(仅供参考)红外焦平面探测器普及知识
6.4.3 量子阱红外探测器
6.4 红外焦平面探测器红外焦平面探测器◆焦平面的概念与基本结构◆肖特基势垒探测器◆量子阱与量子点探测器◆倒装互连技术6.4 红外焦平面探测器6.4.3 量子阱与量子点探测器量子阱与量子点探测器量子阱探测器量子阱红外探测器❖量子阱红外探测器(QWIP)是随着分子束外延技术及量子阱超晶格材料的发展，利用GaAs/GaAlAs量子阱子带间红外光电效应制备的高灵敏红外探测器；它具有InSb、HgCdTe同样的性能，可实现大面积、均匀性高，且与目前的GaAs工艺兼容；❖通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，可方便地获得6～20μm光谱范围的响应，通过在GaAs势阱层内增加InGaAs材料，短波长可扩展到3μm。
通过改善量子阱能带参量可以实现光谱响应大范围调节，在2~20μm 的范围内均可工作；有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）量子阱红外探测器❖当器件正偏时，电压增大，光电信号减少；零偏时，光电信号较大；反偏时，电压增大，光电信号增大量很少，达到饱和。
故量子阱探测器具有明显的整流特性；❖能带与掺杂分布的不对称性，使得整个N型区有类似于P-N结的特性，故具有向长波延伸的条件。
❖从1987年贝尔实验室研制出第一个GaAlAs/GaAs量子阱红外探测器以来，该技术得到了迅速发展，成为三十多年来红外探测器领域研究的新热点。
❖下图为GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器子带吸收的能带示意图，量子阱导带内基态电子(或空穴)在红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电场作用下做定向运动，形成与入射光强成正比的光电流。
量子阱的基本结构❖Levine等人利用该原理试制出了最初的量子阱红外探测器。
该量子阱红外探测器是采用分子束外延法交替生长GaAs阱和AlGaAs势垒50个周期构成的超晶格结构。
量子阱红外探测器量子阱探测器的基本工作模型量子阱红外探测器工作的基本模型❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－自由态跃迁：当势阱宽度进一步减小时，子能级的束缚态会在势阱中上升，形成高于势垒的自由态(或连续态)（光谱响应较宽），在红外辐射作用下，使电子直接从势阱进入自由态，在较小外加偏压作用下形成光电流；❖多量子阱跃迁：由两种不同半导体材料薄层交替生长形成多层结构（A/B/A/B…），两种跃迁方式均存在的多个量子阱探测器模型。
红外测温仪技术总结,红外测温仪技术知识
红外热成像测温仪技术总结1 红外成像测温仪红外热像仪探测器分为：非制冷640×480探测器和非制冷320×240探测器，能够提供清晰的红外图像。
1.1主要技术指标及功能特点1.1.1技术指标表1 红外成像测温仪技术指标1.1.2功能特点a)温度自动校正；b)拍照，SD卡存储（32GB）。
c)激光定位；d)显示器显示中心点温度测量值、全屏最高温度测量值、温度报警阈值、电池电量、色柱；e)实时追踪最高温点，具备过热现象自动判别，超出设置告警温度值即可发出蜂鸣器报警；f)报警温度阈值可调节（以1℃为单位）；g)低电量报警（小于5%）；1.2系统组成及工作原理测温型红外热像仪由成像部分、显示部分、按键控制部分三部分组成。
系统原理框图如图2所示。
图2 测温型红外热像仪原理框图测温型红外热像仪工作原理：外界景物的红外辐射经光学系统聚焦到红外焦平面探测器的光敏面上，探测器里的红外光电转换阵列完成将光信号转换成电信号，经A/D采样，将图像信息转换成数字信息。
这些数字信息经过图像非均匀性校正、坏点替换、图像滤波等算法处理后，在FPGA的时序控制下将图像显示到显示器上。
