红外焦平面探测器普及知识
红外辐射仪的原理
红外辐射仪的原理红外辐射仪是一种测量物体辐射的仪器，利用红外辐射的特性来实现对物体表面温度的测量。
红外辐射仪的原理涉及到物体辐射、传感器探测和温度计算等三个方面。
首先，红外辐射仪基于物体的辐射特性来进行测量。
所有的物体在室温下都会发出能量辐射，这种辐射能量主要包括可见光、红外辐射和热辐射等。
其中，红外辐射是一种波长范围在太阳光下方的电磁辐射，因此人眼无法直接看到。
物体的红外辐射能量与其表面温度成正比，且比例关系由普朗克黑体辐射定律来描述。
根据这个定律，测量物体红外辐射能量就可以推导出物体的温度。
其次，红外辐射仪利用专门的传感器来探测物体发出的红外辐射能量。
传感器通常由红外探测器和信号转换电路组成。
红外探测器是红外辐射仪的核心部件，它能感知物体表面发出的红外辐射能量，并将其转化为电信号。
红外探测器常用的类型有热电偶、热敏电阻、焦平面阵列等。
热电偶是一种利用热电效应将热能转化为电信号的传感器，它由两个不同材料制成的导线焊接在一起，当其中一个端口受热时，会产生电压信号。
热敏电阻则是一种电阻值随温度变化的传感器，其电阻值与温度成反比。
焦平面阵列是一种将热像探测器集成在一个平面上的传感器，通过阵列中每个像素点的电信号来获取物体表面的温度信息。
最后，利用传感器获取的红外辐射能量信号，红外辐射仪可以通过计算来得到物体表面的温度。
常见的计算方法包括从传感器输出的电压值或电阻值读取，然后通过与预先标定的传感器特性曲线进行匹配，得到对应的温度值。
此外，还可以通过对传感器输出信号进行放大或滤波处理，以提高测量的精度和稳定性。
综上所述，红外辐射仪的原理基于物体的红外辐射特性、传感器的探测和信号转化以及温度计算等环节。
通过测量物体表面发出的红外辐射能量，利用传感器感知和转换成电信号，再通过计算获得物体的温度值。
红外辐射仪在工业、医疗、农业等领域具有广泛的应用，如测量冶金熔炉的温度、医院中测量体温、农田的农作物生长情况等。
红外探测技术的应用
红外探测技术的应用摘要：红外探测技术广泛应用于生活与科技的方方面面，不过红外技术的发展也经历了一个比较漫长的过程，从发现到应用，都是一点一丁的积累的。
在这个过程中，红外技术也慢慢改变，极大方便人们的生活。
关键词：红外探测技术；应用；发展趋势一、引言红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波辐射，人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须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。
红外探测技术是利用目标辐射的红外线来搜索、探测和跟踪目标的一门高技术。
由于红外探测器环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且具有设备体积小、重量轻、功耗低等特点，所以在军事，医疗，工程等领域都得到广泛的应用。
二、红外探测的发展历史发展过程：1800 年, 英国人赫婿尔用水银温度计发现红外辐射。
1821 年, 塞贝克发现温差电效应, 之后把热电偶、热电堆用于红外探测器。
1859 年, 基尔霍夫提出有关物体热辐射吸收与发射关系的定律。
1879～1884年, 斯特番•玻尔兹曼提出了有关绝对黑体总辐射能量与其绝对温度之间关系的定律。
1893 年, 维恩推出黑体分布的峰值与其温度之间关系的位移定律。
1900 年, 普朗克发表能量子模型和黑体辐射定律, 导出黑体光谱辐射出射度随温度和波长变化的关系式。
上述这些工作为红外技术的发展奠定了坚实的理论基础。
在1910～1920 年的10 年中, 出现了探测舰船、飞机、炮兵阵地和冰山等目标的红外装置, 发展了通信、保安、红外测温等设备。
二战期间, 出现了红外变像管、光子探测器等, 开创了夜视技术。
1952～1953 年, 美国研制出世界上最早的热像仪,1956 年长波热像仪问世, 随后, 1964 年美国TI 公司研制的热像仪成功地用在越南战场上。
红外焦平面阵列
2.4.1 光电转换原理
为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器 的等效电路,我们先讨论一下光伏探测器的 光电转换规律是十分必要的. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. 为了说明光功率转换成光电流的关系, 光子 我们设想光伏探测器两端被短路, 电极 并用一理想电流表记录光照下 SiO 2 耗尽层 流过回路的电流,这个电流常常 n 电极 称为短路光电流 称为短路光电流. 短路光电流. n+
p+
PN结光伏探测器的作用原理如图所示: PN结光伏探测器的作用原理如图所示: 假定光生电子假定光生电子-空穴对在结的结区,即耗尽 区内产生.由于内电场作用,电子从n 区内产生.由于内电场作用,电子从n区向 p区漂移运动,被内电场分离的电子和空穴 就在外回路中形成电流.
p Ec EF Ev o 光生空穴 p
几 种 国 产 硅 光 电 池 的 特 性
2.4.4 光电二极管
光电二极管和光电池一样,其基本结构也 是一个PN结. 是一个PN结. 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 ,因此它的频率特性特别好 频率特性特别好. 小,因此它的频率特性特别好. 光生电势与光电池相同,但输出电流普遍 比光电池小,一般为数微安到数十微安. 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 化锢,铈化铅光电二极管等许多种. 按结构分,也有同质结 异质结之分.其 同质结与 按结构分,也有同质结与异质结之分.其 中最典型的还是同质结硅光电二极管.
