红外热成像器件成像物理
红外热成像仪原理与应用分析
原理阐述
红外热成像仪利用红外探测器接收目标物体发射的红外能量，并将其转化为电 信号。这些电信号经过处理和解析，最终形成可供观察和分析的热图像。红外 热成像仪能够检测到目标物体温度的微小变化，因此可用于监测设备的运行状 态、检测疾病病变以及监控安全等领域。
设备介绍
红外热成像仪主要由红外探测器、光学系统、电子处理系统和显示终端等组成。 其中，红外探测器是核心部件，它能够将红外能量转化为电信号。光学系统则 用于聚焦和传输红外能量至红外探测器。电子处理系统则对探测器输出的电信 号进行处理，以便在显示终端上显示出热图像。
未来展望
红外热成像无损检测技术在未来将得到更广泛的应用和推广。随着科学技术的 发展，该技术将不断优化和创新，提高检测的灵敏度和准确性，扩大应用范围。 例如，在医疗领域，红外热成像无损检测技术可用于医学诊断和疾病监测；在 能源领域，该技术可应用于太阳能电池板的无损检测。
结论
红外热成像无损检测技术是一种基于红外热成像技术的无损检测方法，具有非 接触、非破坏、快速、高灵敏度等优点。本次演示介绍了红外热成像无损检测 技术的原理及其应用，包括发动机无损检测、金属材料质量检测、建筑质量检 测等。随着科学技术的发展，该技术在未来将得到更广泛的应用和推广，为各 个领域的无损检测和监测提供强有力的技术支持。
红外热像仪图像分析系统组件在多个领域都有广泛的应用，以下是几个主要的 应用领域：
1、工业检测：红外热像仪图像分析系统可以用于工业生产中的产品质量检测、 设备故障检测等。通过分析物体发出的红外辐射，可以快速、准确地检测出产 品的缺陷和设备的故障点，大大提高了生产效率和产品质量。
2、医疗诊断：红外热像仪图像分析系统在医疗领域也有着广泛的应用。例如， 可以利用该系统对皮肤疾病进行诊断，通过分析病变部位发出的红外辐射，可 以判断出疾病的类型和严重程度。此外，还可以用于中医诊断等领域。
热成像工作原理
热成像工作原理
热成像技术是一种利用物体的红外辐射进行成像的非接触式检测技术。
它通过测量物体表面的红外辐射能量，将其转换成电信号，再经过处
理和分析，最终得到图像信息。
热成像技术的工作原理基于物体表面发出的红外辐射能量与物体温度
之间的关系。
根据普朗克定律和斯特藩-玻尔兹曼定律，一个物体的热辐射强度与其温度呈正比关系，而且随着温度升高，热辐射强度也会
增加。
因此，在一个相对低温的环境中，如果一个物体表面温度比周围环境
要高，则它会向周围环境发出更多的红外辐射能量。
而这些红外辐射
能量可以被热成像仪器所探测到，并转换为电信号。
具体来说，热成像仪器通过一组红外探测器阵列来扫描被检测物体表
面的红外辐射能量。
这些探测器通常采用微机电系统（MEMS）技术
制造，具有高灵敏度和快速响应的特点。
当红外辐射能量被探测器阵
列吸收时，它会产生电信号，并经过放大和滤波处理后，被传输到成
像处理器中。
成像处理器会对电信号进行数字化处理，并将其转换为图像信息。
它
可以根据探测器阵列扫描的位置和时间信息，计算出每个像素点对应
的红外辐射能量大小，并将其映射到图像上。
这样就可以得到一个反
映物体表面温度分布情况的热成像图像。
总之，热成像技术利用物体表面发出的红外辐射能量与温度之间的关系，通过探测器阵列和成像处理器等装置对其进行检测和分析，最终
得到一个反映物体表面温度分布情况的热成像图像。
它在工业、医学、安防等领域都有广泛应用。
红外线技术在热成像方面的应用
红外线技术在热成像方面的应用红外线技术是一种非接触式测温技术，与传统接触式测温方法相比，具有测温快速、准确性高、安全性强等优点，因此在热成像方面广泛应用。
本文将分别从红外线技术的测温原理、应用领域、优缺点三个方面介绍红外线技术在热成像方面的应用。
一、红外线技术的测温原理红外线技术是一种通过检测物体发出或反射的红外辐射来测量物体表面温度的技术，其原理基于物质对热辐射的吸收和反射特性。