拍照，图像数据直接从处理器写入SD卡。
1.3分系统设计1.3.1红外成像部分（1）红外探测器测温型红外热像仪选用进口凝视红外焦平面非制冷非晶硅探测器。
目前，国内红外焦平面探测器的发展与国外差距还很大，相比而言，国外技术更成熟。
本系统采用的探测器为国外著名红外探测器厂商最新产品，购货渠道畅通，能够批量进口，易于购买，不仅能够支持该项目的顺利研制，还能够实现批量装备，是高性能要求的军事装备应用首选探测器。
测温型红外热像仪选用探测器主要技术指标如下：类型：微测辐射热计；探测器材料：非晶硅；探测元（像素）数目：320×240、640×480；像元尺寸：17μm；响应波段：8～14μm；a)红外光学设计红外光学部分采用了透射式光学系统，满足轻量化要求的同时通过光学被动补偿方式，使系统能够在-40℃～＋80℃温度范围内良好成像。
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。
非制冷红外焦平面探测器及其典型应用
LWIR
• 长波红外在地面大 气环境的传输最好 • 长波红外与室温目 标的红外辐射光谱 的匹配最好 • 战场环境烟雾环境 Байду номын сангаас应性好 • 非制冷长波红外成 像成本较低
4
红外成像技术优势
隐蔽性好 全天时
被动式目标成像与识别，隐 蔽性好 能真正做到24小时全天时监控， 不受白天黑夜影响 不受电磁影响，能远距离精 确跟踪热目标 可穿透烟雾、雾霾、云雾成像， 在恶劣天气条件下的成像效果 几乎不受影响。
国内红外成像市场发展
与全球红外成像市场相比，国内红外成像市场整体还不太成熟； 国内装备市场底子偏薄、成长空间可观； 测温工具、单目手持夜视个人装备等领域还有很大的增长空间； 随着红外成像在安防、汽车夜间辅助驾驶、无人机、手机等领域的应用，我国 民用红外成像有望呈现爆发式增长。
9
红外成像探测器技术
制冷光子型
原理：光子型探测 优势：成像距离远，成像清晰，响应时间快，可高帧频工作（400Hz)； 劣势：系统功耗大，体积大，成本高，运行时间受制冷机寿命限制； 应用：红外雷达，光电吊舱，导引头等远距离观测与跟踪高端军用
非制冷热式
原理：热式探测原理 优势：SWaP-C 劣势：成像距离较近，不适合点目标，成像图形噪声高 应用：单兵武器、低成本导引头等军用及电力测温、安防，汽车，工业检 测等民用市场
非制冷红外成像技术流派
20世纪90 年代末，非制冷红外焦平面探测器的技术流派基本定型，下图是现今市场上仍保 持占有率的两类micro-bolometer技术（VOx和a-Si ）及其承袭关系。
VOx
Honeywell 1990~1994 LORAL 1996 LOCKHEED MARTIN 2000 SCD NEC BAe System ROCKWELL 1996 BOEING 2001 DRS RAYTHEON Vision System 1992 1997 INDIGO 2004 2004 FLIR L-3 Communications ULIS AMBER HUGHES 1997
红外探测的原理和应用
红外探测的原理和应用一、红外探测的原理红外探测是一种利用红外光谱区域的电磁辐射的技术，其原理基于物质在不同温度下会产生不同的红外辐射。
•红外光谱区域：红外光谱区域一般包括近红外光谱区（750-2500纳米）和远红外光谱区（2500纳米-1毫米）。
近红外光谱主要用于气体分析和食品质量检测等领域，而远红外光谱则主要用于红外加热、红外成像和红外探测等方面。
•红外辐射的特点：红外辐射有很强的穿透性，可以穿透一些物体，如云雾、玻璃、塑料等；红外辐射还具有热能性质，可以感知物体的温度。
•红外探测技术：主要有热电偶、焦平面阵列和半导体红外探测器等。
二、红外探测的应用红外探测技术在各个领域得到了广泛的应用，以下是一些常见的应用领域：1.军事安防：红外探测技术在军事安防领域起到了重要的作用。