为了减小暗电流,设置一个N Si的环把受光面(N Si)包围起 为了减小暗电流,设置一个N+-Si的环把受光面(N-Si)包围起 来,并从N Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 来,并从N+-Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 位更高的电位上,为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达 到电源的通路.
CMOS摄像器件和红外焦平面器件课件
有源像素结构APS（Active Pixel Structure )
光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学
在像元内引入缓冲器或放大器， 可改善像元性能，称为有源像素传 感器。功耗小，量子效率高。每个 像元有3个晶体管。大多数中低性 能的应用 。
光栅型有源像素结构（GP－APS）
辐射对比度——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. 1~3μm波段 代表材料HgCdTe—碲镉汞 2. 3~5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟、
PtSi—硅化铂
3. 8~12μm 波段 代表材料HgCdTe
表：一些典型的各波段探测器。
波段（波长） 近红外（0.7~1.1μm）
工作在该波段的典型红外光 子探测器
硅光电二极管 （Si）
主要有三种类型
非本征硅（P型）单片式IRFPA， 缺点：需制冷、响应度均匀性差。
本征单片式IRFPA ， 缺点：转移效率低、响应均匀性差，存储容量 较小。
肖特基势垒单片式IRFPA， 响应均匀性好，但量子效率较低。
混合式IRFPA
探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制成， 电荷转移部分用硅材料。如何建立联系？
1、CMOS像素结构
无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）
无源像素结构，1967，Weckler
由一反向偏置光 敏二极管和一个开关 管构成，开关管开启， 二极管与垂直列线连 通，信号电荷 读出。
红外热像仪知识
标准镜头拍摄
长焦镜头拍摄
红外窗口
• 绝大多数情况下，我们看到的只是表面；但是 ，我们想要了解的热量却通常源自于内部。 • 我们如何透过密闭的外壳看到内部呢？
红外窗口材料
• 对于8-14μm的红外波段来说，通常可见光可 穿透的玻璃、有机玻璃等材料都变得难以透过 ，我们需要特殊的材料作为红外测温的窗口。
DL/T664-2008附录表E 常用材料发射率的参考值
材料
温度℃
发射率近似值
材料
温度℃
发射率近似值
抛光铝或铝箔
100
0.09
棉纺织品(全颜色)
—
0.95
轻度氧化铝
25～600
0.10～0.20
丝绸
—
0.78
强氧化铝
25～600
0.30～0.40
羊毛
—
0.78
黄铜镜面
28
0.03
皮肤
—
0.98
氧化黄铜
硅（Si） 锗（Ge） 氟化钙（CaF） 硫化锌（ZnS） 硒化锌（ZnXe）
红外窗口
玻璃
铝板
红外窗口
使用红外窗口进行热像检测
红外窗口材料
还有一种材料是我们日常生活中经常用到的：保 鲜塑料袋，可以为热像仪起到保护作用。
• 现场有较多粉尘和水气时作为镜头保护用。 • 在测量时必须先确认其透过率。
后证明，在红光外侧确 实存在一种人眼看不见的 “热线”，后称为“红外 线”。
红外测温原理
•自然界任何物体，只要 温度高于绝对零度 (-273.15℃)，就会以电 磁辐射的形式在非常宽的 波长范围内发射能量，产 生电磁波(辐射能)。
红外检测技术介绍及应用讲课文档
就像照相技术意味着“可见光写入”一样， 热成像技术意味着“热量写入”。
热成像技术生成的图片被称作“温度记录 图”或“热图”。
目标
空气
热像仪
热图
现在二十三页，总共五十一页。
红外热像十一页。
反射辐射 W 自身辐射Wε
物体发出的 辐射
Wex
现在十六页，总共五十一页。
➢反射（r)、辐射(a)、穿透(t)： r+a+t=1
光滑表面的反射率较高，容易受环境影响。（反光） 粗躁表面的辐射率较高 • 不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、不同 的 颜色等，所发出的红外辐射强度都不同（辐射率不 同）。
PM X90
适用：由於儀器工作在短波段,所以主要用於需要看 火焰的設備檢測，如:電廠的鍋爐及石化系統設備的 檢測.
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在線檢測系統
A 20
A40
主要用於需要24小時監察的設備
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研究型热像仪
SC3000
P630
S 65 / 45
由於儀器各項指標都比較高,所 以主要用於研究及發展,多數用 戶是大學, 研究所等.
