐 射热 计 的方法 即红外辐射 将传感器材 料加热，
从 而 改变 传感 器 材料 的 与 电阻温 度系 数 （Ｃ ） Ｔ Ｒ 有关 的电阻 。 种方法允 许实施小 的像元 尺寸， 这 如 ５ ×５＃ 但 这些 探测 器通 常 需要在 完 ０ｍ ０ｍ 成Ｃ Ｓ ＭＯ 制各之后 淀积 一些具有 高 Ｔ Ｒ的奇特 Ｃ 材料 ，这样就 会 使 后 Ｃ Ｓ加工变得 复 杂化 ， ＭＯ
近 ，但该探 测器 列 阵的性 能则 要 比 Ｃ Ｓ整体 ＭＯ
微 切削加 工 的热 电方法 的高 。
属 的 Ｔ Ｒ一般 是很 低 的 。因此 ，虽然与 光子探 Ｃ
测器 相 比较 ，表 面 微切 削加 工 的微测 辐射 热计
２ ｎ势 阱微测辐射 热计 结构
图 １ 出 了 ｎ势阱微 测 辐射 热计 的 一幅透 示
最 熟悉 的并 已被 广 泛使用 的一种微 测辐 射热计
材料 ，就 具有 约 ２ 一３ ／ 的高 Ｔ Ｒ ； ％ ％Ｋ Ｃ 然而 ， Ｖ 并 不 是 制 备 Ｉ 的标 准材 料 ，它 需要 昂贵 Ｏ ｃ 的 专用 设备 。像 非 晶硅 碳 化物 和多 晶硅 一锗这
来 实施这种 红外 探 测器 的情况 。他们 之所 以选 用 ｎ势 阱层 ，是 因为 ｎ势阱层 的 Ｔ Ｒ 比较高 ， Ｃ 达 ０ ％一０ ５ ／ 。本 文报告 一个 采 用 ｎ势 阱 ． ５ ％Ｋ ６ 微 渊辐射热 计方 法的 １ １ 元 非致 冷微 测辐射 ６ ６ ｘ
非致冷焦平面阵列（UFPA）
非致冷焦平面阵列(UFPA)红外探测器非制冷焦平面阵列省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装置，敏感器件以热探测器为主。
突破了历来热像仪成本高昂的障碍，"使传感器领域发生变革"。
另外，它的可*性也大大提高、维护简单、工作寿命延长，因为低温制冷系统和复杂扫描装置常常是红外系统的故障源。
非致冷探测器的灵敏度(D）比低温碲镉汞要小1个量级以上，但是以大的焦平面阵列来弥补，便可和第一代MCT探测器争雄。
对许多应用，特别是监视与夜视而言已经足够。
广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。
为避免大量投资，把硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产，制造大型高密度阵列和推进系统集成化的信号处理，即大规模焦平面阵列技术，潜力十分巨大。
正因为如此，单元性能较低的热电探测器又重新引人注目，而且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一。
目前发展最快、前景看好的有两类UFPA：（1）热释电FPA。
热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行，有过多种材料，较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。
美国TI公司推出的328×240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品，NETD优于0.1K，有多种应用。
计划中还有640×480的FPA，发展趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上，制成单片式热释电焦平面，有很高的潜在性能，可望实现1000×1000阵列的优质成像。
(2)微测辐射热计(Microbolometer)。
它是在IC－CMOS硅片上以淀积技术，用Si3N4支撑有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料VOx或α－Si，做成微桥结构器件(单片式FPA)。
接收热辐射引起温度变化而改变阻值，直流耦合无须斩波器，仅需一半导体制冷器保持其稳定的工作温度。
90年代初，由Honeywell公司首先开发，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成实用的热像系统，NETD已达到0.1K以下，可望在近期达到0.02K。
红外焦平面阵列参数
红外焦平面阵列参数红外焦平面阵列是一种用于红外成像的关键技术，它由多个红外探测器组成，并具有一系列参数来描述其性能。
本文将从几个重要的参数入手，介绍红外焦平面阵列的特点和应用。
1. 像素数量：红外焦平面阵列的像素数量决定了其分辨率和图像质量。
像素数量越高，图像细节信息越丰富，分辨率越高。
但同时，像素数量的增加也会导致成本上升和数据处理需求增加。
因此，在选择红外焦平面阵列时需要权衡成本和性能需求。
2. 像素尺寸：像素尺寸是指红外焦平面阵列中每个像素的物理尺寸。
像素尺寸的选择与应用场景有关。
通常情况下，小尺寸的像素可以提供更高的分辨率，但同时也会导致信噪比下降。
