红外热成像器件成像物理

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10.1.1 热探测器
影响探测率的两个因素是：① 热释电探测器的响应度。 ② 热释电探测器在硅片界面上要产生散热损失。 典型的采用厚度为600×10-10m氧化层、面积为10-5cm2的 TGS制成的红外电荷耦合器件，以20帧/s工作在8～ 12μm窗口时，最小可分辨温差ΔTMRTD为0.2K。这里应 指出，为使实际器件达到预期的性能，需要更高的热绝 缘，以避免衬底热负载以及各像元之间的串音干扰。
(1) 探测器面积
由于实际探测器响应平面上各点的响应不相等，所以探测器面积 常用如下两种形式给出： ①标称面积An ②有效面积Ae (2) 通常在辐射信号入射方向上以入射角的余弦作为权重的立体角为权
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10.2.1 红外探测器的工作条件
① 标称权重立体角Ωn ② 有效权重立体角Ωe 3. 探测器的输出信号 5. 6. 特殊工作
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10.3.1 光电导探测器的分类和基本关系
1.光电导探测器的分类
光电导探测器按其基本激发过程可分为
本征光电导探测器、 杂质光电导探测器 自由载流子光电导探测器。
如图
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(a) 本征吸收；(b) 非本征吸收；(c) 自由载流子吸收
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10.3.1 光电导探测器的分类和基本关系
2.入射光强的衰减规律
光照射产生的非平衡载流子称为光生载流子，光电导的强弱取决 于光生载流子的多少。入射到探测器表面的红外辐射，一部分被 吸收并透射到内部，另一部分被反射回去。若入射到探测器表面 的辐照度为E0，表面反射比为ρ，则实际进入探测器的辐照度为 E0(1-ρ)，如图所示。
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10.1.2 光子探测器(光电探测器)
常用的光电探测器有如下几类： 1 2 光电导探测器 3 4
除以上介绍的几类器件外，还有利用光子牵引效应的 探测器件、红外上转换器件和量子阱器件等。
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§10.2 红外探测器的工作条件与性能参 数
10.2.1 红外探测器的工作条件 10.2.2 红外探测器的性能参数
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10.2.2 红外探测器的性能参数
1. 响应度R
2.
Baidu Nhomakorabea
NEP
3. 探测率D和归一化探测率D *
4. 响应时间(或时间常数)
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§10.3 光电导型红外探测器
10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5
光电导探测器的分类和基本关系 本征光电导探测器的性能分析 非本征光电导探测器的性能分析 SPRITE探测器 光电导探测器材料与工作模式
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§10.1 红外探测器的分类
10.1.1 热探测器 10.1.2 光子探测器(光电探测器)
10.1.1 热探测器
热探测器吸收红外辐射后，产生温升，伴随着温升而 发生某些物理性质的变化。如产生温差电动势、电阻 率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。 测量这些变化就可以测量出它们吸收的红外辐射的能 量和功率。上述四种是常见的物理变化，利用其中的 一种物理变化就可以制成一种类型的红外探测器。
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10.2.1 红外探测器的工作条件
1. 入射辐射的光谱分布
在对探测器性能进行描述时，必须说明入射到探测器响应平面上的 光谱分布及空间辐射功率。
2. 探测器的几何参数
探测器的几何参数主要指探测器的面积、形状及接收入射辐射信号 的立体角。
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10.2.1 红外探测器的工作条件
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返回10.1
10.1.1 热探测器
1. 热释电探测器
热释电探测器的工作原理同热释电摄像管靶的工作原理一样，只是 在面积大小和信号读出方式等方面有较大的差别。热释电探测器与 CCD器件混合提供了不需制冷的工作前景。由于热释电的差动特性， 在用于凝视阵列成像时需要进行入射辐射的调制，当然也可以用于扫 描阵列。在组件扫描阵列上，其较难达到0.1K灵敏度所需要的探测率。 最好的250μm2单元的TGS在10Hz调制频率下能达到的探测率最大值为 5×109cm·Hzl/2/W
红外探测器的种类很多，分类方法也很多。如根据波长 可分为近红外(短波)、中红外(中波)和远红外(长波)探 测器，其分别对应0.76～3.0μm、3.0～6.0μm和8.0～ 15.0μm三个谱段；根据工作温度，又可以分为低温、中 温和室温探测器；根据用途和结构，还可以分为单元、 多元和凝视型阵列探测器等。红外探测器在光电成像系 统中，主要用来完成红外入射辐射到电信号的转换，所 以它可以是成像型的，也可以是非成像型的。因此，从 理论上一般多按工作转换机理来进行分类。就其工作机 理而言，一般可分为热探测器和光子探测器(或称光电探 测器)
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10.1.1 热探测器
3.微测辐射热电堆
微测辐射热电堆是将若干个测辐射热电偶串接起来构成的热探测 器件，原理上采用的是温差电效应。即当两种不同材料的金属或半 导体构成闭合回路形成热电偶时，如果两个联结结点中的一个受到 入射辐射照射温度升高，而另一结点未受到入射辐射照射而温度保 持不变，则由于两个结点处于不同的温度而使闭合电路中产生温差 电动势，测量该温差电动势便可以得到待测的辐射能量或功率的大 小。
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10.1.1 热探测器
2.微测辐射热计
微测辐射热计是一种利用探测器材料吸收入射辐射使其自身温度 变化，进而使探测器的其他物理性质(诸如电阻、电容等)发生变化 的原理制成的热探测器阵列。常用的微测辐射热计有： (1) 热敏电阻微测辐射热计，其以烧结的半导体薄膜作为光敏元件； (2) 金属薄膜微测辐射热计，采用电阻温度系数大的金属为材料制 作成薄膜，表面涂黑作为光敏元件； (3) 介质微测辐射热计，它是利用介质材料的参数随温度变化而变 化的原理制成的器件。
第十章 红外热成像器件成像物理
§10.1 §10.2 §10.3 §10.4 §10.5 §10.6 §10.7
红外探测器的分类 红外探测器的工作条件与性能参数 光电导型红外探测器 光伏型红外探测器 红外焦平面阵列探测器 非制冷红外焦平面阵列探测器 量子阱红外探测器
§10.1 红外探测器的分类