《红外成像器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外成像器件（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光电成像技术,2010/2011 第二学期 王烨 ,参考教材：,光电成像原理 作 者 编著:邹异松 刘玉凤 白廷柱 出 版 社北京理工大学出版社 书 号 81045-231-2,第四章 红外成像器件,红外辐射技术作为一门新兴技术科学，在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。应用领域十分广阔，例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。 红外辐射就是红外光，其波长从11000m。红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示。,红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质
2、。红外光在真空中的传播速度为3108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。研究分析表明，对于波长为15m、 814m区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。 自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。 红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。例如，黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体)、镜体(能全部反射红外辐射的物体)、透明体(能全部穿透红外辐射
3、的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应。严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。 上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。,红外探测器 对红外波段的入射电磁辐射产生电输出的探测器件。（单元器件，成像器件）类型： 光子探测器 （光电效应） 热（辐射）探测器 （热电效应）,光子探测器与热探测器的比较,光子探测器,内光子效应,外光子效应,光电导效应（光敏电阻）,光生伏特效应（光电池，光敏二极管，光敏三极管）,光阴级发射光电子（光电管）,光电子倍增（光电倍增管，像增强器）,光电效应,特点：
4、具有频率选择性，响应速度快,光电导效应：由光照引起半导体电导率增 加的现象（体效应）。光生伏特效应：光照零偏PN结产生开路电 压的效应。（结效应）光电发射效应：在光照下，物体向表面以 外空间发射电子的现象。,热探测器,光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不能直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，进而使探测元件的电学性质或其他物理性质发生改变。特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般较慢,1 温差电效应,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极
5、B,热电势,A,B,将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，这种电流称为温差电流，产生这种电流的电动势称为温差电动势。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。应用：温差发电器，热电偶，热电堆光传感器,2.热释电效应,概念：晶体在没有外加电场和应力的情况下，具有自发的或永久的电极化强度，且这种电极化强度（面电荷密度）随晶体本身温度的变化而变化。特点：工作波段为814um，且是一种交流式瞬时响应器件应用：热成像技术，红外遥感技术，快速激光脉冲监测等,热电晶体在自发极化强度Ps的作用下，
6、垂直于Ps的两个晶面上会分别出现等量、异号的面束缚电荷。当热电晶体因吸收光辐射而使其温度由T1上升到T2时，自发极化强度Ps减小，导致晶面上的束缚电荷减少，这相当于晶体表面“释放”了电荷，因此称为热释电效应,热电系数： 其中， 表示应力与电场保持不变,热释电器件完成热电转换的条件,面电荷密度常被内部或外来的自由电荷所中和，因此不能维持较长时间，其时间常数为： 只要在该时间内使热释电晶体的温度发生变化，晶体的自发电极化强度将随温度的变化而变化，从而相应的束缚电荷也随之变化。,铁电体：具有热释电效应的晶体（硫酸三甘肽TGS，钽酸锂LiTaO3-LT，铌酸锶钡SBN）居里温度：使电极化强度降低到零时
7、的温度。,单畴化：通过外电场的瞬间作用使铁电体产生较强自发极化强度的过程。 单畴化的热释电晶体，在垂直极化方向的表面上将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷，且： 其中： ：面电荷密度； S ，d：晶体的表面积和厚度 热释电晶体的表面束缚面电荷密度等于它的自发电极化强度。,红外变像管,红外摄像管热释电摄像管,1-锗透镜；2-锗窗口；3-栅网；4-聚焦线圈；5-偏转线圈；6-电子束；7-阴极；8-栅极；9-第一阳极；10-第二阳极；11-热释电靶；12-导电膜；13-斩光器,基于热释电效应，物体的红外辐射经光学系统成像在用热释电材料薄片制作的靶面上，靶面吸收红外辐射，温度升高释放出电荷。即：
8、 物体表面红外辐射分布 靶面的辐照度 靶面的温度分布 靶面的热释电荷分布 扫描视频信号 热像图。 特点：工作波段长；不用制冷；结构简单可靠；价格低廉；静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制；对于运动物体成像毋须调制，适合于动态物体红外成像，应用广泛。,热释电摄像管 工作原理：,两大特殊问题：,热释电靶是利用热释电效应来工作的，而热释电效应仅对随时间变化的热辐射有响应，所以，热释电靶工作时需要交变的入射辐射，即要对入射辐射进行调制。由于热释电靶是近乎完美的绝缘体，容易积累电荷而使电子束不能连续工作，为此要设法消除靶面上的负电荷积累。,热释电靶电荷图像的形成与读出,1.图像入射方式 平移式，摄全
9、景式，斩光式2.热释电靶的单畴化3.靶面电荷图像的形成4热释电靶电荷图像的读出,热释电靶面的信号电荷是由扫描电子束的负电荷着靶后才形成视频信号的，所以，靶面的信号电荷必须是正电荷。基底电荷：为防止热释电摄像管中靶面上产生的负电荷沉积，所提供给靶面的正电荷。热释电靶可以将所接收的热辐射图像转换为靶面的电位图像，即完成了摄像的写入过程。,靶面电荷图像的形成,特点：电子束扫描面上产生的电荷可正可负。问题：扫描电子束中只有带负电荷的电子，对靶面上的负电荷图像不能进行中和，无法读出电荷图像。解决方法： 1.电荷图像形成前，使靶面稳定在高电位上，在积累电荷时不至于形成负的靶面电位。 2.对靶面提供基底正电荷，中和靶面积累的负电荷。,热释电靶电荷图像的读出,两种读出靶面电荷图像的方法 1.阳极电位稳定法APS 2.阴极电位稳定法CPS,
