《紅外系統(tǒng)》課件第3章-紅外探測器

3.1紅外探測器的分類3.2紅外探測器的性能參數(shù)3.3噪聲源3.4紅外探測器制冷器3.5典型的紅外探測器3.1紅外探測器的分類3.1.1熱探測器探測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,測量這些物理性質(zhì)的變化,就可以測量出它吸收的能量或功率,這類探測器就是熱探測器。根據(jù)熱致物理性質(zhì)變化的不同,熱探測器可進一步分為測輻射熱電偶和熱電堆、測輻射熱計、熱釋電探測器、氣動探測器以及雙材料探測器等。3.1.2光子探測器光子探測器吸收光子后,探測器材料的電子狀態(tài)會發(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)。通過測量光電效應(yīng)的大小可以測定被吸收的光子數(shù)。利用光電效應(yīng)制成的探測器稱為光子探測器。3.1.3輻射場探測器利用紅外輻射場與物質(zhì)相互作用時所呈現(xiàn)的某些特性,進行紅外輻射探測的探測器稱為輻射場探測器。由于輻射場探測器常有一個天線,因此也稱為天線耦合探測器。在天線耦合探測器中,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行耦合,并根據(jù)傳感元件的作用機理完成輻射探測。3.1.4熱探測器與光子探測器的比較熱探測器利用的是熱效應(yīng),熱效應(yīng)的主要特點有:熱吸收與入射輻射的波長分布無關(guān);熱敏單元的溫度變化較慢;通常情況下,室溫環(huán)境下即可觀測到熱敏單元的溫度變化。光子探測器利用的是光子效應(yīng),光子效應(yīng)的主要特點是:入射光子能量要大于一定值時才能產(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到光電效應(yīng)。由于熱探測器和光子探測器的工作機理不同,因此這兩類探測器有很大的差別,一般地講,主要體現(xiàn)在以下三個方面。(1)熱探測器對各種波長的紅外輻射均有響應(yīng),是無選擇性的探測器;光子探測器只對小于或等于特定波長的入射紅外輻射才有響應(yīng),是有選擇性的探測器。(2)熱探測器的靈敏度較低,響應(yīng)速度較慢;而光子探測器的靈敏度比熱探測器高1~2個數(shù)量級,響應(yīng)速度比熱探測器的快得多。(3)熱探測器一般在室溫下工作,不需要制冷設(shè)備;多數(shù)光子探測器必須工作在低溫條件下才具有優(yōu)良的性能。3.2紅外探測器的性能參數(shù)3.2.1主要工作條件紅外探測器的性能參數(shù)與探測器的具體工作條件有關(guān),因此,在給出探測器的性能參數(shù)時,必須注明探測器的工作條件。主要的探測器工作條件有以下幾個方面。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)探測器的性能指標(biāo)可分為實際性能指標(biāo)與參考性能指標(biāo)兩種。實際性能指標(biāo)是指對每個實際探測器直接測量出來的指標(biāo)。參考性能指標(biāo)則是對某類探測器折合到標(biāo)準(zhǔn)條件時的指標(biāo)值。1.響應(yīng)度R響應(yīng)度R是探測器的輸出信號S與探測器的輸入量X的商,即換句話說,探測器的輸出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由于探測器存在噪聲,因此不能無限制地測量很小的輻射信號,當(dāng)輻射小到它在探測器上產(chǎn)生的信號完全被探測器噪聲所淹沒時,探測器就無法肯定是否有輻射投射在探測器上,即探測器探測輻射的能力有一個下限,通常,我們用噪聲等效功率來表征探測器的這個特征。當(dāng)輻射在探測器上產(chǎn)生的信號電壓US恰好等于探測器自身的噪聲電壓un(即信號噪聲比為1)時,所需投射到探測器上的輻射功率為P,這個輻射功率稱為噪聲等效功率,以NEP表示,即3.比探測率D*用NEP基本上能描述探測器的性能。但是,一方面由于它是以探測器能探測到的最小功率來表示的,NEP越小表示探測器的性能越好,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,從較弱輻照下測得的響應(yīng)度不能外推出較強輻照下應(yīng)產(chǎn)生的信噪比。為了克服上述兩方面存在的問題,引入另一個性能參數(shù)———探測率,它被定義為NEP的倒數(shù),以D表示,即探測率D的單位為W-1,它表示輻照在探測器上的單位輻射功率所獲得的信噪比。這樣,探測率D越大,表示探測器的探測能力越強,所以在對探測器性能進行相互比較時,用探測率D比用NEP更合適些。4.響應(yīng)時間探測器的響應(yīng)時間(也稱時間常數(shù))表征探測器對交變輻射響應(yīng)的快慢。由于紅外探測器有惰性,對紅外輻射的響應(yīng)不是瞬時的,而是存在一定的滯后。探測器對輻射的響應(yīng)速度有快有慢,以時間常數(shù)τ來區(qū)分。為了說明響應(yīng)的快慢,假定在t=0時刻以恒定的輻射強度照射探測器,探測器的輸出信號從零開始逐漸上升,經(jīng)過一定時間后達到一穩(wěn)定值。若達到穩(wěn)定值后停止輻照,探測器的輸出信號不是立即降到零,而是逐漸下降到零,如圖34所示。這個上升或下降的快慢反映了探測器對輻射響應(yīng)的速度。5.頻率響應(yīng)探測器的響應(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)制輻射照射到探測器上時,如果調(diào)制頻率很低,則輸出的信號與頻率無關(guān),當(dāng)調(diào)制頻率升高時,由于在光子探測器中存在載流子的復(fù)合時間或壽命,在熱探測器中存在著熱惰性或電時間常數(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。對于大多數(shù)探測器來說,響應(yīng)率R隨頻率f的變化(如圖35所示)如同一個低通濾波器,可表示為3.2.3多元及焦平面探測器的品質(zhì)參數(shù)為了達到特定的紅外探測和成像目的,人們研制出了不同形式的多元探測器,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器,既可完成光電轉(zhuǎn)化功能,又能實現(xiàn)信號處理功能。由于這種紅外探測器主要放置在光學(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器實質(zhì)上是由多個單元探測器組成的,對其像元(對應(yīng)每一個單元)品質(zhì)因素的表征可借用單元探測器的性能參數(shù)及定義。