利用红外摄像机，可以实现夜视、目标追踪和隐蔽目标的侦测等功能。
同时，红外辐射具有热能性质，能够探测到活动的敌方目标，提高军事安防的效果。
2.火灾报警：红外探测技术在火灾报警系统中发挥着重要的作用。
通过红外探测器检测房间内的温度变化和烟雾等火灾信号，及时发出警报并启动灭火措施，保障人员的生命和财产安全。
3.工业生产：红外探测技术在工业生产中被广泛应用。
例如，红外温度传感器可以测量物体的表面温度，用于监测工业生产中的温度变化和异常情况。
红外成像技术还被应用于无损检测、质量控制和设备检测中。
4.医疗诊断：红外探测技术在医疗诊断中有着重要的应用价值。
红外热像仪可以通过检测人体的红外辐射，获取人体表面的温度分布情况，辅助医生进行诊断和治疗。
此外，红外成像技术还可以用于无创测量体温和监测疾病的发展情况。
5.环境监测：红外探测技术在环境监测中也有广泛的应用。
例如，利用红外气体分析仪可以检测大气中的各种气体浓度和组成，用于环境污染监测和大气质量评估。
此外，红外辐射也可以用于监测地理环境的变化和自然资源的开发利用。
三、红外探测技术的发展趋势随着科技的进步和应用需求的增加，红外探测技术也在不断发展，具有以下几个趋势：1.多功能化：红外探测技术在各个领域的应用需求不断增加，对探测器的功能要求也越来越多样化。
功能材料器件HgCdTe红外焦平面探测器
碲镉汞红外焦平面探测器发展现状
第三代红外光电探测器的发展方向包括大面阵化、 双色甚至多色化、提高工作温度、降低功耗和成本 等。这些工作已经在许多国家得到开展，尤其是美 国、英国、法国和德国的顶尖公司已经取得了长足 的进步并实现了初步应用。
HgCdTe红外探测器前沿技术进展
HgCdTe
HOT
大 规 模 探 测 器 阵 列 技 术
红外辐射。如果检测它的存在,测 定它的强弱并将变为其他形式的能 量（多数情况是转变为电能进而转 化为图片或视频图像）以便应用, 就是红外探测器的主要任务。
红外探测器 Hg Cd Te
如果你以为我们讲的主要是 红外探测器本身你就错了！
201211605108
王太升
关于MCT异质结
Pn结，禁带宽度，晶格常数
（211）B面
优点
贵!
衬底
关于均匀性
外延层的均匀性对于长波红外和甚长波 红外MCT焦平面器件质量有着重要影响
均匀性
材料组分
外延层厚度
光学吸收 的均匀性
Hg1-xCdxTe
最大 光谱灵敏度
呈像
关于电学性质
迁移率 红外探测应用要求MCT材料的迁移率尽量高 噪声 信号上附加的无规则起伏。源于导体内自由电子等无规则热运动造成 表面钝化 可以控制隧道漏电和结漏电，防止合金组分随时间变化
201211605119
杨 茜
Thanks for listening
源于导体内自由电子等无规则热运动造成表面钝化可以控制隧道漏电和结漏电防止合金组分随时间变化大部分用于mct光导探测器的钝化工艺都会形成具有较高电导率的表面重积累层使得器件本征电阷减小器件性能降低关于电学性质可是hgcdte国内外目前的发展现状及其前景发展现状背景采用液相外延liquidphalseepitaxylpe法生长hgcdte的技术已经趋于成熟hgcdte可以实现产业化生产
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。
红外辐射与红外探测器演示文档
8.3* 红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项
8.3.1 红外探测器的性能参数
电压响应、光谱响应、等效噪声功率、比探测率和时间常数等
8.3.2 红外探测器使用中应注意的问题
,T)dT4
8.4.2 红外测温的特点
①反应速度快 ②灵敏度高 ③属于非接解测温 ④准确度高。可小于0.1℃ ⑤可测摄氏负几十度~几千度的范围
8.4.3 热辐射传感器---应用实例 1. 热辐射高温计
具有响应快 热惰性小等优点
主要用于腐蚀性物体及运动物体的高温测量。测量范围在 400℃~3200℃.由于感温部分不与被测介质直接接触，因此误差 较大
