《红外系统》课件第3章-红外探测器

3.1红外探测器的分类3.2红外探测器的性能参数3.3噪声源3.4红外探测器制冷器3.5典型的红外探测器3.1红外探测器的分类3.1.1热探测器探测器材料吸收红外辐射后产生温升,然后伴随着发生某些物理性质的变化,测量这些物理性质的变化,就可以测量出它吸收的能量或功率,这类探测器就是热探测器。根据热致物理性质变化的不同,热探测器可进一步分为测辐射热电偶和热电堆、测辐射热计、热释电探测器、气动探测器以及双材料探测器等。3.1.2光子探测器光子探测器吸收光子后,探测器材料的电子状态会发生改变,从而引起光电效应。光电效应可以再分成内光电效应和外光电效应两类。在内光电效应中,光子所激发的载流子仍保留在样品内部;外光电效应也称为光电子发射效应,是入射光子引起光吸收物质表面发射电子的效应。通过测量光电效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光电效应制成的探测器称为光子探测器。3.1.3辐射场探测器利用红外辐射场与物质相互作用时所呈现的某些特性,进行红外辐射探测的探测器称为辐射场探测器。由于辐射场探测器常有一个天线,因此也称为天线耦合探测器。在天线耦合探测器中,入射辐射直接与天线作用,从而在天线内产生高频谐振电流,该电流与传感元件进行耦合,并根据传感元件的作用机理完成辐射探测。3.1.4热探测器与光子探测器的比较热探测器利用的是热效应,热效应的主要特点有:热吸收与入射辐射的波长分布无关;热敏单元的温度变化较慢;通常情况下,室温环境下即可观测到热敏单元的温度变化。光子探测器利用的是光子效应,光子效应的主要特点是:入射光子能量要大于一定值时才能产生光电效应;光电效应是半导体中电子直接吸收光子而产生的效应;通常情况下,必须将光敏单元冷却到较低温度才能观测到光电效应。由于热探测器和光子探测器的工作机理不同,因此这两类探测器有很大的差别,一般地讲,主要体现在以下三个方面。(1)热探测器对各种波长的红外辐射均有响应,是无选择性的探测器;光子探测器只对小于或等于特定波长的入射红外辐射才有响应,是有选择性的探测器。(2)热探测器的灵敏度较低,响应速度较慢;而光子探测器的灵敏度比热探测器高1~2个数量级,响应速度比热探测器的快得多。(3)热探测器一般在室温下工作,不需要制冷设备;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。3.2红外探测器的性能参数3.2.1主要工作条件红外探测器的性能参数与探测器的具体工作条件有关,因此,在给出探测器的性能参数时,必须注明探测器的工作条件。主要的探测器工作条件有以下几个方面。1.辐射源的光谱分布2.工作温度3.光敏面积和形状4.探测器的偏置条件5.电路的频率范围6.特殊工作条件3.2.2主要性能参数探测器的性能指标可分为实际性能指标与参考性能指标两种。实际性能指标是指对每个实际探测器直接测量出来的指标。参考性能指标则是对某类探测器折合到标准条件时的指标值。1.响应度R响应度R是探测器的输出信号S与探测器的输入量X的商,即换句话说,探测器的输出S正比于输入X,即式中,比例常数R即为响应度。2.噪声等效功率NEP由于探测器存在噪声,因此不能无限制地测量很小的辐射信号,当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器噪声所淹没时,探测器就无法肯定是否有辐射投射在探测器上,即探测器探测辐射的能力有一个下限,通常,我们用噪声等效功率来表征探测器的这个特征。当辐射在探测器上产生的信号电压US恰好等于探测器自身的噪声电压un(即信号噪声比为1)时,所需投射到探测器上的辐射功率为P,这个辐射功率称为噪声等效功率,以NEP表示,即3.比探测率D*用NEP基本上能描述探测器的性能。但是,一方面由于它是以探测器能探测到的最小功率来表示的,NEP越小表示探测器的性能越好,这与人们的习惯不一致;另一方面,在辐射能量的较大范围内,红外探测器的响应度并不与辐照能量成线性关系,从较弱辐照下测得的响应度不能外推出较强辐照下应产生的信噪比。为了克服上述两方面存在的问题,引入另一个性能参数———探测率,它被定义为NEP的倒数,以D表示,即探测率D的单位为W-1,它表示辐照在探测器上的单位辐射功率所获得的信噪比。