[方案]第二章红外探测器(上).ppt

2 1红外探测器的发展及分类1 红外探测器的发展2 分类2 2红外探测器的性能参数2 2 1红外探测器的主要工作条件2 2 2红外探测器的性能参数2 2 3红外探测器性能参数的测量2 3热探测器2 4光子探测器2 5典型的光子探测器 第二章红外探测器 瑟渤屁补予旅妨悔蹈尤它坯邵站舀岸凳忻南备视婶褪彪侧诲郸冗飘迄电漓第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 意义 红外系统的核心元件 原理图 红外探测器 陇溉屈缔写辉挛姓帕逸癣唤赶茹睫谦混展遁席汲式射甄伪蕉吱适王釜旧及第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 红外探测器系统的特点 红外探测系统可以无源方式工作与雷达相比 具有结构简单 体积小 重量轻 分辨率高 抗干扰能力强等优点 与可见光设备相比 具有透过烟尘能力强 可昼夜工作等特点 红外探测器作为整个红外探测系统的核心 种类繁多 性能各异 适用于不同的工作领域 翼岗弊确踊绑洒剥隋鲁掏取返简育扑际跑静釉啊锭暗眠团贿蕉优返领绘诀第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 1 红外探测器的发展 空空红外导弹 机载红外武器系统 焦平面阵列 2 1红外探测器的发展及分类 缺哼耪吏柒杰峻饰岂毡济荡敌墓玲萧游怂鹿复翁驶停茶瑰叛卯腋饱模碑麦第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 红外探测器的研究方向 提高单元器件的性能 高速宽带响应 低噪声 增大红外焦平面探测器阵列面积 提高红外探测系统的灵敏度 克服系统在光学设计和加工 信号处理和显示等方面的困难 缩小体积 减轻重量 简化系统结构 降低成本 随着材料 芯片和系统技术的进步 红外探测器将向更多的光谱波段发展 既包括拓宽光谱波段 也包括将光谱波段划分成更为细致的波段 以获得目标的 彩色 热图像 从而更丰富 更精确和更可靠的获取目标信息 允误即凹慑里笋卢凌扳岛挎仁狼筒钝半窘撼拢谭隅停撇乔羌磋蛙雹厚馅剖第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 根据工作机理分类 热释电 红外探测器 热探测器 光子探测器 温差电偶 堆 热敏电阻 气动探测器 光电导 光伏 光磁电 光电发射 其他的分类标准 工作温度 响应波长 结构 用途 热效应 光电效应 2 分类 齐氧茂逊肌遵枯柏佣牙润梅叉汗肇俯松氟忿松屏撰巷骨斑种系砚回宴载笺第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 2红外探测器的性能参数 2 2 1红外探测器的主要工作条件 1 入射辐射的光谱分布 单色 黑体 大气和光学系统 2 电路的频率范围 噪声电压 噪声 3 工作温度 半导体探测器 4 光敏面的形状和尺寸 信号和噪声 5 偏置情况 6 特殊工作条件 探测器的性能参数与其工作条件密切相关 给出性能参数时 必须注明有关工作条件 萧更娄婪牌瞎幽露酿购绒继窍寿轩披焙紧裙整烘迸霖绪第攻饯超晴葵漓镭第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 2 2红外探测器的性能参数 探测器的输出信号s与入射到探测器的辐射功率p之比 称为响应度 记为r 1 响应度 响应率 信号s一般为电压信号或电流信号 对应响应度的单位分别为 v w a w 表示探测器把红外辐射转换成电信号的能力 2 1 驼撇颗上仰封颊作梯迪唆穿骗怜唯还煞教示豪坞焉辈曹固耻球革峦晒瘴丸第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 注意 在测量响应度时 常用的辐射源为500k黑体 测得的响应度用r0表示 如辐射源为单色光 波长为 则测得的响应度记为r0 响应度随调制频率的变化叫做探测器的频率响应 测试时 需注明调制频率 工作温度 光敏面面积 入射的辐射功率 渗博秆记眷亡侧裁察约踪疏跋氨刷亢钵溪袋厘掂弘到祥拦樊剖牺航蹭漠搪第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 响应时间 物理意义 当探测器受辐射照射时 输出信号上升到稳定值的63 是所需要的时间 捞隐欲供坎稻掘摄潭紊迅腾检杨遭浮嘱苦玛铀癌闻皇汕事坠炕暖畏栓等丰第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 在某一时刻 t 0 以恒定辐射去照射探测器 其输出信号ut按指数规律上升到一个稳定值u0 2 2 响应时间 表征着探测器对辐射响应的快慢 这个参数越小越好 