红外热成像器件成像物理
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第十章 红外热成像器件成像物理
10.1. 红外探测器的分类 10.2. 红外探测器的工作条件与性能参数 10.3. 光电导型红外探测器 10.4. 光伏型红外探测器 10.5. 红外焦平面阵列探测器 10.6. 非致冷红外焦平面阵列探测器 10.7. 量子阱红外探测器
2020/5/13
2020/5/13
红外探测器的工作条件
探测器的工作温度与背景：不致冷时指环境温度， 致冷时指致冷的标称温度。背景辐射：由探测器 的视场和被背景照射的光谱范围来描述。
探测器的阻抗：
zd
dV (t) di(t)
探测器两端瞬时电压V(t)对通过探测器的瞬时电流i(t) 的导数，包括容抗和直流阻抗。多数探测器的阻抗与 纯电阻等效，100 Ω以下为低阻器件，需与放大器做 变压器耦合，100 Ω~1M Ω为中阻器件,最容易与放大 器匹配;1M Ω以上为高阻器件，需高阻抗放大器输入 才能匹配。
2020/5/13
10.1 红外探测器的分类
光磁电效应：当红外光入射到半导体表面，如有外磁场存在， 则半导体表面附近产生的电子－空穴对在半导体内部扩散的过 程中，电子和空穴各偏向一侧，因而在半导体两端产生电位差， 这种现象为光磁电效应。
各类光子型探测器 光电子发射探测器：红外光阴极等利用外光电效应工作的 探测器。 光电导探测器（PC器件）：利用光电导效应工作的探测器。 光伏探测器（PV器件）：利用光伏效应工作的探测器。 光磁电探测器：利用光磁电效应制成的红外探测器。 肖特基势垒器件：光子牵引效应。 量子阱器件：利用量子阱效应。
噪声等效功率NEP：红外辐射信号入射到探测器响 应平面上，若产生的电输出信号的均方根值正好等 于探测器本身在单位带宽内的噪声均方根值（信噪 比为1）时，探测器表面所接收到的入射辐射功率均 方根之为NEP。
单元探测器 多元探测器 凝视列阵探测器
பைடு நூலகம்
微测辐射热计非制冷焦平面阵列 （ Micro-Bolometer ）
微测辐射热电堆
光子探测器（光电效应）
光电导探测器（PC效应） 光伏探测器（PV效应） 肖特基势垒探测器（PtSi探测器） 量子阱探测器
2020/5/13
10.1 红外探测器的分类
－－对于响应度与方位角无关的圆形对称探测器若响应元中心到探测器 光阑的视场角为ω，其权重立体角交可简化为：Ω=πsin(ω/2)，若 为朗伯探测器，则Ω=π。
探测器的输出信号：输出信号电压的振幅是施加在探测 器的偏置电源b，辐射调制频率f，波长λ及入射辐射功 率Ps的函数。即：Vs=Vs(b,f, λ, Ps)
10.1 红外探测器的分类
按波长分：
按工作转换机理分：
近红外:
0.76~3μm 中红外：3~6μm 远红外：8~15μm
热敏探测器（热电效应）
热释电摄像管（如TGS等） 热探测器阵列
热释电型非制冷焦平面阵列
按工作温度分：
低温探测器 中温探测器 室温探测器
按用途和结构分：
特殊工作条件：对于某些特殊器件，还有湿度、 入射辐射功率、视场立体角、以及背景温度等。
2020/5/13
10.2. 红外探测器的工作条件与性能指标
红外探测器的性能参数
响应度R：描述入射到探测器上的单位辐射功率所 产生的信号大小能力的性能参数：红外辐射垂直入 射到探测器光敏元上，探测器输出信号电压均方根 值Vs与入射辐射功率均方根值Ps之比。
2020/5/13
10.2. 红外探测器的工作条件与性能指标
评价红外探测器的性能的指标称为性能优值，即其性能参数。 因一个探测器的性能参数往往与其测量方法和使用条件，几 何尺寸等物理性质相关故讨论红外探测器性能指标的同时， 需说明其工作条件。
工作条件
入射辐射的光谱分布：对探测器进行性能描述时，必须说明入射到探测 器响应平面的光谱分布及空间辐射功率。实验室多采用500K黑体辐射源 作信号源。
2020/5/13
10.1 红外探测器的分类
光电效应：某些固体受到红外辐射的照射后，其中的电子直接 吸收红外辐射而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种 电学参量的改变，这种电学性质的改变统称固体的光电效应。