这样,探测率D越大,表示探测器的探测能力越强,所以在对探测器性能进行相互比较时,用探测率D比用NEP更合适些。4.响应时间探测器的响应时间(也称时间常数)表征探测器对交变辐射响应的快慢。由于红外探测器有惰性,对红外辐射的响应不是瞬时的,而是存在一定的滞后。探测器对辐射的响应速度有快有慢,以时间常数τ来区分。为了说明响应的快慢,假定在t=0时刻以恒定的辐射强度照射探测器,探测器的输出信号从零开始逐渐上升,经过一定时间后达到一稳定值。若达到稳定值后停止辐照,探测器的输出信号不是立即降到零,而是逐渐下降到零,如图34所示。这个上升或下降的快慢反映了探测器对辐射响应的速度。5.频率响应探测器的响应度随调制频率变化的关系称为频率响应。当一定振幅的正弦调制辐射照射到探测器上时,如果调制频率很低,则输出的信号与频率无关,当调制频率升高时,由于在光子探测器中存在载流子的复合时间或寿命,在热探测器中存在着热惰性或电时间常数,响应跟不上调制频率的迅速变化,从而导致高频响应下降。对于大多数探测器来说,响应率R随频率f的变化(如图35所示)如同一个低通滤波器,可表示为3.2.3多元及焦平面探测器的品质参数为了达到特定的红外探测和成像目的,人们研制出了不同形式的多元探测器,其中使用较多的是线列型和阵列型。利用微电子工艺和集成电路技术制作的大规模线列型和阵列型红外探测器,既可完成光电转化功能,又能实现信号处理功能。由于这种红外探测器主要放置在光学系统的焦平面上,所以常称为红外焦平面阵列(IRFPA)。多元及焦平面阵列探测器实质上是由多个单元探测器组成的,对其像元(对应每一个单元)品质因素的表征可借用单元探测器的性能参数及定义。另外,多元探测器,特别是焦平面探测器的像元数众多,各像元的信号又不能直接读出,因而对探测器品质因素的表征又与单元探测器并不完全相同。为了更好地表征多元和焦平面红外探测器的品质因素,需要增加一些性能参数。1.有效像元率2.平均响应度3.响应度的不均匀性4.平均噪声电压5.平均比探测率6.噪声等效温差7.占空比8.串音3.3噪声源3.3.1探测器中的噪声实际探测器的最高性能水平往往与其具体的噪声机理有关,这是因为,一个实际探测器的性能既取决于它对外来辐射的响应,又取决于它的固有噪声。探测器固有噪声的定量描述是比较复杂的,只有当探测器的制作工艺十分完备时,它才可以由某些确定的噪声机理来评估。1.热噪声不论是金属、半导体或其他材料组成的电阻,由于材料内部的热运动,都会导致电阻内载流子运动的起伏,由此产生的噪声称为热噪声。2.电流噪声或1/f噪声许多半导体探测器工作时是需要加偏压的,因而有一定的偏流流过。流过探测器的电流不是纯粹的直流,而是在直流上叠加一些微小的电流起伏。这些微小的起伏电流随时都在变化,这就形成了噪声。许多光导探测器的性能受这种电流噪声的限制。产生这种噪声的机理尚不清楚,其来源有多种。实验证明,在碳质电阻器的晶粒间接触会引起电流噪声;电流噪声与宽禁带晶体的非欧姆接触有关;具有整流接触的硫化镉晶体的主要噪声已被证明是电流噪声;而具有欧姆接触的硫化镉晶体的电流噪声又不是主要的。某些单晶半导体(如锗),即使是欧姆接触,也存在电流噪声。尽管在不同情况下电流噪声的起因仍有不同的解释,但都有相近的规律,即电流噪声的均方噪声电流近似与频率倒数成比例,所以通常把电流噪声称为1/f噪声。3.产生复合噪声半导体中载流子的产生、复合过程的无规则起伏,会引起载流子浓度的瞬时起伏,从而产生噪声,这种噪声称为产生复合噪声。产生复合噪声是半导体中载流子浓度统计起伏的结果。这种噪声的特点是,低频时,为常数;当频率高于一个同载流子寿命的倒数有关的特征频率时,迅速下降;在中间频率范围内,它是半导体中的主要噪声。晶格振动和入射光子的随机性可引起载流子产生及复合的无规则性,所以在光子探测器中,这种噪声与光子噪声有密切关系。在所有半导体光子探测器中,一般都会出现这种噪声,尤其是对许多光电导探测器来说,产生复合噪声往往是给出其极限工作性能的限制噪声。4.散粒噪声由于电流是由带电荷微粒组成的,因此电微粒的涨落会引起电流的起伏,由此产生的噪声称为散粒噪声,这种噪声往往是构成光电发射器件、光伏器件及薄膜光电导器件的限制性噪声。5.温度噪声温度噪声是红外热探测器中的主要噪声之一,它是由于探测器温度的无规则起伏或热量从探测器向周围传递起伏所引起的噪声。3.3.2背景的辐射噪声探测器总是工作在一定的环境中,所以探测器在接收目标辐射的同时也接收到目标以外的背景发出的辐射。