光电子器件_第七章 红外成像器件

1、第七章红外摄像器件(qjin)共一百页Sunday, July 17, 20222长波(chngb)红外6 - 15 m长波 常温时灵敏度更好.给定温度目标的信号水平更好.更少的大气吸收.对于玻璃和塑料不透明, 测量它们的表面温度很方便(fngbin).阳光下反射更少.更高的信噪比.穿透烟、雾、尘和扰流.对于可将光背景干扰不敏感.共一百页Sunday, July 17, 20223热像技术(jsh)可以拓展到很多领域 分析(fnx)技术热像仪操作热传递应用检测计划和报告IRT热辐射什么是热像技术?共一百页Sunday, July 17, 20224红外图例(tl)暗色意味着更冷，亮色意味着更热

2、. 这幅热图高速我们(w men)什么信息?共一百页Sunday, July 17, 20225什么(shn me)是热像技术?FLIR ITC 给出的定义(dngy)红外热像技术是一门利用非接触式热像设备获取和分析热信息的科学。Note : There exist standardized definitions in some countries, and ISO is also working on it.共一百页Sunday, July 17, 20226 热像图像热量温度(wnd)分析(fnx)什么是热像技术?共一百页Sunday, July 17, 20227热量是不同(b tn)

3、温度的系统间的热量交换.因此, 当没有温度差异时红外图像没有任何对比，也不可能进行分析!什么(shn me)是热像技术?共一百页Sunday, July 17, 20228大气(dq)吸收我们认为大气应该是透明的我们能看见可见光大气对于可见光是透明的但是大气对于所有(suyu)波段并不是透明的.共一百页Sunday, July 17, 20229大气(dq)窗口红外通过(tnggu)大气的透射率取决于波长和大气条件.红外图像的大气窗口为:3 - 5 微米 中波/MWIR (SWIR)8 - 13 微米 长波/ LWIR共一百页Sunday, July 17, 2022107.1 红外的基本知识

4、红外光是电磁光谱中介于可见光的红光和微波之间的波段.所有超过绝对零度的物体(wt)都在红外波段辐射能量.红外遵从可见光的基本规律. 人眼是看不见红外光的.可见光和红外光最大的不同是它们的波长不一样.伽马射线X射线紫外可见红外无线电可见光0.4 近红外 中红外 远红外 超远红外 0.75 3 7.5-15 15 - 1000微米共一百页一、红外的发现(fxin)和本质 红外线的发现(fxin)和本质 电磁波谱 红外辐射特性 1. 1800年 英国天文学家赫谢耳(Herschel)在研究太阳七色光的热效应时发现了一种奇异的现象:在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也称

5、“红外辐射”。 2.红外线存在于自然界的任何一个角落。事实上，一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体时时刻刻都在不停地辐射红外线。 3.研究表明，红外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源。由此可见，红外辐射的物理本质是热辐射。这种辐射的量主要由这个物体的温度和材料本身的性质决定。特别是，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。 共一百页二、红外辐射特性 红外线是一种电磁辐射，具有与可见光相似的特性，服从反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振(pin zhn)等现象；同时，它又具有粒子性，即它可以光量子的形式发射和吸收。

6、此外，红外线还有一些与可见光不一样的独有特性: (1) 红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到； (2) 红外线的光量子能量比可见光的小，例如10m波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20； (3) 红外线的热效应比可见光要强得多； (4) 红外线更易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外线更容易通过。共一百页三、红外探测技术(jsh)的研究与发展红外探测的研究意义 红外探测器及技术(jsh)的发展 红外探测器的发展 红外技术的发展 以红外物理学为基础研究和分析红外辐射的产生、传输及探测过程中的特征和规律 为目标探测、识别提供理论基础和实验依据 共一百页

7、红外探测器的发展(fzhn)温度计 热电偶 热电堆 测辐射热计 确立了红外辐射的基本定律，红外物理才作为一门独立的学科分支本征型器件(例PbS探测器 ) 掺杂非本征型器件 三元(sn yun)化合物器件(例HgCdTe探测器 ) 多元线列红外探测器 扫积型HgCdTe器件(SPRITE探测器 红外焦平面列阵技术 共一百页红外技术(hn wi j sh)的发展19世纪：研究天文星体的红外辐射，应用红外光谱进行物质分析。20世纪：红外技术首先受到军事部门的关注，因为它提供了在黑暗中观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性。 第一次世界大战期间研制了一些实验性红外装置，如信号闪烁器、搜索装置

