花鍵加工機床

[拼音]：hongwai tanceqi

[英文]：infrared detector

將入射的紅外輻射訊號轉變成電訊號輸出的器件。紅外輻射是波長介於可見光與微波之間的電磁波，人眼察覺不到。要察覺這種輻射的存在並測量其強弱，必須把它轉變成可以察覺和測量的其他物理量。一般說來，紅外輻射照射物體所引起的任何效應，只要效果可以測量而且足夠靈敏，均可用來度量紅外輻射的強弱。現代紅外探測器所利用的主要是紅外熱效應和光電效應。這些效應的輸出大都是電量，或者可用適當的方法轉變成電量。一個紅外探測器至少有一個對紅外輻射產生敏感效應的物體，稱為響應元。此外，還包括響應元的支架、密封外殼和透紅外輻射的視窗。有時還包括致冷部件、光學部件和電子部件等。

簡史

1800年，F.W.赫歇耳在太陽光譜中發現了紅外輻射的存在。當時，他使用的是水銀溫度計，即最原始的熱敏型紅外探測器。1830年，L.諾比利利用當時新發現的溫差電效應(也稱塞貝克效應)，製成了一種以半金屬鉍和銻為溫差電偶的熱敏型探測器。稱作溫差電型紅外探測器(也稱真空溫差電偶)。其後，又從單個溫差電偶發展成多個電偶串聯的溫差電堆。1880年，S.P.蘭利利用金屬細絲的電阻隨溫度變化的特性製成另一種熱敏型紅外探測器，稱為測輻射熱計。1947年，M.J.E.高萊發明一種利用氣體熱膨脹製成的氣動型紅外探測器（又稱高萊管）。在40年代，又用半導體材料製作溫差電型紅外探測器和測輻射熱計，使這兩種探測器的效能比原來使用半金屬或金屬時得到很大的改進。半導體的測輻射熱計又稱熱敏電阻型紅外探測器。

60年代中期，出現了熱釋電型探測器。它也是一種熱敏型探測器，但其工作原理與前三種熱敏型紅外探測器有根本的區別。最早的光電型紅外探測器是利用光電子發射效應即外光電效應制成的。以 Cs-O-Ag為陰極材料的光電管（1943年出現）可以探測到 1.3微米。外光電效應的響應波長難以延伸，因此，它的發展主要是近紅外成像器件，如變像管。

利用半導體的內光電效應制成的紅外探測器，對紅外技術的發展起了重要的作用。內光電效應分光電導和光生伏打兩種效應。利用這些效應制成的探測器分別稱為光導型紅外探測器和光伏型紅外探測器（見光子型探測器）。

在半導體中引起電導改變或產生電動勢是一個啟用過程，需要有一定的能量墹E。因此，入射輻射的光子能量必須大於墹E。也就是光電型探測器有一個最長的響應波長，稱為長波限λ

，即

(1)

1917年，T.W.卡斯發明Tl2S光電型紅外探測器，但長波限僅到1.1微米。30年代末期，德國人研究PbS光導型探測器，室溫工作時長波限為3微米，液氮溫度時可到5微米。第二次世界大戰之後，相繼研製成PbTe和PbSe光電型探測器，響應波長延伸到7微米。50年代起，由於半導體物理學的發展，光電型探測器所能探測的波長不斷延伸。對於有重要技術用途的 1～13微米波段和限於實驗室應用的13～1000微米波段，都有適當的光電型探測器可供使用。60年代起，又研究成Hg1-xCdxTe三元半導體紅外探測器，配製不同組分x的材料，可以製得不同響應波長的紅外探測器。

整流型紅外探測器也是60年代開始問世的。由於鐳射的出現，就有可能利用外差技術進行接收。因此，把微波波段用的結型檢波器推廣應用到更高的頻率範圍，即短毫米波和亞毫米波。

特性引數

紅外探測器是把入射的紅外輻射功率轉變成輸出電壓的功率探測器(圖1)，用特性引數表示其使用規範和特性。對 1～14微米波段的探測器已有國際通用的引數。這些引數對遠紅外波段探測器也大體適用。

響應率

輸出訊號電壓S與輸入的紅外輻射功率P之比，即

(2)

