第一章 紅外探測(cè)器概述-2014

1、傳感器原理與應(yīng)用理學(xué)院理學(xué)院 電子科學(xué)與技術(shù)系電子科學(xué)與技術(shù)系 宋曉偉宋曉偉第一章第一章 紅外探測(cè)器概述紅外探測(cè)器概述n1.1 紅外探測(cè)器物理基礎(chǔ)紅外探測(cè)器物理基礎(chǔ)n1.2 紅外探測(cè)器的性能參數(shù)紅外探測(cè)器的性能參數(shù)n1.3 紅外探測(cè)器性能參數(shù)的測(cè)量紅外探測(cè)器性能參數(shù)的測(cè)量1.1 紅外探測(cè)器物理基礎(chǔ)n任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射。如何檢測(cè)它的存在，測(cè)定它的強(qiáng)弱并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?多數(shù)情況是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?以便應(yīng)用，就是紅外探測(cè)器的主要任務(wù)。紅外探測(cè)器是紅外系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件之一。紅外探測(cè)器所用的材料是制備紅外探測(cè)器的基礎(chǔ)，沒(méi)有性能優(yōu)良的材料就制備不出性能優(yōu)良的紅外探測(cè)器。完整的

2、紅外探測(cè)器的構(gòu)成n一個(gè)完整的紅外探測(cè)器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的光闌、冷屏、場(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測(cè)器還包括杜瓦瓶，有的還包括前置放大器。按探測(cè)器工作機(jī)理區(qū)分，可將紅外探測(cè)器分為熱探測(cè)器熱探測(cè)器和光子探測(cè)器光子探測(cè)器兩大類。1.1.1 熱探測(cè)器n工作原理：熱探測(cè)器吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫升，然后伴隨發(fā)生某些物理性能的變化。測(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)量出它吸收的能量或功率。n常見(jiàn)的類型：常利用的物理性能變化有下列四種，利用其中一種就可以制備一種類型的熱探測(cè)器。1. 金屬或半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)輻射熱器n熱敏物質(zhì)吸收紅外輻射后，溫度升高，

3、阻值發(fā)生變化。阻值變化的大小與吸收的紅外輻射能量成正比。利用物質(zhì)吸收紅外輻射后電阻發(fā)生變化而制成的紅外探測(cè)器叫做熱敏電阻。熱敏電阻常用來(lái)測(cè)量熱輻射，所以又常稱為熱敏電阻測(cè)輻射熱器。常見(jiàn)的熱敏電阻及其應(yīng)用形式十分廣泛。 n 熱敏電阻器種類繁多，一般按阻值溫度系數(shù)可分為負(fù)電阻溫度系數(shù)和正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻器；按其阻值隨溫度變化的大小可分為緩變和突變型；按其受熱方式可分為直熱式和旁熱式；按其工作溫度范圍可分為常溫、高溫和超低溫?zé)崦綦娮杵?；按其結(jié)構(gòu)分類有棒狀、圓片、方片、墊圈狀、球狀、線管狀、薄膜以及厚膜等熱敏電阻器。n 熱敏電阻器的主要特點(diǎn)是對(duì)溫度靈敏度高，熱惰性小，壽命長(zhǎng)，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以及

4、可制成各種不同的外形結(jié)構(gòu)。因此，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種元件已獲得了廣泛的應(yīng)用，如溫度測(cè)量、溫度控制、溫度補(bǔ)償、液面測(cè)定、氣壓測(cè)定、火災(zāi)報(bào)警、氣象探空、開(kāi)關(guān)電路、過(guò)荷保護(hù)、脈動(dòng)電壓抑制、時(shí)間延遲、穩(wěn)定振幅、自動(dòng)增益調(diào)整、微波和激光功率測(cè)量等等。2. 測(cè)輻射熱電偶和熱電堆n把兩種不同的金屬或半導(dǎo)體細(xì)絲(也有制成薄膜結(jié)構(gòu))連成一個(gè)封閉環(huán)，當(dāng)一個(gè)接頭吸熱后其溫度和另一個(gè)接頭不同，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為溫差電現(xiàn)象。利用溫差電現(xiàn)象制成的感溫元件稱為溫差電偶(也稱熱電偶)。溫差電動(dòng)勢(shì)的大小與接頭處吸收的輻射功率或冷熱兩接頭處的溫差成正比，因此，測(cè)量熱電偶溫差電動(dòng)勢(shì)的大小就能測(cè)知接頭處