8、等。 第二次世界大战前夕，德国：红外显像管； 战争期间：德国，美国：红外辐射源、窄带滤光片、红外探测器、红外望远镜、测辐射热计等。 第二次世界大战后：前苏联50年代以后，美国：响尾蛇导弹上的寻的器制导装置和u2间谍飞机上的红外照相机代表着当时军用红外技术的水平。前视红外装置(FLIR)获得了军界的重视，并广泛使用：机载前视红外装置能在1500m上空探测到人、小型车辆和隐蔽(ynb)目标，在20000 m高空能分辨出汽车，特别是能探测水下40m深处的潜艇。 在海湾战争中，红外技术，特别是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示。 共一百页目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，在军事

9、上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术(zhnsh)和战略手段。在70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化。红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。标志红外技术最新成就的红外热成像技术，它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。共一百页四、红外探测器的分类(fn li)按波长分：近红外: 0.763m中红外：36m远红外：8

10、15m按工作温度分：低温(dwn)探测器中温探测器室温探测器按用途和结构分：单元探测器多元探测器凝视列阵探测器按工作转换机理分：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）量子阱探测器共一百页一、红外探测器分类(fn li)热探测器光子(gungz)探测器 热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数或性能发生相应的变化。通过测量有关物理参数或性能的

11、变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型、热释电型和高莱气动型等几种型式。热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。热探测器一般不需致冷（超导除外）而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但由于热探测器响应时间长，灵敏度低，一般只用于红外幅射变化缓慢的场合。热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。光子探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。按照光子探测器的工作原理，一般可分为外光电和内光电探测器两种。内光电

12、探测器又分为光电探测器、光电伏特探测器和光磁电探测器三种。光电探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但必须在低温下工作，而且探测波段较窄。共一百页、光子(gungz)探测器(1) 光电子发射(外光电效应)器件 利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间常数较短(约几个毫微秒)，所以在激光通讯中常(zhngchng)使用特制的光电倍增管。大部分光电子发射器件只对可见光起作用。 (2) 光电导探测器 利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器(简称PC器件)，目前，它是种类最多应用最广的一类光子探测器。 光电导探测器可分

13、为单晶型和多晶薄膜型两类。多晶薄膜型光电导探测器的种类较少，主要的有响应于13m波段的PbS、响应于35m波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型两种)。 共一百页(3) 光伏探测器 利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器(简称PV器件)。如果p-n结上加反向偏压，则结区吸收(xshu)光子后反向电流会增加，它实际上是光伏效应引起的，这就是光电二极管、光电三极管。 (4) 光磁电探测器 利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器(简称PEM器件)。目前制成的光磁电探测器有InSb、InAs和HgTe等。光磁电探测器实际应用很少。光子探测器能否产生光子效应，决定于光子的

14、能量。入射光子能量大于本征半导体的禁带宽度Eg(或杂质半导体的杂质电离能ED或EA)就能激发出光生载流子。入射光子的最大波长(也就是探测器的长波限)与半导体的禁带宽度Eg有如下关系： 共一百页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(xioyng)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。共一百页、热探测器(1) 热敏电阻 热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外

15、辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。 (2) 热电偶 温差电现象制成的感温元件(yunjin)称为温差电偶(也称热电偶)。将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热电堆比单个热电偶应用更广泛。(3) 气体探测器 气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后会引起温度升高、压强增大。利用此原理制成的红外探测器叫气体(动)探测器。(4) 热释电探测器 有些晶体如硫酸三甘肽(TGS)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)等，当受到红外辐照时，温度升高，在某一晶轴方向上能产生

16、电压。电压大小与吸收的红外辐射功率成正比。利用此原理制成的红外探测器叫热释电探测器。共一百页热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于(yuy)热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。热探测器的响应速度决定于热探测器的热容量和散热速度。减小热容量，增大热导，可以提高热探测器的响应速度，但响应率也随之降低。共一百页3. 热探测器与光子探测器的性能(xngnng)比较(1) 热探测器一般在室温下工作，不需要致冷；多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。工作于13

17、m波段的PbS探测器主要在室温下工作，但适当降低工作温度，性能会相应提高，在干冰温度下工作性能最好。(2) 热探测器对各种( zhn)波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长c的红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。(3) 热探测器的响应率比光子探测器的响应率低12个数量级，响应时间比光子探测器的长得多。共一百页五. 红外探测器的工作(gngzu)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(j h)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

18、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。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，则有效面积定义为共一百页、红外探测器的工作(gngzu)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(yxin)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,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,)为探测器响

