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热探测器与非制冷焦平面阵列

热型探测器接收红外辐射后, 辐射能引起灵敏元温度变化而产生信号, 对不同波长辐射能量的响应是相同的, 即对波长无选择性, 在室温工作, 常用有热电偶、热电堆、热敏电阻、热电探测器等, 与光子型探测器相比, 其灵敏度低、响应时间偏长。通常认为响应时间比较快的热电探测器,其响应时间也在毫秒量级, 探测率为108 量级。因此分立式热型器件无法用于扫描成像, 只有热电摄像管可以成像应用。非制冷红外焦平面阵列的出现, 改变了这种状况, 使热型探测器可以用于凝视成像。

长期以来, 人们一直探索在不制冷条件下工作的IRFPA。以热型探测器为基础发展而来的非制冷焦平面阵列, 由于其结构简单、使用方便而受到重视。面阵凝视焦平面阵列用于红外成像时, 不需光机扫描, 在一帧时间内器件对景物辐射积分, 然后以电扫描的方式, 从各元件取出信号, 由于电采样时间可以很短, 整个帧时间几乎都是探测器的响应时间(积分时间), 可达几十毫秒, 可以有效地利用积分时间长的优势, 使信号增强, 在此时间内还可多次采样。而M ×N元凝视成像使器件信噪比大为提高理论上信噪比可以提高(M ×N)1 /2 , 这就给原来性能较低、响应较慢的热探测器提供了可以做成凝视焦平面阵列用于成像在一般场合应用的可能。用可以和电视兼容的每秒25 帧成像为例, 每帧时间为40ms, 对于时间常数为毫秒级的热型探测器来说,凝视成像要求的时间常数已不成问题。

非制冷红外焦平面阵列目前已达640 ×480 元, 应用最多的是160 ×120元、320 ×240元器件。其功能材料主要有:测辐射热计型的无定型硅(a - S i)、氧化钒(VOx)和热电型的锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)、钽酸钪铅(PST)等。目前非制冷焦平面热像仪的NETD可达0. 1℃, 能满足一般工业需要和部分中低端需要。 [3]

光子探测器及其焦平面阵列

红外光子探测器一般由半导体材料制成, 光子直接激发光敏材料的束缚电子成导电电子, 满足一定能量的光子才能产生激发作用, 因此光敏材料的禁带宽度或杂质能级决定了其响应波长, 称响应对波长有选择性。针对应用的三个大气透过窗口, 发展了1 ～ 3μm的短波红外(SWIR)、3 ～ 5μm的中波红外(MWIR)和8 ～ 14μm 的长波红外(LWIR)探测器。光子探测器灵敏度高, 响应快, 但大多在低温工作, 需要制冷。

焦平面阵列是新型红外器件, 有些分立式探测器(如光导型探测器)不适宜焦平面结构;而另一些器件, 作为分立型器件使用时, 性能无优势, 基本不用, 但由于其材料均匀性好、便于大规模集成和便于与硅信号处理电路集成而出现在焦平面的行列中。

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