《紅外系統(tǒng)》課件第3章-紅外探測(cè)器

3.1紅外探測(cè)器的分類3.2紅外探測(cè)器的性能參數(shù)3.3噪聲源3.4紅外探測(cè)器制冷器3.5典型的紅外探測(cè)器3.1紅外探測(cè)器的分類3.1.1熱探測(cè)器探測(cè)器材料吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫升,然后伴隨著發(fā)生某些物理性質(zhì)的變化,測(cè)量這些物理性質(zhì)的變化,就可以測(cè)量出它吸收的能量或功率,這類探測(cè)器就是熱探測(cè)器。根據(jù)熱致物理性質(zhì)變化的不同,熱探測(cè)器可進(jìn)一步分為測(cè)輻射熱電偶和熱電堆、測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電探測(cè)器、氣動(dòng)探測(cè)器以及雙材料探測(cè)器等。3.1.2光子探測(cè)器光子探測(cè)器吸收光子后,探測(cè)器材料的電子狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變,從而引起光電效應(yīng)。光電效應(yīng)可以再分成內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩類。在內(nèi)光電效應(yīng)中,光子所激發(fā)的載流子仍保留在樣品內(nèi)部;外光電效應(yīng)也稱為光電子發(fā)射效應(yīng),是入射光子引起光吸收物質(zhì)表面發(fā)射電子的效應(yīng)。通過(guò)測(cè)量光電效應(yīng)的大小可以測(cè)定被吸收的光子數(shù)。利用光電效應(yīng)制成的探測(cè)器稱為光子探測(cè)器。3.1.3輻射場(chǎng)探測(cè)器利用紅外輻射場(chǎng)與物質(zhì)相互作用時(shí)所呈現(xiàn)的某些特性,進(jìn)行紅外輻射探測(cè)的探測(cè)器稱為輻射場(chǎng)探測(cè)器。由于輻射場(chǎng)探測(cè)器常有一個(gè)天線,因此也稱為天線耦合探測(cè)器。在天線耦合探測(cè)器中,入射輻射直接與天線作用,從而在天線內(nèi)產(chǎn)生高頻諧振電流,該電流與傳感元件進(jìn)行耦合,并根據(jù)傳感元件的作用機(jī)理完成輻射探測(cè)。3.1.4熱探測(cè)器與光子探測(cè)器的比較熱探測(cè)器利用的是熱效應(yīng),熱效應(yīng)的主要特點(diǎn)有:熱吸收與入射輻射的波長(zhǎng)分布無(wú)關(guān);熱敏單元的溫度變化較慢;通常情況下,室溫環(huán)境下即可觀測(cè)到熱敏單元的溫度變化。光子探測(cè)器利用的是光子效應(yīng),光子效應(yīng)的主要特點(diǎn)是:入射光子能量要大于一定值時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng);光電效應(yīng)是半導(dǎo)體中電子直接吸收光子而產(chǎn)生的效應(yīng);通常情況下,必須將光敏單元冷卻到較低溫度才能觀測(cè)到光電效應(yīng)。由于熱探測(cè)器和光子探測(cè)器的工作機(jī)理不同,因此這兩類探測(cè)器有很大的差別,一般地講,主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。(1)熱探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的紅外輻射均有響應(yīng),是無(wú)選擇性的探測(cè)器;光子探測(cè)器只對(duì)小于或等于特定波長(zhǎng)的入射紅外輻射才有響應(yīng),是有選擇性的探測(cè)器。(2)熱探測(cè)器的靈敏度較低,響應(yīng)速度較慢;而光子探測(cè)器的靈敏度比熱探測(cè)器高1~2個(gè)數(shù)量級(jí),響應(yīng)速度比熱探測(cè)器的快得多。(3)熱探測(cè)器一般在室溫下工作,不需要制冷設(shè)備;多數(shù)光子探測(cè)器必須工作在低溫條件下才具有優(yōu)良的性能。