1800年英国的天文学家Mr.William Herschel 用分光棱镜将太阳光分解
成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银 温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线的黑暗区的时候，温度反 而比红光区更高。反复试验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的 “热线”，后来称为“红外线”，也就是“红外辐射”。
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远距离追踪,检测热像仪
红外探测器与焦平面列阵VI
２ 室 温 ６ ０ ５ ２像 元 近 红 外 ＩＧａ ｓ焦 平 面 列 阵 ３ ４× １ ｎ Ａ ｆ Ｈ． ｔｅｂ ｒ Ｍ． Ｅ ｔｎ ｅｇ等 ，美 国 传 感 器 无 限公 司） ２ ． 型高性 能凝视 热成像系统 【 ． ４ 微 Ｗ Ａ．Ｃ ｂａ ｋ ａ ａ ｓｉ ｌ
５ 非制冷红外传感器 ： ． 快速增长与未来的前景 （ 特
（ Ｌ Ａ） Ｃ 读出结构 （ ． Ｈ ｒｇ等，中国 ＲＣ Ｃ Ｄ ＧＢ ｌ ｒｋ 美 国 Ｄ Ｒ Ａ公司） Ｒ． ． ａｃ ａ ， ｅ Ａ Ｐ
６ ２ ｘ ４ 非 制 冷 微 测 辐 射 热 计 红 外 焦 平 面 列 阵 ３ ０ ２ ０
维普资讯
《 红
外 》 月 刊
２０ ０ ２年
● 国 际学 术 会 议 介 绍
红 外 探测 器 与 焦 平 面列 阵 ＶＩ
（ Ｐ ＥＶ １ ４ ２ Ｓ Ｉ ｏ． ０８）
一
、
非制 冷焦平 面
兰 、 出 集成 电路 的进展 读
ｌ． 红 外 焦平 面 列 阵一 同 使 用 的高性 能读 出集 成 电 ５与
２ 利 用 附加 的新 棱 镜 衰 减 总反 射 的量 子 阱 红外 光 电 ８ 探 删器 的 吸收 光 谱 观 测 （ ． ｉ ｉｏ等 日本 富 Ｈ Ｎｓ ｎ ｈ
（． ｉ ｌ 等， Ｊ Ｚｅ ｅ ｇ ｒ 德国 Ａ Ｇ红外组件 Ｇｍｂ Ｅ Ｈ公司） ４ ． 面加工对 Ｚ Ｓ Ｈ Ｃ Ｔ １表 ｎ ／ ｇ ｄ ｅ界 面的表 面复台速度
德 国 ＡＥ 红外 组 件 Ｇｉｂ 公 司等） Ｇ ｎＨ
成像光谱仪原理【详解】
论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业、林业、工业及科研、环境保护等方面的应用，对我国光谱仪的研究发展概况作了简单介绍。
1 系统工作原理与结构高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。
根据成像光谱仪的扫描方式，其工作原理也不尽相同，作为光学成像仪成像的一个例子，这里简述一下焦平面探测器推扫成像原理。
1.1 系统工作原理焦平面探测器推扫成像原理见图1。
地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面，狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过，挡掉其他部分光。
地面目标物的辐射能通过指向镜，由物收镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上，经色散元件在垂直条带方向按光谱色散，用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。
焦平面的水平方向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，称光谱维，每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。
这样，面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据，加上航天器的运动，以一定速率连续记录光谱图像，就得到地面二维图像及图形中各像元的光谱数据，即图像立方体。
图1.光谱成像仪数据获取系统的结构1.2 光谱成像仪数据获取系统构成光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成。
数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。
软件具有如下功能：数据备份；快速回放；数据规整和格式转换；图像分割截取；标准格式的图像数据生成等。
2 成像光谱仪的应用成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域，对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。
如在生物化学研究中，可以利用喇曼光谱鉴别一些物质的种类，还可以测定分子的振动转动频率，定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况，并推断分子的对称性，几何形状、分子中原子的排列，计算热力学函数、研究振动一转动拉曼光谱和转动拉曼光谱，可以获得有关分子常数的数据。
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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
，输出值为Y，增益因
子和偏移因子分别为ijG和ijO，则有：
()ijijijijYGXO
（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,AB和S平行，就相当于完成对增益的校正。然后再将,AB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
HT和低温LT下均匀黑体辐射的响应计算ijG和ijO，从而实现非均匀性校正。设高温H
T
和
低温LT下所有阵列元的响应分别为HV和LV。
1111()()()()HijijijLijijijMNijLijLMNijHijHVGXHOVGXLOXVMNXVMN
(2.4)
其中
()ijXH和()ijXL
分别为像元(,)ij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：
()()
()()
()()HLijijijHijLijijijijVVGXHXLVXLVXHOXLXH
W W W
LT H
T
B
A
S BS AB
S
A
U U U