遥感红外光谱技术-5.ppt

第六章红外探测器 红外探测器的作用 把红外系统接收到的辐射能转换成另一种便于测量的能量形式 多数情况下转换成电能 红外探测器是将红外辐射能转换成电能的光敏器件 是红外系统的重要组成部分 本章主要介绍各种红外探测器的概况 1800年 F W 赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在 使用的水银温度计 最原始红外探测器 1830年 L 诺比利利用当时新发现的温差电效应 制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器 其后 又从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆 1880年 S P 兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器 称为测辐射热计 红外探测器的发展 1947年 M J E 高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器 又称高莱管 60年代中期 出现了热释电型探测器 它是一种热敏型探测器 但其工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别 40年代 用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计 使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进 半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器 1943年出现光电型红外探测器光电管 利用外光电效应制成 以Cs O Ag为阴极材料 可以探测到1 3微米 利用半导体的内光电效应制成的红外探测器 对红外技术的发展起了重要的作用 内光电效应分光电导和光生伏特效应制成光导型红外探测器和光伏型红外探测器 光子探测器 6 1常见红外探测器 按探测机理不同分类 热探测器光子探测器 一 热探测器 热探测器 利用红外辐射引起探测器的温度变化 使有关物理参数发生相应变化 通过测量确定红外探测器吸收的辐射能 1 热电偶型热探测器 温差电现象 如果两种不同的 热电功率差别较大的金属材料 如铋 银 铜 康铜 铋 铋锡合金等 A和B连成一个闭合回路 红外辐射照射到回路中一个节点时 该节点温度上升 而另一个节点仍保持较低温度 此时在回路中将产生温差电流 会有电流流动 同时回路中产生温差电势 这种现象叫温差电现象 温差电流 其回路中的电流 温差电势 产生温差电流的电势 其大小反映了接点吸收红外辐射的强弱 热电偶型探测器是利用温差电现象制成的 特点 1 能够产生稳定的直流电流 2 大多数热电偶的电阻值极低 1 10 3 响应时间较长 时间常数较大 从ms s 4 动态特性较差 调制频率限制在10HZ以下5 寿命长 可靠性高 无活动部件 热电堆 几个热电偶串联组成热电堆 例如 用铋 银 铜 康铜热电偶串联成的热电堆光敏面可作成方形 阻抗为2 50 响应时间0 1 2s 2 热敏电阻型探测器 金属或半导体电阻变化 利用电阻变化可测定吸收的红外辐射功率 半导体测辐射热计 热敏电阻 金属炭和锗制成的测辐射热计致冷的测辐射热计 响应时间几十毫秒 热敏电阻 利用半导体的电阻R随温度升高而指数地减小的性质制成热敏电阻 一般采用负电阻系数很大的金属氧化物半导体材料 常用的是 由锰 镍 钴三种金属氧化物混合后烧结而成 一般制成薄片 浸没型热敏探测器 一般是把涂有抗反射层的纯锗的半球或超半球覆盖在热敏元件上 元件与浸没透镜平面要求光学接触 理论上 使用锗半球透镜 其响应可提高4倍 热敏电阻的静态伏安特性曲线 3 高莱气动型探测器 气体压强的变化 当吸收红外辐射引起温度升高时 气体在体积一定条件下 压强增加 从而可测定吸收的红外辐射功率 4 热释电型探测器 热释电效应 在某些绝缘物质中 由于温度的变化引起极化状态改变的现象 热释电效应被用于热释电红外探测器中 广泛地用于辐射和非接触式温度测量 红外光谱测量 激光参数测量 工业自动控制 空间技术 红外摄像中 