红外探测器为何要在低温下工作

主动热红外探测器
主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控 制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光 学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用， 以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的 光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分 遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变 化，从而启动报警控制器发出报警信号。
光电导探测器（光敏电阻）
当半导体吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴从 原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使 半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应。利用半 导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器， 是目前，它是种类最多应用最广的一类光子探测器。
光生伏特探测器
在物理中关于半导体的机理曾指出，在P型，N型半导 体接触面处会形成一个阻挡层，或者称为P-N结，阻挡层内 存在内电场E，如果光照射在结附近，由光子激发而形成光 生载流子(电子-空穴对)，由于内电场的作用，光生载流子 的电子就会跑到N区，而空穴就跑到P区，这时在P-N结两侧 就会出现附加电位差，这一现象称为“光生伏特”效应。 此时若用导线将PN两端连接起来，电流就会由P型半导体经 导线流至N型半导体。为了使较多的光生载流子能被结上的 电压分开，就要使光照面尽可能靠近P-N结。
光生伏特探测器
光磁电探测器
在样品横向加一磁场，当半导体 表面吸收光子后所产生的电子和空穴 随即向体内扩散，在扩散过程中由于 受横向磁场的作用，电子和空穴分别 向样品两端偏移，在样品两端产生电 位差。这种现象叫做光磁电效应。利 用光磁电效应制成的探测器称为光磁 电探测器(简称PEM器件)。这类探测器 不需要致冷，可响应到7微米，时间常 数也小。但由于其灵敏度较前两种低 ，故目前应用较少。
普朗克黑体辐射定律
普朗克黑体辐射定律图示
德国物理学家马克思•普朗克
维恩位移定律
维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。
红外辐射原理
物体发出的辐射，大都要通过大气才能到达红外光学 系统。由于大气中二氧化碳、水汽等气体对红外辐射会产 生选择性吸收和其他微粒的散射，使红外辐射发生不同程 度的衰减。人们把某些衰减较小的波段，称为大气窗口。 在0.76～20微米波段内有3个大气窗口:1～2.7微米,3～5微 米，8～14微米。目前红外系统所使用的波段，大都限于上 述大气窗口之中（大气窗口还与大气成份、温度和相对湿 度等因素有关）。由于红外系统所探测的目标处于各自的 特定背景之中，从而使探测过程复杂化。因此，在设计红 外系统时，不但要考虑红外辐射在大气中的传输效应，还 要采用抑制背景技术，以提高红外系统探测和识别目标的 能力。
红外探测器的分类
• 热探测器：热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使 探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变 化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变 化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上 述不同性能可制成多种热探测器 • 光子探测器：光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态 的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应， 从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。
COMS电子集成电路
CMOS是单词的首字母缩写，代表互补的金属氧化物半 导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，它指 的是一种特殊类型的电子集成电路(IC)。集成电路是一块 微小的硅片，它包含有几百万个电子元件。术语IC隐含的 含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中，产生一 个十分紧凑的器件。在通常的术语中，集成电路通常称为 芯片，而红外探测器前外辐射特性。为研究各种不同物体的红 外辐射，人们用理想辐射体──绝对黑体（简称黑体）作基准。能吸 收全部入射的辐射而没有反射的物体称为黑体。良好的吸收体必然也 是良好的辐射体,因此黑体的辐射效率最高，其比辐射率定为1。任何 实际物体的辐射发射量与同一温度下黑体的辐射发射量之比,称为该 物体的比辐射率，其值总是小于1。物体的比辐射率，与物体的材料 种类、表面特性、温度、波长等因素有关。黑体的辐射特性可用普朗 克定律描述，该定律给出了黑体辐射作为温度函数的光谱分布。对某 一温度，辐射量最大的波长与其温度的乘积为常数，这个关系称维恩 定律（适用于在温度较低，波长较短的范围内）。对所有波长积分所 得到的总辐射量与温度的四次方成正比，这个关系称为斯蒂芬－玻尔 兹曼定律。
低温与红外探测器
在红外探测领域，为了提高信号检测的灵敏度，要求有 些探测器要在低温下工作，需采用致冷器。致冷器有辐射 致冷器、热电致冷器和冷冻剂致冷器等。采用何种致冷器 ，需视系统结构、所用探测器类型和使用环境而定。
低温与红外探测器
红外探测器经低温冷却后，响应时间缩短、灵敏度提 高、响应波长展宽、受限背景噪声减小。常用的红外探测 器大多只需要77K温度,而且多使用开放的液氮传输式制冷 器或焦耳－汤姆逊节流制冷器。在远红外波段，为提高探 测率和灵敏度,通常还须用液氖温区30K左右的低温恒温容 器和斯特林制冷机来冷却，如锗掺汞、镉汞等红外探测器 材料。
红外探测器为什么要在低温下工作
第八小组：潘兴薇 胡智航
汪剑文 张 萌
红外探测技术
不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段 的，该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以 利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟 踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的 信号的技术就是红外探测技术。