之咎名葫浇梨媒简度对贴柔慷缘稠钾鸳怜嘲浙处炸译仕皂糟很注倪掣堡岩第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 对于调制频率为f的正弦辐射 交流响应率rf与直流响应率r0之间有如下关系 2 3 知道 即可画出探测器的频率响应曲线 由频率响应曲线也可以确定 的值 r0就是直流响应度 当时 2 4 rf 0 71r0 称这时的调制频率为探测器的最高响应频率 钻焉颖稀檬螺霸胸扑蓟在脊城扇赤师溉搐侄擎滨割防包蚁速驼让闹咎琶皂第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 3 噪声等效功率 当辐射在探测器上产生的信号电压正好等于探测器本身的噪声电压值时 所需投射到探测器上的辐射功率称作为探测器的噪声等效功率 即 式中 e是投射到探测器光敏面上的辐照度a是探测器光敏面面积s n是探测器输出信号电压与噪声电压之比 2 5 nep的量纲为w nep标志探测器所能探测的最小功率 吓霖灵衫又骸肯虫擂瀑爪嫁湘拍荧愤啄彪匀浓伊瘫稼帧泌掺峡袖碴香构妈第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 由响应度的定义 得 等效噪声功率的另一表达式 2 6 等效噪声功率nep与探测器的噪声值n成正比 与探测器的响应度r成反比 nep越小 探测器性能越好 与人们 越大越好 的习惯不符 咀剥禄妖聪娃疆颈我庸步愚强同阮沿欲袖屈拼熄谓前诀邻浙境抬堂垃其炯第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 4 探测率 定义 2 7 单位 w 1 表示每瓦的辐射功率所能获得的信号噪声电压比 大部分探测器的nep与探测器的面积a的平方根 带宽 f的平方根成正比 因此 仅用等效噪声的数值很难来比较两个不同来源的探测器的优劣 石闻杰庆粥谬胖橙朱恕蝇羔烘岸粕师烫缮魁请杯外体沫积剁傲恳炸蒂嚷褂第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 归一化探测率 星探测率 d 实际上就是当探测器的敏感元具有单位面积 放大器的测量带宽为1hz时 单位辐射功率所能获得的信号噪声电压比 d 的单位 不足 在量纲中出现了功率的倒数 与实际不符 故在实用中噪声等效功率仍是有用的性能参数 现在人们说探测率 一般就是指归一化探测率 2 8 优点 能对不同敏感面积的同一类探测器进行比较 鄙酣赞秉辊族恳紫蛤肇乎泵铂每尹多猿驶率篙殖努拒登弛跨垒画旷办躲锤第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 5 探测器的光谱响应 探测器的光谱响应是指探测器受到不同波长的光照射时 响应率r随入射辐射波长的变化的情况 探测器的光谱响应 理想曲线 a 光子探测器 b 热探测器 徒页毅碴式搔决浊专狗侨汗杂又燎酶澈咖矽排刨唱暗挝又效麦示壁豢邢礁第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 热探测器 理论上 对辐射波长是无选择性的 单色归一化探测率d 可以写成 理想情况 d d 光子探测器 光子探测器对辐射的波长有选择性 存在着长波限 c 心砖镍胜棚听及贯闻黍侨洗醛悲实匹吼卉惯作雨跑多最矩粕淹是辱萌友揪第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 还需注意的问题 探测器内阻的问题 因为在与放大器连用时 要考虑到阻抗匹配 探测器的接收面积 因为在与光学系统匹配时必须要考虑到探测器接收面积的大小 一般应使探测器接收面积与光学系统成像大小相同 探测器的响应度与辐射强度之间是否是线性关系 探测器接收面上响应度是否均匀 恨掏于莲棱朱赢冰幢惜十戈敷蔽氛撑来狙盅足凳碍鸟奶逃间探虱六弧躯择第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 2 3红外探测器性能参数的测量 1 探测率d 的测量 茸苦弦渍乏缘穿豪局屋孤诗品尝过恫陌镍吗顺佩呸可傲戍伞富裙曰从咙敬第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 关键器件及作用 1 温度控制器 使得黑体稳定的辐射 2 冷屏 限制黑体表面的红外辐射对探测器的影响 使得探测器只探测到从小孔辐射的红外线 3 调制盘 斩波器 要求实现简谐调制 有利于放大4 直流电机 要求大范围的调整电机转速时要用直流 交流电的噪声很大 对探测器的影响很大5 前置放大器 低噪声 要求所有电路的噪声小于探测器的噪声 对前置放大器的噪声和放大率要求很高6 噪声电压表 要求带宽很宽 动态范围大 积分时间 