制冷型红外焦平面探测器原理
红外焦平面探测器
红外焦平面探测器介绍红外焦平面探测器（Infrared Focal Plane Array Detector，以下简称IRFPA）是一种用于探测红外辐射的器件，可广泛应用于航天、军事和民用领域。
它能够实时、高效地探测并转换红外辐射能量为电信号，从而实现红外图像的获取和处理。
工作原理IRFPA的工作原理基于红外辐射与物体表面的相互作用。
当红外辐射照射在IRFPA上时，它会导致IRFPA内的感光元件产生电子-空穴对。
感光元件通常由半导体材料制成，如硒化铟（InSb）、硫化镉汞（CdHgTe）等。
这些电子-空穴对随后在感光元件中分离并转换为电信号。
IRFPA的关键组件是焦平面阵列（Focal Plane Array，以下简称FPA），它由大量排列成矩阵的感光元件组成。
每个感光元件都对应于焦平面上的一个像素，因而整个FPA可以同时探测多个红外像素。
这些像素的信号经过放大和处理后，可以生成红外图像。
型号和特性IRFPA的型号和特性各不相同，取决于其应用领域和需求。
以下是一些常见的IRFPA型号和相应的特性：1.分辨率：IRFPA的分辨率指的是其能够探测到的最小单位像素数量。
一般而言，分辨率越高，探测到的红外图像越清晰。
常见的分辨率有320x240、640x480等。
2.帧率：IRFPA的帧率是指其每秒能够获取和处理的红外图像数量。
较高的帧率可以捕捉到快速移动的物体，对于一些动态场景非常重要。
3.波段范围：不同的IRFPA可以探测不同波长范围的红外辐射，如近红外（NIR），短波红外（SWIR），中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）。
选择适当波段范围的IRFPA取决于具体的应用需求。
4.灵敏度：IRFPA的灵敏度是指其能够探测到的最小红外辐射强度。
较高的灵敏度意味着IRFPA可以探测到较微弱的红外辐射，对于一些低信噪比场景非常重要。
应用领域IRFPA在多个领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1.热成像：IRFPA可以通过探测物体表面的红外辐射，用于热成像和温度分布检测。
红外焦平面阵列
红外焦平面阵列红外焦平面阵列原理、分类1、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。
2、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[5]。
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（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下[6]。
（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[7]。
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，如图1所示。
红外探测器是什么-红外探测器的原理和使用方法
红外探测器是什么，红外探测器的原理和使用方法如今，随着社会的进步，经济的发展，越来越多人开始重视安防产品，家庭安防产品销售量开始逐年增长，红外探测器普及到越来越多的家庭，那么，什么是红外探测器的原理和使用方法？一、什么是红外探测器？红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。
红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。
一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。
现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。
这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。
二、红外探测器的原理无线红外探测器的基本原理是，将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。
红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。
一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。
在红外线探测器中，热电元件检测人体的存在或移动，并把热电元件的输出信号转换成电压信号。
然后，对电压信号进行波形分析。
于是，只有当通过波形分析检测到由人体产生的波形时，才输出检测信号。
例如，在两个不同的频率范围内放大电压信号，且将被放大的信号用于鉴别由人体引起的信号。
于是，误将诸如热电元件的爆米花噪声一类噪声当作为由人体所产生而在准备加以检测乃得以防止。
三、红外探测器的使用方法而红外探测器有很多种类，不同分类的红外探测器有不同的使用方法。
1. 接近探测器：是一种当入侵者接近它时能触发报警的探测装置。
在接近探测器中，通常有一个高频率的LC震荡电路，震荡电路的LC回路通过导线连通到外部的金属部件上。
当人体靠近时，通过空间的电磁偶合，会改变LC回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。
快速制冷型红外焦平面成像制导系统设计