3.2紅外探測(cè)器的性能參數(shù)3.2.1主要工作條件紅外探測(cè)器的性能參數(shù)與探測(cè)器的具體工作條件有關(guān),因此,在給出探測(cè)器的性能參數(shù)時(shí),必須注明探測(cè)器的工作條件。主要的探測(cè)器工作條件有以下幾個(gè)方面。1.輻射源的光譜分布2.工作溫度3.光敏面積和形狀4.探測(cè)器的偏置條件5.電路的頻率范圍6.特殊工作條件3.2.2主要性能參數(shù)探測(cè)器的性能指標(biāo)可分為實(shí)際性能指標(biāo)與參考性能指標(biāo)兩種。實(shí)際性能指標(biāo)是指對(duì)每個(gè)實(shí)際探測(cè)器直接測(cè)量出來(lái)的指標(biāo)。參考性能指標(biāo)則是對(duì)某類探測(cè)器折合到標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)的指標(biāo)值。1.響應(yīng)度R響應(yīng)度R是探測(cè)器的輸出信號(hào)S與探測(cè)器的輸入量X的商,即換句話說(shuō),探測(cè)器的輸出S正比于輸入X,即式中,比例常數(shù)R即為響應(yīng)度。2.噪聲等效功率NEP由于探測(cè)器存在噪聲,因此不能無(wú)限制地測(cè)量很小的輻射信號(hào),當(dāng)輻射小到它在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)完全被探測(cè)器噪聲所淹沒(méi)時(shí),探測(cè)器就無(wú)法肯定是否有輻射投射在探測(cè)器上,即探測(cè)器探測(cè)輻射的能力有一個(gè)下限,通常,我們用噪聲等效功率來(lái)表征探測(cè)器的這個(gè)特征。當(dāng)輻射在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)電壓US恰好等于探測(cè)器自身的噪聲電壓un(即信號(hào)噪聲比為1)時(shí),所需投射到探測(cè)器上的輻射功率為P,這個(gè)輻射功率稱為噪聲等效功率,以NEP表示,即3.比探測(cè)率D*用NEP基本上能描述探測(cè)器的性能。但是,一方面由于它是以探測(cè)器能探測(cè)到的最小功率來(lái)表示的,NEP越小表示探測(cè)器的性能越好,這與人們的習(xí)慣不一致;另一方面,在輻射能量的較大范圍內(nèi),紅外探測(cè)器的響應(yīng)度并不與輻照能量成線性關(guān)系,從較弱輻照下測(cè)得的響應(yīng)度不能外推出較強(qiáng)輻照下應(yīng)產(chǎn)生的信噪比。為了克服上述兩方面存在的問(wèn)題,引入另一個(gè)性能參數(shù)———探測(cè)率,它被定義為NEP的倒數(shù),以D表示,即探測(cè)率D的單位為W-1,它表示輻照在探測(cè)器上的單位輻射功率所獲得的信噪比。這樣,探測(cè)率D越大,表示探測(cè)器的探測(cè)能力越強(qiáng),所以在對(duì)探測(cè)器性能進(jìn)行相互比較時(shí),用探測(cè)率D比用NEP更合適些。4.響應(yīng)時(shí)間探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間(也稱時(shí)間常數(shù))表征探測(cè)器對(duì)交變輻射響應(yīng)的快慢。由于紅外探測(cè)器有惰性,對(duì)紅外輻射的響應(yīng)不是瞬時(shí)的,而是存在一定的滯后。探測(cè)器對(duì)輻射的響應(yīng)速度有快有慢,以時(shí)間常數(shù)τ來(lái)區(qū)分。為了說(shuō)明響應(yīng)的快慢,假定在t=0時(shí)刻以恒定的輻射強(qiáng)度照射探測(cè)器,探測(cè)器的輸出信號(hào)從零開始逐漸上升,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后達(dá)到一穩(wěn)定值。若達(dá)到穩(wěn)定值后停止輻照,探測(cè)器的輸出信號(hào)不是立即降到零,而是逐漸下降到零,如圖34所示。這個(gè)上升或下降的快慢反映了探測(cè)器對(duì)輻射響應(yīng)的速度。5.頻率響應(yīng)探測(cè)器的響應(yīng)度隨調(diào)制頻率變化的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)。