紅外傳感器的基礎知識
光學基礎
關於光的本質，許多世紀以來同時存在互相矛盾的論點，但都在相互補充，不斷進步。
光的本質
- 光微粒說：早在17世紀牛頓就提出光的微粒學說。他認爲光是由有彈性的球形微粒所組成，稱爲"光微粒"。據此牛頓說明了光的直線傳播、反射和折射定律。
- 光波動說：與牛頓同時代人惠更斯提出了光的波動學說。他認爲光是以球面波的形式傳播的。如果光在傳播過程中遇到障礙物的小孔，則在小孔後面形成新的球面波，根據這一理論可以解釋光的干涉和衍射現象。
- 電磁波說：19世紀麥克斯韋提出光的電磁波理論。他認爲光是一種在空間傳播的電磁波。該理論涉及光的電磁本質，指出光和電磁性質的一致性。證明了X線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波等在本質上是相同的，所不同的只是波長上的差別而已。
- 量子論說：20世紀初普朗克提出光的量子論學說。他認爲：發光體的原子在發射光波時，是一份一份地發射的，光源好像射出一個一個"能量顆粒"，每個能量顆粒大小是固定的，稱爲這種光的一個量子。量子的大小隻與這種光的頻率有關。據此學說，光除了波動性外，還具有用量子表示的微粒性。量子的大小決定於頻率，所以紫外線的量子比較大，可見光的量子次之，紅外線的量子更小。該學說能解釋光的熱效應、化學效應、熒光現象及光壓等。
光的分類
根椐光的波長分爲可見光和不可見光。
- 可見光：佔全部電磁波譜的極小部分。當陽光通過棱鏡後，由於不同波長的光線穿透介質產生的折射角度不同，因而在棱鏡後面的白屏上陽光分散成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光。可見光的波長爲400~760nm（納米）。
- 紫外線：在紫色光之外端謂紫外線，肉眼不可見光，波長約爲4~399nm。在紫外線之外端還有x射線、r射線、宇宙射線。
- 紅外線：在紅色光之外端謂紅外線，亦爲不可見光，波長0.76~1000μm。紅外線之外端還有微波，無線電波。
紅外輻射與紅外光譜
紅外光譜
一切高於絕對零度（OK，-273.16℃）的物體都有自身的輻射熱，只是常溫物體的輻射峯值不處在人類視覺範圍內，而處於紅外波段，因而人眼不能看到常溫物體的自身輻射(在自然界事實不存在絕對零度的物體)。
1800年，美國天文學家威．赫謝爾（Ｖ．Ｈershel）在研究太陽光譜各部位的效應時，使一支塗黑了的水銀溫度計受太陽連續光譜照射，發現在紅色那一端外水銀柱指示出較高的溫度，從而確定了不可見的紅外線的存在。此後又發現熱效應從紫光到紅光逐漸增強，而最大值是在紅光邊界以外。由此表明在太陽光譜紅光邊界之外，還存在着人眼看不見的輻射能量，當時稱這種輻射能量爲"看不見的光線"，後稱之爲"紅外線"，或"紅外輻射"。其頻率範圍爲3×1011~4×1014HZ之間。人體是天然輻射體，輻射率高達0.98，輻射峯值波長爲9.3482μm。人體各部位溫度的差別，峯值在9~10μm。
對於紅外的劃分，一直沒有一個統一的定義，目前常採用分法有兩種，一種是：(1)即波長0.72～1.5μm爲近紅外波段，1.5~5.6μm爲中紅外波段，5.6~1000μm爲遠紅外波段；(2)0.76~25μm爲近紅外，25~30μm爲中紅外，30~1000μm爲遠紅外。
在紅外波段中，波長以μm爲單位，頻率用cm-1，它表明在真空中１cm路程內所含波長的數目。
在紅外光譜學中，通常用"波數"ū 這個參數來表證。
圖1. 典型黑體輻射譜
圖2. 典型紅外發射光源
紅外線特性