①选用探测器时要注意它的工作温度 ②应注意调整好探测器的偏流、偏压，使 其工作在最佳工作状态
③辐射源调制频率应和探 测器的响应频率相匹配 ④探测器存放时要注意防 潮、防振和防腐蚀 ⑤了解探测器的性能指标、 应用范围、和使用条件
8.4 红外测温
8.4.1 红外测温原理
斯忒藩-玻耳
兹曼定律
M eb 0M e(b
中间导体定律：
涂黑金箔
P
RL mV
N
温差电堆：
mV
实体型：多用于测温 薄膜型：多用于标定各 种光源、测量各种辐射 量特 •时间常数较大，被测 辐射变化频率一般在 10HZ以下
3. 热释电型红外探测器
热释电效应：
(a) 恒温下
(b) 温度变化
(C) 温度变化时 的等效表现
热释 电器
RL
红外辐射与红外探测器
（优选）红外辐射与红外探测 器
8.1.2 红外辐射源
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红外焦平面探测器普及知识
红外焦平面阵列（IR FPA）技术已经成为当今红外成像技术发展的主要方向。
红外焦平面阵列像元的灵敏度高，能够获取更多的信息以及更高的可变帧速率。
红外焦平面阵列探测器对入射的红外能量进行积分，然后产生视频图像，经过调节后被提供给视频显示器，以供人观察。
焦平面阵列每个像元的输出是一种模拟信号，它是与积分时间内入射在该元件上的红外能量成正比的。
但是由于制造工艺和使用环境的影响，即使对温度均匀的背景，焦平面背景中所有像元产生的输出信号也是不一致的，即红外焦平面阵列器件的非均匀性（Nonuniformity,NU）。
为了满足成像系统的使用要求，需要对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。
从生产工艺而言，单纯从提高焦平面阵列质量的角度来降低其非均匀性，不仅困难而且造价昂贵。
因此，通过校正算法减小非均匀性对红外焦平面阵列成像质量的影响，提高成像质量，不仅是必须的，同时具有很高的经济价值和应用价值。
目前，对红外图像质量的改善，一般是根据红外焦平面阵列对于温度响应的不一致性，采用非均匀性校正的方法，提高红外图像的质量。
主要有两类校正方法：基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法。
在实际应用中，普遍采用的是基于红外参考辐射源定标的校正方法。
但是，采用参考辐射源定标的校正方法校正的红外图像，因红外焦平面阵列器件由于长时间的工作，受到时间、环境等因素的影响，红外图像质量逐渐下降，出现类似细胞状和块状的斑纹，影响了红外图像的质量。
所以，需要在基于参考辐射源定标的校正方法的基础上，对于红外图像的质量进行改善。
国内外现状和发展趋势
自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，总是在不断地辐射能量。
红外热成像技术就是把这种红外热辐射转换为可见光，利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节，将红外图像转化为可见图像。
利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。
用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标，具有隐蔽性好、抗干扰、易识别伪装、获取信息丰富等优点。
因此，红外热成像技术在海上救援、天文探测、遥感、医学等各领域得到广泛应用。
红外热成像系统可以分为制冷和非制冷两种类型，制冷型有第一代和第二代之分，非制冷型可分为热释电摄像管和热电探测器阵列。
第一代热成像系统主要由红外探测器、光机扫描器、信号处理电路和视频显示器组成，其中红外探测器是系统的核心器件，一般是分离式探测器。
这种
热像仪实际上是利用单个探测器通过光机扫描扫过景物得到电信号， 再经过信号处理显示成可见的图像。