5、所吸收的輻射功率或冷熱兩接頭處的溫差。圖1-14 熱電偶原理圖n制造溫差電偶的材料有純金屬、合金和半導(dǎo)體。常用于直接測(cè)溫的熱電偶一般是純金屬與臺(tái)金相配而成，如鉑錠鉑、鎳鉻鎳鋁和銅康銅等，它們被廣泛用于測(cè)量1300以下的溫度。用半導(dǎo)體材料制成的溫差電偶比用金屬作成的溫差電偶的靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，常用作紅外輻射的接收元件。將若干個(gè)熱電偶串聯(lián)在一起就成為熱電堆。在相同的輻照下，熱電堆可提供比熱電偶大得多的溫差電動(dòng)勢(shì)。因此，熱電堆比單個(gè)熱電偶應(yīng)用更廣泛。n兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當(dāng)它們構(gòu)成閉環(huán)回路時(shí)，如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不相同，環(huán)路中就產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，這就是溫差電效應(yīng)，也稱為塞貝克效

6、應(yīng)。n單個(gè)熱電偶提供的溫差電動(dòng)勢(shì)比較小，滿足不了某些應(yīng)用的要求，所以常把幾個(gè)或幾十個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)組成熱電堆。熱電堆比熱電偶可以提供更大的溫差電動(dòng)勢(shì)，新型的熱電堆采用薄膜技術(shù)制成，可稱為薄膜型熱電堆。熱電堆圖1-23 熱電堆示意圖3. 氣動(dòng)探測(cè)器n氣體在體積保持一定的條件下吸收紅外輻射后引起溫度升高，壓強(qiáng)增大。壓強(qiáng)增加的大小與吸收的紅外輻射功率成正比，由此，可測(cè)量被吸收的紅外輻射功率。利用上述原理制成的紅外探測(cè)器叫做氣體探測(cè)器。高萊管就是一種典型的氣體探測(cè)器。高萊管工作原理： 當(dāng)輻射通過(guò)紅外窗口到吸收膜上時(shí)，膜吸收輻射并傳給氣室的氣體，氣體溫度升高，壓力增大，柔鏡膨脹。為了測(cè)出它的移動(dòng)量，另用

7、一光源將投射到柔鏡背面的反射膜上。在沒(méi)有輻照時(shí)，氣室內(nèi)氣壓穩(wěn)定，柔鏡處于正常狀態(tài)，由柔鏡背面反射的光因被光柵遮擋照射不到光電管上。當(dāng)有輻照時(shí)，輻射透過(guò)窗口照射到吸收膜，吸收膜將吸收的能量傳給氣室，氣室溫度升高，氣壓增大，柔鏡膜片變形，從而引起反射光線的移動(dòng)，通過(guò)光柵到達(dá)光電管的光強(qiáng)發(fā)生變化，由此可檢測(cè)紅外輻射的強(qiáng)弱。4. 熱釋電探測(cè)器n有些晶體，如硫酸三甘肽，鉭酸鋰和鈮酸鍶鋇等，當(dāng)受到紅外輻射時(shí)，溫度升高，在某一晶軸方向上產(chǎn)生電壓。電壓大小與吸收紅外輻射的功率成正比。n熱釋電紅外傳感器在熱輻射能量發(fā)生改變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷變化。這個(gè)效應(yīng)被用來(lái)探測(cè)紅外輻射的變化。這些熱釋電傳感器應(yīng)用于人體移動(dòng)探測(cè)器