紅外線和可見光一樣都是電磁波，因此也具有可見光的一般性質，如遵從反射和折射定律；存在着干涉、衍射和偏振及介質中的吸收和散射現象。由於電磁波具有波動性和量子性，所以紅外線還以光子形式存在。
光的能量以光量子爲單位，即普朗克(Planck)常數h=6.623*10-34爾格J·s
紅外線和可見光一樣具有直線傳播特性，並服從可見光的反射、吸收、透射規律。
說明：反射率：Pp/P=p 吸收率：Pa /P=a 透射率：Pτ /P=τ ∴a + p+τ= 1
紅外線與其它電磁波不同，具有其特殊性：
- 需要紅外探測器才能顯示：由於人眼見不到紅外線，所以在研究與應用時，必須要有對紅外線敏感的探測器，如利用其敏感效應而製造的各類熱敏感探測器，利用其電效應制成的各類光電探測器等。
- 光化學作用較差：紅外線光子能量小，例如波長爲100μm的紅外光子，其能量僅爲可見光光子能量的1/200。由於其光化學作用比可見光差，不能使普通相底上的溴化銀分子分解，所以普通照相膠片不易感光。紅外攝影底片是在感光乳劑中加入一定的特種材料，才能使紅外線感光。
- 熱效應顯著：與可見光相比熱效應顯著，如當手靠近白熾電燈時，皮膚有強烈的灼熱感，因白灼電燈光線中有大量紅外線；當手靠近日光燈時，則幾乎感覺不到熱的刺激，因其不含有紅外線。太陽光中約70％是紅外線，故太陽光溫暖。
- 紅外線易被一般物質所吸收，穿透力也較弱。
- 產生紅外線的機理與其它波長的電磁波也不相同。
圖3. 典型紅外探測器和激光器
紅外傳感器基礎
紅外傳感器按照分類可分爲：熱傳感器和光子傳感器。
熱傳感器
熱探測器利用探測元件吸收紅外輻射後產生溫升，然後伴隨發生某些物理性能的變化。測量這些物理性能的變化就可以測量出它吸收的能量或功率。具體過程是這樣的：第一步是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升；第二步是利用熱探測器某些溫度效應，溫升轉變成電量的變化。常利用的物理性能變化有下列四種：熱敏電阻型，熱電偶型，熱釋電型，高萊氣動型。
# 熱敏電阻型
熱敏物質吸收紅外輻射後，溫度升高，阻值發生變化。阻值變化的大小與吸收的紅外輻射能量成正比。利用物質吸收紅外輻射後電阻發生變化而製成的紅外探測器叫做熱敏電阻。熱敏電阻常用來測量熱輻射。熱敏電阻有金屬和半導體兩種。
R(T)=AT−CeD/T
R(T)：電阻值；T：溫度；A，C，D：隨材料而變化的常數。
金屬熱敏電阻，電阻溫度係數爲正，絕對值比半導體小，電阻與溫度的關係基本上是線性的，耐高溫能力較強，多用於溫度的模擬測量；
半導體熱敏電阻恰恰相反，用於輻射探測，如報警、防火系統、熱輻射體搜索和跟蹤。
# 熱電偶型
熱電偶也叫溫差電偶，是最早出現的一種熱電探測器件，其工作原理是熱電效應。由兩種不同的導體材料構成的接點，在接點處可產生電動勢。熱電偶接收輻射的一端稱爲熱端，另一端稱爲冷端。所謂熱電效應，即如果把這兩種不同的導體材料接成迴路，當兩個接頭處溫度不同時，迴路中即產生電流。
爲提高吸收係數，在熱端都裝有塗黑的金箔構成熱電偶的材料，既可以是金屬，也可以是半導體。在結構上既可以是線、條狀的實體，也可以是利用真空沉積技術或光刻技術製成的薄膜。實體型的溫差電偶多用於測溫，薄膜型的溫差電堆（有許多個溫差電偶串聯而成）多用於測量輻射。
熱電偶型紅外探測器的時間常數較大，所以響應時間較長，動態特性較差，北側輻射變化頻率一般應在10HZ以下。在實際應用中，往往將幾個熱偶串聯起來組成熱電堆來檢測紅外輻射的強弱。
