光电成像技术chapter10-红外热成像器件成像物理.pptVIP

光电成像与信息工程研究所 曹峰梅 Tel.804 Email. liuba@bit.edu.cn Email: liuba@bit.edu.cn Tel804 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 10.1 红外探测器的分类 按波长分： 近红外: 0.76~3μm 中红外：3~6μm 远红外：8~15μm 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： 单元探测器 多元探测器 凝视列阵探测器 10.1 红外探测器的分类 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 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。 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。 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。 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 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： －－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) 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： 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;