19、应平面s上某点(x,y)对(,)方向入射辐射的响应度，则有效权重立体角为：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，其权重立体角交可简化为：=sin(/2)，若为朗伯探测器，则=。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，波长及入射辐射功率Ps的函数。即：Vs=Vs(b,f, , Ps)共一百页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：探测器两端瞬时电压(diny)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

20、数探测器的阻抗与纯电阻等效，100 以下为低阻器件，需与放大器做变压器耦合，100 1M 为中阻器件,最容易与放大器匹配;1M 以上为高阻器件，需高阻抗放大器输入才能匹配。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。共一百页、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(chuzh)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。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（

21、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。共一百页探测率D和归一化探测率D*：D=1/NEP；因大多数红外探测器的NEP与光敏面积的平方根成正比，还与放大器的带宽f有关，因此NEP的数值很难比较两个不同探测器的性能优劣。而定义归一化探测率D*实际上是探测器单位面积、单位放大器带宽，单位辐射功率所获得(hud)的信噪比。一般D*与调制频率f、辐射源与工作条件有关，单位为cmHz1/2/W。黑体源测得的D*称为黑体探测率，用D*(T,f,1)表示，1表示单位带宽，T多数情况下为500K。 响应时间（或时间常数）：指探测器将入射辐射转变为电输出的弛豫时间，是表示探测器工作速度

22、的一个定量参数。共一百页还可以利用频率响应来描述响应时间，因为(yn wi)大多数探测器响应度随调制频率的变化有如公式，其中R(0)为零频下的响应度，由此关系规定的响应时间为响应度下降到最大值的0.707时的角频率(2f)的倒数值。有些探测器有两个响应时间。其它指标响应度与辐射强度之间的线性关系响应度的均匀性与光学系统匹配时，接收面积与光学系统所成像的大小相同与前置放大器连用时，探测器内阻应与放大器的阻抗相匹配。R(f)随f变化的关系曲线具有两个响应时间的频率响应共一百页7.2.光电导型红外探测器光电导探测器的工作原理与性能分析(fnx)SPRITE探测器SPRITE探测器的工作原理及结构SP

23、RITE探测器的性能指标光电导探测器材料光电导率：如果半导体受到外界作用，有非平衡载流子注入，就会附加电导率产生。当是由光照注入的非平衡载流子所产生时，称之为光电导率。光照射产生的非平衡载流子称为(chn wi)光生载流子。能产生光电导效应的材料称为光电导体。共一百页 致冷器 致冷器的作用是降低红外探测器的噪声，使其在低温状态(zhungti)工作。由致冷剂变相吸收(xshu)热量而致冷B. 焦耳汤姆逊效应致冷C. 辐射热交换致冷D. 温差电致冷A. 变相致冷高压气体节流循环致冷高温物体辐射能量降温利用直流电通过半导体电偶对的珀尔帖效应致冷共一百页7.2.1、光电导型红外探测器工作(gngzu

24、)原理与性能分析光电导探测器的基本概念和基本方程光电导探测器的分类入射光强的衰减规律激发率和复合率光生载流子的基本方程本征光电导探测器的性能分析响应度探测率响应时间调制(tiozh)信号的影响共一百页光电导型红外探测器工作(gngzu)原理半导体的光激发过程(a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由载流子吸收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：入射红外辐射的光子能量(nngling)大于半导体禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其光电导率。其优点是工作温度比非本征型高。杂质光电导探测器：入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率，其优点是长波效应较好。自由载流子探测

25、器：材料吸收光子后不引起载流子数量的变化，而是引起载流子迁移率的变化。这类器件常需要在极低温度下工作，以降低能量向晶格转移。共一百页入射光强的衰减规律：辐射(fsh)进入探测器后，辐照度要逐渐衰减，若材料的吸收比为，则在z到z+dz处，其辐照度衰减的量值可写成dE，设探测器表面反射率为，z=0时入射到表面处的照度为E0，则有辐射度随厚度的衰减公式由此可见，辐照度随厚度增加而呈指数衰减。入射光强随厚度变化共一百页激发率与复合率单位时间、单位体积内吸收的光子能量：被吸收的光子数：量子效率：探测器吸收一个光子（h=Eg)所产生的电子空穴对的数目体激发率Q：单位时间、单位体积内所产生的电子空穴对数在本