背景发出的辐射(光子)有涨落,即使探测器本身无噪声,也会在探测器的输出中产生噪声,我们称由背景辐射光子数的涨落而引起的探测器噪声为辐射噪声,又称背景噪声或光子噪声。3.3.3放大器噪声探测器的作用是把目标的红外辐射转变成电信号。这个信号一般很小,为了处理方便,往往要进行放大,因而放大器中的噪声对整个红外系统的性能是有影响的。所以,为了充分发挥探测器的探测能力,就必须要求前置放大器的噪声电平低于探测器的噪声电平。红外探测器配用的前置放大器的电路较多,概括来说,它们应具有噪声低、工作稳定可靠、能充分反映探测器性能的特点。3.4红外探测器制冷器3.4.1微型制冷器的性能许多红外探测器工作时需要一定温度和冷量的制冷,才能呈现出较高的性能。例如,硫化铅和硒化铅探测器可在室温下工作,但在195K(-78℃)温度下有更好的响应度。而锑化铟和碲镉汞探测器的禁带宽度很小,需要77K(-196℃)的低温才可较好地工作。因此,在选择探测器时,必须相应地选择适合的微型制冷器。红外探测器对微型制冷器的要求有温度、启动时间、蓄冷时间、气动噪声、体积和质量、工作时间等。3.4.2典型微型制冷器1.低温杜瓦瓶杜瓦瓶是一种储藏液态气体或固体制冷剂的玻璃或金属容器。在有低温制冷剂供应的场合,可采用直接向杜瓦瓶中灌注制冷剂来实现探测器制冷的目的。采用杜瓦瓶实现低温制冷的优点是:简单有效,制冷迅速,无噪音;缺点是:有些笨重,且每隔几个小时就要重新灌充制冷剂,应用大多限于实验室内。另外,真空杜瓦瓶的真空寿命是有限的,玻璃杜瓦瓶大约为3~5年,金属杜瓦瓶大约为1~2年,使用时应予注意。2.焦耳汤姆逊制冷器焦耳汤姆逊制冷器是利用高压气体的节流来获得制冷的,所以又称其为节流式制冷器。所谓节流,就是气体不作外功,从高压降到低压的过程。焦耳汤姆逊效应是在绝热及不作外功的情况下,气体连续节流所产生的温度变化。这一变化是由于气体膨胀时克服分子间引力消耗了一定的内能,另外容积能也有变化,然而,只有当高压气体节流前的温度低于其转换温度时,内能和容积能变化的综合结果是使气体节流后降温。氮、氧和氩等气体的转换温度比室温高,所以这些气体在常温下节流就可获得制冷。3.斯特林制冷器斯特林制冷器是由电力驱动的一种机械式制冷机,它采用逆向斯特林循环工作而制冷,由两个等温过程和两个等容过程组成。一般地讲,斯特林制冷机由压缩单元和膨胀单元两个主要部分组成,在压缩单元中,由于活塞在气缸中作往复运动,产生的压力波传播到膨胀单元中,推动冷指(芯柱)中的排出器作往返运动,并在回热器中完成热力循环,实现热量由低温端到室温端的泵送。4.热电制冷器热电制冷器亦称半导体制冷器或温差电制冷器,它的机理是利用半导体材料的帕尔贴效应,亦即当电流按一定方向流经串联的N型和P型半导体材料电偶时,在两半导体材料的连接处会产生降温现象,降温的程度取决于所用的材料。目前既能使用又能投产的最好材料是铋碲合金(Bi2Te3),纯Bi2Te3掺杂各种杂质而形成N型或P型材料。5.辐射制冷器辐射制冷是利用宇宙空间自然的高真空、深低温和黑热沉的有利条件,将热量通过辐射的方式传递到宇宙空间而进行降温的。它是一种被动式制冷技术,其装置具有以下特点:寿命长,可适应空间飞行任务的时间要求;无功耗,省去飞行器的有限能源供给;无运动部件,具有较高的可靠性和稳定性;无机械振动,无电磁干扰,对红外探测器的工作性能没有影响。3.5典型的红外探测器3.5.1热探测器1.测辐射热电堆最常见的测辐射热电堆红外探测器主要有两种类型,一种是薄膜型热电堆探测器,另一种是微机械热电堆探测器。2.测辐射热计测辐射热计(Bolometer)是一种应用广泛的热探测器,它使用了一种电阻随温度变化的热敏电阻作为热敏元,通过测量热敏电阻在辐射作用下的电阻变化,从而确定入射的辐射通量。必须说明的是,这种电阻变化类似于光电导器件的特性,但其基本机理是不一样的。对测辐射热计而言,辐射功率在热敏电阻内部产生热,进而改变其电阻,其间没有光电之间的转换。3.热释电探测器常用的热释电材料有硫酸三甘肽(TGS)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锶钡(SBN)、钛酸锶钡(BST)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。热释电探测器的结构坚固,且无需偏置,因而消除了1