第35卷第3期 2016年6月红外与毫米波学报J.Infrared Millim.WavesVol. 35 !No. 3June,2016文章编号：1001 -9014(2016)03 -0310-07DOI：10. 11972/j. issn. 1001 -9014.2016.03.010快速制冷型红外焦平面成像制导系统设计牟宏山$,陈静，乔育花(华北光电技术研究所，北京100015)摘要:红外焦平面成像技术是一种通过摄取景物热辐射分布，并将其转换为人眼可见图像的技术，广泛应用于侦察、制导、空间探测等方面.针对红外制导小体积、快速启动的应用要求，设计了快速启动红外焦平面成像制导系统.对应用于系统的折反式红外镜头、快速启动型红外焦平面探测器、低噪声成像电路等进行了设计，设计结果满足制导条件下的红外成像要；.关键词：红外成像制导；红外焦平面探测器；快速制冷J-T制冷器中图分类号:TN219 文献标识码：AD esignof a fast cool-downIRFPAimage guidance systemMUHong-Shan $，C H E N Jing，QIAOYu-Hua(North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015,China)Abstract:The imaging technology of Infrared focal plane "y(F P A)detector i s a met verts the thermal radiation of the target into the visible image.I t i s widely used in targ s i l e guidance and space exploration，etc.For t t i e requirements of small volume and f a s t coo plication in missile guidance，an i nfrared FPA imaging guidance system was designed，including thecatadioptric infrared lens，f a s t cool-down IRFPA detector，and low noise image ci rcuit.The whole system s a t i s f i e s the imaging requirements of the missile guidance.Key words ： infrared image guidance，infrared focal plane r a y(F P A)detector，f a s t cool-down Joule -Thomson coo,erPACS： 42. 30. -d引言红外探测器组件可以将外界景物发射的红外光 能量转化为相应的电信号，通过接收外界物体自身 的红外辐射，达到对目标的探测、识别、跟踪等目的.而且红外探测器组件受气候、环境影响较小，是一种 理想的被动探测方式，广泛应用于红外制导领域.红外制导导弹具有制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、性价比高、结构紧凑、机动灵活等优点，军 事上应用广泛.随着红外焦平面成像制导应用越来 越广泛，对探测器组件的要求也越来越高.近程红外 制导导弹系统由于从发现目标到实施打击，导弹仅 有很短的反应时间，这就要求红外探测器具有快速 启动的能力，同时中、近程导弹也要求探测器组件体积尽量小.根据制导用高集成度快速启动的要求，设 计了一款快速制冷型红外焦平面成像系统.1系统结构及设计指标快速制冷型红外焦平面成像系统要完成对目标 的探测及红外图像输出等功能，同时要求焦距长、体 积小、重量轻、启动快.快速制冷型红外焦平面成像 系统主要分为以下几部分:整流罩、红外镜头、制冷 红外焦平面探测器及视频预处理电路等.整流罩与 红外镜头共同组成红外物镜，完成景物辐射信号的 采集.探测器芯片、杜瓦和制冷器组成红外探测器，辐射信号经红外探测器完成光电转换.驱动电路和 处理电路组成成像电路，对红外探测器的信号进行 处理形成电子图像[1].其结构如图1所示，原理框图收稿日期：2〇15- 08- 08,修回日期：2015- 09-22Received d ate: 2015- 08- 08，revised date: 2015 - 09-22基金项目：中国电子科技集团创新基金.Foundation item s：China electronics technolog group corgoration innovation foundation.作者简介（Biography)：牟宏山（1976-)，男，黑龙江佳木斯人，硕士，高级工程师，主要从事红外焦平面探测器研究.$通讯作者（Corresponding author)：E-m ail：sandymhs@163. com牟宏山等:快速制冷型红外焦平面成像制导系统设计311 3期如图2所示，设计指标如表1所示.图1成像系统结构图 Fig. 1Image system layoutm m置电路a模拟处理A/D转换~W¥W号处理丽D/A■系统的供电电源串口2V图2成像系理框图Fig. 2 Functional block diagram of image system2.1光学镜头设计探测器 与光学一定的情况下，光学 系统的焦距是唯一的，垂直方向的 与探测器长.探测器在俯仰方向（V方向即垂直方向）的尺 寸：2yv = = 128 X 30 !m= 3 •84 m m，(1$有效焦距：/= yV/—,N = 3.84/(2—(1.6。
制冷型红外热像仪原理
制冷型红外热像仪原理红外热像仪是一种能够感知并显示物体表面红外辐射能量分布的设备。