26、征半导体材料中，通常 1，若探测器厚度为d，略去(l q)下表面的反射，平均体激发率为：当入射光强减小到初始值的1/e时，光经过的距离称为光的有效透射深度，其值为1/。一般的本征半导体吸收很强，InSb材料探测器的吸收系数约为104/cm，即表面1m就达到了有效透射深度，此后的入射光的影响可以忽略。故，在满足e(- d)1条件下，减少探测器厚度有利于提高响应度；减少反射，镀增透膜也是提高响应度的好办法。共一百页本征光电导探测器的探测率D对本征光电导探测器，可以不考虑1/f噪声时，主要噪声为热噪声和产生(chnshng)复合(G-R)噪声。热噪声产生的噪声电压常记为：其中Rd为探测器等效电阻，f

27、为测量仪器噪声等效带宽。产生复合噪声产生的噪声电压常表示为。其中V0为外置偏压，Ps为入射到探测器表面的辐射功率。按定义有Dv*更多时候，Dv*只受一种噪声限制共一百页本征光电导探测器的响应时间弱光入射时，上升情况：根据载流子浓度随时间上升的微分方程，且t=0时，载流子浓度变化量为0，可解得：式中p0为稳定值，故载流子随时间按指数规律上升至稳定值。显然载流子寿命(shumng)越长，曲线上升越慢。光生载流子数目随时间上升到稳定值的(1-1/e)时所需的时间为上升时间。下降情况：若t=0时停止光照，则微分方程中的产生激发的载流子数量Q为0，解得又一个指数方程。显然依然是载流子寿命越长，下降响应越

28、慢。光生载流子浓度p0由随时间下降1/e时所需的时间为下降响应时间。光电导探测器的驰豫现象(或滞后现象)t共一百页本征光电导探测器的调制信号(xnho)的影响为适应高速运动(yndng)目标的变化，有时对入射光要进行调制。当使用调制频率为f的余弦波形来调制时，有辐射照度或体激发率的表达形式：光生载流子浓度变化p的基本方程为：若记p= p1+ p2,前者为与时间无关量，后者为与时间相关量，则:考虑调制的影响，仅需讨论随时间变化的部分，省去下标并用复数表示，可解得其中振幅和相位表达式为：载流子浓度变化量p可写成：从而得到调制光入射时输出信号电压，及其均方根电压表示的信号。显然，f越高，信号越低。按

29、响应度定义可得响应度与调制频率的关系式：响应度随着f增加而减少，故对于载流子寿命一定的材料，应选择适当的调制频率，以防响应度损失过多。目标运动速度不同，应选择不同的调制频率。共一百页7.2.1 SPRITE(Signal Processing In The E1ement)红外探测器 这种新型红外探测器器件利用红外图像扫描速度等于光生载流子双极漂移(pio y)速度这一原理实现了在探测器内进行信号延迟、叠加，从而简化了信息处理电路。它可用于串扫或串并扫热成像系统，但与热成像系统中使用的阵列器件不同。阵列器件是互相分立的单元，每个探测器要与前置放大器和延迟器相连，它接收目标辐射产生的输出信号需经

30、放大、延迟和积分处理后再送到主放大器，最后在显示器中显示出供人眼观察的可见图像。目前国内外研制的SPRITE探测器，有工作温度为77K、工作波段为814m和工作温度为200K左右、工作波段为35m两种。将它用于热成像系统中，既完成探测辐射信号的功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，有利于探测器的密集封装和整机体积的缩小。共一百页p和n 的漂移过程一、 光电导型红外探测器 SPRITE探测器原理(yunl)工作原理及结构扫出效应当红外光照射到两端加有固定电压的N型半导体上，光生载流子将经历产生、复合、扩散和漂移的过程，其浓度变化形式可写成公式，其中D和为双极扩散系数和双极迁移

31、率。漂移是由于电场E作用下，且n与p不等造成的。若n=p，0,则无漂移运动；若np，则p,D=Dp，即p以p的速度运动。为保持电中性， n和p沿同一方向运动，因为有非平衡载流子存在，电中性难以满足，则n和p不重合产生附加电场。它同E反向，使之消弱。在被消弱的电场区，多子（电子）的漂移速度降低，而该区两端电子速度不变，导致左端电子浓度降低，右端增加，相当n于向右漂移。总体(zngt)呈现出，当p前进时， n也跟着前进，用这种方法就可以实现p分布的自动扫描，这种效应称为“扫出效应”。SPRITE(Signal Processing in The Elements)()探测器属于光电导效应型探测器，