物体表面的红外辐射是与物体表面温度直接相关的，当物体表面温度升高时，其发射的红外辐射也会随之增强。
使用红外线相机可以捕捉到微弱的红外辐射信号，并通过算法计算出物体表面的温度分布图。
二、红外线技术的应用领域红外线技术的应用领域非常广泛，其中热成像技术是其主要应用之一。
以下是热成像技术在不同领域的应用：1. 建筑领域在建筑领域，热成像技术可以用来检测建筑墙体、窗户、屋顶等部位的隐蔽缺陷，如漏水、渗水、漏热等。
通过对建筑物的热成像检测，可以及时发现和修复隐蔽缺陷，提高建筑物的能源利用效率。
2. 电力领域在电力领域，热成像技术主要应用于发电机、变压器、电缆等设备的故障诊断和维护。
通过对设备的热成像检测，可以准确发现并诊断其温升异常和故障。
3. 机械制造领域在机械制造领域，热成像技术主要用于机器设备、轴承、齿轮等部件的检测和维护，及时发现并修复设备的故障和异常，提高生产效率和设备寿命。
4. 医疗领域在医疗领域，热成像技术可以用来检测人体表面器官的温度分布，诊断患者是否存在疾病。
比如，对于肿瘤患者，热成像技术可以在早期发现其异常的温升情况，从而提高治疗效果。
三、红外线技术在热成像方面的优缺点红外线技术在热成像方面具有许多优点，但同时也存在一定的缺点。
1. 优点①非接触式测温：红外线技术可以在不接触物体的情况下，快速准确地测量物体表面的温度，无需暴露于有害的温度环境中，更符合安全、环保要求。
②画面直观：热成像技术可以直观地呈现出物体表面的温度分布和变化趋势，便于操作者分析和诊断异常情况。
红外热成像技术
。
环境监测
监测大气、土壤、水资源等环 境指标，助力环境保护和治理
。
THANK YOU
感谢观看
环境质量监测
利用红外热成像技术可以监测城市空气质量、工业污染等环境问题 ，帮助政府部门制定环境保护政策。
生态保护
红外热成像技术可以观察动植物体的温度分布，为生态保护域，红外热成像技 术可以用于火灾监测、救援和灭 火，提高安全保障水平。
交通安全
在交通安全领域，红外热成像技 术可以用于夜间和恶劣天气下的 道路监测，提高交通安全保障能 力。
未来红外热成像技术的发 展方向
提高图像质量
高分辨率
提高红外热成像的分辨率，使得能够更清晰地识 别目标细节。
灵敏度提升
增强红外探测器的灵敏度，提高对微弱热辐射的 检测能力。
动态范围扩展
增大红外热成像的动态范围，使其能够适应更广 泛的温度变化。
降低成本
1 2
批量生产
通过规模化生产，降低红外热成像设备的制造成 本。
红外热成像技术的应用领域
• 医疗领域：红外热成像技术在医疗领域的应用包括无创检测、疾病诊断、理疗 等。例如，通过红外热成像技术可以检测出肿瘤、炎症等病变部位的温度异常 ，为医生提供有价值的诊断信息。
• 工业领域：在工业领域，红外热成像技术可用于检测设备故障、评估产品质量 等。例如，对电力设备进行红外热成像检测，能够发现潜在的故障和隐患，提 高设备运行的安全性和稳定性。
材料成本降低
研发低成本、高性能的红外材料，降低设备采购 成本。
3
技术创新
持续推动红外热成像技术的创新与优化，降低维 护与升级成本。
发展新型应用领域
红外热成像技术
红外热成像技术红外热成像技术是一种利用物体发出的红外辐射来生成热图的技术。
它能够实时、无接触地检测和记录物体表面的温度分布，为许多领域提供了极大的便利。
红外热成像技术的原理是基于物体的温度与其发射的红外辐射之间的关系。
根据Planck的辐射定律，物体的红外辐射与其温度成正比。
因此，通过测量物体发射的红外辐射强度，可以推算出物体的温度。
红外热成像技术广泛应用于各个领域。
在工业领域，红外热成像技术可以用来检测设备、机器以及电路板的异常热点，从而提前发现潜在故障，做到预防性维护，提高设备运行的可靠性和安全性。
在建筑领域，红外热成像技术可以用来检测建筑物的热漏点和隐蔽的漏水问题，帮助修复和改善建筑物的能源效率。
在医学领域，红外热成像技术可以用来检测人体的体温分布，辅助诊断疾病，如乳腺癌、关节炎等。
