红外成像阵列与系统（2）ppt课件

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1、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:图3．１热红外传感器的工作原理温度变化由以下方式测的电阻变化（辐射计）热电结（TE传感器）热释电效应油膜蒸发（蒸发术）半导体吸收带漂移热弹性效应液体晶体颜色改变气体压力变化（GOLAY盒）传感器受入射红外辐射光加热支撑衬底面积A传感器支撑腿信号辐射热探测像素阵列，每个像素包括

2、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；３）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

3、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。图3．２热释电探测器装置结构红外吸收器和普通电极半透明金属有机物反射金属BST像素金属触点硅读出电路后方接触平台倒装焊方式隔板结构Ｔaxas公司（DallasTaxas）混合型热电／铁电辐射计阵列。探测层是由约为２５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

4、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。图3．３微辐射计像素结构X金属Ｙ金属单片双极性晶体管氮化硅和氧化钒红外辐射图3．３微辐射计像素结构X金属Ｙ金属单片双极性晶体管氮化硅和氧化钒红外辐射(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ω，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

5、)这里τ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=1×10-7W/℃，则C必须为1×10-9J/℃.假定50µm2的单元，为了得到C=1×10-9J/℃，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

6、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△Ｔ足够小，以保证电阻变化△Ｒ与△Ｔ线性(2-6)也可以α表示电阻变化，α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：α＝0.002（℃）－１半导体：α=-0.02（℃）－１超导体：α＝2.0（℃）－１输出信号（电压或电流）除以输入辐射光。假定输出信号ＶＳ，则ＶＳ＝ibΔR=ibαRΔT（2-9）ib是流过探测像素的偏置电流.红外探测器的响应率Ｒ温度

7、增加量△Ｔ：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；τ0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3～5μm及8～14μm的光谱范围内的值为(Lloyd，1975)：=2.1