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1、Page 1非制冷红外焦平面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Page 2非制冷红外焦平面红外成像的概述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。电子学组件电子学组件红外望远镜红外望远镜光学机械扫描器光学机械扫描器红外探测器组件红外探测器组件软件及相关算法软件及相关算法Page 3非制冷红外焦平面红外成像的概述红外成像的概述红外红外探测器探测器光子型红外探测器光子型红外探测器非制冷红外探测器非制冷红外探测器接受窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换。因而须要工作在77
2、K或更低的温度下。缺点：体积大，价格昂贵，制备困难，兼容性差Page 4非制冷红外焦平面非制冷红外探测器非制冷红外探测器依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（红外热释电摄像管）其次代凝视型（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）Page 5非制冷红外焦平面非制冷红外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Page 6非制冷红外焦平面非制冷红外探测器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，由红外吸取材料将红外辐射能转换成
3、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更，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）Page 7非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷非制冷IRFPA电学读出方式电学读出方式光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IRFBAPage 8非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理3.1热敏电阻型热敏电阻型利用热敏电阻的阻值随温度变更来探测辐射的利用热敏电阻的阻值随温度变更来探测辐射的
4、强弱强弱探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等 Page 9非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理热敏热敏电阻电阻型型红外红外探测探测器器结构结构Page 10非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理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（2.13）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：（2.14）（2.15）Page 11非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理因此，信号电压（2.16）
5、响应率 （2.17）衡量系统噪声噪声等效温差（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更时，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更，则此温度的变更量即为NETD。Page 12非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理3.2热释电型热释电型红外辐射使材料温度变更，引起材料的自发极红外辐射使材料温度变更，引起材料的自发极化强度变更，在垂直于自发极化方向的两个晶面出化强度变更，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。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通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱的强弱探测材料
6、：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛探测材料：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（铁电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡Page 13非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理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的自由电荷所补偿，其电不能显现出来，当温度发生变更，由温度变更引起电介质的极化状态的变更不能刚好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：钙钛矿型结构钛酸钡的结构：钙钛矿型结构Page 14非制冷红
7、外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理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发生周期性变更。假如1/f（T）小于自由电荷中和面束缚电荷所须要的时间，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过，而且在负载的两端产生交变的电压信号，完成光电转换。Page 15非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理3.2.1 理论参数分析理论参数分析居里温度也称磁性转变点，是指材料可以在铁居
8、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变更的温度，即铁电体从铁电磁体和顺磁体之间变更的温度，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变更。当为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难变更。当温度高于居里点温度时温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体该物质成为顺磁体，磁体的磁场很简洁随四周磁场的变更而变更。的磁场很简洁随四周磁场的变更而变更。假设在居里温度假设在居里温度 旁边（低于旁边（低于 ），红外辐射），