8、，被動(dòng)紅外防盜報(bào)警器，以及自動(dòng)燈開(kāi)關(guān)?；谕瑯拥脑?，熱釋電傳感器通過(guò)紅外吸收方法，應(yīng)用于氣體探測(cè)。 熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)n低噪聲，高響應(yīng)度 n優(yōu)異的共模平衡-雙單元類型 nTO-39，TO-5封裝 n各種濾波器窗口供寬帶或者窄帶應(yīng)用 n單通道或者雙通道器件 n雙元或者四元器件應(yīng)用于防盜產(chǎn)品 n單元器件帶熱補(bǔ)償 典型應(yīng)用n被動(dòng)紅外防盜報(bào)警：Lhi968，對(duì)強(qiáng)烈的白光以及電磁輻射具有優(yōu)異的抗干擾性能。 n人體移動(dòng)探測(cè)： n天花板安裝人體探測(cè) n氣體分析 n非接觸紅外測(cè)量小結(jié)：n熱探測(cè)器是一種對(duì)一切波長(zhǎng)的輻射都具有相同響應(yīng)的無(wú)選擇性探測(cè)器。但實(shí)際上對(duì)某些波長(zhǎng)的紅外輻射的響應(yīng)偏低，等能量光譜響應(yīng)曲線并

9、不是一條水平直線，這主要是由于熱探測(cè)器材料對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的反射和吸收存在著差異。n物體吸收輻射，晶格振動(dòng)加劇，輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，溫度升高。由于物體溫度升高，與溫度有關(guān)的物理性能發(fā)生變化。這種物體吸收輻射使其溫度發(fā)生變化從而引起物體的物理、機(jī)械等性能相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為熱效應(yīng)。利用熱效應(yīng)制成的探測(cè)器稱為熱探測(cè)器。1.1.2 光子探測(cè)器n光子探測(cè)器吸收光子后，發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起幾種電學(xué)現(xiàn)象。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。測(cè)量光子效應(yīng)的大小可以測(cè)定被吸收的光子數(shù)。利用光子效應(yīng)制成的探測(cè)器稱為光子探測(cè)器。1. 光電子發(fā)射器件（外光電效應(yīng)）n當(dāng)光入射到某些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體表面時(shí)，如果光子

10、能量足夠大，能使其表面發(fā)射電子，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電子發(fā)射，屬于外光電效應(yīng)。n利用光電子發(fā)射制成的器件稱為光電子發(fā)射器件。如光電管和光電倍增管。光電倍增管的靈敏度很高，時(shí)間常數(shù)較短（約幾個(gè)毫微秒），所以在激光通訊中常使用特制的光電倍增管。光電倍增管的應(yīng)用場(chǎng)合n將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的真空電子器件。光電管通常用于自動(dòng)控制、光度學(xué)測(cè)量和強(qiáng)度調(diào)制光的檢測(cè)。如用于保安與警報(bào)系統(tǒng)、計(jì)數(shù)與分類裝置、影片音膜復(fù)制與還音、彩色膠片密度測(cè)量以及色度學(xué)測(cè)量等。光電倍增管用在光學(xué)測(cè)量?jī)x器和光譜分析儀器中。它能在低能級(jí)光度學(xué)和光譜學(xué)方面測(cè)量波長(zhǎng) 2001200納米的極微弱輻射功率。閃爍計(jì)數(shù)器的出現(xiàn)，擴(kuò)大了光電倍增管的

11、應(yīng)用范圍。激光檢測(cè)儀器的發(fā)展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關(guān)。電視電影的發(fā)射和圖像傳送也離不開(kāi)光電倍增管。光電倍增管廣泛地應(yīng)用在冶金、電子、機(jī)械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。 圖1-26 光電倍增管原理圖n光電管由真空管殼內(nèi)的光電陰極和陽(yáng)極所構(gòu)成（圖中 a）。陽(yáng)極相對(duì)陰極為正電位。光或輻射照射陰極時(shí)，陰極發(fā)射光電子。光電子在電場(chǎng)的作用下到達(dá)陽(yáng)極，在電路中產(chǎn)生光電流。 光電倍增管由真空管殼內(nèi)的光電陰極、陽(yáng)極以及位于其間的若干個(gè)倍增極構(gòu)成（圖中 b）。工作時(shí)在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當(dāng)光或輻射照射陰極時(shí)，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場(chǎng)的作用下逐級(jí)轟擊次級(jí)發(fā)射倍增極，在