对于某些应用而言，如红外夜视仪，信噪比可能更为重要，因此需要选择较大尺寸的像素。
3. 像素响应频率：像素响应频率是指红外焦平面阵列中每个像素的响应速度。
像素响应频率越高，红外焦平面阵列对快速动态场景的适应性越强。
例如在红外导弹追踪系统中，像素响应频率需要达到几千赫兹，以捕捉高速移动目标的瞬时图像。
4. 灵敏度：红外焦平面阵列的灵敏度是指其对红外辐射的响应能力。
灵敏度越高，红外焦平面阵列对红外辐射的探测能力越强。
灵敏度通常用NEP（Noise Equivalent Power）来表示，即单位面积上的最小可探测信号功率。
提高红外焦平面阵列的灵敏度可以增强其在低辐射场景下的成像能力。
5. 动态范围：动态范围是指红外焦平面阵列能够处理的最大和最小信号强度之间的比值。
动态范围越大，红外焦平面阵列能够在高对比度场景下保持细节丰富的图像。
动态范围的提高通常需要采用一些特殊的设计和制造技术，如多采样和非线性校正。
6. 工作波长范围：红外焦平面阵列的工作波长范围决定了其对红外辐射波长的响应能力。
不同的红外焦平面阵列可以工作在不同的波长范围内，如近红外、中红外和远红外。
在选择红外焦平面阵列时，需要根据实际应用需求来确定所需的工作波长范围。
7. 制冷方式：由于红外焦平面阵列需要工作在极低的温度下，通常需要采用制冷技术来降低阵列的工作温度。
测辐射热计红外焦平面列阵
测辐射热计红外焦平面列阵
杨亚生
【期刊名称】《半导体技术》
【年(卷),期】1999(24)2
【摘要】非制冷测辐射热计红外焦平面列阵设计为桥式结构，器件制作采用微机械加工技术。
工作波段为８～１２μｍ，热阻达１０７Ｋ／Ｗ量级，噪声等效温差为０．１Ｋ。
【总页数】4页(P5-8)
【关键词】测辐射热计;桥式结构;热阻;红外焦平面列阵
【作者】杨亚生
【作者单位】重庆光电技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN215.03
【相关文献】
1.采用CMOS N 势阱层的低成本红外微测辐射热计焦平面列阵 [J], 高国龙
2.非制冷测辐射热计焦平面列阵现状 [J], 邵式平
3.微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器技术新进展 [J], 邓荣春;卢杰;徐立中;胡荣群
4.采用原位微真空传感器的微测辐射热计红外焦平面列阵 [J], 高
5.非晶硅测辐射热计的性能将可超越红外焦平面技术 [J], 岳桢干
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基于红外热成像技术的动力电池组热失控监测系统
基于红外热成像技术的动力电池组热失控监测系统张斌; 吴楠; 赵希强; 丁照东; 朱江【期刊名称】《《电池工业》》【年(卷),期】2019(023)004【总页数】6页(P171-175,185)【关键词】红外热成像; 锂电池测温; 热电偶【作者】张斌; 吴楠; 赵希强; 丁照东; 朱江【作者单位】力神(青岛)新能源有限公司山东青岛 266555【正文语种】中文【中图分类】V448.25+11 引言研究和开发环保型汽车是汽车工业可持续发展面临的重大课题,鉴于目前的技术现状,清洁燃料汽车、混合电动汽车、电动汽车将成为世界汽车行业今后十几年内的重要发展方向[1]。
作为一种应用趋势,锂离子动力电池正越来越多地在一些电动车辆上得到应用[2]。
在动力锂电池的生产过程中，由于电池的充放电功率较大，异常温升会引发危险，因此必须对电池极柱的温度进行监测。
传统的温度监测有很多影响测试效率的因素，本文提出了基于红外测温技术的检测系统，可以有效提高测试效率。
2 动力电池组的温度监测需求动力电池是新能源汽车整车性能最关键的部件，新能源汽车对动力电池的有很高的性能要求和安全性要求。
对动力电池组的温度监控需求，主要是实时监测电池组的表面温度分布，并对锂电池热失控现象进行监测预警。
2.1 实时监测电池组的温度分布电池组的温度，是影响动力电池性能的一个关键因素。
汽车的动力电池，是由多只单体电池通过串联和并联的方式组合而成的一个大的电池组。
在充放电发热的情况下，电池组内部众多单体电池温度分布不均匀程度，影响电池组的电性能和可靠性[3]。
因此，在动力电池生产的电池组的组装工序，必须对电池组的温度分布进行实时监测,如图1所示。
图1 电池极柱表面温度检测系统网络架构图Fig.1 Network architecture of the surface temperature measurement system for battery pole2.2 监测预警锂电池的热失控动力电池的安全性问题，主要是动力锂电池组发生热失控现象，导致锂电池发生起火、爆炸。
南理工光电子器件习题集
