红外成像阵列与系统（2）ppt课件

第二章 非致冷型 红外焦平面阵列原理,本章主要介绍热探测器件的 红外阵列的原理以及主要的限制。,成像元件是受单元探测器吸收的辐射光所影响。 入射光能量下温度增加的热流量公式，温度的增加依赖于探测机构。 最重要的探测器件是电阻型测辐射热计。,2.1 热绝缘结构的重要性,传感器受入射红外辐射光加热温度变化 由以下方式测的:,热探测像素阵列，每个像素包括一个连接到衬底的敏感区。红外辐射光照在一个探测像素上，被敏感区域吸收，引起其温度升高，热量从敏感区流向周围的环境。,焦平面阵列：,热传导， 热对流， 热辐射。,热传递的三个方式：,1）热量敏感区沿支撑物向衬底; 2）如果像素之间是相邻的话，热量从一个像素直接流向邻近的另外一个像素，这被称作横向热流通。必须加以避免，因为它会影响景物像的分辨率； ）如果阵列没有固定在一个抽空的封装盒里，热量会流向周围的大气。,热传导以三种方式进行：,热对流是第二种热传递方式。 在阵列中热对流不是一种很重要的热传递方式。如果热成像阵列包装并未抽空，则从热敏感元件流经大气的热损失往往是热传导而不是热对流。,热辐射是第三种热传递方式。 敏感元件向周围辐射热量，周围环境也向其辐射热量。对热成像阵列这是理想状况。 如果主要热损失是辐射性的，则阵列是受背景限制，这种限制对于工作性能影响是非常大。,支撑结构是取得高性能热成像阵列的关键。,支撑结构具有三项功能： 热机械支撑； 热传导路径； 电子传导路径. 两种类型的支撑结构： 倒装焊方式； 隔板结构。,倒装焊方式,隔板结构,axas公司（Dallas Taxas）混合型热电铁电辐射计阵列。探测层是由约为微米的钛酸锶钡制成，之间以一种直径为数英寸的薄片形式相互隔离开来，硅衬底上有复合的探测像素，每个像素之间用倒装焊形式连接，以提供机械支撑高电导和低热导。,(2-1),设探测像素的热容能力为C，支撑的热传导为G，热辐射调制红外光功率幅度为P0，入射光吸收部分为，让调制光的角频率为，传感区上像素温度增加为T，则热流量公式:,其中 ， t为时间。,简化公式假设：在电阻型或铁电辐射计工作模式下，由于外加电压偏置，可以忽略在敏感区域的功率损耗。,1962年Kruse给出电阻测辐射热计的准确的解: (2-2) 这里是热响应时间，定义为 (2-3),红外热成像阵列的基础: . 高频以及低频之间的交换是用热时间常数来标志的.,设计热探测器：,支撑结构的设计决定热导G最小化和热隔离性； 探测器机构以及材料。 敏感元件的热容C(J/)，必须足够低以满足响应时间的需要.,凝视型阵列工作在30帧/秒， 像素响应时间为帧的倒数的1/3，即10毫秒。 假设一个热探测器G=110-7W/，则C必须为1 10-9J/.假定50m2的单元，为了得到C=110-9 J/，需要小于1微米的敏感层厚度。,单片设计的方法还有另外的一个优点，通过选择支撑腿的参量大小可以调整响应时间。例如，增加腿的长度或者是减少其厚度和宽度将减少G值，若C保持相同的值则增加。,2.2 主要热探测机构,1、 电阻测辐射热计,电阻测辐射热计： 当辐射光入射后温度增加，引起电阻值发生变化的一种装置。 假定电阻性辐射计吸收红外辐射温度增加足够小，以保证电阻变化与线性 (2-6),也可以表示电阻变化，是电阻温度系数，因此 其中,电阻的温度系数可以是正的，也可以是负的。 典型的参数为： 金属： 0.002（） 半导体： =-0.02（） 超导体： 2.0（）,输出信号（电压或电流）除以输入辐射光。假定输出信号，则 ibR=ibRT （2-9） ib是流过探测像素的偏置电流.,红外探测器的响应率,温度增加量： 信号电压： (2-10),响应率 (2-11),响应率正比于电阻温度系数， 反比于主要热损失机构的热导。,噪声等效温差（NETD）：,当带有焦平面阵列的成像系统的视场中的黑体温度发生变化时，将引起阵列输出的信噪比以及读出电路信号的变化。