此外，红外热成像技术也被广泛应用于军事、环境监测、消防等领域。
红外热成像技术的应用还在不断拓展。
随着科学技术的进步，红外热成像技术的分辨率和灵敏度不断提高，仪器的体积也越来越小，价格也逐渐下降。
这使得红外热成像技术在更多领域得到了广泛应用。
虽然红外热成像技术有着广泛的应用前景，但也存在一些限制。
例如，红外热成像技术对天气条件的要求较高，在夜晚、多云或高湿度的环境中，会受到大气吸收和散射的影响，导致成像质量下降。
此外，由于红外热成像技术只能测量物体表面的温度，对于深层或内部温度分布的测量较为困难。
红外热成像技术的发展离不开红外热成像仪器的进步。
近年来，热成像仪器实现了数字化、便携化和多功能化的发展。
便携式热成像仪器使得红外热成像技术得以在户外和场地条件下进行应用，极大地方便了使用者。
同时，数字化的热成像仪器也提供了更多的图像处理和分析功能，使得数据的获取和解读更加准确和方便。
红外热成像技术在应急救援、安全监测和预防性维护等方面有着重要的作用。
例如，在火灾逃生过程中，红外热成像技术可以帮助救援人员快速定位人员，并判断其活动状态。
远红外热感成像 原理
远红外热感成像原理
远红外热感成像技术，也称为热红外成像或红外热成像，其工作原理基于自然界中所有温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会不断向外发射红外辐射这一物理现象。
不同温度的物体发出的红外辐射强度和波长各不相同，其中远红外波段主要涵盖了8-14微米的长波红外区域。
具体原理包括以下几点：
1. 红外辐射与温度关系：
- 物体温度越高，其发出的红外辐射能量越强。
- 根据维恩位移定律，物体辐射出的红外光峰值波长与其绝对温度呈反比关系。
2. 探测转换过程：
- 热像仪利用敏感元件（如焦平面阵列，FPA）来捕捉这些红外辐射，并将其转换为电信号。
- 电信号经过放大、处理后形成数字信号，进而生成代表温度分布的图像。
3. 图像显示：
- 将不同的温度对应不同的颜色等级，在显示器上以伪彩色热图的形式呈现出来，使得肉眼可以直观地看到被测物体表面温度的分布差异，也就是所谓的“热像图”。
4. 应用优势：
- 远红外热成像技术能够实现非接触式、全天候的温度测量
和监控，尤其在黑暗、烟雾等视线受限环境中仍能有效工作，因此广泛应用于军事侦察、工业检测、医疗诊断、建筑节能、消防救援等领域。
红外热成像技术
红外热成像技术原理目前，新的热成像仪主要采用非致冷焦平面阵列技术，集成数万个乃至数十万个信号放大器，将芯片置于光学系统的焦平面上，无须光机扫描系统而取得目标的全景图像，从而大大提高了灵敏度和热分辨率，并进一步地提高目标的探测距离和识别能力。
1991年的海湾战争成为展示高科技武器使用先进技术的平台。
在这些新科技中，红外热成像技术就是其中最为闪亮的高科技技术之一。
红外热成像技术。
是利用各种探测器来接收物体发出的红外辐射，再进行光电信息处理，最后以数字、信号、图像等方式显示出来，并加以利用的探知、观察和研究各种物体的一门综合性技术。
它涉及光学系统设计、器件物理、材料制备、微机械加工、信号处理与显示、封装与组装等一系列专门技术。
该技术除主要应用在黑夜或浓厚幕云雾中探测对方的目标，探测伪装的目标和高速运动的目标等军事应用外，还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。
如果将这种技术大量地应用到民用领域中，将会引起安防领域的革命。
智能监控是计算机视觉和模式识别技术在视频监控领域的应用，它能对视频图像中的目标进行自动地监测、识别、跟踪和分析。
国外智能视频监控技术的发展动力是来源于对特殊监控场所的监控需求，9•11事件之后，出于反恐、国家安全、社会安定等多方面的需要，智能视频监控与预警技术已逐渐成为国际上最为关注的前沿研究领域。
