红外热像仪

VOx和α-Si热成像探测器比较

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    现代的军事和民用对红外热成像系统(热像仪)的需求量都特别大。众所周知,传统的红外焦平面(FPA)热成像系统其核心部件主要是需低温致冷的光量子型器件(在低温77K附近工作),其中以碲隔汞(HgCdTe) 器件(工作在3~5um或8~14um 波段) 和锑化铟( InSb) 器件(工作在3~5um波段) 为典型代表。这类器件的光电性能的确优良,但它们存在的问题是必须制冷、价格昂贵、功耗大、重量重、寿命有限、后勤维护量大、使用条件苛刻,可靠性不足。因而其应用受到很大的限制。非致冷红外焦平面阵列不需致冷,且使红外摄像获得优良性能,又实现低成本,小型化和高可靠性。尤其是大面阵的凝视红外焦平面阵列,更是大大拓宽了红外技术的应用范围。

    非致冷凝视焦平面阵列根据其探测器可分为热电偶FPA ,热释电FPA 和微测辐射热计FPA。目前较为常用的是热释电FPA 和微测辐射热计FPA,其中,微测辐射热计FPA 因其系统简单应用更为广泛一些。

    现对热释电FPA和微测辐射热计FPA两类热像仪做一些比较。

    1、噪声等效温差(NETD)

    噪音等效温差是表征探测器性能的一个重要指标。

    其定义为:采用如上图所示的标准侧视图,角尺寸为W×W,温度为TT的均匀方形黑体目标,处在温度为TB(TT >TB)的均匀黑体背景中构成测试图案。热像仪对这个测试图案进行观察,当系统的基准电子滤波器输出的信号电压峰值和噪声电压的均方根值之比为1时,黑体目标和黑体背景目标的温差称为噪声等效温差(NETD)。

    NETD表征探测器对最小温差的探测能力,其值越小,探测能力越强,探测距离也就越远。但由于同一个探测器可配不同的镜头,因此在提到NETD时要标出镜头的标准,即F数。

    现对三种探测器的NETD进行比较。

    BST探测器NETD的一个典型值为100mK,当F=1,温度为25℃时。

    VOx探测器NETD的一个典型值为100mK,当F=1.6,温度为25℃时。

    在这种情况下,二者的噪声水平相当。但当把VOx探测器的F数换成1时,其值为39mK。从中可以看出,VOx探测器的噪声性能比BST探测器好大概3倍左右。VOx探测器与α-Si探测器的比较也差不多是这样的结果。因此可以说,VOx探测器是三者中灵敏度是最高的,其可探测温差也是最小的。

    另外,VOx的电阻大概为100KΩ,而α-Si的电阻大概30MΩ,根据约翰逊电阻随机噪声理论可知,电阻越大,电流噪音越大,因此VOx探测器的电流噪声比α-Si探测器噪声小多了。

    2、热像仪镜头尺寸比较

    热像仪镜头所用的材料是锗玻璃,它是一种非常贵的材料,使得镜头的成本占了热像仪成本的很大比例,因此镜头尺寸关系到热像仪的成本问题。所以,热像仪制造商一般都选择小口径或高F数的镜头来降低成本。

    前面提到,VOx探测器的NETD比较小,配F数较大的镜头就可达到系统性能的要求,从而减小镜头的尺寸,降低了成本。

    另一方面,F数小的镜头,其焦深也比较小,使得系统成像清晰范围变小,因而制造商一般都采用F数较大的镜头以得到较大的焦深。

    最后一点,大口径的镜头不仅增加系统的成本,也造成系统安装和集成的困难。镜头口径越大,热像仪的重心越靠近镜头前端,造成热像仪安装的困难。在一些空间狭小或对热像仪体积有限制的地方更是难以装备或集成。

    3、像元尺寸

    红外焦平面探测器是由大量的像元在焦平面上排成阵列而成的,而像元尺寸的大小将影响一系列性能指标。相对于BST探测器,VOx和α-Si探测器的像元尺寸现在可以做得特别小,如Photon320的像元尺寸为38μm,Photon640的像元尺寸为25μm。像元尺寸越小,就可制作越高像素的探测器。像元尺寸越小,其像元均匀性越好,图像性能越好。另外,像元尺寸越小,系统所配的镜头口径也可越小,进而降低成本。

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