,(2-12) F为光学系统的焦面比； VN为整个系统带宽里的电子噪声； 0是光路的投射率； A是探测器像素的面积； R是像素的响应率； 是在温度T下，从 到 的范围内，每单位面积上的功率变化量。,295K的黑体，在35m及814m的光谱范围内的 值为(Lloyd，1975)： =2.1010-5W/cm2K =2.6210-4W/cm2K NETD值适用于任何探测器，因此通过将响应率代入上式并且加以适当的参数就可以获得电阻辐射计的NETD值。,NETD的表达式中有4F2+1或者4F2，这两个表达式是等效的。 若为4F2+1，则F定义为f/D，这里f为透镜的焦距，D为透镜的直径；在4F2+1的表达式中只有景物在无限远处时才有效，所以此时的像为透镜的焦距。 若为4F2，则F定义为焦面比，这里的 焦面比等于1/2sinU。U 是出射透镜的边缘射线的倾角。4F2的表达式则对所有的物距都合适，但是入射光线的角度与像的焦点有关，只有当景物在无限远处时才成像在焦距处。,2 . 热电探测器以及铁电辐射计,某些材料可以显示铁电效应，其中一些铁电晶体可以显示出自发的电极化性质。 极化现象定义为每单位容积内的偶极矩，与温度有关。,在居里温度之上变为0。居里温度以下，温度变化T，引起表面电荷的变化，因此引起一个转变电流流入外部电路中，IS的大小由下式给出： (2-13) A是像素探测面积，p为热电系数，是工作温度区域内极化对温度的曲线的斜率（图2.4）。,对等式（2-2）中的求偏导可以得到热电探测器的响应率，代入到式（2-13）中，得出IS：,因为热电探测器是电容性的，其性质显示出电容Ce和损失电阻R，损失电阻可以用损失正切角来表示。热电信号电压VS： （2-16）,将公式（2-17）代入公式（2-12）中，选择适合的参数便可以得到热电探测器的 NETD值。,热电探测器的响应率：,其中： (2-18) 热电探测器既有热响应时间又有电响应时间。当材料具有小的损失正切角时，其低频调制下的电响应时间要比热响应时间长。例如，在30K下，一个损失正切角为0.01的材料电响应时间为0.53秒，热响应时间为10毫秒。,热电探测器没有直流响应。必须要有斩波器（调制盘）或者必须连续地扫描过景物。图2.5显示了响应时间对于调制频率的依赖关系。,图3.5 热释电响应率是频率的函数,频率对数,响应率对数,当损失电阻主要噪声为Jonhson噪声时，品质因数（Figure Of Merit）定义为： (2-19) c为热电探测器的比热，k 是相对介电常数。,场增强热电效应：即铁电热辐射效应：,不外加电压即发生热电效应，加了电压后，存在电场，热电材料显示出极化特性并且延伸到超出正常的居里温度以上的区域，可以获得一个来自于受温度影响的电介质常数的额外的信号分量。图26显示了TI公司用于热电探测器中热电材料钛酸锶钡在温度影响下的极化强度和电介质。,图3. 对于铁电陶瓷材料钛酸锶钡其温度与极化强度以及相对介电常量的关系,温度（）,相对电介质率,极化强度,电偏置下的热电系数： (2-20) p0是没有电偏置时的热电系数； 是介电常数； E是外加电场场强（Hawson，1992）。 等式(2-20)的右边代表了场增强分量，没有简单的解析解。,注意到对于所有的探测器而言，像素的响应率定义为入射到像素上的辐射功率除以信号的电压。因为热电探测器以及铁电辐射计需要调制光辐射，所以与电阻测辐射热计以及热电偶相比多一个 的缺点。,热电效应发生的电路由两个不同的电导率的材料连接组成（Sievens，1970）。如果接点的温度不同，就会产生热电电压。当电路开路时可以检测到电压值。电压的大小依赖于材料的类型以及接点之间的温度差。通过连接一系列的接点可以增加电压值，这即是热电堆装置。,3. 热电偶探测器,为了在红外探测器上应用热电效应，热电偶或者是温差电池必须以一种薄膜的形式沉积在隔热的基底上（如图2.8所示）。热电信号电压为： VS=N(S1-S2)T (2-21) 其中S1，S2是热电系数（塞贝克系数）。