測量條件為：

（1）輻射源用500K的黑體輻射，或其波長和功率均為已知的單色輻射；

（2）入射輻射的功率應調製成按正弦變化，即正弦調製，輸出電壓也將按正弦變化；

（3）輸出電壓和輸入功率都用均方根值；

（4）輸出電壓必須用開路電壓；

（5）輻射功率的大小，必須選擇在輸出電壓與入射功率成正比的範圍內。

響應波長範圍

單色響應率與波長的關係(圖2)，稱為分譜響應曲線或響應光譜。熱敏型紅外探測器的響應率與波長無關(至少在 1～15微米範圍內)。光電型紅外探測器有峰值波長λp和長波限λ

。通常取響應率下降到λp處的一半所在的波長為λ

。光電探測只在λ≤λ

範圍內有響應，因而又稱為選擇性紅外探測器。圖2的縱軸通常用相對單位表示。

噪聲電壓

如果測量探測器輸出的電子系統有足夠大的放大倍數，即使沒有入射輻射，也可看到有一些毫無規律的、事前無法預測的電壓起伏。它的均方根值稱為噪聲電壓 N。此噪聲來源於探測器中的某些基本的物理過程，是無法消除的。

噪聲等效功率

當入射紅外輻射所產生的輸出電壓正好等於探測器本身的噪聲電壓時，這時的入射輻射功率稱為噪聲等效功率PNE。這是一個可測的量。設入射輻射功率為P，測得探測器的噪聲電壓為N，則按照比例關係，S＝N 的輻射功率為

(3)

噪聲電壓與測量放大器的頻寬墹f有關。對於紅外探測器。N ∝

。通常用單位頻寬時的PNE表徵探測器探測弱輻射訊號的本領。此引數適用於所有的紅外波段的探測器。

探測率

探測器的噪聲等效功率值與探測器的面積A有關，因而不能用它比較兩個不同面積的探測器的優劣。通過分析，大多數紅外探測器的噪聲等效功率PNE∝

，考慮到頻寬，則PNE ∝

。為了比較不同來源的紅外探測器，制定了規一化的探測率D*

(4)

這就是當探測器的響應元面積為1釐米2，放大器頻寬為1赫時，單位功率所能給出的信噪比。這個數值越大，探測器就越好。測量D*的條件與測量R 和N 的條件相同。談到一個探測器的探測率D*時，必須指明源的性質、調製頻率和放大器的頻寬，規定的寫法為D*（輻射源，調製頻率，頻寬），如D*(500K，800，1)、D*(λp，800，1)等。在實踐中，用單色輻射源測R 和D*比較困難，一般都是測量器件對500K黑體輻射源的探測率和以相對值表示的分譜響應，再轉換到單色輻射率。

響應時間

當入射輻射突然照射到探測器上時，它的輸出需要經過一定時間才能上升到與入射輻射功率相對應的穩定值。當輻射突然撤離時，也需要一定時間才能下降到最初的穩定值。一般說來，上升或下降所需的時間是相等的，稱為探測器的響應時間τ。

其他引數

探測器的工作溫度、工作時的外加電壓或電流、響應元的面積、電阻和低溫工作的探測器的立體角等，都是設計或使用時所必須考慮的。

探測器的比較

熱敏探測器是在室溫條件下能探測到15微米以至遠紅外波段的器件；與入射輻射的波長無關，可以用作輻射功率的絕對值測量;探測率為108～109釐米·赫

/瓦，響應時間為10-3～10-2秒。光子探測器對波長有選擇性，探測長波時需要在低溫下工作。降低工作溫度可提高探測率。探測率為109～1011釐米·赫

/瓦，響應時間為10-4～10-9秒。幾種常用探測器的分譜探測率見圖3。表中列出幾種紅外輻射探測器的主要引數，所列資料表示一般探測器的大致引數範圍，最佳探測器的引數可超出上述範圍。

一切物體都在不斷髮出紅外輻射，因而人們的周圍處處都有紅外輻射。這些從環境中發射出來的紅外輻射稱為背景輻射。當使用紅外探測器探測特定的訊號輻射時，周圍環境紅外輻射的影響是不可避免的。它們從各個方向投射到探測器上，引起探測器的響應。其總功率通常要比訊號輻射功率大得多。如果這一功率恆定不變，就可以從總的輸出中減去其分量，從而消除其影響。事實上，背景輻射並不是恆定不變的，其功率或光子數都在一個平均值上下漲落。這個漲落可能最終影響到紅外探測器的工作效能。

探測器的噪聲一般來自探測器的探測機理本身，如果探測器的效能好，它本身的噪聲電壓就很低，以至它的輸出能反映出背景輻射的漲落。這時的噪聲就是背景輻射噪聲。用這一噪聲計算所得的探測率稱為背景輻射限探測率