# 熱釋電型
熱釋電型紅外探測器是由具有極化現象的熱釋電晶體或稱"鐵電體"製作的。熱釋電晶體是壓電晶體中的一種，具有非中心對稱的結構。自然狀態下，在某些方向上正負電荷中心不重合，在晶體表面形成一定量的極化電荷，稱爲自發極化。晶體溫度變化時，可引起晶體正負電荷中心發生位移，因此表面的極化電荷即隨之變化。通常其表面俘獲大氣中的浮游電荷而保持電平衡狀態。處於電平衡狀態的鐵電體，當紅外線照射到其表面上時，引起鐵電體（薄片）溫度迅速升高，極化強度很快下降，束縛電荷急劇減少；而表面浮游電荷變化緩慢，跟不上鐵電體內部的變化。
從溫度變化引起極化強度變化到在表面重新達到電平衡狀態的極短時間內，在鐵電體表面有多餘浮游電荷出現，這相當於釋放出一部分電荷，這種現象稱爲熱釋電效應。由於自由電荷中和麪束縛電荷所需時間較長，大約需要數秒鐘以上，而晶體自發極化的馳豫時間很短，約爲10-12秒，因此熱釋電晶體可響應快速的溫度變化。
# 高萊氣動型
氣體在體積保持一定的條件下吸收紅外輻射後引起溫度升高，壓強增大。壓強增加的大小與吸收的紅外輻射功率成正比，由此可測量被吸收的紅外輻射功率。利用上述原理製成的紅外探測器叫做氣體探測器，高萊管就是一種典型的氣體探測器。
光子傳感器
光子型紅外探測器是利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下，產生光電效應，使材料的電學性質發生變化，通過測量電學性質的變化，可以確定紅外輻射的強弱。利用光電效應所製成的紅外探測器統稱光子探測器。主要特點是靈敏度高，響應速度快，響應頻率高。但其一般需在低溫下工作，探測波段較窄。
根據光子探測器的工作原理一般可分爲外光電探測器和內光電探測器。內光電探測器又分爲光電導探測器，光生伏特探測器和光磁電探測器。
# 外光電探測器（PE器件）
當光入射到某些金屬、金屬氧化物或半導體表面時，如果光子能量足夠大，能使其表面發射電子，這種現象統稱爲光電子發射，屬於外光電效應。光電管、光電倍增管都屬於這種類型的光子探測器。響應速度快，同時像光電倍增管產品具有非常高的增益，可以用於單光子測量，不過只是波長範圍相對較窄，最長也只有1700nm。
# 光電導探測器
當半導體吸收入射光子後，半導體內有些電子和空穴從原來不導電的束縛狀態轉變到能導電的自由狀態，從而使半導體的電導率增加，這種現象稱爲光電導效應。利用半導體的光電導效應制成的紅外探測器叫做光電導探測器，是目前，它是種類最多應用最廣的一類光子探測器。
# 光伏探測器（PU器件）
當紅外輻射照射在某些半導體材料結構的PN結上，在PN結內電場的作用下，P區的自由電子移向N區，N區的空穴向P區移動。如果PN結是開路的，則在PN結兩端產生一個附加電勢稱爲光生電動勢。利用光生電動勢效應制成的探測器稱爲光伏探測器或結型紅外探測器。
# 光磁電探測器
在樣品橫向加一磁場，當半導體表面吸收光子後所產生的電子和空穴隨即向體內擴散，在擴散過程中由於受橫向磁場的作用，電子和空穴分別向樣品兩端偏移，在樣品兩端產生電位差。這種現象叫做光磁電效應。利用光磁電效應制成的探測器稱爲光磁電探測器(簡稱PEM器件)。
圖4.典型的紅外傳感器類型及探測率
紅外傳感器參數
暗電阻(dark resistance)：暗電阻是光電導探測器（PbS/PbSe/MCT等）在暗環境情況下的電阻大小，對於探測器選擇負載電阻和工作電壓具有非常大的參考意義。
暗電流(dark current)：暗電流是光伏傳感器（InGaAs、InAs、InSb等）在暗環境下的輸出電流，偏壓越大，暗電流會越大，暗電流也是紅外探測器探測能力的制約因素。