它们的差值称为接点的热电功率。热的结点被沉积在像素的隔热部分上。另一个冷的结点被沉积在周围的基底上，即冷的结点对于基底是散热的。,图2.8 Honeywell 温差电（TE）探测器,电接触,金属A,红外辐射,热TE接点,金属B,冷TE接点,金属A,电接触,硅 氮化硅桥 蚀刻槽,从式（2-2）和式（2-21）中可得热电像素的响应率为： (2-22) 将式（2-12）和式（2-22）结合起来，代入参数即可以得到NETD值。,(2-22),与电阻辐射计，热电探测器以及铁电探测器相比，温差电探测器有较低的响应率。但是它们工作不需要外加偏置，而且没有多余的噪声，制作相对简单。,表2.1非致冷热探测器的原理以及类型的比较 电阻辐射计 热释电探测器 铁电辐射计 温差电探测器 响应率 高 高 高 低 需要偏置 是 否 是 否 直流响应 是 否 否 是 需要斩波器 否 是 是 否 响应时间 C/G C/G，rCe C/G，rCe C/G C/G：像素热容/热导； rCe ：像素的电阻以及电容总共的电损失。,2.3重要限制,任何热动力系统显示出温度的波动性，称为温度波动噪声，来自于它与周围的热交换统计特性（Kruse，1995）。在所有的频率下，温度波动平方均值 为： (2-24) k为波尔兹曼常数； T为系统的温度，假设与环境温度相同； C为系统及环境的热容谐波均值。当系统为一种热探测器，热容谐波均值即为探测器或者阵列中像素的热容。,1 . 温度波动噪声限制,为了确定温度波动与频率的关系可以应用热流公式(2-2)，只是P现在代表的是像素与周围环境交换的热功率。T是 的平方根。假设P与频率无关，则： 是能量波动的平方均值 ； P0是与频率无关的常量； B是测量的带宽。,经过计算得到与频率有关的温度波动平方均值： 像素和环境之间热功率交换的平均平方起伏 ：,比探测率D*定义 ： PN为噪声等效功率： D*即为,NETD值计算： D*与响应率之间的关系可以表示为：,(2-34),结合式（2-12），（2-33）和（2-34）则NETD值为：,(2-35),正比与G1/2，这在红外探测器的设计中是很重要的。根据设计的需要，G值可以在几个数量级之间变化。隔热装置设计不好的阵列其NETD值受到温度波动噪声的很大限制。,2 . 背景波动噪声限制,当辐射为热交换的主要方式时，背景噪声是温度波动噪声的表现形式。如果探测器与周围环境温度相同时，背景波动噪声限制的比探测率由式（2-33）表示，热导G为热流率与温度增量之间的比例常数。当辐射为主要的热交换时， G即Grad，是对 Stefan-Boltzmann表达式的求导：,在探测器与背景温度相同且有相同的分布时的背景波动噪声限制的比探测率： 在探测器与背景温度不同时的背景波动噪声限制的比探测率： TD为探测器的温度，TB为背景温度。,比探测率 ：,背景波动限制的探测器的NETD值：,当 和 时 ：,图211表明式（40），对于一个长波截止频率0 ，当 0 时 ， =0； 对于一个短波截止频率0 ，当 0 时， =1；假设 TB =300K。,就象光子探测器一样，冷屏蔽可以为热探测器带来好处。尽管对于非致冷型探测器而言冷屏蔽并无意义。图212显示了加入冷屏蔽后背景波动噪声限制性能的相对提高。,2.4 讨论,设计高性能非致冷热成像焦平面阵列最好的方法是先设计结构、工作模式和材料。假定热导由结构决定，像素热容不会超过G的大小。这是厚度和探测层比热的函数，其中包含支持膜片电接触探测材料以及吸收镀层和保护镀层。,为了得到由结构带来的温度波动噪声，需要温度波动噪声比Jonhson噪声和1/f噪声大。 假定没有1/f噪声，为了得到温度波动噪声限制，必须要求温度波动噪声比Jonhson噪声大，这反过来给像素设定了一个较低的响应率。式（2-24）表明：,响应机构 对于和入射辐射光引起的温度改变量 都有影响。例如，如果辐射机构为电阻辐射计，则温度波动