制冷型红外热像仪是其中一种常见的热像仪，其原理是利用红外辐射与物体热量的关系进行测量和成像。
制冷型红外热像仪的核心部件是红外探测器。
红外探测器是一种能够感受红外辐射并将其转化为电信号的器件。
制冷型红外热像仪使用的红外探测器通常是基于半导体材料的探测器，如铟锑(SbIn)、铟镓锑(InGaAs)等化合物半导体材料。
这些材料具有良好的红外辐射响应特性，能够在较高温度范围内工作。
在制冷型红外热像仪中，红外探测器的工作温度通常需要维持在较低的温度，以提高探测器的灵敏度和分辨率。
为了实现这一点，制冷型红外热像仪使用了制冷系统来冷却红外探测器。
制冷系统通常采用热电冷却(TEC)或者制冷机制冷的方式。
这些制冷系统能够将红外探测器的温度降低到几十摄氏度以下，以保证其正常工作。
当红外探测器接收到物体表面的红外辐射时，辐射能量会引起探测器内部的电荷变化。
红外探测器将这些电荷变化转化为电信号，并经过放大、滤波等处理后传递给成像系统。
成像系统将接收到的电信号转换为图像，并在显示屏上显示出来。
制冷型红外热像仪的工作原理可以简单概括为：红外辐射能量进入红外探测器，探测器将其转化为电信号，经过处理后由成像系统显示为热像。
热像图能够直观显示物体表面的温度分布情况，不同温度的物体在热像图上呈现不同的颜色。
制冷型红外热像仪在许多领域有着广泛的应用。
例如，制冷型红外热像仪可以用于夜视、安防监控、火灾检测、电力设备检测等领域。
在夜视领域，人们可以利用制冷型红外热像仪观察夜晚的景象，发现隐藏在黑暗中的目标。
在安防监控领域，制冷型红外热像仪可以监测人体的红外辐射，实现对安全隐患的及时发现和预警。
在火灾检测领域，制冷型红外热像仪可以通过监测火源的热辐射，快速准确地发现火灾，并进行报警。
在电力设备检测领域，制冷型红外热像仪可以用于检测电力设备的运行状态，发现异常热点，避免设备故障和事故的发生。
红外探测器的原理和使用方法
如今，随着社会的进步，经济的发展，越来越多人开始重视安防产品，家庭安防产品销售量开始逐年增长，红外探测器普及到越来越多的家庭，那么，什么是红外探测器的原理和使用方法？一、什么是红外探测器？红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。
红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。
一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。
现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。
这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。
二、红外探测器的原理无线红外探测器的基本原理是，将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。
红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。
一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。
三、红外探测器的使用方法而红外探测器有很多种类，不同分类的红外探测器有不同的使用方法。
1. 接近探测器：是一种当入侵者接近它时能触发报警的探测装置。
在接近探测器中，通常有一个高频率的LC震荡电路，震荡电路的LC回路通过导线连通到外部的金属部件上。
当人体靠近时，通过空间的电磁偶合，会改变LC回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。
接近探测器比较适用于室内，如对写字台、文件柜、保险柜等一些特殊物件提供保护，也可以用于对门窗的保护。
通常被保护的物件是金属的，实际上可以构成保护电路的一部分，因而只要有人试图破坏系统时，就会立即触发报警。
2.移动/震动探测器机器：能够探测固定物体位置被移动的传感器称为移动探测器。
其实运动是无处不在的，地球在转动，地球上的任何东西都在“移动”，这里所要探测的其实是相对的移动，比如放置在桌面上的物体被移开了桌面、停放的车辆被开动或搬动了等等。
16红外焦平面器件
四、红外焦平面器件红外焦平面器件（IRFPA）就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。
IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。
1. IRFPA的工作条件IRFPA通常工作于1～3μm、3～5μm和8～12μm的红外波段并多数探测300K背景中的目标。
典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标。
用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度：随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。
通常光子密度高于1013／cm2s的背景称为高背景条件，因此3～5μm 或8～12μm波段的室温背景为高背景条件。
上表同时列出了各个波段的辐射对比度，其定义为：背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。
它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件：高背景、低对比度。