32、但由于这种探测器利用了红外图像扫描速度与光生载流子双极运动速度相等的原理，实现了在器件内部进行信号探测、时间延迟和积分的三种功能，大大简化了焦平面外的电子线路，从而使探测器尺寸、重量、成本显著下降，并提高了工作可靠性，依据其原理，也称之为“扫积型探测器”。是80年代英国人为高性能实时热成像系统研制出的新型红外探测器。共一百页由于扫出效应的存在,当光照射样品时,光信号会自动转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。实现SPRITE探测器信号积累和延迟的必要条件红外图像扫描速度等于非平衡载流子的双极运动漂移速度。双极运动漂移速度与材料的少数载流子迁移率和外置偏压大小有关，如果偏压足够大，非平衡

33、少子将全部或大部分扫出，若电场(din chng)场强过小，非平衡少子漂移长度小于器件长度，则光生少子将在体内复合设一稳定的红外辐射入射到SPRITE探测器的x0处，若忽略陷阱效应及表面复合，并在强电场作用下忽略非平衡载流子的扩散，则沿探测器长度方向x处的光生载流子的稳态方程可写成：式中L为空穴的牵引长度。L若大于样品长度，则在时间内p将移出体外，反之，将只有部分p能移出体外，在SPRITE探测器中，LL为全部扫出条件，可推知此时SPRITE探测器两端所加电压为V0，为临界扫出电压。SPRITE探测器工作原理示意图共一百页二、光电导型红外探测器 SPRITE探测器原理(yunl)与结构典型(d

34、inxng)的SPRITE探测器的结构八条N型HgCdTe样条构成，每条尺寸（70062.5)m2，厚度10m,样条间距12.5m。读出区长度50m，宽度35m。每条大约等效于1012个分立单元探测器。当扫描点进入读出区时，p将调制读出区电压从而有信号输出。SPRITE探测器的实际结构共一百页设探测器截面为ww，读出长度ll。外加电场为E。在足够强的外电场作用下，光生载流子的稳态方程不受非平衡载流子的扩散影响。求解微分方程得到光点照射像元上，信号所产生的非平衡载流子浓度随着扫描位置的变化关系。当扫描像元到达读出区时，即x=L，有公式，其中t为光生载流子在器件中的渡越时间。进而求得光生载流子的光

35、电流强度，和开路电压。响应度按定义可写成：当反射(fnsh)损失很小，且d1时，可简化写成：设N型光电导体，其掺杂浓度远大于背景辐射产生的载流子浓度，非平衡载流子寿命远大于双极漂移时间，双极漂移速度(sd)等于光点扫描速度(sd)，有稳定的红外辐射照射到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。共一百页三、 光电导型红外探测器 SPRITE探测器的响应(xingyng)度分析响应度表达式，可探讨提高响应度的途径：增大E会增大焦耳热，从而增大热噪声电流，故增大E应该(ynggi)适当。增大载流子寿命，可以提高响应度，故可通过探测器表面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低。可采用制冷技术，降低读出区

36、的热激发载流子浓度，提高响应度，减小表面反射损失，也是重要途径。共一百页四. 光电导型红外探测器 SPRITE探测(tnc)器的探测(tnc)率D*D*Blip为面积为w*w单元的光电导探测器受背景限制的探测率。S为单位时间通过读出区的像素数，像素大小为w*w，称为像素速率，也可写成F为积累因子。当F1时，即积累的原因，可以预期SPRITE探测器的探测率要比相应分立列阵背景限探测率大，性能好；因为积累时间大于快速(kui s)串扫系统中单元器件的驻留时间，故可以观察到更大的输出信号；因为信号与积累时间成正比，而噪声与积累时间的平方根成正比，故信噪比与积累时间的平方根成正比，故增大积累时间，有利

37、于提高S/N。D*与读出长度无关，但过高的扫描速度会使响应度下降，故可以减小读出去宽度，增大l/w的比值，来减小非平衡载流子通过读出区的渡越时间。在SPRITE探测器中，S/N与积累时间成线性关系。共一百页五. 光电导型红外探测器 SPRITE探测器的分辨力影响SPRITE探测器分辨能力的三个主要因素：非平衡载流子的扩散图像扫描速度与光生载流子漂移速度的失配读出区长度。此外，读出区结构和背景辐射也会产生一定的影响。为减小扩散的影响，常用的两种技术：迴形结构器件，选择偏压(pin y)场，使在像扫描方向载流子的平均速度等于像扫描速度。因此在该方向载流子的有效扩散长度减小一个因子W/Y。W为器件总