9、红外辐射引起相元的变更为引起相元的变更为 ，由此引起的电流为，由此引起的电流为（即回（即回路电流的表达式）为：路电流的表达式）为：（2.21）其中其中A为像素面积，为像素面积，p为热释电系数为热释电系数 Page 16非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理由于热释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：假如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上升到新的平衡值，同时电极表面的感应电荷也变更到新的平衡值，不再“释放电荷”，也就不再有输出信号。Page 17非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列
10、原理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需经过调制。在实际系统中，通常运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变更（2）热电非铁电体，特点是自发极化方向不能随外电场改 变。热释电红外焦平面所用的材料通常属于热电铁电体。Page 18非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理3.3热电堆型热电堆型由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触点处的温度不同时，由于温度梯
11、度路，当两接触点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势，这种现象称为电势，这种现象称为Seebeck效应。而这种结构效应。而这种结构称之为热电偶。称之为热电偶。一系列的热电偶串联称为一系列的热电偶串联称为热电堆，其示意图如右所热电堆，其示意图如右所示。因而，可以通过测量示。因而，可以通过测量热电堆两端的电压变更，热电堆两端的电压变更，探测红外辐射的强弱。探测红外辐射的强弱。Page 19非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷
12、型红外焦平面阵列原理目前用于热电堆型非制冷红外焦平面阵列的热电偶有：（1）P型多晶硅和金热电偶（2）Si外延层P型扩散区和铝热电偶（3）N型和P型的多晶硅热电偶。其中，N型和P型多晶硅热电偶，是当前探讨的比较深也是最有前途的探测材料。Page 20非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理3.4二极管型二极管型这种红外探测技术利用半导体这种红外探测技术利用半导体PN结具有良好结具有良好的温度特性。与前面所述的各种非制冷红外探测的温度特性。与前面所述的各种非制冷红外探测器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单晶器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶或多晶PN结
13、，与结，与CMOS工艺完全兼容，易于单片工艺完全兼容，易于单片集成，特别适合大批量生产。集成，特别适合大批量生产。Page 21非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理3.5热电容型热电容型这种非制冷红外焦平面阵列首先由美国橡树岭这种非制冷红外焦平面阵列首先由美国橡树岭国家试验室在上世纪国家试验室在上世纪90年头中期提出，随后年头中期提出，随后Samoff,Sarcon Microsystems公司接着研发，公司接着研发，这种技术接受热膨胀系数不同的两种材料的薄膜这种技术接受热膨胀系数不同的两种材料的薄膜黏合在一起形成双材料薄膜，它随着温度的变更黏合在一起形成双材料
14、薄膜，它随着温度的变更而发生弯曲。而发生弯曲。Page 22非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理例如可以接受金属铝和氮化硅薄膜组成双材料微悬臂梁，氮化硅在红外辐射下吸取热量并且温度上升，导致微悬臂梁发生弯曲。在硅衬底上淀积的一层铝与微悬臂梁上的铝形成一个可变电容，微悬臂梁的弯曲使电容的大小发生变更，通过集成在探测器上的CMOS读出电路测出电容的变更，从而探测出红外辐射的强弱。Page 23非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理光学读出非制冷红外焦平面光学读出非制冷红外焦平面光学读出方式是一种全新的红外探测技术，与光学读出方式是一种全
15、新的红外探测技术，与传统的电学读出红外探测技术相比，它具有一系传统的电学读出红外探测技术相比，它具有一系列潜在的优点：列潜在的优点：（1）接受光学读出，利用光学原理实现像增加与像）接受光学读出，利用光学原理实现像增加与像转换，转换，整个系统是全光系统，不须要困难而整个系统是全光系统，不须要困难而浩大的读出电路浩大的读出电路（2）具有可视性，可以用眼睛而不用其他任何接受）具有可视性，可以用眼睛而不用其他任何接受装置视察到红外图像装置视察到红外图像（3）探测灵敏度高，其理论预料探测灵敏度极限可）探测灵敏度高，其理论预料探测灵敏度极限可以达到以达到k量级量级（4）潜在的价格优势明显，具有高性价比的潜
16、力）潜在的价格优势明显，具有高性价比的潜力Page 24非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理4.1应用光力学效应的焦平面阵列应用光力学效应的焦平面阵列当当FPA单元吸取入射的单元吸取入射的红外辐射产生温升时，红外辐射产生温升时，由于组成微悬臂梁的双由于组成微悬臂梁的双材料热膨胀系数存在差材料热膨胀系数存在差异，梁会产生弯曲变形异，梁会产生弯曲变形 或离面位移。或离面位移。每个像素的温升不同，产生的转角变更或离面每个像素的温升不同，产生的转角变更或离面位移也就不同，再利用光学检测系统读出这些转位移也就不同，再利用光学检测系统读出这些转角变更或离面位移，并把这些信号
17、转化成相应辐角变更或离面位移，并把这些信号转化成相应辐射源的热图像。射源的热图像。Page 25非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理优优点点Page 26非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理4.2基于基于F-B微腔阵列型微腔阵列型F-B干涉型光学读出热成像系统的工作机理是干涉型光学读出热成像系统的工作机理是红外热效应、双金属片效应和光的干涉原理，利红外热效应、双金属片效应和光的干涉原理，利用双材料梁由于红外热效应和双金属片效应而产用双材料梁由于红外热效应和双金属片效应而产生的位移对可见光的强度进行调制，从而将红外生的位移对可见光的强度进行调制，从而将红外图像干脆转化为可见光图像。图像干脆转化为可见光图像。Page 27非制冷红外焦平面非制冷型红外焦平面阵列原理非制冷型红外焦平面阵列原理红外辐射经红外光学系统从滤波片一侧入射到可动微镜上，可动微镜吸取红外辐射后温度上升，导致镜面区域与弯折梁固定端存在一个温度梯度，双层材料弯折梁将发生弯曲形变，带动镜面上下运动，变更了可动微镜与固定面之间的距离，当微镜的位移在01/4内变更时，反射光强随之单调变更，可以用CCD相机或者眼睛、光屏可以接收到可见光图像。感谢！感谢！