12、末級(jí)倍增極形成數(shù)量為光電子的106108倍的次級(jí)電子。眾多的次級(jí)電子最后為陽(yáng)極收集，在陽(yáng)極電路中產(chǎn)生可觀的輸出電流。 2. 光電導(dǎo)探測(cè)器n當(dāng)半導(dǎo)體吸收入射光子后，半導(dǎo)體內(nèi)有些電子和空穴從原來(lái)不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)變到能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。n利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器叫做光電導(dǎo)探測(cè)器，是目前，它是種類最多應(yīng)用最廣的一類光子探測(cè)器。光電導(dǎo)探測(cè)器的分類n光電導(dǎo)探測(cè)器可分為單晶型和多晶薄膜型兩類。n多晶薄膜型光電導(dǎo)探測(cè)器的種類較少，主要的有響應(yīng)于13微米波段的FbS、響應(yīng)于35pm波段的PbSe和PbTe(PbTe探測(cè)器，有單晶型和多晶薄膜型兩種)

13、。n單晶型光電導(dǎo)探測(cè)器，早期以銻化銦(InSb)為主，只能探測(cè)7微米以下的紅外輻射，后來(lái)發(fā)展了響應(yīng)波長(zhǎng)隨材料組分變化的銻鎘汞(Hg1-xCdxTe)和銻錫鉛(Pb1-xSnxTe)三元化合物探測(cè)器，在77K溫度下對(duì)8到14微米波段的紅外輻射的探測(cè)率很高。3. 光伏探測(cè)器np-n結(jié)及其附近吸收光子后產(chǎn)牛電子和空穴。在結(jié)區(qū)外，它們靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)內(nèi)，則受結(jié)的靜電場(chǎng)作用電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。n區(qū)獲得附加電子，p區(qū)獲得附加空穴，結(jié)區(qū)獲得一附加電勢(shì)差。它與p-n結(jié)原來(lái)存在的勢(shì)壘方向相反，這就要降低p-n結(jié)原有的勢(shì)壘高度，使得擴(kuò)散電流增加，直到達(dá)到新的平衡為止。如果把半導(dǎo)體兩端用導(dǎo)線連結(jié)起

14、來(lái)，電路中就有反向電流流過(guò)，用靈敏電流計(jì)可以測(cè)量出來(lái)；如果p-n結(jié)兩端開(kāi)路，可用高阻毫伏計(jì)測(cè)量出光生伏特電壓。這就是p-n結(jié)的光伏效應(yīng)。利用光伏效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器稱為光伏探測(cè)器(簡(jiǎn)稱PV器件)。4. 光磁電探測(cè)器n在樣品橫向加一磁場(chǎng)，當(dāng)半導(dǎo)體表面吸收光子后所產(chǎn)生的電子和空穴隨即向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中由于受橫向磁場(chǎng)的作用，電子和空穴分別向樣品兩端偏移，在樣品兩端產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象叫做光磁電效應(yīng)。利用光磁電效應(yīng)制成的探測(cè)器稱為光磁電探測(cè)器(簡(jiǎn)稱PEM器件)。小結(jié)：n光電子發(fā)射屬于外光電效應(yīng)。光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電三種屬于內(nèi)光電效應(yīng)。光子探測(cè)器能否產(chǎn)生光子效應(yīng)，決定于光于的能量。入射光子能量

15、大于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg(或雜質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)電離能Ed或Ea)就能激發(fā)出光生載流子。入射光子的最大波長(zhǎng)(也就是探測(cè)器的長(zhǎng)波限)與半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg有如下關(guān)系：1.1.3 熱探測(cè)器與光子探測(cè)器性能比較n光子探測(cè)器主要是測(cè)出光子的吸收速率，而熱探測(cè)器是測(cè)光子探測(cè)器主要是測(cè)出光子的吸收速率，而熱探測(cè)器是測(cè)出能量的吸收速率，所以它們對(duì)輻射的響應(yīng)的形式是不同出能量的吸收速率，所以它們對(duì)輻射的響應(yīng)的形式是不同的。的。n熱探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射都有相應(yīng)，而光子探測(cè)器只對(duì)熱探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射都有相應(yīng)，而光子探測(cè)器只對(duì)它長(zhǎng)波限的一段波長(zhǎng)區(qū)間有響應(yīng)。它長(zhǎng)波限的一段波長(zhǎng)區(qū)間有響應(yīng)。n熱探測(cè)器一般在工作時(shí)不