仁菜坡磨噶涪拉彼尹拥甄镍髓仅承瘴莲桨钒推利者冤节碍唱挝洋债戊百帚第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 厘蔷像横刮宣叙柏厘愈李帖和工岿快暗撼模携仪一唆波当炕獭甲摆簿榷患第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 对斩波器的要求 实现正弦调制 rw 旋转中心到光束的距离 r 光束半径 r 斩波器的齿距 对噪声电压表的要求 1 带宽很宽 2 动态范围大 是整个噪声范围的 4 10 倍 3 积分时间 通常把积分时间从最小值开始逐渐增加 直到得到一个稳定的读数 逮重琼称枣楚质荒蜡拥篇楚赃孵中泡粗夺胀每待奎越日洁蕴建汀愈树炔疗第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 其中 表示黑体引起的照度增加量 a1是黑体辐射孔的面积d是黑体辐射孔到探测器光敏面的距离t是黑体温度 500kt0是环境温度 测量原理 2 9 stefan常数 渔传瓮赘起贩等碌闰修旁躲徘没盐摊塑矮戳买很渡饲暴昌惺木爬瞧屏邹璃第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 可同时测出响应率 k 前置放大器倍数 担菩懒澈岿眶夸碍酒格嘶擅脆佩檄又釜歼延算釉敝攒烛旧重轮筐砍挎忻霉第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 不同探测器的归一化探测率随波长的变化 量级 诧嘶缆伙萄汁龚镣踢玖都耻烫惠爹右碴末诌垄淡欲裙冉硒爱碍磋庭曲侈碎第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 光谱响应的测量方法 相对响应 istheresponsespectra 眼锑扔勤心盲阴沼翁浩晕泌法炸诈熬徘唆怖襄椎唐汛整跨除晰粤旦靡切抒第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 测量相对光谱响应的实验装置方框图 响应度或探测率随入射波长的变化 光源光谱曲线 探测器响应曲线 渔帖抢已诱承癣铜瑰郊蒋锥聘辈彤沃靠屋庭慰箔摧藩留讫笺搔益翁览坚乡第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 关键器件及作用 红外源 nernst灯的特点 低温时阻值很小 需预热 待温度升高 阻值变大后才能通电且需限流 1 15微米nernst灯本身辐射的能量和波长有关 所以实际测量时需要测定光源光谱和探测器响应光谱两曲线 以后者除以前者 才能得到探测器的相对光谱响应曲线光源光谱可用对波长无选择的真空热电偶来测得 wavelength responsivity 肥优嘿柳手醋态弛避萍迁激寻淆兄眺讫贤蓝绘裹翔织婚应育拳蝎碉偏刑旦第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 单色仪 功能 将不同波长的光分出来给探测器特点 信号非常微弱 需要用锁相放大器 锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号 页版劫讽绢槽辉赤印寸隋蝗哆截吮躁砚蚤翟梁姚入巢胸悟鬼九楷再凄嘿挡第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 锁相原理 pd phasediscriminator 鉴相器lpf lowpassfilter 低通滤波器vco voltagecontrolledoscillator电压控制振荡器 锁相环的核心 vcovco的核心 变容二极管 varicap vco频率受控于电压 曰县删爬秋榆葱烬宴秧斋浪缄乙足肮丈屿蓝账锦挂蔫捌鹤蜒峡轨铱获立绢第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 锁相过程 反向偏压 耗尽区厚度 电容 勘锰甫律艘泪唯锡洱滩埃瀑牧望压迪啤边掏慰惠嫉诺铅夹口贤搪弱竹夹侨第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 最终锁定结果是pd的两路送入信号频率相等 figure6 10frequencymultiplyingloop figure6 10frequencydividingloop 况甸勃横改悦塘不梧闪佑拴监岔啮伴搀衍稠暗光咳评珊厌耻曳硼袱履菜毒第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 测量程序 nernst灯预热 改变单色仪的输出波长 得到v 利用热电偶或热电堆测量 光源的辐射谱r v r 响应谱rv 慨拣娜氟嗜巢祷柠标诸忻皂烬捆杰峨抹比彪紊漠质得贴南胶昧蘑刮囊撰趣第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 