利用光电效应制成的红外探测器为光子探测器或光电探测器，这 类探测器依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热物 体的过程，因此反应时间快。
光电导效应：当红外辐射入射到半导体器件上，会使体内一些电 子和空穴从原来不导电的束缚状态转变成能导电的自由状态，从 而使半导体的电导率增加，这种现象为光电导效应。
光伏效应：在半导体P-N结及其附近区域吸收能量足够大的光子 后，在结区及结的附近释放出少数载流子（自由电子或空穴）它 们在结区附近靠扩散进入结区，而在结区内则受内建电场的作用， 电子漂移到N区，空穴漂移到P区，如果P-N结开路，则两端会产 生电压。这种现象为光生伏特效应。
热电效应：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。
只需测量其中一种物理量的变化，便知其吸收红外 入射的能量和功率
利用各类热电效应制成的热探测器：
热电偶：测量温差电动势的变化 热敏电阻（或电阻测辐射热计）：测量电阻率的变化 气体探测器（高莱盒）：测量气体压强的变化 热释电探测器：测量自发极化强度的变化
探测器的几何参数：探测器面积（标称面积、有效面积），形状及接收 入射辐射信号的立体角
标称面积：制造商提供的响应面积，是实际响应面积的近似值。
有效面积：若s为响应平面，R(x,y)为对应点的响应度，则有效面积
定义为
(x, y)dxdy
Ae s max
2020/5/13
红外探测器的工作条件
探测器接收辐射信号的立体角：辐射信号入射方向上以入射 角的余弦作为权重的立体角。
标称权重立体角：制造商提供的立体角。 有效权重立体角：设θ,φ为轴线垂直于响应平面的球坐标系的极角和方
位角；R(x,y,θ,φ)为探测器响应平面s上某点(x,y)对(θ,φ)方向入射辐射的 响应度，则有效权重立体角为：
e 0 20 2 c o A se sm in a x (0 d ,0 d )s (x ,y,,)d x d y
10.1. 红外探测器的分类 10.2. 红外探测器的工作条件与性能参数 10.3. 光电导型红外探测器 10.4. 光伏型红外探测器 10.5. 红外焦平面阵列探测器 10.6. 非致冷红外焦平面阵列探测器 10.7. 量子阱红外探测器
2020/5/13
2020/5/13
红外探测器的工作条件
探测器的工作温度与背景：不致冷时指环境温度， 致冷时指致冷的标称温度。背景辐射：由探测器 的视场和被背景照射的光谱范围来描述。
探测器的阻抗：
zd
dV (t) di(t)
探测器两端瞬时电压V(t)对通过探测器的瞬时电流i(t) 的导数，包括容抗和直流阻抗。多数探测器的阻抗与 纯电阻等效，100 Ω以下为低阻器件，需与放大器做 变压器耦合，100 Ω~1M Ω为中阻器件,最容易与放大 器匹配;1M Ω以上为高阻器件，需高阻抗放大器输入 才能匹配。
2020/5/13
10.1 红外探测器的分类
光磁电效应：当红外光入射到半导体表面，如有外磁场存在， 则半导体表面附近产生的电子－空穴对在半导体内部扩散的过 程中，电子和空穴各偏向一侧，因而在半导体两端产生电位差， 这种现象为光磁电效应。
各类光子型探测器 光电子发射探测器：红外光阴极等利用外光电效应工作的 探测器。 光电导探测器（PC器件）：利用光电导效应工作的探测器。 光伏探测器（PV器件）：利用光伏效应工作的探测器。 光磁电探测器：利用光磁电效应制成的红外探测器。 肖特基势垒器件：光子牵引效应。 量子阱器件：利用量子阱效应。
噪声等效功率NEP：红外辐射信号入射到探测器响 应平面上，若产生的电输出信号的均方根值正好等 于探测器本身在单位带宽内的噪声均方根值（信噪 比为1）时，探测器表面所接收到的入射辐射功率均 方根之为NEP。
单元探测器 多元探测器 凝视列阵探测器
பைடு நூலகம்
微测辐射热计非制冷焦平面阵列 （ Micro-Bolometer ）
微测辐射热电堆
光子探测器（光电效应）