《光电子器件》（第2版）习题集汪贵华编南京理工大学2014年3月1．什么是光谱响应特性曲线？什么是光谱匹配系数？其有何意义？ 2．什么是器件的最小可探测辐射功率和比探测率？它有何意义？ 3．一正方形半导体样品，边长1mm ，厚度为0.1mm ，用能量为3eV ，光强为0.96mW/cm 2的光照射在该正方形表面，其量子效率为1，设光生空穴全部被陷而不能运动，电子寿命τn =10-3s ，电子迁移率μn=100cm 2/V.S ，光照全部被半导体均匀吸收，求:（1） 样品中电子空穴对的产生率（/cm 3.S ）及每秒产生电子空穴对数（/s ）；（2） 定态时样品中的光电子数及浓度（个/整个样品，个/cm 3）； （3） 样品光电导率及光电导（Ω∙Ω11cm ）；（4） 若样品加30V 的电压在正方形侧面，求光生电流； （5） 光电导的增益。
4．填充下列表格：5．光敏电阻的暗电阻为600K，在200lx的光照下亮暗电阻之比为1：100，求该电阻的光电导灵敏度。
6．某光电导器件的特征曲线如图1，用该器件控制一继电器，使用30V 的直流电源，器件在400lx的照度下有10mA的电流即可使继电器吸合，无光照时释放，试画出控制电路，计算暗电流和所需串联电阻。
Array图1 光敏电阻随光照度的变化关系7．试述光生伏特效应。
要求画出能带图并推导有关公式。
8．用波长为0.83μm，强度为3mW的光照射在硅光电池，设其反射系数为15%，有效量子效率为0.8，并设这些光生载流子能到达电极。
（1）求光生电流；（2）当反向饱和电流为10-8A时，求T=300K时的开路电压。
（3）太阳能光电池效率低的原因是什么？论述提高太阳能光电池的效率的方法。
9．已知2CR太阳能光电池的参数为UOC=0.54，ISC=50mA，要用若干个这样的光电池合起来对0.5A，6V的蓄电池充电，应组成怎样的电路，需要多少个这样的电池（充电电源电压应比充电电池电压高1V左右）。
(仅供参考)红外焦平面探测器普及知识
红外焦平面探测器普及知识红外焦平面阵列（IR FPA）技术已经成为当今红外成像技术发展的主要方向。
红外焦平面阵列像元的灵敏度高，能够获取更多的信息以及更高的可变帧速率。
红外焦平面阵列探测器对入射的红外能量进行积分，然后产生视频图像，经过调节后被提供给视频显示器，以供人观察。
焦平面阵列每个像元的输出是一种模拟信号，它是与积分时间内入射在该元件上的红外能量成正比的。
但是由于制造工艺和使用环境的影响，即使对温度均匀的背景，焦平面背景中所有像元产生的输出信号也是不一致的，即红外焦平面阵列器件的非均匀性（Nonuniformity,NU）。
为了满足成像系统的使用要求，需要对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。
从生产工艺而言，单纯从提高焦平面阵列质量的角度来降低其非均匀性，不仅困难而且造价昂贵。
因此，通过校正算法减小非均匀性对红外焦平面阵列成像质量的影响，提高成像质量，不仅是必须的，同时具有很高的经济价值和应用价值。
目前，对红外图像质量的改善，一般是根据红外焦平面阵列对于温度响应的不一致性，采用非均匀性校正的方法，提高红外图像的质量。
主要有两类校正方法：基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法。
在实际应用中，普遍采用的是基于红外参考辐射源定标的校正方法。
但是，采用参考辐射源定标的校正方法校正的红外图像，因红外焦平面阵列器件由于长时间的工作，受到时间、环境等因素的影响，红外图像质量逐渐下降，出现类似细胞状和块状的斑纹，影响了红外图像的质量。
所以，需要在基于参考辐射源定标的校正方法的基础上，对于红外图像的质量进行改善。
国内外现状和发展趋势自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，总是在不断地辐射能量。
红外热成像技术就是把这种红外热辐射转换为可见光，利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节，将红外图像转化为可见图像。
利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。
用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标，具有隐蔽性好、抗干扰、易识别伪装、获取信息丰富等优点。
红外焦平面阵列
红外焦平面阵列红外焦平面阵列原理、分类1、红外焦平面阵列原理焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。
2、红外焦平面阵列分类（1）根据制冷方式划分根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。
制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。
由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。
