光电探测器-仪表仪器
光电探测器
发布时间： 11:07
光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。 && &&1、光电子发射器件 && &&光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件。其主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声小，是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适于探测微弱光信号；但它结构复杂，工作电压高，体积较大。 && &&光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合，如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。 && &&2、光电导器件 && &&利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件，通常叫做光敏电阻。在可见光波段和大气透过的几个窗口，即近红外、中红外和远红外波段，都有适用的光敏电阻。光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。 && &&硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻是可见光波段用得最多的两种光敏电阻；硫化铅PbS光敏电阻是工作于大气第一个红外透过窗口的主要光敏电阻，室温工作的PbS光敏电阻响应波长范围1.0～3.5μm，峰值响应波长2.4 μm左右；锑化铟InSb光敏电阻主要用于探测大气第二个红外透过窗口，其响应波长3～5μm；碲镉汞器件的光谱响应在8～14 μm，其峰值波长为10.6 μm，与CO2激光器的激光波长相匹配，用于探测大气第三个窗口（8～14μm）° && &&光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。第六章 光电探测器-工作总结范文网
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第六章 光电探测器
第六章 光电探测器? 概述光电器件：探测载波光信息，利用光电效应把光信息转换成电信息的器件。按器件的机理不同，分为热电和光电探测器两大类。?热电探测器：基于光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化， 反映的是入射光的能量或功率和输出电量的函数关系。如热敏电阻、热电偶 和热电堆、气动管（高莱管）、热释电探测器等。 热电探测器对光谱响应没有选择性，从可见光到红外波段均可响应。1? 光电探测器：基于光电效应把光能直接转换成电信息的器件。分类：根据工作效应的不同可以分为：（1）光电子发射器件：光电管和光电倍增管 （2）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻 （3）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管 （4）光磁电器件 按排列结构光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像 器件等26.1 光电探测器的特性参数? 量子效率: 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。描述光电器件 光电转换能力I＝?P＝?＝Ihv ep?e P h?单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器 表面的光子数之比 ?响应度 ：入射的单位光辐射功率所引起的反应电流灵敏度： 电压响应度：Sd ?Ru ?Is PUs P36.1 光电探测器的特性参数光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性 。 ? 光谱响应：峰值响应波长：响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长 截止波长：当响应度下降到其峰值的50%时所对应的波长。? 线性度：探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光 照时趋于平方根关系。4? 响应时间和频率响应当照射探测器的光功率由零增加到某一值时，光电探测器的瞬时输出电流 总不能完全跟随输入变化。 同样，在光照突然停止时也是这样，这就是探 测器的惰性。is ?t ? ? i? 1 ? e ?t / ???is (t ) 上升到稳态值的0.63倍时的时间 响应时间：阶跃输入时，由于探测器存在惰性，当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制 频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高，响应度就随频率升高而降 低。R( f ) ? R0 1 ? ( 2?f? ) 2R0为调制频率f ＝0时的响应度。R( f c ) ? R0 / 2 时的调制频率 响应频率：5? 噪声等效功率（NEP）：使探测器输出电压正好等于输出噪声电压时的入
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浅谈红外焦平面阵列技术原理及发展
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　　摘 要:红外热成像技术是国家安全依赖的主要探测技术手段,已在卫星、导弹、飞机等军事领域获得了广泛的应用。同时随着非致冷红外成像技术的发展,尤其是制造成本大幅度的降低,其在工业、医疗、民用方面的应用也日渐增多。本文介绍了红外焦平面阵列的原理、结构及其分类,着重分析了读出电路的各种性能,并对国内外研制以及生产情况进行了比较。
　　关键词:非致冷 热成像 红外焦平面
　　【中图分类号】 G644.5 【文献标识码】 A 【文章编号】10)03-0013-02
　　一 红外焦平面阵列原理、分类
　　 (一)红外焦平面阵列原理
　　 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列,从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上,探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持,通过输出缓冲和多路传输系统,最终送达监视系统形成图像。
　　 (二)红外焦平面阵列分类
　　 1.根据制冷方式划分