38、宽度，Y为器件实际宽度。Anomorphic Optic：使像在扫描方向增加放大，探测长度和扫描速度也相同比例增加，而载流子扩散长度仍然不变。迴形扫积型探测器共一百页六、 光电导型红外探测器光电导探测器材料(cilio)光电导红外探测器对材料的要求：应满足波长响应的要求热激发产生(chnshng)的G-R噪声应远小于背景辐射光子噪声，即暗电流应小于背景电流热噪声电流应远小于背景辐射光子噪声电流高的线性吸收系数和量子效率常用的光电导红外探测器：Hg1-xCdxTe （MCT）814m,77KInSb 35m,77KPbS,PbSe 13.5m,室温非本征激发光电导材料，如掺杂Si，可在三个大气窗

39、口都有响应探测器，因工艺简单通用，易于制造大面积阵列，往往也要在77K下工作。几种探测器的探测率与波长的关系共一百页七、光电导红外探测器的工作模式：探测器与负载电阻串联，并连接直流偏压。低于低阻探测器，常取固定电流电路(dinl)，这时串联电阻比元件电阻大得多，探测器上的电压变化作为检测信号输出。对于高阻探测器，采用固定电压电路更好，以电路中电流的变化为输出信号。光电导探测器工作电路示意图共一百页7.7. 红外焦平面(pngmin)阵列探测器单片式红外焦平面(pngmin)阵列混成式红外焦平面阵列Z平面红外焦平面由红外探测器和具有扫描功能的信号读出器组合而成的红外焦平面阵列，是凝视型红外热成像

40、系统的核心。红外焦平面阵列包括光敏元件和信号处理两个部分，可采用不同的光子探测器、信号电荷读出器及多路传输。IR-CCD基本结构共一百页共一百页一. 红外焦平面(pngmin)阵列探测器单片式单片式又称整体式，可分为两种情况(qngkung)CCD本身就对红外敏感，故探测、转移功能于一体。红外探测器与CCD作在同一基底上，基底通常为Si，而探测器部分常用非本征材料，基本结构为金属绝缘物半导体。典型情况分：本征窄带半导体IR-CCD非本征半导体IR-CCD肖特基势垒IRCCD共一百页肖特基势垒光电探测器工作(gngzu)原理工作原理：金属淀积在半导体表面而形成的具有单向导电，整流作用的金属半导体

41、接触肖特基势垒隧道效应：随着掺杂浓度提高，空间电荷区变窄，肖特基势垒变薄，出现穿透几率迅速升高(shn o)，穿透形成的电流为隧道电流，该隧道电流会超过热电子发射产生的电流。半导体中的费米能级高于金属中的费米能级，两者接触后，为使费米能级达到平衡，在接触面电子流向金属，电子电荷分布在金属层10-10m以内，半导体的表面层形成空间电荷区厚几个m。结果，半导体附近能带弯曲，形成势垒，势垒阻挡金属与半导体内的电子交换，形成高阻层。正偏时，肖特基势垒不变，金属流向半导体的电子数不变，形成大正向电流。反偏时，流过势垒的电子流主要为金属向半导体方向，故电流很小，所以肖特基势垒只能单向导电。肖特基势垒光二极

42、管结构共一百页流经肖特基势垒的电子流密度主要经过四个过程(guchng)半导体电子越过势垒进入金属热发射；电子由量子力学隧道穿过势垒；隧道电流；空间电荷区电子与空穴的复合；金属向半导体的少数载流子（空穴）注入。对于理想的肖特基势垒二极管，通常以1过程为主，并可忽略少数载流子的注入影响。正偏压下肖特基势垒的载流子输运过程共一百页工作原理：辐射透过硅照在硅化物上产生热空穴，这些空穴能越过势垒进入到硅基底，从而在硅化物一边的电极上积累负电荷，形成信号，由于(yuy)铝层的反射作用，硅化物对辐射的吸收增强，可使灵敏度提高一个数量级。改进的肖特基势垒IR-CCD 肖特基势垒工作原理共一百页肖特基势垒光电

43、探测器工作(gngzu)模式EgheB,V Eg,V Eg,VVB高反偏压，雪崩光二极管工作模式。肖特基势垒光二极管的几种工作方式应用特点：可直接用Si集成电路工艺，制成FPA。基于热电子发射的原理，其均匀性比一般的红外探测器（由于其载流子寿命、扩散长度，合金组分不均匀）FPA强100倍。典型材料：PtSi阵列，工作波段35 m共一百页二. 红外焦平面阵列(zhn li)探测器混成式根本特点：把探测器和CCD移位寄存器分开，CCD仍用普通硅制成，工艺相对成熟，而对几个重要的红外波段，都已经发展了性能优良的本征红外探测器。因此，将两者耦合起来组成混合焦平面技术，能获得高量子(lingz)效率高性