当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1，相差为两个数量级。
不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。
（2）依照光辐射与物质相互作用原理划分依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。
光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。
热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。
这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下[6]。
（3）按照结构形式划分红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。
因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。
其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图1所示。
传热学-第八章 热辐射特性
§ 8-3 固体和液体的辐射特性
发射率 前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐 射的能力最强，包括所有方向和所有波长；
真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；
因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际 物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:
E E 4 Eb T
c2 T
5
0
1
d T
0
内所发射的辐射力：
Eb 1 2 Fb 0 2 Fb 0 1 Eb
图8-7 特定波长区段内的黑体辐射力
11
立体角
定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)
dAc rd r sin d d 2 sin d d 2 r r
0.76 0.38
Eb dλ=0.45Fb0.380.76 Eb
E 0.380.76 E
§8-4
实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界 的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收 的情况又是如何呢？
Semi-transparent medium
吸收比为
吸收的总能量 1 投入的总能量
0
( , T1 ) ( , T2 ) Eb (T2 )d
0
( , T2 ) Eb (T2 )d
f (T1 , T2 , 表面1的性质， 表面2的性质)
32
如果投入辐射来自黑体，由于 b ( , T2 ) 1 ，则上式可为
第八章 热辐射基本定律 和辐射特性
1
§8-1 热辐射的基本概念
热波成像原理
热波成像原理，实际上是指红外热成像技术的原理。
红外热成像是利用物体本身发出的红外辐射来进行成像的一种技术。
下面详细介绍其工作原理：
1. 红外辐射原理：
所有温度高于绝对零度（-273.15°C）的物体都会自发地向外发出红外辐射，这种辐射强度与物体的温度和辐射率（或称黑体辐射系数）有关。
物体温度越高，其分子或原子的热运动越剧烈，发出的红外辐射就越强。
2. 探测与转换：
热成像相机内部装有红外探测器，如微测辐射热计或焦平面阵列（FPA），它们能够捕捉到物体发出的红外辐射能量。
探测器将接收到的红外辐射转化为微弱的电信号。
3. 成像过程：
探测器产生的电信号经过放大和处理后，会被转换成可视图像。
这种图像被称为热像图，其中的不同颜色代表不同温度。
热像图的颜色通常是通过伪彩色编码来呈现，例如暖色调（红色、黄色、白色）代表高
温区域，冷色调（绿色、蓝色、黑色）则表示低温区域。
4. 温度分辨率：
热像仪能够分辨非常微小的温差，通过采集大量像素点的数据，可以形成高分辨率的温度分布图像，从而揭示物体表面的热分布状况。
5. 应用：
热成像技术广泛应用于军事侦察、夜间监视、建筑诊断、工业设备维护、医疗诊断、消防救援、环境研究等诸多领域，因为它可以非接触地探测物体的温度分布，从而提供宝贵的温度信息和诊断依据。
总结起来，热波成像原理就是通过检测和量化物体发出的红外辐射，将看不见的红外能量转化为可见的热图像，从而揭示物体的热状态和温度分布。
第8章_微测辐射热计焦平面阵列
1983年，带有微机械加工的测辐射热计的 红外成像仪演示于众(Wood 1983)。