16、需要冷卻，而光子探測(cè)器多數(shù)需熱探測(cè)器一般在工作時(shí)不需要冷卻，而光子探測(cè)器多數(shù)需要冷卻。要冷卻。n熱探測(cè)器的響應(yīng)速度一般低于光子探測(cè)器，而響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)熱探測(cè)器的響應(yīng)速度一般低于光子探測(cè)器，而響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于光子探測(cè)器。于光子探測(cè)器。n熱探測(cè)器的性能與器件的尺寸、形狀、工藝細(xì)節(jié)等有很大熱探測(cè)器的性能與器件的尺寸、形狀、工藝細(xì)節(jié)等有很大關(guān)系，因此要求有高的工藝水平，產(chǎn)品性能不容易穩(wěn)定，關(guān)系，因此要求有高的工藝水平，產(chǎn)品性能不容易穩(wěn)定，情況有點(diǎn)類似與薄膜型光子探測(cè)器，而單晶型的光子探測(cè)情況有點(diǎn)類似與薄膜型光子探測(cè)器，而單晶型的光子探測(cè)器，無(wú)論在單晶生長(zhǎng)、器件制造工藝及物理機(jī)構(gòu)等方面都器，無(wú)論在單晶生長(zhǎng)、器件

17、制造工藝及物理機(jī)構(gòu)等方面都比較清楚、先進(jìn)、定型，產(chǎn)品能夠規(guī)格化。比較清楚、先進(jìn)、定型，產(chǎn)品能夠規(guī)格化。1.2 紅外探測(cè)器的性能參數(shù)光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測(cè)器的光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測(cè)器的性能性能進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而探測(cè)器的性能由進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而探測(cè)器的性能由特定工作特定工作條件條件下的一些參數(shù)來(lái)表征。下的一些參數(shù)來(lái)表征。n實(shí)際參量實(shí)際參量n參考參量參考參量n測(cè)量條件測(cè)量條件1.2.1 1.2.1 探測(cè)器的主要工作條件探測(cè)器的主要工作條件光電探測(cè)器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，在給出性光電探測(cè)器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，在給出性能參數(shù)時(shí)，能參數(shù)時(shí)，要注明有關(guān)的工作條件要注明有關(guān)的工作條件

18、。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)?。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橹挥羞@樣，光電探測(cè)器才能只有這樣，光電探測(cè)器才能互換使用互換使用。主要工作條件有：主要工作條件有：1入射輻射的入射輻射的光譜分布光譜分布 2電路的電路的頻率范圍頻率范圍3工作溫度工作溫度4光敏面的形狀尺寸光敏面的形狀尺寸5偏置情況偏置情況6. 特殊工作條件特殊工作條件1.入射輻射的光譜分布入射輻射的光譜分布很多光電探測(cè)器（特別是光子探測(cè)器），其響應(yīng)很多光電探測(cè)器（特別是光子探測(cè)器），其響應(yīng)是輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。僅對(duì)一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻是輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。僅對(duì)一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射有信號(hào)輸出，稱為射有信號(hào)輸出，稱為光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)，它決定了探測(cè)器，它決定了探測(cè)器

19、探測(cè)特定目標(biāo)的有效程度。在說(shuō)明探測(cè)器的性能探測(cè)特定目標(biāo)的有效程度。在說(shuō)明探測(cè)器的性能時(shí)，一般都需要給出測(cè)定性能時(shí)所用輻射源的光時(shí)，一般都需要給出測(cè)定性能時(shí)所用輻射源的光譜分布。譜分布。n如果輻射源是單色輻射，則需給出如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長(zhǎng)輻射波長(zhǎng)。假。假如輻射源是黑體，那么要指明如輻射源是黑體，那么要指明黑體的溫度黑體的溫度。n當(dāng)輻射經(jīng)過(guò)調(diào)制時(shí)，則要說(shuō)明當(dāng)輻射經(jīng)過(guò)調(diào)制時(shí)，則要說(shuō)明調(diào)制頻率調(diào)制頻率。2.電路的頻率范圍電路的頻率范圍因噪聲限制了探測(cè)器的極限性能因噪聲限制了探測(cè)器的極限性能(后面將詳后面將詳細(xì)討論細(xì)討論)。n噪聲電壓或電流均噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根正比于帶寬