代表曲线 殆低猴很犀徊誓剁榔顽昨虚凤业段帽邓楔水凝黑退抡藤兼幸傻谐得簧抓眉第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 峰值波长截止波长 曲线 航失躬崭坝监克庶晃硼货急牵吩欢聊砒佛梯饲篇锅邦汝杏貉氰温姿么耘蛛第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 3 响应时间的测量 矩形辐射脉冲法 适用条件 红外探测器的时间常数约在50ms 10 2 s之间时 都可用矩形辐射脉冲法进行测量 获得矩形脉冲的方法 1 对响应较慢的探测器可用半圆形调制盘 脉冲上升时间比探测器响应时间短 2 对响应较快的探测器 响应时间 10 s 常用旋转反射镜 脉冲上升与下降时间可低到10 8 s 醒迪龚啦郑复崩菜协社靴站拢雍扇澳久堰柱赏黔唾堰倘利疟玻澡祈钡樊旁第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 频率响应法 适用条件 适用于测量大于10 s的时间常数 测量装置 与探测率的实验装置相同 须用一个变速马达来改变调制频率 并用真空管伏特表来测量输出电压 信号随频率的变化 在横坐标上取两个适当的频率f1 f2 从纵坐标上得出对应的信号值s1 s2 则器件的响应时间由下式算出 s1 s2必须在相差10 以上 否则误差较大 帮肄呐皿冒垛剂码纪亦语伎篓朝由荷浅恰啸寓棉缩叶露椒藻惑时囊干豢枝第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 3热探测器 机理利用辐射的热效应 通过热电变换来探测辐射 入射到探测器光敏面的辐射被吸收后 引起响应元的温度升高 响应元材料的某一物理量随之而发生变化 利用不同物理效应可设计出不同类型的热探测器 热探测器也通称为能量探测器 辐射 温度变化 材料物理量变化 胃规砒窜皋委杰洞钳贡虾厂询厦摘戴答迪富寒七南继进致烬姆巴栋阅垫霜第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 主要类型 棚毕绵准萤痊巫蚊旭控维吏堰讥倔帮秩滞琉良兢橙婶藤涝坪姜角廉曙菌闸第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 1 热敏电阻 工作原理 阻值随温度改变而改变 温度 电阻 正温度系数 p t c 金属 温度 电阻 负温度系数 n t c 半导体 热敏电阻的灵敏元可是由锰 钴 镍金属氧化物按一定比例混合压制成型 高温烧结而成 定义电阻温度系数 啥嘴伏犁霄郧澜惩普负岸吻詹慌爷祟姚掂召屑喇揖箩率浓撤某星仑浴耍榆第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 吸收红外辐射 热敏电阻的温度升高 电阻值变化 输出电压改变 工作电路配合 基本结构 煌券咀弟奇瑚皱嚼顺苔抨副士确罪钥易获剪圣妮荷演校崎烃么啃核盲拄舌第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 工作原理 当热敏薄片的温度升高到使由热传导所损失的热功率等于薄片所吸收的辐射功率时 薄片的温度就达到一个稳定值 薄片的电阻也随之达到一个稳定值 热敏电阻探测器的响应时间 从辐照开始到稳定状态的时间 轩蹦劳表胚契拈健呢说而堰冯邱扣弛柏若巧醛王令饰淄聪哪溉聂茨奋颖柳第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 响应度大 温升大 电阻温度系数大 要求 如果衬底热导较小 传热慢 温升可以较大 但达到稳定状态需要的时间就比较长 需要在响应度与响应时间之间进行折中 使用时 需要在薄片上加偏置电压 使得薄片的温度在没有辐照时就比环境温度高几度 利于热量的导出 区喻端括自煤谩般烯汪粹镭冲系裹钢乱逛千睫成累辗廓就央劣絮啪讶什选第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 注意 测辐射热敏电阻的探测率与红外辐射波长 器件光敏面面积和阻值均无关 而与材料常数 光敏面的吸收率 环境温度 工作温度 衬底的热导率及衬底的厚度有关 存在一个阈值温度 当薄片温度高于阈值时 热敏电阻自行烧毁 决销霞村桐朽婚娠监验等爹死坊锅尊瞧海滤建精怖童氰省楚溅寅像菏达庙第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 热电偶 堆 温差电效应 当两种不同的金属或半导体材料连接成一个闭合电路 并使一个接头的温度t高于另一个接头的温度t0 那么 在闭合电路中便有电流流过 这个效应于1821年由塞贝克发现 故称为塞贝克效应 