1992年，240×336元阵列的NETD值为 39mk(Fno=1, 30Hz帧速)，被用于一个便携式 的非致冷摄像机上 。
§8.2 基本原理
成像元件是受单元探测器吸收的辐射光所 影响。
入射光能量下温度增加的热流量公式，温 度的增加依赖于探测机构。
Ht
当t
T时，解的第一项
0e C H jC
0
所以
T t
0ejt H jC
0 T ejt
C 1 jT
幅值
C
0 T ejt 1 2 T 2 1/2
T t
3、对热平衡方程的解的讨论
①设 T
C H
R C ，称为热敏器件的热时间常数
一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状
和颜色等有关。
②如果只考虑与时间有关的项，即有：
Gt t
T t T
0e C H jC
0ejt H jC
最重要的探测器件是电阻型测辐射热计。
1. 热红外传感器的基本结构
支撑腿
传
信
感
号
面积A
器
辐
射
支撑衬底
红外辐射引起的温度变 化可由以下方式测得:
电阻变化（辐射计） 热电结（TE传感器） 热释电效应 气体压力变化 … 等
2. 热传递的三个方式
热 传 导：
1）热量敏感区沿支撑物向衬底; 2）相邻像素之间横向热流通； 3）如果阵列没有固定在一个抽空的封装 盒里，热量会流向周围的大气。
微测辐射热计工作原理
微测辐射热计工作原理
微测辐射热计是一种用于测量物体表面温度的仪器，其工作原理基于
物体表面辐射的热量与温度之间的关系。
该仪器通过测量物体表面辐
射的热量，可以准确地计算出物体表面的温度。
微测辐射热计的工作原理可以简单地概括为以下几个步骤：
1. 接收辐射热量
微测辐射热计通过一个感应器接收物体表面辐射的热量。
该感应器通
常由一个热敏电阻或热电偶组成，可以将接收到的热量转化为电信号。
2. 转换电信号
微测辐射热计将感应器接收到的电信号转换为数字信号，以便进行后
续的计算和处理。
该转换过程通常由一个模数转换器完成。
3. 计算温度
微测辐射热计通过对接收到的数字信号进行计算，可以准确地计算出
物体表面的温度。
该计算过程通常由一个微处理器完成，可以根据不
同的应用需求进行编程。
微测辐射热计具有以下几个优点：
1. 非接触式测量
微测辐射热计可以通过接收物体表面辐射的热量进行测量，无需接触物体表面，因此可以避免对物体造成损伤或污染。
2. 高精度测量
微测辐射热计可以通过精确的计算和处理，实现对物体表面温度的高精度测量。
该仪器通常具有较高的分辨率和灵敏度，可以满足不同应用场景的需求。
3. 宽波长范围
微测辐射热计可以测量不同波长范围内的辐射热量，因此可以适用于不同类型的物体表面温度测量。
总之，微测辐射热计是一种非常实用的测量仪器，可以广泛应用于工业、医疗、环境等领域。
其高精度、非接触式测量和宽波长范围等特点，使其成为现代科技发展中不可或缺的一部分。
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幅角 tan T arctan T
是温升与辐照通量之间的相角，说明器件温 升滞后调制辐射功率的程度。
③考虑温升的幅值
T
C
0 T 1 2 T 2 1/2
A、温升 T 与吸收系数 成正比，所以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑。
B、温升 T与工作频率 有关， 增高，温
升 T下降。 低频时 T 1
3、光热探测器对光辐射的响应过程 ①吸收光辐射能量使器件自身温度发生变化。 ②依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变 化转换为相应的电信号，达到探测的目的。
4、光热探测器的特点 利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工 作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种 波长的辐射对于光热探测器的响应都有贡献。在很 宽的波长范围内，响应灵敏度与波长无关，但受热 时间常数的制约，响应速度较慢。
8.1 引言
1881年Langley在别人建立的辐射计原理基础上 构造出第一个辐射计。以后的工作就在于对辐射计 的改进上。
1978年Johnson提出了适用的硅微型隔热结构作为 室内温度热红外传感器。
1979年Johnson和Higashi构造了原型传感器。
原型传感器: 小由﹑机厚械为桥1µ型m的，S带i3有N4金构属成薄，膜外温部度为敏10感0电µm阻大器。 构造这些装置时，使用各向异性蚀刻法制成 的射很硅敏片感来。制作隔热的Si3N4微型桥路，对IR辐
1982，Kruse通过计算表明硅微型机械加工 的微型辐射计可以达到接近室温下IR探测器的 性能，并提出了他们作为一个两维的凝视型焦 平面阵列的构造。