尤其是在一些特殊的应用场所，如在恶劣天气下24h全天候监控、边防与周界入侵自动报警、火灾隐患的自动识别、被遗弃的行李和包裹等遗留物体检测、盗窃赃物查找、被埋尸体查找等等。
一．红外热成像系统的工作原理1672年，牛顿使用分光棱镜把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光，证实了太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成。
1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，偶然发现放在光带红光外的一支温度计，比其他色光温度的指示数值高。
红外线与热成像研究红外线的传播与热成像技术
在无损探伤中，红外线检测 可以识别材料内部的缺陷、 裂纹或异物，避免对材料造
成破坏性影响。
红外线技术还可以用于监测工 业生产过程中的温度变化，优
化生产流程和质量控制。
医疗诊断和治疗辅助手段应用
红外线热成像技术可以用于医学诊断，如乳腺癌、皮肤疾病等的早期筛查和辅助诊 断。
在治疗方面，红外线理疗可以缓解疼痛、促进血液循环、加速组织修复等，被广泛 应用于康复医学领域。
07
CATALOGUE
总结与展望
回顾本次项目成果及意义
01
成果
02
成功建立了红外线传播模型，深入理解了红外线在不同介质中
的传播特性。
开发了高灵敏度的热成像系统，实现了对微弱红外信号的精确
03
探测。
回顾本次项目成果及意义
• 通过实验验证了红外线传播理论与热成像 技术的有效性。
回顾本次项目成果及意义
对突发事件的能力。
标准化程度低
推动热成像技术的标准 化进程，制定统一的标 准和规范，促进不同厂 商和产品之间的兼容性 和互换性，提高热成像 技术的应用范围和效果
。
05
CATALOGUE
红外线与热成像技术在军事领域应用
军事侦察与目标识别中应用
红外线夜视仪
利用红外线热成像技术，将不可见红外辐射转化为可见图像，实现 夜间和低光照条件下的目标侦察和识别。
红外线技术还可以用于实时监测手术过程中患者的生命体征，提高手术安全性和成 功率。
安防监控和智能家居领域应用
1
红外线安防监控系统可以在夜间或恶劣天气下实 现清晰成像，有效保障人员和财产安全。
2
智能家居领域中，红外线传感器被广泛应用于 化水平。
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§10.1 红外探测器的分类
10.1.1 热探测器 10.1.2 光子探测器(光电探测器)
10.1.1 热探测器
热探测器吸收红外辐射后，产生温升，伴随着温升而 发生某些物理性质的变化。如产生温差电动势、电阻 率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。 测量这些变化就可以测量出它们吸收的红外辐射的能 量和功率。上述四种是常见的物理变化，利用其中的 一种物理变化就可以制成一种类型的红外探测器。
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10.3.3 非本征光电导探测器的性能分析
2.杂质光电导器件的探测率D*λ
在不同情况下，限制杂质光电导探测器性能的主要噪声仍然为热噪 声或产生 - 复合噪声。 下面，仍然考虑一种杂质的光电导探测器。根据前边的讨论有 ① 热噪声限制下杂质光电导器件的D*λ (D*J(λ))。 ② 产生 - 复合噪声限制下杂质光电导器件的D*gr(λ)。
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10.1.2 光子探测器(光电探测器)
常用的光电探测器有如下几类： 1 2 光电导探测器 3 4
除以上介绍的几类器件外，还有利用光子牵引效应的 探测器件、红外上转换器件和量子阱器件等。
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§10.2 红外探测器的工作条件与性能参 数