红外探测技术
红外探测技术的优点
• 环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工 作能力 • 隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光 探测安全且保密性强，不易被干扰 • 由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射 特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光 • 与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低
红外系统工作原理
红外系统一般由红外光学系统、红外探测器、信号放大和处理、显示记录系统等组成。其工作 原理如图所示：
红外探测器工作原理
红外光学系统把目标的红外辐射集聚到红外探测器上 ，并以光谱和空间滤波方式抑制背景干扰。红外探测器将 集聚的辐射能转换成电信号。微弱的电信号经放大和处理 后，输送给控制和跟踪执行机构或送往显示记录装置。红 外光学系统的结构，一般可分为反射式、折射式和折反射 式三种，后两种结构需采用具有良好红外光学性能的材料 。
低温COMS电路性能分析
通过对常温下和低温下的性能研究，可以发 现其有着相似的特性，但也发现低温下的一些优 点尤其是验证了MOS管在低温下的阀值电压的变 化导致放大器工作特点的变化，从而对发放大器 的各性能参数都有着重要的影响，使得放大器的 特征频率下降。
热探测器
• 优点：对全部波长的热辐射（从可见光到极远红外)基本上 都有相同的响应。 • 缺点：反应时间较长，时间常数一般在毫秒级以上。
热探测器实例
• 液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用 了材料的热胀冷缩效应。 • 热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温 差电动势的温差电效应。 • 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏 感的原理来实现红外探测。
被动热红外探测器
在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热 释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外 信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有 抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体 移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人 体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应 到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测 器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的 温度的差异。
主动热红外探测器
被动热红外探测器
在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热 释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外 信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有 抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体 移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人 体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应 到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测 器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的 温度的差异。
红外探测器工作原理
红外探测器前的光学调制器，将目标辐射进行调制编码，以便 从背景中提取目标信号或目标的空间位置信息。前置放大器将探测器 输出的微弱信号进行初级放大，并给探测器提供合适的偏置条件。它 的噪声指数很低，从而使探测器的噪声有可能成为系统的极限噪声。 信号处理系统把前置放大器输出的信号进一步放大和处理，从信号中 提取控制装置或显示记录设备所需的信息。一般非成像系统视目标为 点辐射源，相应的信号处理、显示记录系统比较简单。红外成像系统 ，通常需将目标红外辐射转换成黑白照片和假彩色照片或电视图像。 这种图像不象可见光照相机所得的图像那样直观，它反映的是目标的 辐射温度分布。
被动热红外探测器
另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形 式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦 作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个 作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区 的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外 信号，这样PIR就能产生变化的电信号。
热探测器实例
• 测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐 射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电 阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏 电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附 近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现 实，将是21世纪最引人注目的一类探测器。 • 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等， 当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化 ，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生 微小电压，由此能测量红外辐射的功率。