光电子器件_第七章红外成像器件

第七章红外摄像器件©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20192长波红外6-15µm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.–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.©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20193热像技术可以拓展到很多领域…分析技术热像仪操作热传递应用检测计划和报告热辐射什么是热像技术?©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20194红外图例-3,3癈12,5癈0510暗色意味着更冷，亮色意味着更热.这幅热图高速我们什么信息?©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20195什么是热像技术?FLIR–ITC给出的定义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:Thereexiststandardizeddefinitionsinsomecountries,andISOisalsoworkingonit.©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20196热像图像热量温度分析什么是热像技术?©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20197热量是不同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!什么是热像技术?©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20198大气吸收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但是大气对于所有波段并不是透明的.©FLIRSystems2009.AllRightsReserved.Sunday,August04,20199大气窗口红外通过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/LWIRSunday,August04,2019107.1红外的基本知识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0.7537.5-1515-1000微米一、红外的发现和本质红外线的发现和本质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“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。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。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10μm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。三、红外探测技术的研究与发展红外探测的研究意义红外探测器及技术的发展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红外探测器的发展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红外技术的发展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u—2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、小型车辆和隐蔽目标，在20000m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。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。四、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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）量子阱探测器一、红外探测器分类热探测器光子探测器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。１、光子探测器(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1~3μm波段的PbS、响应于3~5μm波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型两种)。(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：gcEhchmin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。２、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。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。3.热探测器与光子探测器的性能比较(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1~3μm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λc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1~2个数量级，响应时间比光子探测器的长得多。五.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