10.2.1 红外探测器的工作条件 10.2.2 红外探测器的性能参数
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
3.本征光电导的响应时间
光电导探测器的响应时间表现在：接收红外辐射后，光生载 流子浓度逐渐增大，经过一段时间才趋向稳定值，而在稳定的 状态下，突然撤去红外辐射，光生载流子也要经过一段时间才 能趋于零。这两种现象均称为滞后现象(或惰性)。在弱光辐射
(1) 上升 (2) 光电导探测器在强光照射下的响应曲线已不再按指数变化，其 响应时间也较为复杂。从宏观讲，其已与辐照度有关，一般说 来，光越强，其滞后越小。
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
4.调制信号的影响
在实际应用中，为适应高速运动目标的变化，有时要对入射光进 行调制。基本调制波形为正弦或余弦形式。 余弦调制光照射探测器时，光生载流子浓度也随之作余弦变化。 在余弦调制下，输出信号电压多了两个因子。对于探测不同的目 标，由于目标运动速度不同，必须选用不同的调制频率，所以必
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
2.本征光电导探测器的探测率
对于本征光电导探测器，除1/f噪声外，其最基本的噪声是热噪声 和产生 - 复合噪声。关于1/f噪声目前还没有严密的理论，实验发 现它与器件电极及表面陷阱有关，可通过改善器件设计和制造工艺 来降低它。所以，可以只考虑探测器的基本噪声热噪声和产生 复合噪声。
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10.1.1 热探测器
3.微测辐射热电堆
微测辐射热电堆是将若干个测辐射热电偶串接起来构成的热探测 器件，原理上采用的是温差电效应。即当两种不同材料的金属或半 导体构成闭合回路形成热电偶时，如果两个联结结点中的一个受到 入射辐射照射温度升高，而另一结点未受到入射辐射照射而温度保 持不变，则由于两个结点处于不同的温度而使闭合电路中产生温差 电动势，测量该温差电动势便可以得到待测的辐射能量或功率的大 小。
3.杂质光电导的响应时间 4.
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10.3.4 SPRITE探测器
SPRITE(Signal Processing in The Elements)探测器属
光电导效应型器件，由于这种器件利用了红外图像扫描 速度与光生非平衡载流子双极运动速度相等的原理，实 现了在器件内部进行信号探测、时间延迟和积分三种功 能，大大地简化了焦平面外的电子线路，从而使得探测 器尺寸、重量、成本显著下降，并提高了工作的可靠性。 因此，这里单独对它进行讨论。根据该器件的工作原理， 习惯上将之称为扫积型探测器。SPRITE探测器是20世纪 80年代英国人CTElliot，ABlockburn等人为高性能快速 实时热成像系统研制出来的一种红外探测器。
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10.2.1 红外探测器的工作条件
1. 入射辐射的光谱分布
在对探测器性能进行描述时，必须说明入射到探测器响应平面上的 光谱分布及空间辐射功率。
2. 探测器的几何参数
探测器的几何参数主要指探测器的面积、形状及接收入射辐射信号 的立体角。
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10.2.1 红外探测器的工作条件
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10.2.2 红外探测器的性能参数
1. 响应度R
2.