44、能的红外FPA。前照结构：探测器在前面受到照射，电信号就在这同一面上被抽出。填充因子受到一定影响。背照结构：要求镶嵌探测器有薄的光敏层，在光敏层上吸收辐射，产生的光生载流子从背面扩散到前面，被P-N结检测到信号。填充因子高，目前FPA大多基于这种结构。混合互连方式混合红外焦平面(a)前照射结构 (b)背照射结构共一百页三. 红外焦平面阵列(zhn li)探测器Z平面技术根本特点：不同于单片式与混成式的二维FPA方式，所谓Z平面：是一块立体的FPA，这是将信号读出及处理功能的芯片（包括低噪声前放、滤波器和多路传输等）采用叠层的方式组装起来，形成(xngchng)信号处理模块，再把模块与探测器和输

45、入输出线等连接在一起。该技术可用于光导型、光伏型等各种探测器信号的读出处理。Z平面焦平面阵列原理示意图共一百页7.3 非制冷(zhlng)焦平面阵列探测器 非制冷焦平面热成像技术的特点特 点由于没有制冷系统，故具有低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等优点，是当前热成像技术发展和应用的热点之一。非制冷焦平面探测器的类型热电型非制冷焦平面阵列钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3, BST)：美国德克萨斯仪器公司(TI)，80年代末至90年代初钛酸锆铅(PbxZi1-xTiO3, PZT)和钛酸钪铅(PST)：英国GEC-马可尼材料技术公司(GMMT)，90年代初微测辐射热计(Micro-Bolo

46、meter)非制冷焦平面阵列美国Honeywell公司电阻型VOx非制冷焦平面探测器(90年代初)法国Sofradir公司研制并批量生产多晶硅型非制冷焦平面；澳大利亚国防科技署采用(ciyng)非晶、微晶和多晶等研制成功单片式非致冷焦平面；日本防卫厅技术研究和开发研究所温差电堆热像传感器。非致冷焦平面技术的应用共一百页 热释电型非制冷焦平面阵列BST器件采用1英寸40脚DIP封装, 328245像元，像元尺寸48.5 48.5m2，包括(boku)探测器恒温热电致冷器、温度传感器及机械斩波器。现已研制出640480元阵列，像元尺寸2030m的焦平面阵列。系统重量约1.36kg, NETD0.1

47、K, 视频信号, 可探测700m远的人，性能虽只是致冷型热像仪的1/3左右，但价格只有1/10。TI公司建立非致冷传感器生产线, 96年100套/月，97年提高到1000套/月，上世纪末提高到5000套/月。美国Loral红外成像系统公司研制热释电焦平面阵列192128，像元尺寸为35 35m2，典型的NETD0.1K (f/1)。共一百页热释电型非制冷焦平面阵列PZT非制冷焦平面90年已制成直径为10m ，间距为100m (现间距为40m)的100 100像元探测器阵列，用于为国防研究局(DRA)/英国宇航公司的新一代轻型反装甲武器NLAW4的轻型夜间瞄准具、Pyro 2500 Gecsen

48、try 手持热像仪和美国Cairn公司消防头盔热像仪；93年GMMT收到英国国防部STAIRS计划A类装置的武器瞄准具演示器合同(h tong)，STAIRS A推荐新一族热瞄具最终来取代英国TICM设备系列；94年DRA和GMMT研制出256128像元,节距为56m 的探测器阵列(钛酸钪铅PST)，并在96年得到384288像元，节距为40m 的探测器阵列，典型的NETD为0.1K，并可望达到0.05K。共一百页Honeywell公司开发的微测辐射热计 微测辐射热计：以VOx，多晶硅或非晶硅等薄膜为热敏材料，采用微机械加工技术(MEMS)把探测器做成微桥结构，探测器在ICCMOS读出电路衬底

49、上做成悬空的微桥，使之形成良好的热隔离探测器吸收红外辐射，产生温升，热敏材料的电阻率发生变化，在外接电路的作用下输出响应(xingyng)信号。与热释电FPA相比：采用硅集成技术，成本低，有好的线性响应和高动态范围，像元间绝缘性好，串音少，图像清晰度高低1/f噪声，高帧速，和潜在的高灵敏度（理论上可达0.01K)。但偏置电路功耗大，噪声带宽宽。共一百页微测辐射热计阵列Honeywell公司VOx非制冷焦平面采用5050 m2像元, 像元数320240 (336240), 电阻温度系数TCR典型(dinxng)范围为1.52.5%，NETD= 0.040.06K，功耗约40mW。专利转让给Amb