　　 根据制冷方式,红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率,所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1,而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1,相差为两个数量级。不仅如此,它们的其他性能也有很大的差别,前者的响应速度是微秒级,而后者是毫秒级。
　　 2.依照光辐射与物质相互作用原理划分
　　 依此条件,红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器,包括光电子发射探测器和半导体光电探测器,其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感,但光子探测器一般工作在较低的环境温度下,需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器,包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆,利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测,但它们多数工作在室温条件下。
　　 3.按照结构形式划分
　　 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此,按照结构形式分类,红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中,单片式集成在一个硅衬底上,即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料,如红外探测器使用HgCdTe,读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。
　　 4.按成像方式划分
　　 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种,其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分(TDI)技术,采用串行方式对电信号进行读取;凝视型式则利用了二维形成一张图像,无需延迟积分,采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快,但是其需要的成本高,电路也很复杂。
　　 5.根据波长划分
　　 由于运用卫星及其它空间工具,通过大气层对地球表面目标进行探测,只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口:1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm～14mm的长波红外,由此产生三种不同波长的探测器。
　　二 发展现状
　　 (一)高性能
　　 由于用采用诸如MBE、MOCVD这样的高精度控制制作工艺,微机械加工技术和CMOS这样的大型或特大型集成多路传输器,不但实现了如,元这样的大型二维凝视红外焦平面阵列的高速大容量的信号处理,而且获得了高度均匀性的阵列焦平面响应特性,进一步提高了阵列的性能。
　　 短波红外焦平面阵列,迅速实现了商用化。美国新泽西州传感器无限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平面阵列D*值>1013cmHz1/2W-1(室温下),如冷却到250K工作时,D*>1014cmHz1/2W-1,1.3～1.6μm的量子效率接近90%,洛克威尔国际科学中心的PACE-1型元阵列和HAWAⅡ-2型元阵列,平均量子效率65.4%,光响应不均匀性为4.3%。
　　 中波红外焦平面阵列器件中,PtSi阵列经过二十来年的发展改进,性能大幅度提高,噪声等效温差(NETD)已优于0.1℃,三菱512×512元IRCSD已达到0.07～0.033K,801×512元阵列填充因子61%,NETD为0.076℃,最小可分辨温差0.17℃(尼奎斯特),萨尔诺夫的640×480元阵列NETD<0.18K,最小可分辨温差MRT<0.04K(300K,积分时间33毫秒),三菱元PtSi阵列不均匀性±2%;圣巴巴拉研究中心InSb 640×512元阵列的NEΔT优于20mK,元天文应用的InSb阵列量子效率85%(0.9μm～5μm);洛克威尔国际科学中心PGM600-003,640×480元HgCdTe阵列77K量子效率68%,NEΔT平均值为0.013K,该中心的和元阵列也都具有良好的性能。
　　 长波(8～14μm)红外焦平面阵列,HgCdTe阵列发展时间最长,但阵列尺寸不大,目前的性能是非常好的,列工作温度77～88K,量子效率70%～75%,NETD为13mk,双波段工作阵列量子效率为60%;GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列发展到了今天的640×480元特大阵列,工作温度已接近或达到77K,截止波长长达14μm～16μm,如喷气式推进实验室的640×480元GaAs/AlxGa1-xAs阵列,工作温度70K,NEΔT为43mk,NEΔT不均匀性为1.4%,已报导了8～9μm和14～15μm双色640×486元阵列摄像机。
　　 (二)高密度小像元尺寸
　　 大型或特大型高密度集成,特别是如100万和100万元以上探测器元集成焦平面阵列,要求高精度的超大规模集成电路加工技术和微机械加工技术。焦平面阵列技术的发展,很大程度上取决于超大规模集成电路的进展。DRAM每个单元仅要求一个晶体管,而红外焦平面阵列读出电路则需三个或更多的晶体管,而且其中有一个必须是低噪声模拟的。目前,DRAM生产水平设计规格为0.25μm,预生产设计规格已是0.18μm,在这样先进加工条件下,焦平面阵列多路传输器和探测器元尺寸都可进一步缩小,阵列元数集成度更高。图1是焦平面阵列技术发展与微细加工技术的发展趋势关系。目前的红外焦平面阵列,由于采用亚微米加工技术,像元尺寸大为缩小,实现了小像元高密度的红外焦平面集成的进一步发展。由于微细加工技术的发展,PtSi阵列的像元尺寸已小达20×20μm2和17×17μm2,如柯达KIR-×1968元阵列和日本三菱元阵列,HgCdTe阵列已小达18×18μm,如洛克威尔科学中心的HAWAⅡ-2的元阵列,其设计规格为0.8μm,洛克希德马丁红外摄像公司的640×480元非致冷红外焦平面阵列的像元尺寸缩小为28×28μm2,雷声和喷气式推进实验室的8～9μm和14～15μm波段工作的双色GaAlAs/GaAs量子阱阵列像元尺寸小达25～25μm。
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