當(dāng)一定振幅的正弦調(diào)制輻射照射到探測(cè)器上時(shí),如果調(diào)制頻率很低,則輸出的信號(hào)與頻率無(wú)關(guān),當(dāng)調(diào)制頻率升高時(shí),由于在光子探測(cè)器中存在載流子的復(fù)合時(shí)間或壽命,在熱探測(cè)器中存在著熱惰性或電時(shí)間常數(shù),響應(yīng)跟不上調(diào)制頻率的迅速變化,從而導(dǎo)致高頻響應(yīng)下降。對(duì)于大多數(shù)探測(cè)器來(lái)說(shuō),響應(yīng)率R隨頻率f的變化(如圖35所示)如同一個(gè)低通濾波器,可表示為3.2.3多元及焦平面探測(cè)器的品質(zhì)參數(shù)為了達(dá)到特定的紅外探測(cè)和成像目的,人們研制出了不同形式的多元探測(cè)器,其中使用較多的是線列型和陣列型。利用微電子工藝和集成電路技術(shù)制作的大規(guī)模線列型和陣列型紅外探測(cè)器,既可完成光電轉(zhuǎn)化功能,又能實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能。由于這種紅外探測(cè)器主要放置在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上,所以常稱為紅外焦平面陣列(IRFPA)。多元及焦平面陣列探測(cè)器實(shí)質(zhì)上是由多個(gè)單元探測(cè)器組成的,對(duì)其像元(對(duì)應(yīng)每一個(gè)單元)品質(zhì)因素的表征可借用單元探測(cè)器的性能參數(shù)及定義。另外,多元探測(cè)器,特別是焦平面探測(cè)器的像元數(shù)眾多,各像元的信號(hào)又不能直接讀出,因而對(duì)探測(cè)器品質(zhì)因素的表征又與單元探測(cè)器并不完全相同。為了更好地表征多元和焦平面紅外探測(cè)器的品質(zhì)因素,需要增加一些性能參數(shù)。1.有效像元率2.平均響應(yīng)度3.響應(yīng)度的不均勻性4.平均噪聲電壓5.平均比探測(cè)率6.噪聲等效溫差7.占空比8.串音3.3噪聲源3.3.1探測(cè)器中的噪聲實(shí)際探測(cè)器的最高性能水平往往與其具體的噪聲機(jī)理有關(guān),這是因?yàn)?一個(gè)實(shí)際探測(cè)器的性能既取決于它對(duì)外來(lái)輻射的響應(yīng),又取決于它的固有噪聲。探測(cè)器固有噪聲的定量描述是比較復(fù)雜的,只有當(dāng)探測(cè)器的制作工藝十分完備時(shí),它才可以由某些確定的噪聲機(jī)理來(lái)評(píng)估。1.熱噪聲不論是金屬、半導(dǎo)體或其他材料組成的電阻,由于材料內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng),都會(huì)導(dǎo)致電阻內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)的起伏,由此產(chǎn)生的噪聲稱為熱噪聲。2.電流噪聲或1/f噪聲許多半導(dǎo)體探測(cè)器工作時(shí)是需要加偏壓的,因而有一定的偏流流過(guò)。流過(guò)探測(cè)器的電流不是純粹的直流,而是在直流上疊加一些微小的電流起伏。這些微小的起伏電流隨時(shí)都在變化,這就形成了噪聲。許多光導(dǎo)探測(cè)器的性能受這種電流噪聲的限制。產(chǎn)生這種噪聲的機(jī)理尚不清楚,其來(lái)源有多種。實(shí)驗(yàn)證明,在碳質(zhì)電阻器的晶粒間接觸會(huì)引起電流噪聲;電流噪聲與寬禁帶晶體的非歐姆接觸有關(guān);具有整流接觸的硫化鎘晶體的主要噪聲已被證明是電流噪聲;而具有歐姆接觸的硫化鎘晶體的電流噪聲又不是主要的。某些單晶半導(dǎo)體(如鍺),即使是歐姆接觸,也存在電流噪聲。盡管在不同情況下電流噪聲的起因仍有不同的解釋,但都有相近的規(guī)律,即電流噪聲的均方噪聲電流近似與頻率倒數(shù)成比例,所以通常把電流噪聲稱為1/f噪聲。3.