紅外探測(cè)器原理及分類

不同種類的物體發(fā)射出的紅外光波段是有其特定波段的，該波段的紅外光處在可見光波段之外。因此人們可以利用這種特定波段的紅外光來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤。將不可見的紅外輻射光探測(cè)出并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的信號(hào)的技術(shù)就是紅外探測(cè)技術(shù)。從目前應(yīng)用的情況來看，紅外探測(cè)有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于可見光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力；隱蔽性好，一般都是被動(dòng)接收目標(biāo)的信號(hào)，比雷達(dá)和激光探測(cè)安全且保密性強(qiáng)，不易被干擾；由于是*目標(biāo)和背景之間的溫差和發(fā)射率差形成的紅外輻射特性進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光；與雷達(dá)系統(tǒng)相比，紅外系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗低；探測(cè)器的光譜響應(yīng)從短波擴(kuò)展到長波；探測(cè)器從單元發(fā)展到多元、從多元發(fā)展到焦平面；發(fā)展了種類繁多的探測(cè)器和系統(tǒng)；從單波段探測(cè)向多波段探測(cè)發(fā)展；從制冷型探測(cè)器發(fā)展到室溫探測(cè)器；由于紅外探測(cè)技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)從而使其在軍事國防和民用領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在軍事需求的牽引和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，作為高新技術(shù)的紅外探測(cè)技術(shù)在未來的應(yīng)用將更加廣泛，地位更加重要。紅外探測(cè)器是將不可見的紅外輻射能轉(zhuǎn)變成其它易于測(cè)量的能量形式的能量轉(zhuǎn)化器，作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，紅外探測(cè)器的研究始終是紅外物理與技術(shù)發(fā)展的中心。自1800年Herschel發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的紅外線時(shí)所用的涂黑水銀溫度計(jì)為最早的紅外探測(cè)器以來，隨著紅外實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展，新器件不斷涌現(xiàn)。紅外探測(cè)器制備涉及物理、材料、化學(xué)、機(jī)械、微電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科，是一門綜合科學(xué)。
　　1.2.1熱探測(cè)器熱探測(cè)器吸收紅外輻射后，溫度升高，可以使探測(cè)材料產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化，自發(fā)極化強(qiáng)度變化，或者氣體體積與壓強(qiáng)變化等，測(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)定被吸收的紅外輻射能量或功率。分別利用上述不同性能可制成多種熱探測(cè)器：
　　(1) 液態(tài)的水銀溫度計(jì)及氣動(dòng)的高萊池（Golay cell）：利用了材料的熱脹冷縮效應(yīng)。
　　(2) 熱電偶和熱電堆：利用了溫度梯度可使不同材料間產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)的溫差電效應(yīng)。
　　(3) 石英共振器非制冷紅外成像列陣：利用共振頻率對(duì)溫度敏感的原理來實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)。
　　(4)測(cè)輻射熱計(jì)：利用材料的電阻或介電常數(shù)的熱敏效應(yīng)—輻射引起溫升改變材料電阻—用以探測(cè)熱輻射。因半導(dǎo)體電阻有高的溫度系數(shù)而應(yīng)用最多，測(cè)溫輻射熱計(jì)常稱“熱敏電阻”。另外，由于高溫超導(dǎo)材料出現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)變溫度附近電阻陡變的超導(dǎo)探測(cè)器引起重視。如果室溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實(shí)，將是21世紀(jì)最引人注目的一類探測(cè)器；
　　(5) 熱釋電探測(cè)器：有些晶體，如硫酸三甘酞、鈮酸鍶鋇等，當(dāng)受到紅外輻射照射溫度升高時(shí)，引起自發(fā)極化強(qiáng)度變化，結(jié)果在垂直于自發(fā)極化方向的晶體兩個(gè)外表面之間產(chǎn)生微小電壓，由此能測(cè)量紅外輻射的功率。
　　1.2.2光子探測(cè)器光子探測(cè)器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)等光子效應(yīng)，從光子效應(yīng)的大小可以測(cè)定被吸收的光子數(shù)。
　　(1)光電導(dǎo)探測(cè)器：又稱光敏電阻。半導(dǎo)體吸收能量足夠大的光子后，體內(nèi)一些載流子從束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，從而使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電導(dǎo)探測(cè)器分為多晶薄膜型和單晶型兩種。
　　(2)光伏探測(cè)器：主要利用p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對(duì)。存在的結(jié)電場(chǎng)使空穴進(jìn)入p區(qū)，電子進(jìn)入n區(qū)，兩部分出現(xiàn)電位差，外電路就有電壓或電流信號(hào)。與光電導(dǎo)探測(cè)器比較，光伏探測(cè)器背景限探測(cè)率大40%，不需要外加偏置電場(chǎng)和負(fù)載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。
　　(3)光發(fā)射-Schottky勢(shì)壘探測(cè)器：金屬和半導(dǎo)體接觸，形成Schottky勢(shì)壘，紅外光子透過Si層被PtSi吸收，使電子獲得能量躍遷至費(fèi)米能級(jí)，留下空穴越過勢(shì)壘進(jìn)入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測(cè)。
　　(4)量子阱探測(cè)器（QWIP）：將兩種半導(dǎo)體材料用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面有能帶突變，使得電子和空穴被限制在低勢(shì)能阱內(nèi)，從而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能級(jí)電子躍遷原理可以做紅外探測(cè)器。因入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應(yīng)光譜區(qū)窄；低溫要求苛刻。