第二代热成像系统采用了位于光学系统焦平面上，带有信号处理能力的面阵探测器，即红外焦平面阵列（IRFPA）探测器。
红外焦平面阵列是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物，兼具辐射敏感、电荷存储和多路传输等功能。
红外焦平面阵列探测器的出现，是红外成像系统史上的一个划时代的进步，用红外焦平面阵列探测器构成的红外成像系统较传统的光机扫描红外成像系统具有结构简单、工作稳定可靠、灵敏度高、噪声等效温差性能好等优点。
随着红外焦平面阵列制造工艺的不断完善，最终将会成为热像仪中占主导地位的产品。
目前国内外红外焦平面阵列（IRFPA）的非均匀性校正方法可以分为两大类：第一类为基于红外参考辐射源标定的校正算法，该类方法假定探测元的响应特性是非时变的（在一段时间内），通过事先利用定标辐射源（通常为黑体辐射源）对IRFPA 各探测元的响应进行标定，来实现非均匀性校正，主要包括两点校正法，多点校正法，分段线性校正法和基于多项式拟合的算法。
第二类为基于场景的自适应校正算法，该类方法利用序列图像来估计IRFPA 的校正系数或者直接估计校正结果。
主要有时域高通滤波法、人工神经网络法、恒定统计平均法等。
基于参考源的校正算法是目前已经实用化的技术，但该类算法都是建立在探测单元响应特性为定常的假设条件下，而实际其响应特性是随时间和环境变化的。
因此，在实际应用中，需要对系统进行周期性的重复定标以消除参数漂移的影响，这就相应地增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性和响应速度。
基于场景的校正算法不但省略了参考辐射源，使系统得到了简化，提高了系统的稳定性，而且可以有效地消除参数特性漂移的影响，实现高精度、大动态范围的自适应非均匀性校正。
但是由于受到当前技术水平的限制，这类算法目前无法满足实时实现的要求，因此在实际系统中应用较少。
尽管如此，这类算法却是今后非均匀性校正（NUC）算法的发展方向。
两点校正法
两点校正法原理简单，计算量小，容易实现，是焦平面阵列系统中最广泛使用的一种非均匀性校正方法。
根据两点校正法，假设对红外焦平面探测器的辐射强度为φ，输出值为Y，增益因子和偏移因子分别为ij G 和ij O ，则有：
()ij ij ij ij Y G X O φ=+ （2.3）
图2.1是具有不同增益因子和不同偏移因子的两个像元的输入输出曲线，其中横坐标为红外辐射
能量，纵坐标为光电响应电平。
从图中可以看出曲线的斜率反映了增益因子的非均匀性，截距反映了偏移量的非均匀性。
图 2.1 两点校正法
两点法非均匀性校正的过程就是要使图中输入输出响应曲线A，B和标准曲线S重合。
因此，先将A、B旋转成,A B ''和S平行，就相当于完成对增益的校正。
然后再将,A B ''平移到和S重合，这相当于完成对偏移的校正。
两点法的温度定标是指在光路中插入一个均匀辐射的黑体，通过红外焦平面探测器各阵列元对高温H T 和低温L T 下均匀黑体辐射的响应计算ij G 和ij O ，从而实现非均匀性校正。
设高温H T 和低温L T 下所有阵列元的响应分别为H V 和L V 。
11
11()()()()
H ij ij ij L ij ij ij
M N ij L i j L M N ij H i j H V G X H O V G X L O X
V M N X
V M N
φφ=====+⎧⎨=+⎩=⨯=⨯∑∑∑∑ (2.4) 其中()ij X H 和()ij X L 分别为像元(,)i j 在高温和低温均匀辐射下的响应，M，N分别是焦平面阵列元的行数和列数。
由(2.4)式求出校正增益和偏移量为：
()()()()()()H L ij ij ij H ij
L ij ij ij ij V V G X H X L V X L V X H O X L X H -⎧=⎪-⎪⎨-⎪=⎪-⎩。