產(chǎn)生復(fù)合噪聲半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生、復(fù)合過(guò)程的無(wú)規(guī)則起伏,會(huì)引起載流子濃度的瞬時(shí)起伏,從而產(chǎn)生噪聲,這種噪聲稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲。產(chǎn)生復(fù)合噪聲是半導(dǎo)體中載流子濃度統(tǒng)計(jì)起伏的結(jié)果。這種噪聲的特點(diǎn)是,低頻時(shí),為常數(shù);當(dāng)頻率高于一個(gè)同載流子壽命的倒數(shù)有關(guān)的特征頻率時(shí),迅速下降;在中間頻率范圍內(nèi),它是半導(dǎo)體中的主要噪聲。晶格振動(dòng)和入射光子的隨機(jī)性可引起載流子產(chǎn)生及復(fù)合的無(wú)規(guī)則性,所以在光子探測(cè)器中,這種噪聲與光子噪聲有密切關(guān)系。在所有半導(dǎo)體光子探測(cè)器中,一般都會(huì)出現(xiàn)這種噪聲,尤其是對(duì)許多光電導(dǎo)探測(cè)器來(lái)說(shuō),產(chǎn)生復(fù)合噪聲往往是給出其極限工作性能的限制噪聲。4.散粒噪聲由于電流是由帶電荷微粒組成的,因此電微粒的漲落會(huì)引起電流的起伏,由此產(chǎn)生的噪聲稱為散粒噪聲,這種噪聲往往是構(gòu)成光電發(fā)射器件、光伏器件及薄膜光電導(dǎo)器件的限制性噪聲。5.溫度噪聲溫度噪聲是紅外熱探測(cè)器中的主要噪聲之一,它是由于探測(cè)器溫度的無(wú)規(guī)則起伏或熱量從探測(cè)器向周圍傳遞起伏所引起的噪聲。3.3.2背景的輻射噪聲探測(cè)器總是工作在一定的環(huán)境中,所以探測(cè)器在接收目標(biāo)輻射的同時(shí)也接收到目標(biāo)以外的背景發(fā)出的輻射。背景發(fā)出的輻射(光子)有漲落,即使探測(cè)器本身無(wú)噪聲,也會(huì)在探測(cè)器的輸出中產(chǎn)生噪聲,我們稱由背景輻射光子數(shù)的漲落而引起的探測(cè)器噪聲為輻射噪聲,又稱背景噪聲或光子噪聲。3.3.3放大器噪聲探測(cè)器的作用是把目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。這個(gè)信號(hào)一般很小,為了處理方便,往往要進(jìn)行放大,因而放大器中的噪聲對(duì)整個(gè)紅外系統(tǒng)的性能是有影響的。所以,為了充分發(fā)揮探測(cè)器的探測(cè)能力,就必須要求前置放大器的噪聲電平低于探測(cè)器的噪聲電平。紅外探測(cè)器配用的前置放大器的電路較多,概括來(lái)說(shuō),它們應(yīng)具有噪聲低、工作穩(wěn)定可靠、能充分反映探測(cè)器性能的特點(diǎn)。3.4紅外探測(cè)器制冷器3.4.1微型制冷器的性能許多紅外探測(cè)器工作時(shí)需要一定溫度和冷量的制冷,才能呈現(xiàn)出較高的性能。例如,硫化鉛和硒化鉛探測(cè)器可在室溫下工作,但在195K(-78℃)溫度下有更好的響應(yīng)度。而銻化銦和碲鎘汞探測(cè)器的禁帶寬度很小,需要77K(-196℃)的低溫才可較好地工作。因此,在選擇探測(cè)器時(shí),必須相應(yīng)地選擇適合的微型制冷器。紅外探測(cè)器對(duì)微型制冷器的要求有溫度、啟動(dòng)時(shí)間、蓄冷時(shí)間、氣動(dòng)噪聲、體積和質(zhì)量、工作時(shí)間等。3.4.2典型微型制冷器1.低溫杜瓦瓶杜瓦瓶是一種儲(chǔ)藏液態(tài)氣體或固體制冷劑的玻璃或金屬容器。在有低溫制冷劑供應(yīng)的場(chǎng)合,可采用直接向杜瓦瓶中灌注制冷劑來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器制冷的目的。采用杜瓦瓶實(shí)現(xiàn)低溫制冷的優(yōu)點(diǎn)是:簡(jiǎn)單有效,制冷迅速,無(wú)噪音;缺點(diǎn)是:有些笨重,且每隔幾個(gè)小時(shí)就要重新灌充制冷劑,應(yīng)用大多限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。另外,真空杜瓦瓶的真空壽命是有限的,玻璃杜瓦瓶大約為3~5年,金屬杜瓦瓶大約為1~2年,使用時(shí)應(yīng)予注意。