光电导探测器（PC效应） 光伏探测器（PV效应） 肖特基势垒探测器（PtSi探测器） 量子阱探测器
2020/5/13
10.1 红外探测器的分类
－－对于响应度与方位角无关的圆形对称探测器若响应元中心到探测器 光阑的视场角为ω，其权重立体角交可简化为：Ω=πsin(ω/2)，若 为朗伯探测器，则Ω=π。
探测器的输出信号：输出信号电压的振幅是施加在探测 器的偏置电源b，辐射调制频率f，波长λ及入射辐射功 率Ps的函数。即：Vs=Vs(b,f, λ, Ps)
10.1 红外探测器的分类
按波长分：
按工作转换机理分：
近红外:
0.76~3μm 中红外：3~6μm 远红外：8~15μm
热敏探测器（热电效应）
热释电摄像管（如TGS等） 热探测器阵列
热释电型非制冷焦平面阵列
按工作温度分：
低温探测器 中温探测器 室温探测器
按用途和结构分：
特殊工作条件：对于某些特殊器件，还有湿度、 入射辐射功率、视场立体角、以及背景温度等。
2020/5/13
10.2. 红外探测器的工作条件与性能指标
红外探测器的性能参数
响应度R：描述入射到探测器上的单位辐射功率所 产生的信号大小能力的性能参数：红外辐射垂直入 射到探测器光敏元上，探测器输出信号电压均方根 值Vs与入射辐射功率均方根值Ps之比。
2020/5/13
10.2. 红外探测器的工作条件与性能指标
评价红外探测器的性能的指标称为性能优值，即其性能参数。 因一个探测器的性能参数往往与其测量方法和使用条件，几 何尺寸等物理性质相关故讨论红外探测器性能指标的同时， 需说明其工作条件。
工作条件
入射辐射的光谱分布：对探测器进行性能描述时，必须说明入射到探测 器响应平面的光谱分布及空间辐射功率。实验室多采用500K黑体辐射源 作信号源。
2020/5/13
10.1 红外探测器的分类
光电效应：某些固体受到红外辐射的照射后，其中的电子直接 吸收红外辐射而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种 电学参量的改变，这种电学性质的改变统称固体的光电效应。
利用光电效应制成的红外探测器为光子探测器或光电探测器，这 类探测器依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热物 体的过程，因此反应时间快。
光电导效应：当红外辐射入射到半导体器件上，会使体内一些电 子和空穴从原来不导电的束缚状态转变成能导电的自由状态，从 而使半导体的电导率增加，这种现象为光电导效应。
光伏效应：在半导体P-N结及其附近区域吸收能量足够大的光子 后，在结区及结的附近释放出少数载流子（自由电子或空穴）它 们在结区附近靠扩散进入结区，而在结区内则受内建电场的作用， 电子漂移到N区，空穴漂移到P区，如果P-N结开路，则两端会产 生电压。这种现象为光生伏特效应。
热电效应：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。
只需测量其中一种物理量的变化，便知其吸收红外 入射的能量和功率
利用各类热电效应制成的热探测器：
热电偶：测量温差电动势的变化 热敏电阻（或电阻测辐射热计）：测量电阻率的变化 气体探测器（高莱盒）：测量气体压强的变化 热释电探测器：测量自发极化强度的变化
探测器的几何参数：探测器面积（标称面积、有效面积），形状及接收 入射辐射信号的立体角
标称面积：制造商提供的响应面积，是实际响应面积的近似值。
有效面积：若s为响应平面，R(x,y)为对应点的响应度，则有效面积
定义为
(x, y)dxdy
Ae s max
2020/5/13
红外探测器的工作条件
探测器接收辐射信号的立体角：辐射信号入射方向上以入射 角的余弦作为权重的立体角。
标称权重立体角：制造商提供的立体角。 有效权重立体角：设θ,φ为轴线垂直于响应平面的球坐标系的极角和方
位角；R(x,y,θ,φ)为探测器响应平面s上某点(x,y)对(θ,φ)方向入射辐射的 响应度，则有效权重立体角为：
e 0 20 2 c o A se sm in a x (0 d ,0 d )s (x ,y,,)d x d y