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非制冷型红外焦平面阵列原理
3.2 热释电型
非制冷红外焦平面
红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变 化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。 通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱
探测材料：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛 （铁电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡
非制冷IRFPA
电学读出方式
非制冷红外焦平面
光学读出方式
热 敏 电 阻 型
热 释 电 型
热 电 堆 型
二 极 管 型
热 电 容 型
应用光 力学效应 的非制冷 IRFPA
基于F-B腔 阵列的 非制冷 IRFBA
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非制冷型红外焦平面阵列原理
3.1 热敏电阻型
非制冷红外焦平面
利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱
式中 ib是通过探测像素的偏置电流， P0 是输入辐射能量 又由热能量公式可知：
C d (T ) GT P P0 exp( jt ) dt
（2.1—4）
P0 exp( jt ) P0 T G jC G(1 2 2 )1 2
（2.1—5）
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非制冷红外探测器
非制冷红外焦平面
非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红 外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件 温度上升。 敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过 所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号。
其核心部件是红外焦平面阵列（IRFPA）
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非制冷型红外焦平面阵列原理
假设在居里温度 TC 附近（低于 TC ），红外辐射引起 相元的变化为 T ，由此引起的电流为 I（即回路电流的表 s 达式）为： （2.2—1） 其中A为像素面积，p为热释电系数
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非制冷型红外焦平面阵列原理
非制冷红外焦平面
由于热释电探测器是电容性的，需考虑探测单元的电 容 Ce ，则热释电输出信号电压 Vs 为：
探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等
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非制冷型红外焦平面阵列原理
非制冷红外焦平面
热敏 电阻 型 红外 探测 器 结构
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非制冷型红外焦平面阵列原理
除以输入辐射能量。假定输出信号
非制冷红外焦平面
通常定义红外探测器的响应率R 为输出信号（电流或电压）
VS ，则
（2.1—3）
VS ib R ibRT
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
E
P
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非制冷型红外焦平面阵列原理
非制冷红外焦平面
下图是典型的热释电红外焦平面单元的电路连接示意 图。若用调制频率为f的红外辐射照射热释电近体，则晶 体温度、自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷密度均 随频率f发生周期性变化。如果1/f（T）小于自由电荷中和 面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于自发极化强度的 两个断面间就会产生交变开路电压，通过负载连成闭合回 路，就会在回路中有电流流过，而且在负载的两端产生交 变的电压信号，完成光电转换。

第一代 热释电摄像机（红外热释电摄像管）

第二代 凝视型（非制冷凝视焦平面探测器）
第三代 扫描性（非制冷线列焦平面探测器）

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非制冷红外探测器
非制冷红外成像 的历史与发展
技术 成熟期
新技术 探索期
非制冷红外焦平面
探测器性能的改进
技术 探索期
混合式和集成式探测 器的大规模生产
混合式和单片机式
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非制冷型红外焦平面阵列原理
非制冷红外焦平面
热释电效应：
在热平衡条件下，电介质因自发极化要产生表面束缚电荷，这 种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补偿，其电不能 显现出来，当温度发生变化，由温度变化引起电介质的极化状态的改变 不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补偿，使电介质对外显电性。 Ps=p T（具有自发极化的晶体）
光子型红外探测器
采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等， 利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换。 因而需要工作在77K或更低的温度下。 缺点：体积大，价格昂贵，制备困难，兼容性差
红外 探测器
非制冷红外探测器
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非制冷红外探测器
非制冷红外焦平面
根据红外探测器组件的不同，非制冷型热成像仪可分为三类：
从而，探测单元响应率为：
如果照射热释电晶体是没有经过调制的红外辐射，则辐 射使晶体的温度升高到新的平衡值，同时电极表面的感应电 荷也变化到新的平衡值，不再“ 释放电荷”，也就不再有输 出信号。Page 16ຫໍສະໝຸດ 非制冷型红外焦平面阵列原理
非制冷红外焦平面
因此，热释电红外探测器与其他探测器不同，它只有在 温度升降的过程中才有信号输出，所以利用热释电探测器时 红外辐射必须经过调制。在实际系统中，通常使用调制盘来 调制红外辐射。
非制冷型红外焦平面阵列原理
因此，信号电压
非制冷红外焦平面
ibRP0 Vs G (1 2 2 )1 2
（2.1—6） （2.1—7）
响应率
Vs ibR R P0 G(1 2 2 )1 2
衡量系统噪声——噪声等效温差（NETD）
当带有焦平面阵列的成像系统的视场中的大的黑体温 度发生变化时，能引起阵列输出的信噪比以及读出电路信 号产生最小单位的变化，则此温度的变化量即为NETD。
介电热释电材料主要有两类：
（1）热电型，特点是极化强度方向能随外加电场而改变 （2）热电—非铁电体，特点是自发极化方向不能随外电场改 变。 热释电红外焦平面所用的材料通常属于热电—铁电体。
非制冷红外焦平面
一
红外成像的概述
二
非制冷型红外探测器
三
非制冷型红外焦平面阵列原理
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红外成像的概述
红外热成像系统：
非制冷红外焦平面
能够摄取景物红外辐射分布图像，并将其转换为人眼可 见视图的装置。
红外望远镜
光学机械扫描器
红外探测器组件
软件及相关算法
电子学组件
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红外成像的概述
非制冷红外焦平面
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非制冷型红外焦平面阵列原理
非制冷红外焦平面
3.2.1 理论参数分析
居里温度也称磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的 温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相的相变温度。也可以说是发生二级相 变的转变温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁 场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容 易随周围磁场的改变而改变。