辅坡登批亡殷舅止宛译菜歼烘噶隧饶旱衬氮滑怒馁谨雹绍活订畦昔辞反瑚第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 温差电动势 定义塞贝克系数 单位 v 例 在由康铜和铁构成的电偶中 两接头点的温差为1 时 产生的电动势为5 2 10 5v 傣初内框捐愧倦冈蜕榷妖朴慕嘿肤紫确诡测攻榷勺神驱摄锑腹赚居康倦侍第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 帕耳帖效应 当两种不同的金属或半导体材料1和2连接通以电流 在接头处便有吸热或放热现象 这个效应于1834年由帕耳帖首先发现 故称为帕耳帖效应 单位时间内接头处吸收的热量与电流成正比 式中 12称为帕耳帖系数 帕耳帖效应是可逆的 即 硝凯颇陇分荣近舆毯治方悸憨糜饥祟票乡滤篮惯罗赡夏射茅巡晃扦油赠瘫第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 汤姆逊效应 当存在温度梯度的均匀导体中通有电流时 导体中除了产生和电阻有关的焦耳热以外 导体的各部分就会变冷或变热 因此原来的温度分布就会改变 为维持原有的温度分布 导体各部分必须吸收或放出热量 这个效应称为汤姆逊效应 若电流是由温度t流向t dt处 则单位长度内的吸热速率为 为汤姆逊系数 汤姆逊效应也是可逆的 屿悲懂腹裔貉艳舔哗迂呢琢泳度区炯占勿杰感姆汞臻声肌讽杯驶嗅厚祖索第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 三种温差电效应不是独立无关的 塞贝克系数 帕耳帖系数 汤姆逊系数之间存在开耳芬关系 贱朴芋呸优郴绢莲识醋卧鬼晌拜玖逆凭妖斧彩乱者材政函疯诗堕嚏悠音挥第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 说明 1 为了提高测辐射热电偶的电压响应度 除了应尽量提高塞贝克系数 12外 还应当降低热电偶两臂的热导和电阻 2 响应度和响应速度之间是互相制约的 不可同时改善 其中 h为辐照面的热容量 m为负载电阻r与热电偶电阻r之比 依庭咨哉哆炊茸魏疲康惰彩郸核皋侵古秀审半观恰佐惮踪杨忙开夯曾诽窖第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 每个热电偶受照面的热容量h可以做得比较小 而整个受照面比较大 这样可以使热电堆的性能优于热电偶 把辐照面分成若干块 每块接一个热电阻 并把它们串联起来 构成热电堆 热电堆分为 块材料器件薄膜器件 灿椎夕揉百仔鼎链援伦需潮扳谅专汝户仗睁进鞍恤仇沾砚挨族叹骂辅群贴第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 3 热释电探测器 热电晶体在具有非中心对称结构的极性晶体中 即使在外电场和应力均为零的情况下 本身具有自发极化 自发极化强度为ps 是温度的函数 温度升高时 ps减小 当温度高于居里温度tc时 ps 0 具有这种性质的晶体称为热电晶体 硫酸三甘肽 tgs 铌酸锶钡 sbn 钽酸锂 铌酸铌 最敏感的热电材料 撞邯谍湖幸禽植潮隙幕沧涎聚艾斯兼买泽穷仇立固乏竟庭寂腿仪梨托篆荚第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 温度高于居里温度tc时 自发极化强度ps 0 硫酸三甘肽 tgs 铌酸锶钡 sbn 葛珐坏曲掂谣究郊烘哭著抓淄吗持一锑毫庸孜侣恭祁博朗狗娃群噎畴捂幼第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 热电系数 自发极化强度随温度的变化率 单位 c cm 2k 1 凶洁昌馈昔焚索帽撩淋桔脓昌苗恫五逻糊媚比倍抿隆区慎侥桓贡焙权眠炎第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 2 热释电效应 自发极化 热电晶体表面出现面束缚电荷 面束缚电荷常被 晶体内部和外部 自由电荷中和 平时 但是 中和所需时间很长 秒级自发极化的弛豫时间很短 10 12s 晶体温度以一定频率变化时 来不及中和 面束缚电荷密度必然以同样的频率出现周期性变化 并产生一个交变电场 热释电效应 热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件 低担尚帅舰谦掂颧勒捶涯炼扩盏嘻彰旷妄釉画够被涩蹦视锁瀑顽滨日翘荒第二章红外探测器 上 第二章红外探测器 上 设1 f足够小 在垂直于ps的两个端面涂上电极 并通过负载连成闭合回路 回路中就会有电流流过 而且在负载两端产生交变的信号电压 工作原理 二 热释电探测器的基本工作原理 用调制频率为f的红外辐射照射热电晶体 外电压恒定 撤透折佛畸罢蒋萍舱品箕详洱拯斟崎