50、er工程公司、波音北美公司、休斯圣巴巴拉研究中心SBRC、联合技术系统公司及洛克希德马丁公司。1996年Amber公司推出非致冷测辐射热计热像仪,工作波段814m，NETD=0.1K(f/1)，重量1.9kg，体积9.510.7 25.4 cm3，视频输出(30帧/秒)，可与256256像元的InSb焦平面热像仪图像质量相媲美。1997年SBRC研制的非致冷测辐射热计焦平面热像仪；北美波音公司已成为氧化钒微测辐射热计焦平面阵列的批发供应商，其阵列产品的型号为U3000，60Hz帧频提供(tgng)单通道的信号输出。Honeywell公司开发的微测辐射热计共一百页微测辐射热计阵列法国Sofrad

51、ir公司批量生产多晶硅型非制冷焦平面探测器是目前(mqin)可能进入中国市场的非制冷焦平面技术。其他非制冷焦平面探测器日本(r bn)防卫厅和日本(r bn)电气公司用N型和P型多晶硅作热电材料制作出了128128像元的热电堆焦平面阵列 热电堆红外焦平面阵列的像元结构 共一百页非制冷焦平面(pngmin)热成像技术的应用美国陆军的便携式发射后不管的“标枪”反坦克武器；美国陆军总结沙漠风暴经验后，提出布雷德利战车(BFV)配备184套驾驶员视觉增强器DVE的改造计划，DVE还将用于HEMTT、PLS、FMTV等陆军后勤车辆上;美国陆军已研制成功类似AN/PVS5的头盔夜视仪，重量约1.3kg，其

52、中传感器重量只有0.68kg; 美军夜视和电子传感器已订购30具改进型样机；联合技术系统公司将非致冷红外技术应用于军事项目，如精确制导弹药和子母弹系统、微辐射热计与雷达传感器组成的具有探测、捕获和跟踪功能的先进双模寻的器、远距离警戒系统及目标单独作战武器计划的武器瞄准系统，认为对于向21世纪步兵提供先进能力具有积极作用；共一百页 非制冷焦平面热成像技术的应用荷兰皇家陆军与Signaal USFA公司和Delft传感器公司签订合同，研制轻型红外观察夜视(LION)非致冷热瞄具，96年中完成(wn chng)样机，97年交付300套产品。LION采用GMMT的256128元的PST探测器阵列，工作

53、波段813m，配105视场的3光学系统，重量2kg，体积102024cm3，功耗7W，启动时间5000h，2m以外就听不到噪声。在良好能见度下，对标准坦克的探测、识别和认清的距离分别为2240m/790m/ 400m，而在能见度较差时分别为1630m/705m/375m；TI公司“夜瞄具”200系列摄像机是目前标价最低的非致冷热像仪，本土价约8100美元，主要为警用和汽车夜间驾驶仪；洛克希德马丁红外成像系统公司LTC500摄像机用于医学研究和医疗诊断；IR Solutions公司的IR Snapshot摄像机用于检测和预防维修，可提供假彩色图像显示，NETD约0.2K。共一百页非制冷焦平面热成

54、像技术的应用美国ElectroPhysics公司95年研制了民用非制冷焦平面热像仪PV320, 采用BST320240阵列，光谱响应214m，像元尺寸48.5 48.5m2, MRTD300TVL，体积1411.4 11.4cm3，重量2.27kg, 工作温度-40C 54 C，存贮温度-40C 80 C，输出视频信号RS-170 (60Hz B&W) 。外形设计类似摄像头，价格较低，适合于二次研究和开发。价格US$2万元。EP公司与Lifesight Fire Research公司开发了消防热像仪Lifesight Plus, 体积26.71415.2cm3, 重量2.7kg, 功耗(n h

55、o)9W, 视场角50, 焦距18mm, 全防水, 带有300m图像发射功能, 可供前线指挥员了解现场情况。97年美国缅因州南波特兰市消防局对正在使用的消防热像仪Iris, ISI, Argus和Lifesight Plus进行了客观的性能测评，Lifesight Plus最佳，将成为该消防局今后的主选型号之一,价格-0.2高温区病变区域与正常相比温差 1.2常温区双锁骨上、头、下腰、后颈背部、手、双液下、肘窝、双髂腹股沟血管影像增粗、中断、团状（瘤）、扭曲（压迫）、卫星影像（恶性瘤）区形式片状、条状（强直性脊状炎）、带状、次热区、点状、不规则共一百页附录(fl)：红外成像的医学应用红外热图的诊断(zhndun)标准（20)诊 断表 现正常热图指人