視野(field of view)：紅外傳感器視野是很重要的一個參數，因爲任何的背景輻射都會對探測器探測率噪聲影響，是影響D*的關鍵因素，所以探測器選擇要充分考慮視野的大小。
偏置電流(offset voltage)：沒有信號輸入情況下，放大器所輸出的直流成分。
峯值波長(peak sensitivity wavelength)
圖10. 熱敏性和光敏性波長響應特性
偏壓(reverse voltage, supply voltage)：是探測器的工作電壓，光伏型探測器在偏壓作用下響應速度、飽和特性變好，但是噪聲水平上升；對於光電導傳感器，工作電壓需要根據探測器暗電阻和應用要求做合適的選擇；偏壓都有其最大值要求，在使用探測器過程中，切記不要超過規定電壓使用。
最大承受電流(allowable current)：指光電導傳感器的最大工作電流，超過最大電流值，探測器性能會變壞，甚至是損壞，應避免工作電流超過最大限制電流。
噪聲等效功率(NEP, noise equivalent power)：在以下公式中H表示功率密度，P表示功率，而HPK相關資料中P表示功率密度，和我們的習慣有所不同。我們將探測器輸出信號等於探測器噪聲時，入射到探測器上的輻射功率定義爲等效噪聲功率，單位爲瓦。由於信噪比爲1時功率測量不太方便，可以在高信號電平下測量，再根據下式計算：
其中：
H：輻照度，單位W/cm2；
Ab：探測器光敏面面積，單位cm2；
Vs：信號電壓基波的均方根值，單位V；
Vn：噪聲電壓均方根值，單位V。
由於探測器響應與輻射的調製頻率有關，測量等效噪聲功率時，黑體輻射源發出的輻射經調製盤調製後，照射到探測器光敏面上，輻射強度按固定頻率作正弦變化。探測器輸出信號濾除高次諧波後，用均方根電壓表測量基波的有效值。
必須指出：等效噪聲功率可以反映探測器的探測能力，但不等於系統無法探測到強度弱於等效噪聲功率的輻射信號。如果採取相關接收技術，即使入射功率小於等效噪聲功率，由於信號是相關的，噪聲是不相關的，也是可以將信號檢測出來的，但是這種檢測是以增加檢測時間爲代價的。另外，強度等於等效噪聲功率的輻射信號，系統並不能可靠地探測到。在設計系統時通常要求最小可探測功率數倍於等效噪聲功率，以保證探測系統有較高的探測概率和較低的虛警率。輻射測量系統由於有較高的測量精度要求，對弱信號也要求有一定的信噪比。
截止頻率(cutoff frequency )：截止頻率我們按照-3dB帶寬進行定義，是一個和探測器上升時間相關的一個值，一般情況下探測器截止頻率和上升時間存在以下換算關係：
短路電流(short circuit current ,Isc)：相比於光譜靈敏度也叫白光靈敏度，我們定義100lx 2856K色溫鎢絲燈照射下輸出電流的大小，對於同一個系列產品幾乎只與探測面積有關；
截止波長(cutoff wavelength,λc)：對於光子探測器來說我們一般指上限波長，一般定義靈敏度爲降低到響應峯值的10%的波長爲截止波長；
斬波頻率(chopping frequency)：對於紅外探測中通常爲提高信噪比會使用斬波器對光線進行處理，斬波頻率就是指斬波器的調製頻率；
比探測率(D*, D-star )：等效噪聲功率被用來度量探測器的探測能力，等效噪聲功率越小的探測器的探測能力越好，很多人不習慣這樣的表示方法。Jones建議用等效噪聲功率的倒數表示探測能力，稱爲探測率，這樣較好的探測器有較高的探測率。因此，探測率可表達爲：
探測器的探測率與測量條件有關，包括：
- 入射輻射波長；
- 探測器溫度；