另外,多元探測器,特別是焦平面探測器的像元數(shù)眾多,各像元的信號又不能直接讀出,因而對探測器品質(zhì)因素的表征又與單元探測器并不完全相同。為了更好地表征多元和焦平面紅外探測器的品質(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探測器中的噪聲實際探測器的最高性能水平往往與其具體的噪聲機理有關(guān),這是因為,一個實際探測器的性能既取決于它對外來輻射的響應(yīng),又取決于它的固有噪聲。探測器固有噪聲的定量描述是比較復(fù)雜的,只有當(dāng)探測器的制作工藝十分完備時,它才可以由某些確定的噪聲機理來評估。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)部的熱運動,都會導(dǎo)致電阻內(nèi)載流子運動的起伏,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)體探測器工作時是需要加偏壓的,因而有一定的偏流流過。流過探測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都在變化,這就形成了噪聲。許多光導(dǎo)探測器的性能受這種電流噪聲的限制。產(chǎn)生這種噪聲的機理尚不清楚,其來源有多種。實驗證明,在碳質(zhì)電阻器的晶粒間接觸會引起電流噪聲;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)合過程的無規(guī)則起伏,會引起載流子濃度的瞬時起伏,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)計起伏的結(jié)果。這種噪聲的特點是,低頻時,為常數(shù);當(dāng)頻率高于一個同載流子壽命的倒數(shù)有關(guān)的特征頻率時,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。晶格振動和入射光子的隨機性可引起載流子產(chǎn)生及復(fù)合的無規(guī)則性,所以在光子探測器中,這種噪聲與光子噪聲有密切關(guān)系。在所有半導(dǎo)體光子探測器中,一般都會出現(xiàn)這種噪聲,尤其是對許多光電導(dǎo)探測器來說,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器中的主要噪聲之一,它是由于探測器溫度的無規(guī)則起伏或熱量從探測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器總是工作在一定的環(huán)境中,所以探測器在接收目標(biāo)輻射的同時也接收到目標(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,即使探測器本身無噪聲,也會在探測器的輸出中產(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放大器噪聲探測器的作用是把目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成電信號。這個信號一般很小,為了處理方便,往往要進行放大,因而放大器中的噪聲對整個紅外系統(tǒng)的性能是有影響的。所以,為了充分發(fā)揮探測器的探測能力,就必須要求前置放大器的噪聲電平低于探測器的噪聲電平。紅外探測器配用的前置放大器的電路較多,概括來說,它們應(yīng)具有噪聲低、工作穩(wěn)定可靠、能充分反映探測器性能的特點。3.4紅外探測器制冷器3.4.1微型制冷器的性能許多紅外探測器工作時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,在選擇探測器時,必須相應(yīng)地選擇適合的微型制冷器。紅外探測器對微型制冷器的要求有溫度、啟動時間、蓄冷時間、氣動噪聲、體積和質(zhì)量、工作時間等。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)的場合,可采用直接向杜瓦瓶中灌注制冷劑來實現(xiàn)探測器制冷的目的。采用杜瓦瓶實現(xiàn)低溫制冷的優(yōu)點是:簡單有效,制冷迅速,無噪音;缺點是:有些笨重,且每隔幾個小時就要重新灌充制冷劑,應(yīng)用大多限于實驗室內(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,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)動的一種機械式制冷機,它采用逆向斯特林循環(huán)工作而制冷,由兩個等溫過程和兩個等容過程組成。一般地講,斯特林制冷機由壓縮單元和膨脹單元兩個主要部分組成,在壓縮單元中,由于活塞在氣缸中作往復(fù)運動,產(chǎn)生的壓力波傳播到膨脹單元中,推動冷指(芯柱)中的排出器作往返運動,并在回?zé)崞髦型瓿蔁崃ρh(huán),實現(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,在兩半導(dǎo)體材料的連接處會產(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,將熱量通過輻射的方式傳遞到宇宙空間而進行降溫的。它是一種被動式制冷技術(shù),其裝置具有以下特點:壽命長,可適應(yīng)空間飛行任務(wù)的時間要求;無功耗,省去飛行器的有限能源供給;無運動部件,具有較高的可靠性和穩(wěn)定性;無機械振動,無電磁干擾,對紅外探測器的工作性能沒有影響。3.5典型的紅外探測器3.5.1熱探測器1.測輻射熱電堆最常見的測輻射熱電堆紅外探測器主要有兩種類型,一種是薄膜型熱電堆探測器,另一種是微機械熱電堆探測器。2.測輻射熱計測輻射熱計(Bolometer)是一種應(yīng)用廣泛的熱探測器,它使用了一種電阻隨溫度變化的熱敏電阻作為熱敏元,通過測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,但其基本機理是不一樣的。對測輻射熱計而言,輻射功率在熱敏電阻內(nèi)部產(chǎn)生熱,進而改變其電阻,其間沒有光電之間的轉(zhuǎn)換。3.熱釋電探測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。熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)堅固,且無需偏置,因而消除了1