自发极化强度随温度的升高而下降 当温度升高到材料的居里温度以上时 自发极化强度下降到零 能产生热释电现象的晶体叫做热电晶体 如果在居里温度以下 通过适当制备 使极化沿着整个晶体的晶轴方向排列 此时晶体变为极化单畴 或近似单畴的晶体 热释电探测器是利用热电 铁电体制成的 用于探测红外辐射能量或功率 70年代 应用较广泛的是 硫酸三甘肽 铁电体 铌酸锶钡 工作原理 平时面束缚电荷常被晶体内 外部的自由电荷所中和 但中和时间较长 t 大多数t值在数秒 数小时 自发极化产生的面电荷密度 自发极化强度 晶体的自发极化的驰豫时间很短 约10 12S 若f 1 t 则体内外自由电荷就来不及中和面束缚电荷 结果使晶体在垂直于极化强度PS的两端面出现开路交流电压 若调制频率为f的红外辐射照射在热电晶体上 则晶体的T PS以及由此引起的面束缚电荷密度都以频率f作周期性变化 若在晶体的两个端面上涂上电极 焊上引线 并将受光面黑化 即为热释电探测器 用负载电阻把两个电极连接起来 就会有电流通过负载 当恒定的红外辐射照射在热释电探测器上时 探测器没有电信号输出 只有晶体温度处于变化过程中 才有电信号输出 所以 必须对红外辐射进行调制 1 比热敏电阻 热电堆的灵敏度高 2 响应速度快 1 s 一般热探测器1 0 01s 3 光谱响应宽 从可见到亚毫米波几乎都有相同响应 4 一般热探测器工作在低频区 热释电探测器即能工作于低频区又能工作于高频区 5 可室温工作 不需要偏压 热释电探测器的特点 热释电探测器目前成为性能最好的室温热探测器 广泛使用在各种辐射计 光谱仪 激光探测和热成像方面 目前性能主要受放大器噪声的限制 热探测器的特点 优点 响应波段宽 可室温工作 使用简单缺点 响应时间长 灵敏度低 一般使用在低频场合 各类热探测器在理论上应该对一切波长的辐射都有相同的响应 但实际上对不同波长的红外线响应有时是不同的 热探测器响应的快慢 决定于探测器热容量的大小和散热快慢 按工作机理分 外光电效应探测器内光电效应探测器 二 光子探测器 外光电效应探测器 光电管 光电倍增管 光电探测器内光电效应探测器 光电导探测器光生伏特探测器光磁电探测器 目前发展较快的是 内光电效应探测器 1 光电探测器 外光电效应 在光的照射下 使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象 截至波长 逸出功 弛豫时间 10 9s 光电探测器 利用外光电效应制成的探测器 1 光电管 光电管 光电管是装有光阴极和阳极的真空玻璃管 光阴极有多种形式 在玻璃管内壁涂上阴极涂料即成 玻璃管内装有涂阴极涂料的柱面形极板 阴极涂料 银氧铯 锑铯 锑钾 钠铯等 阳极 置于光电管中心的环行金属板或置于柱面中心线的金属柱 工作原理 光电管阴极受到适当的光照射后发射光电子 这些光电子被具有一定电位的阳极吸引 在光电管内形成空间电子流 如果在外电路中串入适当电阻 电阻上产生的电压降正比空间电流 与入射光成函数关系 V V 输出 当光照一定时 正向电压V 光电流电流I 当V 到V0以后 I不再增加 说明一定光通量照射下产生的光子全部被阳极收集 V0称作饱和电压 光电管工作电压要大于V0 工作电压 2 光电倍增管 光电倍增管 除装有光阴极和阳极外 还有若干个光电倍增极 1 倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料 2 倍增极的形状和位置设置得正好能使前一倍增级发射的电子继续轰击后一级 3 在每个倍增极间均依次增大加速电压 二次发射系数 n2 n1 与材料有关 与一次电子的动能或极间电压有关 二次发射极 设 每极的倍增率为 若有n极 则光电倍增管的电流倍增率为 n 光电倍增极一般用锑铯涂料或银镁合金涂料 倍增极数常为4 14 值为3 6 管内电子增益可达103 107以上 光电探测器的特点 1 响应速度快10 9 2 存在一个长波限 即截至波长 响应只延伸到近红外的一个小范围 2 光电导探测器 1 内光电效应 光照在半导体材料上 材料中处于价带的电子吸收光子能量 通过禁带跃入导带 使导带内电子和价带内空穴增多 即激发出光生电子 空穴对使半导体材料产生光电效应 产生内光电效应 光子能量必须大于材料的禁带宽度 