- 調製頻率；
- 探測器偏流；
- 探測器面積；
- 測量探測器噪聲電路的帶寬；
- 光學視場外熱背景。
爲了對不同測試條件下測得的探測率進行比較，應儘量將測試條件標準化。採取的做法是：
- 輻射波長、探測器溫度：由於探測率和波長之間，探測率和探測器溫度之間，在理論上無明顯關係，波長和製冷溫度只能在測量條件中加以說明。
- 輻射調製頻率：解決探測率隨調製頻率變化的最簡單的方法是將頻率選得足夠低，以避開探測器時間常數帶來的限制，或註明調製頻率。
- 探測器偏流：一般調到使探測率最大。
- 探測器面積和測量電路帶寬：廣泛的理論和實驗研究表明，有理由假定探測器輸出的信噪比與探測器面積的平方根成正比，即認爲等效噪聲功率與探測器面積的平方根成反比。探測器輸出噪聲包含各種頻率成分，顯然，噪聲電壓是測量電路帶寬的函數。由於探測器總噪聲功率譜在中頻段較爲平坦，可認爲測得的噪聲電壓只與測量電路帶寬的平方根成正比，即等效噪聲功率與測量電路帶寬的平方根成反比。一次，可定義：
D*的物理意義可理解爲1瓦輻射功率z入射到光敏面積1釐米2的探測器上，並用帶寬爲1赫電路測量所得的信噪比。D* 是歸一化的探測率，稱爲比探測率，讀作D星。用D*來比較兩個探測器的優劣，可避免探測器面積或測量帶寬不同對測量結果的影響。比探測率和前面介紹的探測率定義上是有區別的，但由於探測率未對面積、帶寬歸一化，確實沒有多大實用意義，一般文獻報告中都不把D* 稱之爲"比探測率"，而是稱爲"探測率"，這只是一種約定俗成的做法。
寄生電阻(shunt resistance, Rsh)：是指光伏傳感器零偏壓情況工作下的電流電壓轉換系數，一般採用如下方式定義，在10mV偏壓下暗電流爲Id。
Rsh=10mV/Id
量子效率(quantum efficiency, QE)：量子效率是指從光子轉換爲光子-空穴對的轉換系數，一般用光子-空穴對數除以入射光子數來表示；特定波長下的量子效率可以用如下公式表示：
紅外探測器挑選規則
探測波長和探測黑體溫度
圖11.不同紅外探測器的光譜響應
圖12. 不同色溫黑體探測探測器選擇
靈敏度和信噪比
NEP和D*是紅外探測器選擇的關鍵參數。
靈敏度：一般情況光伏探測器用A/W來表示探測器的靈敏度，光電導傳感器用V/W來表徵探測器的靈敏度D*。
如果對信噪比有比較高的要求可選擇製冷的探測器，根據製冷要求可選擇熱電製冷、液氮、乾冰等製冷方式的探測器，或者是機械製冷方式斯特林製冷（stirling）；同時製冷也會改變探測器的波長響應，例如製冷可以使PbS、PbSe、MCT等光電導探測器的響應波長向長波方向移動，而InGaAs PIN二極管、InAs、InSb、等光伏探測器響應波長向短波方向移動。另外，製冷對於探測器的響應速度也會造成影響，例如PbS、PbSe製冷會造成響應速度變慢。
圖13.溫度對銦鎵砷PIN探測器波長影響
響應速度和斬波頻率
不同的應用對於紅外探測器的響應速度要求是不一樣的，例如通訊可能要求頻率在1GHz左右，如果是靜態有無熱源的應用可能只要求0.1Hz，所以在選擇探測器使用盡可能選擇響應速度、和斬波器頻率匹配的探測器。
封裝特性
按照紅外探測器封裝結構主要有金屬封裝、陶瓷封裝、DIP封裝、杜瓦瓶封裝（金屬、玻璃）。
圖14.紅外探測器封裝結構
根據不同的封裝對於溫度特性、線性、穩定性、價格都有比較大的影響，需要根據客戶的應用進行合適的選擇。
圖15.紅外探測器應用選型
紅外傳感器中的製冷技術
- 半導體制冷（帕爾貼製冷）
- 製冷劑製冷
- 斯特林製冷
- 焦耳-湯姆遜製冷