非制冷红外焦平面

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1、非制冷红外焦平面杨珂一红外成像的概述二非制冷型红外探测器三非制冷型红外焦平面阵列原理红外成像的概述红外热成像系统：能够摄取景物红外辐射分布图像，并将其转换为人眼可见视图的装置。电子学组件红外望远镜光学机械扫描器红外探测器组件软件及相关算法红外成像的概述红外探测器光子型红外探测器非制冷红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换。因而需要工作在77K或更低的温度下。缺点：体积大，价格昂贵，制备困难，兼容性差非制冷红外探测器根据红外探测器组件的不同，非制冷型热成像仪可分为三类：第一代热释电摄像机（红外热释电摄

2、像管）第二代凝视型（非制冷凝视焦平面探测器）第三代扫描性（非制冷线列焦平面探测器）非制冷红外探测器探测器性能的改进混合式和集成式探测器的大规模生产混合式和单片机式技术探索期技术成熟期新技术探索期非制冷红外成像的历史与发展非制冷红外探测器非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号。其核心部件是红外焦平面阵列（IRFPA）非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷IRFPA电学读出方式光学读出方式热敏电阻型热释电型热电堆型二极管

3、型热电容型应用光力学效应的非制冷IRFPA基于F-B腔阵列的非制冷IRFBA非制冷型红外焦平面阵列原理3.1热敏电阻型利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等非制冷型红外焦平面阵列原理热敏电阻型红外探测器结构非制冷型红外焦平面阵列原理通常定义红外探测器的响应率R为输出信号（电流或电压）除以输入辐射能量。假定输出信号，则（2.1—3）式中是通过探测像素的偏置电流，是输入辐射能量又由热能量公式可知：（2.1—4）（2.1—5）非制冷型红外焦平面阵列原理因此，信号电压（2.1—6）响应率（2.1—7）衡量系统噪声—

4、—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大的黑体温度发生变化时，能引起阵列输出的信噪比以及读出电路信号产生最小单位的变化，则此温度的变化量即为NETD。非制冷型红外焦平面阵列原理3.2热释电型红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱探测材料：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛（铁电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡非制冷型红外焦平面阵列原理热释电效应：在热平衡条件下，电介质因自发极化要产生表面束缚电荷，这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上

5、的自由电荷所补偿，其电不能显现出来，当温度发生变化，由温度变化引起电介质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补偿，使电介质对外显电性。Ps=pT（具有自发极化的晶体）钛酸钡的结构：钙钛矿型结构非制冷型红外焦平面阵列原理下图是典型的热释电红外焦平面单元的电路连接示意图。若用调制频率为f的红外辐射照射热释电近体，则晶体温度、自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷密度均随频率f发生周期性变化。如果1/f（T）小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于自发极化强度的两个断面间就会产生交变开路电压，通过负载连成闭合回路，就会在回路中有电流流

6、过，而且在负载的两端产生交变的电压信号，完成光电转换。非制冷型红外焦平面阵列原理3.2.1理论参数分析居里温度也称磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。假设在居里温度附近（低于），红外辐射引起相元的变化为，由此引起的电流为（即回路电流的表达式）为：（2.2—1）其中A为像素面积，p为热释电系数非制冷型红外焦平面阵列原理由于热释

7、电探测器是电容性的，需考虑探测单元的电容，则热释电输出信号电压为：从而，探测单元响应率为：如果照射热释电晶体是没有经过调制的红外辐射，则辐射使晶体的温度升高到新的平衡值，同时电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放电荷”，也就不再有输出信号。非制冷型红外焦平面阵列原理因此，热释电红外探测器与其他探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信号输出，所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制。在实际系统中，通常使用调制盘来调制红外辐射。介电热释电材料主要有两类：（1）热电型，特点是极化强度方向能随外加电场而改变（2）热电—非铁电体，特点是自发极化方向不能随外

8、电场改变。热释电红外焦平面所用的材料通