2. IRFPA的分类按照结构可分为单片式和混合式按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型按照响应波段与材料可分为1～3μm波段（代表材料HgCdTe—碲镉汞）3～5μm波段（代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟和PtSi—硅化铂）8～12μm 波段（代表材料HgCdTe）。
3. IRFPA的结构IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成。
红外光敏部分——材料的红外光谱响应信号处理部分——有利于电荷的存储与转移目前没有能同时很好地满足二者要求的材料——IRFPA结构多样性（1）单片式IRFPA单片式IRFPA主要有三种类型：非本征硅单片式IRFPA主要缺点是：要求制冷，工作于8～14μm的器件要制冷到15～30K，工作于3～5μm波段的器件要制冷到40～65K；量子效率低，通常为5%～30%；由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度均匀性较差。
本征单片式IRFPA将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄禁带宽度的本征半导体材料上。
制冷红外焦平面探测器技术
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
红外
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制冷
平面
包括
制冷
工艺
平面
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领域
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通过
工作
内容摘要
内容摘要
《制冷红外焦平面探测器技术》是一本全面介绍制冷红外焦平面探测器技术的专业书籍，涵盖了 该领域的多个方面，包括探测器的工作原理、制造工艺、性能评估和应用实例等。本书的目的是 帮助读者深入理解制冷红外焦平面探测器的工作机制和性能特点，并了解其在现代科技领域中的 应用。
精彩摘录
在科技迅速发展的今天，制冷红外焦平面探测器技术已经成为科研人员和工 程师们的焦点。这种技术对于军事、环境监测、医疗诊断等领域具有广泛的应用 价值。下面，我们将从书中精选出一些精彩摘录，以飨读者。
红外焦平面探测器是一种先进的红外探测器，能够将红外辐射转化为电信号。 这种探测器在军事侦查、环境监测、医疗诊断等领域发挥着重要作用。例如，在 军事领域，红外焦平面探测器可以用于夜视、导弹制导、目标跟踪等。在环境监 测领域，它可以用于检测空气污染、气候变化等。在医疗诊断领域，它可以用于 图像引导手术、光谱分析等。
目录分析
《制冷红外焦平面探测器技术》是一本全面深入探讨红外焦平面阵列探测器 技术的书籍，其内容基于该领域内的最新研究成果，为读者提供了一个完整的理 论体系和实际应用范例。以下是对这本书的目录进行详细分析：
这一章主要介绍了红外焦平面探测器技术的发展历程和应用领域。它概述了 红外焦平面探测器的功能、优势和在各个领域的应用，为读者提供了一个关于该 技术的宏观认识。
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制冷型红外焦平面探测器原理
制冷型红外焦平面探测器是一种用于红外光谱测量和红外成像的关键元件。
它可以将红外辐射转化为电信号，通过信号处理和放大，最终得到红外图像或光谱信息。
本文将从原理角度来介绍制冷型红外焦平面探测器的工作原理。
制冷型红外焦平面探测器的工作原理基于光电效应和热电效应。
当红外辐射照射到焦平面探测器上时，光电效应使得光子被吸收，激发探测器中的载流子。
然后，载流子在电场的作用下被分离，形成电荷。
这些电荷将被电极收集，产生一个电信号。
然而，由于热噪声的存在，红外探测器本身会产生一定的噪声信号，从而降低探测器的灵敏度。
为了提高探测器的性能，制冷型红外焦平面探测器采用了制冷技术，通常是通过热电制冷或制冷机制冷来降低探测器的工作温度。
降低温度可以减少热噪声，提高探测器的信号噪声比和灵敏度。
制冷型红外焦平面探测器通常由多个像素组成，每个像素都是一个微小的探测单元。
每个像素都包含一个红外探测器和相关的电子学元件。
当红外辐射通过透镜聚焦到焦平面探测器上时，每个像素都会产生一个电信号，这些电信号可以表示红外辐射的强度和分布情况。
为了进一步提高探测器的性能，制冷型红外焦平面探测器通常还包
括一些辅助功能。
例如，探测器通常配备有滤波器，用于选择特定波长范围内的红外辐射。
滤波器可以通过光学设计来选择所需的波长范围，并将其他波长的辐射阻挡掉，从而提高探测器的选择性能。
探测器还包括信号处理电路和放大电路。
这些电路可以对探测器产生的微弱电信号进行放大和处理，以提高信号质量和稳定性。
信号处理电路可以对信号进行滤波、放大、调制等操作，以适应不同的应用需求。
制冷型红外焦平面探测器在很多领域都有广泛的应用。
例如，在军事领域，它可以用于夜视仪、导弹导航系统、无人机等设备中，提供夜间或低能见度环境下的图像信息。
在工业领域，它可以用于红外热成像仪，用于检测设备的故障和异常情况。
在医疗领域，它可以用于红外体温计、红外医学成像等应用，用于监测人体温度和诊断疾病。
制冷型红外焦平面探测器以其高灵敏度、高选择性和高稳定性，在红外光谱测量和红外成像领域发挥着重要作用。
通过光电效应和热电效应的协同作用，它能够将红外辐射转化为电信号，并通过信号处理和放大，最终得到红外图像或光谱信息。
制冷型红外焦平面探测器的工作原理和辅助功能使得它在军事、工业、医疗等领域都有广泛应用的前景。