第四章 红外成像器件.ppt

参考教材： 《光电成像原理》  作?? ?者?? 编著:邹异松 刘玉凤 白廷柱 出 版 社??北京理工大学出版社 书?? ?号?? 81045-231-2 第四章 红外成像器件 红外探测器 对红外波段的入射电磁辐射产生电输出的探测器件。（单元器件，成像器件） 类型： 光子探测器 （光电效应） 热（辐射）探测器 （热电效应） 光子探测器与热探测器的比较 光子探测器 光电导效应：由光照引起半导体电导率增 加的现象（体效应）。 光生伏特效应：光照零偏PN结产生开路电 压的效应。（结效应） 光电发射效应：在光照下，物体向表面以 外空间发射电子的现象。 热探测器 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不能直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，进而使探测元件的电学性质或其他物理性质发生改变。 特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般较慢 1 温差电效应 将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，这种电流称为温差电流，产生这种电流的电动势称为温差电动势。 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。 应用：温差发电器，热电偶，热电堆光传感器 2.热释电效应 概念：晶体在没有外加电场和应力的情况下，具有自发的或永久的电极化强度，且这种电极化强度（面电荷密度）随晶体本身温度的变化而变化。 特点：工作波段为8－14um，且是一种交流式瞬时响应器件 应用：热成像技术，红外遥感技术，快速激光脉冲监测等 热电系数： 其中， 表示应力与电场保持不变 热释电器件完成热电转换的条件 面电荷密度常被内部或外来的自由电荷所中和，因此不能维持较长时间，其时间常数为： 只要在该时间内使热释电晶体的温度发生变化，晶体的自发电极化强度将随温度的变化而变化，从而相应的束缚电荷也随之变化。 铁电体：具有热释电效应的晶体（硫酸三甘肽TGS，钽酸锂LiTaO3-LT，铌酸锶钡SBN） 居里温度：使电极化强度降低到零时的温度。 单畴化：通过外电场的瞬间作用使铁电体产生较强自发极化强度的过程。 单畴化的热释电晶体，在垂直极化方向的表面上将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷，且： 其中： ：面电荷密度； S ，d：晶体的表面积和厚度 热释电晶体的表面束缚面电荷密度等于它的自发电极化强度。 红外变像管 红外摄像管——热释电摄像管 热释电摄像管 工作原理： 基于热释电效应，物体的红外辐射经光学系统成像在用热释电材料薄片制作的靶面上，靶面吸收红外辐射，温度升高释放出电荷。即： 物体表面红外辐射分布 靶面的辐照度 靶面的温度分布 靶面的热释电荷分布 扫描视频信号 热像图。 特点：工作波段长；不用制冷；结构简单可靠；价格低廉；静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制；对于运动物体成像毋须调制，适合于动态物体红外成像，应用广泛。 两大特殊问题： 热释电靶是利用热释电效应来工作的，而热释电效应仅对随时间变化的热辐射有响应，所以，热释电靶工作时需要交变的入射辐射，即要对入射辐射进行调制。 由于热释电靶是近乎完美的绝缘体，容易积累电荷而使电子束不能连续工作，为此要设法消除靶面上的负电荷积累。 热释电靶电荷图像的形成与读出 1.图像入射方式 平移式，摄全景式，斩光式 2.热释电靶的单畴化 3.靶面电荷图像的形成 4热释电靶电荷图像的读出 热释电靶面的信号电荷是由扫描电子束的负电荷着靶后才形成视频信号的，所以，靶面的信号电荷必须是正电荷。 基底电荷：为防止热释电摄像管中靶面上产生的负电荷沉积，所提供给靶面的正电荷。 热释电靶可以将所接收的热辐射图像转换为靶面的电位图像，即完成了摄像的写入过程。 特点：电子束扫描面上产生的电荷可正可负。 问题：扫描电子束中只有带负电荷的电子，对靶面上的负电荷图像不能进行中和，无法读出电荷图像。 解决方法： 1.电荷图像形成前，使靶面稳定在高电位上，在积累电荷时不至于形成负的靶