2.焦耳湯姆遜制冷器焦耳湯姆遜制冷器是利用高壓氣體的節(jié)流來(lái)獲得制冷的,所以又稱其為節(jié)流式制冷器。所謂節(jié)流,就是氣體不作外功,從高壓降到低壓的過(guò)程。焦耳湯姆遜效應(yīng)是在絕熱及不作外功的情況下,氣體連續(xù)節(jié)流所產(chǎn)生的溫度變化。這一變化是由于氣體膨脹時(shí)克服分子間引力消耗了一定的內(nèi)能,另外容積能也有變化,然而,只有當(dāng)高壓氣體節(jié)流前的溫度低于其轉(zhuǎn)換溫度時(shí),內(nèi)能和容積能變化的綜合結(jié)果是使氣體節(jié)流后降溫。氮、氧和氬等氣體的轉(zhuǎn)換溫度比室溫高,所以這些氣體在常溫下節(jié)流就可獲得制冷。3.斯特林制冷器斯特林制冷器是由電力驅(qū)動(dòng)的一種機(jī)械式制冷機(jī),它采用逆向斯特林循環(huán)工作而制冷,由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)等容過(guò)程組成。一般地講,斯特林制冷機(jī)由壓縮單元和膨脹單元兩個(gè)主要部分組成,在壓縮單元中,由于活塞在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的壓力波傳播到膨脹單元中,推動(dòng)冷指(芯柱)中的排出器作往返運(yùn)動(dòng),并在回?zé)崞髦型瓿蔁崃ρh(huán),實(shí)現(xiàn)熱量由低溫端到室溫端的泵送。4.熱電制冷器熱電制冷器亦稱半導(dǎo)體制冷器或溫差電制冷器,它的機(jī)理是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng),亦即當(dāng)電流按一定方向流經(jīng)串聯(lián)的N型和P型半導(dǎo)體材料電偶時(shí),在兩半導(dǎo)體材料的連接處會(huì)產(chǎn)生降溫現(xiàn)象,降溫的程度取決于所用的材料。目前既能使用又能投產(chǎn)的最好材料是鉍碲合金(Bi2Te3),純Bi2Te3摻雜各種雜質(zhì)而形成N型或P型材料。5.輻射制冷器輻射制冷是利用宇宙空間自然的高真空、深低溫和黑熱沉的有利條件,將熱量通過(guò)輻射的方式傳遞到宇宙空間而進(jìn)行降溫的。它是一種被動(dòng)式制冷技術(shù),其裝置具有以下特點(diǎn):壽命長(zhǎng),可適應(yīng)空間飛行任務(wù)的時(shí)間要求;無(wú)功耗,省去飛行器的有限能源供給;無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,具有較高的可靠性和穩(wěn)定性;無(wú)機(jī)械振動(dòng),無(wú)電磁干擾,對(duì)紅外探測(cè)器的工作性能沒(méi)有影響。3.5典型的紅外探測(cè)器3.5.1熱探測(cè)器1.測(cè)輻射熱電堆最常見(jiàn)的測(cè)輻射熱電堆紅外探測(cè)器主要有兩種類型,一種是薄膜型熱電堆探測(cè)器,另一種是微機(jī)械熱電堆探測(cè)器。2.測(cè)輻射熱計(jì)測(cè)輻射熱計(jì)(Bolometer)是一種應(yīng)用廣泛的熱探測(cè)器,它使用了一種電阻隨溫度變化的熱敏電阻作為熱敏元,通過(guò)測(cè)量熱敏電阻在輻射作用下的電阻變化,從而確定入射的輻射通量。必須說(shuō)明的是,這種電阻變化類似于光電導(dǎo)器件的特性,但其基本機(jī)理是不一樣的。對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)而言,輻射功率在熱敏電阻內(nèi)部產(chǎn)生熱,進(jìn)而改變其電阻,其間沒(méi)有光電之間的轉(zhuǎn)換。3.熱釋電探測(cè)器常用的熱釋電材料有硫酸三甘肽(TGS)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鈮酸鍶鋇(SBN)、鈦酸鍶鋇(BST)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。熱釋電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,且無(wú)需偏置,因而消除了1