NEP
3. 探测率D和归一化探测率D *
4. 响应时间(或时间常数)
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§10.3 光电导型红外探测器
10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5
光电导探测器的分类和基本关系 本征光电导探测器的性能分析 非本征光电导探测器的性能分析 SPRITE探测器 光电导探测器材料与工作模式
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10.1.1 热探测器
2.微测辐射热计
微测辐射热计是一种利用探测器材料吸收入射辐射使其自身温度 变化，进而使探测器的其他物理性质(诸如电阻、电容等)发生变化 的原理制成的热探测器阵列。常用的微测辐射热计有： (1) 热敏电阻微测辐射热计，其以烧结的半导体薄膜作为光敏元件； (2) 金属薄膜微测辐射热计，采用电阻温度系数大的金属为材料制 作成薄膜，表面涂黑作为光敏元件； (3) 介质微测辐射热计，它是利用介质材料的参数随温度变化而变 化的原理制成的器件。
10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
(1)
对实际器件制作具有指导意义的结论，即：
① 响应度与光生载流子寿命τ成正比。因此，如要提 高响应度，则应提高载流子寿命。
②响应度与载流子浓度成反比。因此，有效地降低无信 号时的载流子浓度可提高响应度。
③ 响应度与外加电场成正比关系，但实际上E的增加将 带来焦耳热而使探测器温度上升。
第十章 红外热成像器件成像物理
§10.1 §10.2 §10.3 §10.4 §10.5 §10.6 §10.7
红外探测器的分类 红外探测器的工作条件与性能参数 光电导型红外探测器 光伏型红外探测器 红外焦平面阵列探测器 非制冷红外焦平面阵列探测器 量子阱红外探测器Biblioteka §10.1 红外探测器的分类
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10.1.1 热探测器
1. 热释电探测器
热释电探测器的工作原理同热释电摄像管靶的工作原理一样，只是 在面积大小和信号读出方式等方面有较大的差别。热释电探测器与 CCD器件混合提供了不需制冷的工作前景。由于热释电的差动特性， 在用于凝视阵列成像时需要进行入射辐射的调制，当然也可以用于扫 描阵列。在组件扫描阵列上，其较难达到0.1K灵敏度所需要的探测率。 最好的250μm2单元的TGS在10Hz调制频率下能达到的探测率最大值为 5×109cm·Hzl/2/W
dE=-αEdz
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照度
10.3.1 光电导探测器的分类和基本关系
3.激发率和复合率
在探测器内，单位时间、单位体积内吸收的光辐射量为
E aE0 (1 )eaz
(10-28)
式中，Q即为体激发率，它表示单位时间、单位体积内所产生的电子空穴对数
Q aE0 (1 )eaz
hv
(10-30)
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。 光激发率、热激发率和复合率
QT和复合R。Qp、QT和R分别为
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10.3.3 非本征光电导探测器的性能分析
① 当探测器的工作温度尚未达到足够低时，热产生 电子浓度n0t将大于背景辐射电子浓度n0b ② 在足够低的工作温度下，如果受主浓度NA远大于 背景辐射产生的电子浓度，
③ 由于杂质光电导吸收系数很小，因此器件对信号 的吸收总是不充分的。
2.入射光强的衰减规律
光照射产生的非平衡载流子称为光生载流子，光电导的强弱取决 于光生载流子的多少。入射到探测器表面的红外辐射，一部分被 吸收并透射到内部，另一部分被反射回去。若入射到探测器表面 的辐照度为E0，表面反射比为ρ，则实际进入探测器的辐照度为 E0(1-ρ)，如图所示。
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若材料的吸收系数为α，则在z到z＋dz处，其辐 减弱的量值可写为
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10.3.3 非本征光电导探测器的性能分析
1.杂质光电导探测器的响应度
N
ND，受主浓度为NA
ND＞
＞NA
N
响电子的统计分布。因为受主可以获得导带的电子而电离，降低自
由电子的浓度，达到较高暗电阻的要求。假定无光照时自由电子的
浓度为n0,未电离施主的浓度为ni0 产生三种情况，即光激发Qp
(10-46)
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
1.本征光电导探测器的响应度
当用恒定的红外辐射照射探测器时，开始时光生载流子逐渐 增加，探测器的电导率也随之增加，经过一段时间后，光生载 流子的数目趋于稳定，电导率也相应稳定在某一值上。这一稳 定情况称为稳态(或定态)。
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(1) 探测器面积
由于实际探测器响应平面上各点的响应不相等，所以探测器面积 常用如下两种形式给出： ①标称面积An ②有效面积Ae (2) 通常在辐射信号入射方向上以入射角的余弦作为权重的立体角为权