1982，Arch和Heiser对微机械加工的 Si3N4微型辐射计做了大量的测量。测得的D* 为109cmHz1/2/W ， D*足够在凝视焦平面中 产生一个很好的噪声等效温差 。
第八章 微测辐射热计红外成像 器件
8.1 引言 8.2 微测辐射热计的工作原理 8.3 微测辐射热计的噪声 8.4 微测辐射热计的信噪比 8.5 微测辐射热计的读出电路 8.6 微测辐射热计的结构设计、制备以及 封装
1、什么是红外热辐射计
一种探测入射红外光引起自身温度升高的传感 器。使用一种电导率随着温度变化的材料来测 量温度的改变量。这样通过温度的改变量来测 定入射红外光的大小。
Gt t
T t T
0e C H jC
0ejt H jC
Ht
当t
T时，解的第一项
0e C H jC
0
所以
T t
0ejt H jC
0 T ejt
C 1 jT
幅值
C
0 T ejt 1 2 T 2 1/2
T t
C
0 T 1 2 T 2 1/2
1983年，带有微机械加工的测辐射热计的红 外成像仪演示于众(Wood 1983)。
1992年，240×336元阵列的NETD值为 39mk(Fno=1, 30Hz帧速)，被用于一个便携 式的非致冷摄像机上 。
§8.2 基本原理
成像元件是受单元探测器吸收的辐射光所 影响。
入射光能量下温度增加的热流量公式，温 度的增加依赖于探测机构。
称为热阻
所以，在热平衡状态下有：
dT
e C dt H T 2、热平衡方程的解
设入射辐射为：e 0 1+ejt
包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以
e
C
dT
H T dt
的解也包含两部分
T0 ：与时间无关的平均温升； T ：与时间有关的温度变化；
e
C
dT
dt
H T
可以分解为两个方程
最重要的探测器件是电阻型测辐射热计。
1. 热红外传感器的基本结构
支撑腿
传
信
感
号
面积A
器
辐
射
支撑衬底
红外辐射引起的温度变 化可由以下方式测得:
电阻变化（辐射计） 热电结（TE传感器） 热释电效应 气体压力变化 … 等
2. 热传递的三个方式
热 传 导：
1）热量敏感区沿支撑物向衬底; 2）相邻像素之间横向热流通； 3）如果阵列没有固定在一个抽空的封装 盒里，热量会流向周围的大气。
①
C
d T0
dt
H T0
0
T0
0 H
d
② C
T dt
H T 0ejt
Gt t
T
0e C H t jC
0ejt H jC
3、对热平衡方程的解的讨论
①设 T
C H
，R称 C为 热敏器件的热时间常数
一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状
和颜色等有关。
②如果只考虑与时间有关的项，即有：
T
C
0 T 1 2 T 2
1/ 2
0
H即 T 与 ຫໍສະໝຸດ 成反比，几乎与 无关减小 H 可提高温升，但 H减小使 T变大， 器件的热惯性变大，时间响应变坏，
限制，这种限制对于工作性能影响是非常大。
一、光热效应 1、光热效应：当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将吸收所有波长的全部光能量，并转换为热 能，称为光热效应。 2、光热探测器原理： 热能增多导致吸收体的物理、机械性能变化，如： 温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些 变化可确定光能量或光功率大小。由光热效应制 成的光探测器统称为光热探测器。
二、温度变化方程——光辐射引起温升的过程
1、热平衡方程 e ：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。 ：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。
e：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分
①转化为内能，表现为温度升高
dT
C dt
C 称为热容
②与外界热交换：传导、辐射、对流
H T
H 热传导系数
1 H R
2、红外热辐射计与其他传感器的区 别
a) 原理上：辐射计：利用入射的红外光使辐射计 探测材料温度发生变化来探测的。 传感器：利用其他敏感量来测量。
a) 探测对象：一个是红外光（热辐射），另一个 是其他的敏感量（如声音、压等）。
b) 材料上：辐射计：利用电导率随着温度变化的 材料。传感器：如压力传感器可利用压电陶瓷 等。
热 对 流：
热对流是第二种热传递方式。。 在阵列中热对流不是一种很重要的热传递方式。
如果热成像阵列包装并未抽空，则从热敏感元件 流经大气的热损失往往是热传导而不是热对流。
热 辐 射：
热辐射是第三种热传递方式。 敏感元件向周围辐射热量，周围环境也向其辐
射热量。对热成像阵列这是理想状况。 如果主要热损失是辐射性的，则阵列是受背景