20、的平方根，有些噪聲還是頻率的函數(shù)。有些噪聲還是頻率的函數(shù)。n在描述探測(cè)器的性能時(shí)，必須明確在描述探測(cè)器的性能時(shí)，必須明確通頻帶通頻帶和帶寬和帶寬。3.工作溫度工作溫度n許多探測(cè)器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測(cè)器，許多探測(cè)器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測(cè)器，無(wú)論是信號(hào)還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系，無(wú)論是信號(hào)還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系，所以必須所以必須明確工作溫度明確工作溫度。n通用的工作溫度通用的工作溫度是：是：n 室溫室溫(295K)、 n 干冰溫度干冰溫度(195K)、n 液氮溫度液氮溫度(77K)、n 液氫溫度液氫溫度(20.4K)n 液氦溫度液氦溫度(4.2K) 4.光敏面的形

21、狀和尺寸光敏面的形狀和尺寸n探測(cè)器的探測(cè)器的信號(hào)信號(hào)和和噪聲噪聲都和光敏面積有關(guān)都和光敏面積有關(guān)，大部分探測(cè)器的信噪比與大部分探測(cè)器的信噪比與光敏面積的平方光敏面積的平方根成比例根成比例。n參考面積一般為參考面積一般為1cm2。 5.偏置情況偏置情況n大多數(shù)探測(cè)器需要某種形式的偏置。大多數(shù)探測(cè)器需要某種形式的偏置。例如：光電導(dǎo)探測(cè)器和電阻測(cè)輻射熱器需要直流偏例如：光電導(dǎo)探測(cè)器和電阻測(cè)輻射熱器需要直流偏置電源置電源n信號(hào)和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要信號(hào)和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要說(shuō)明偏說(shuō)明偏置的情況置的情況。n此外，對(duì)于此外，對(duì)于受背景光子噪聲限制受背景光子噪聲限制的探測(cè)器，應(yīng)注的探測(cè)器

22、，應(yīng)注明明光學(xué)視場(chǎng)光學(xué)視場(chǎng)和和背景溫度背景溫度。n對(duì)于對(duì)于非密封型的薄膜探測(cè)器非密封型的薄膜探測(cè)器，要，要標(biāo)明濕度標(biāo)明濕度。 1.2.2 紅外探測(cè)器的性能參數(shù)紅外探測(cè)器的性能參數(shù)n1.響應(yīng)度響應(yīng)度(響應(yīng)率響應(yīng)率) n2. .探測(cè)器的探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 n3. 噪聲等效功率噪聲等效功率n4.探測(cè)率探測(cè)率n5. 探測(cè)器的探測(cè)器的光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)1.響應(yīng)度響應(yīng)度(或稱響應(yīng)率或稱響應(yīng)率)Rv或或RI1 1）響應(yīng)率是）響應(yīng)率是描述探測(cè)器靈敏度描述探測(cè)器靈敏度的參量。它表征探測(cè)的參量。它表征探測(cè)器器輸出輸出信號(hào)信號(hào)與與輸入輸入輻射輻射之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為光電探測(cè)器的光電探測(cè)器

23、的靈敏度靈敏度。2 2）定義：光電探測(cè)器的輸出均方根電壓）定義：光電探測(cè)器的輸出均方根電壓VsVs或電流或電流IsIs與入射到光電探測(cè)器上的平均光功率之比。與入射到光電探測(cè)器上的平均光功率之比。R Rv vV Vs ss s R RI Iis ss s 分別稱為光電探測(cè)器的分別稱為光電探測(cè)器的電壓響應(yīng)率電壓響應(yīng)率和和電流響應(yīng)率電流響應(yīng)率。3 3）測(cè)量響應(yīng)率的輻射源一般是）測(cè)量響應(yīng)率的輻射源一般是500K500K的黑的黑體體。 4 4）單色靈敏度單色靈敏度和和積分靈敏度積分靈敏度。單色靈敏度單色靈敏度1 1）如果使用波長(zhǎng)為）如果使用波長(zhǎng)為的單色輻射源，則稱為單色響應(yīng)率或的單色輻射源，則稱為單色響