内光电效应的临界波长 内光电效应按其工作原理可分为 光电导效应 光生伏特效应 光磁电效应 本征激发 价电子从外界获得能量挣脱束缚激发称为导电电子的过程 光电导效应 当光照射在某些材料表面时 能使材料的电导率增加 光电导探测器 利用半导体光电导效应制成的探测器 材料 多晶薄膜型常用 硫化铅 1 3 m 硒化铅 3 5 m 单晶型本征型 锑化铟 3 5 m 碲镉汞掺杂型 2 本征型光电导探测器由纯净半导体材料制成 导电机理是一种本征激发 截止波长 由于已知的各种单晶和化合物半导体在室温时都有 Eg 0 18ev 截止波长 7 m 2 本征型光电导探测器 为探测7 m以上红外辐射 杂质半导体 在纯净半导体中掺入少量其它杂质 受主杂质 P型杂质 因杂质能级恰好靠近主体材料价带的顶部 所以从价带顶跃迁到受主能级Ep只需很小的能量Ei 施主杂质 n型杂质 杂质中电子当得到外界能量 就可以挣脱杂质原子的束缚 激发到导带形成导电电子 掺杂质探测器 由于电离能很小 室温下的热激发就能使受主能级完全被填满 所以不能在室温下工作 必须制冷 光电导探测器在电路中的作用 相当于一个可变电阻器 它需要外加偏压电源 光电导探测器 PC器件 有 光敏电阻 光敏二极管 三极管 光敏二极管 三极管使用时必须注意 3 光生伏特探测器 光生伏特效应 当光照射在某些材料的P n结上时 在结区能产生一个附加的电动势 这个附加的电动势叫光生电动势 这个现象叫光生伏特效应 光生伏特探测器 利用光生伏特效应制成的探测器称为PV器件 工作原理 1 Pn结的形成2 电子 空穴扩散运动 形成空间电荷区3 电子 空穴在内电场作用下作漂移运动4 在入射光照射下 产生光生电子空穴对5 光生电子 空穴在Pn结电场作用下 在Pn结两侧形成电荷积累 产生附加电动势 光生电动势 光生伏特探测器的伏安特性曲线 光电二极管雪崩光电二极管 4 光磁电探测器 光磁电效应 半导体的表面吸收光子后 在上表面产生的电子 空穴对要向体内扩散 在扩散过程中 因受到强磁场的作用 电子和空穴各偏向一侧 因而产生电位差 这个现象叫作光磁电效应 光磁电探测器 利用光磁电效应制成的探测器 PEM器件 5 光子探测器与热探测器的比较 1 热探测器对各种波长都有响应 光子探测器只对它的长波限以下的一段波长区间有响应 2 热探测器 除低温测辐射热计外 工作时不需制冷 光子探测器则多数需要制冷 3 光子探测器的响应度一般高于热探测器 响应时间小于热探测器 6 2红外探测器的性能参数 一 性能参数 1 电压 电流响应率R 1 辐照特性 辐照特性 探测器输入辐射能量与光电流 电压 之间的关系 例如 光敏电阻 光敏二极管 光电池 2 电压 电流响应率R 响应率R 输出电压与输入的红外辐射功率之比 V 红外探测器的输出电压P 输入的红外辐射功率 用电压响应率来衡量红外探测器 应用起来比较直观和方便 但是不同的探测器在进行比较时 应注意它们的测试条件 测量时 测试条件必须符合一些共同的规定 才能获得别人也能了解的R 一般规定 2 光谱响应 响应波长范围 光谱响应 探测器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系 热探测器的电压响应率与波长无关 光子探测器的电压响应率与波长有关 峰值波长 电压响应率最大值所对应波长截止波长 电压响应率下降到最大响应值得一半所对应的波长 光电器件的光谱特性 合理选择相匹配的光源和光电器件 3 噪声等效功率 1 噪声电压 2 噪声等效功率 NEP 任何探测器 不管它根据什么原理制成都有一定的噪声 即输出端总存在一些毫无规律的 事先无法预测的电压信号 投射到探测器上的红外辐射功率P产生的输出电压Vs正好等于探测器本身的噪声电压VN时 该辐射功率P叫做噪声等效功率 用 NEP 表示 NEP表示 它对探测器所产生的效果与噪声相同 NEP是可以测量的量 是一个理论界限 实际上 P应当是NEP的2 6倍 4 探测率D 探测率 是噪声等效功率的倒数 5 比探测率D 比探测率 归一化探测率 探测灵敏度 D 的规定写法 D 辐射源 调制频率 带宽 6 响应时间 时间常数 时间常数 表示红外探测器的输出信号随红外辐射变化的速率 热探测器 热惯性 RC参数较大 ms或更长光子探测器 m 7 其它性能参数 探测器的