24、應(yīng)率或單色靈敏度單色靈敏度，又叫，又叫光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度，用，用R R表示，表示，2 2）定義：光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測(cè)）定義：光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測(cè)器上單色輻射通量器上單色輻射通量( (光通量光通量) )之比。之比。 (V/W) (V/W) (A/W) (A/W) 式中，式中， ()()為入射的單色輻射通量或光通量。如果為入射的單色輻射通量或光通量。如果()()為光通量，則為光通量，則R Rvv的單位為的單位為V Vlmlm。 ( )VVsR ( )sIIR 積分靈敏度積分靈敏度n積分靈敏度積分靈敏度表示探測(cè)器對(duì)表示探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量連續(xù)輻射通量的反

25、應(yīng)程的反應(yīng)程度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量為：度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量為：n n光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分靈敏度。比稱為積分靈敏度。d)(0由于光電探測(cè)器輸出的光電流是由不同波長(zhǎng)的光輻由于光電探測(cè)器輸出的光電流是由不同波長(zhǎng)的光輻射引起的，所以輸出光電流為：射引起的，所以輸出光電流為： 可得積分靈敏度為：可得積分靈敏度為： 式中，式中， 、 分別為光電探測(cè)器的分別為光電探測(cè)器的長(zhǎng)波限長(zhǎng)波限和和短波限短波限。n由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)

26、生的光譜通量分布也不相同，因此一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時(shí)提供數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫。0011( )( )( )ssIIdRd 0101)()(ddRR012.2.探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間（時(shí)間常數(shù)）探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間（時(shí)間常數(shù)）1 1）響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射）響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射輻射輻射響應(yīng)快慢響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。的一個(gè)參數(shù)。2 2）當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射）當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輸出上輸出上升到穩(wěn)定值升到穩(wěn)定值或或下降到照射前的值下降到照射前的值所所需時(shí)間稱為響

27、應(yīng)時(shí)間。常用需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。常用時(shí)間常時(shí)間常數(shù)數(shù) 的大小來(lái)表示。的大小來(lái)表示。當(dāng)用一個(gè)輻射脈沖照射光電探測(cè)器，當(dāng)用一個(gè)輻射脈沖照射光電探測(cè)器，如果這個(gè)脈沖的上升和下降時(shí)間很如果這個(gè)脈沖的上升和下降時(shí)間很短，如方被，則光電探測(cè)器的輸出短，如方被，則光電探測(cè)器的輸出由于由于器件的惰性器件的惰性而有延遲，把從而有延遲，把從1010上升到上升到9090峰值處所需的時(shí)間稱峰值處所需的時(shí)間稱為探測(cè)器的為探測(cè)器的上升時(shí)間上升時(shí)間，而把從，而把從9090下降到下降到1010處所需的時(shí)間稱為處所需的時(shí)間稱為下降下降時(shí)間時(shí)間。 3.噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)1）定義）定義為信號(hào)功率與噪聲功率之比為為信號(hào)功率與噪聲功率之比為1(即即SN1)時(shí)，入射時(shí)，入射到探測(cè)器上的到探測(cè)器上的輻射通量輻射通量(單位為瓦單位為瓦)。 n一個(gè)良好的探測(cè)器件的一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為約為10-11W。NEP越小，越小，噪聲越小，器件的性能越好。噪聲越小，器件的性能越好。n 應(yīng)指明測(cè)量條件，如應(yīng)指明測(cè)量條件，如光譜分布光譜分布、頻率、溫度等頻率、溫度等。2 2）作用：）作用：確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限。 NSNEPe/3探測(cè)率探測(cè)率D與比探測(cè)率與比探測(cè)率D*n只用只用NEP無(wú)法無(wú)法比較兩個(gè)不同來(lái)源的光探器比較兩個(gè)不同