【正文】 負溫度系數(shù)熱敏電阻用得較多，這種熱敏電阻室溫下的阻值為幾歐至幾兆歐。它的溫度決定于吸收輻射、工作時所加電流產(chǎn)生的焦耳熱、環(huán)境溫度和散熱情況。常利用的物理性能變化有下列幾種，利用其中的一種就可以制備一種類型的熱探測器。入射光子的最大波長(也就是探測器的長波限)與半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg有如下關(guān)系： (226) 式中為光子探測器的截止波長；為光在真空中的傳播速度.熱探測器吸收紅外輻射后能產(chǎn)生溫升，然后伴隨發(fā)生某些物理性能的變化。光子探測器能否產(chǎn)生光子效應(yīng)，決定于光子的能量。光磁電探測器實際應(yīng)用很少。利用光磁電效應(yīng)制成的探測器稱為光磁電探測器(簡稱為PEM器件)。在樣品橫向加一磁場，半導(dǎo)體表面吸收光子后所產(chǎn)生的電子和空穴隨即向體內(nèi)擴散，在擴散過程中由于受橫向磁場的作用，電子和空穴分別向樣品兩端偏移，在樣品兩端產(chǎn)生電位差。利用pn結(jié)的光伏效應(yīng)制成的紅外探測器已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。由此則定義光照下pn結(jié)外電路開路(即I=0時)p端對n端的電壓為開路電壓 (224)在一定溫度下，它與光照度E呈對數(shù)關(guān)系，但最大值不超過接觸電勢差。光伏效應(yīng)有兩個重要參數(shù)：開路電壓與短路電流，它們的定義都要從pn結(jié)電流出發(fā)。并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。在圖210中，pn結(jié)結(jié)區(qū)存在一個由n指向p的內(nèi)建電場，熱平衡時，多數(shù)載流子的擴散作用與少數(shù)載流子的漂移作用相抵消，沒有電流通過pn結(jié)；當有光照射pn結(jié)時，樣品對光子的本征和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子，但由于p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子都被勢壘阻擋而不能穿過結(jié)，因而只有本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子能引起光伏效應(yīng)；p區(qū)的光生電子和n區(qū)的光生空穴以及結(jié)區(qū)的電子空穴對擴散到結(jié)電場附近時，在內(nèi)建電場的作用下漂移過結(jié)，電子空穴對被阻擋層的內(nèi)建電場分開，光生電子與空穴分別被拉向n區(qū)與p區(qū)，從而在阻擋層兩側(cè)形成電荷堆積，產(chǎn)生與內(nèi)建電場反向的光生電場，使得內(nèi)建電場勢壘降低，降低量等于光生電勢差。產(chǎn)生這種電位差的機理有多種，主要的一種是由于阻擋層的存在引起的。(3)光伏探測器利用光伏效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光伏探測器(簡稱PV器件)。硅摻雜探測器的性能與鍺摻雜探測器性能差不多，但使用的較少。其在77 K下對8~14波段的紅外輻射有很高的探測率。多晶薄膜型光電導(dǎo)探測器的種類較少，主要的有響應(yīng)于1~3波段的PbS，響應(yīng)于3~5波段的PbSe和PbTe。利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的紅外探測器叫做光電導(dǎo)探測器，目前，它是種類最多、應(yīng)用最廣的一類光子探測器。為了提高其值，應(yīng)該用平均壽命長、遷移率大的材料作探測器，且將探測器電極做成梳狀，以減小極間距離。則光生電子在外電場作用下的漂移電流J(x)為 （214）式中n(x)為x處光生載流子密度為光生載流子在外電場E作用下的漂移速度。當光入射到本征半導(dǎo)體材料上時，入射光子將電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使導(dǎo)電電子、空穴數(shù)量變化△n、△p，從而引起電導(dǎo)率變化△σ （212）以n型半導(dǎo)體為例，在圖29中，V為外加偏壓，RL為負載電阻，L、W、d分別為樣品模型的長、寬、高，則探測器電極面積A=Wd。對于本征半導(dǎo)體，在無光照時，由于熱激發(fā)只有少數(shù)電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶。(2)光電導(dǎo)探測器當半導(dǎo)體材料吸收入射光子后，半導(dǎo)體內(nèi)有些電子和空穴從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)變到能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光電陰極的量子效率(每一入射光子所發(fā)射的電子數(shù))不高，一般在105~101之間。基本上屬于可見光的光電陰極。用于微光及遠紅外的光電管目前只有兩種。 利用光電子發(fā)射制成的器件稱為光電子發(fā)射器件。同時由光電發(fā)射第二定律—愛因斯坦定律可以知道，如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射體表面逸出功，則電子將以一定速度從發(fā)射體表面發(fā)射，光電子離開發(fā)射體表面時的初動能隨入射光的頻率線性增長，與入射光的強度無關(guān) （28）式中，E=mν2/2是光電子的初動能，m為電子質(zhì)量，ν為電子離開發(fā)射體表面時的速度，hν為入射光子能量，為金屬逸出功(從材料表面逸出時所需的最低能量)又稱功函數(shù)。該定律有時表達為 （27）式中，P(t)是t時刻入射到探測器上的光功率，η是探測器的量子效率。根據(jù)光電效應(yīng)第一定律—斯托列托夫定律可知：當照射到光電子發(fā)射器件上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間沒發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強度成正比。利用光子效應(yīng)制成的探測器被稱為光子探測器。光子探測器吸收光子后產(chǎn)生電子狀態(tài)的改變，從而引起幾種電學(xué)現(xiàn)象。一個完整的紅外探測器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的光闌、冷屏、場鏡、光錐、浸沒透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測器還包括杜瓦瓶，有的還包括前置放大器。再加上紅外濾光片和步進電機驅(qū)動的調(diào)制盤，整個光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換部分的結(jié)構(gòu)如圖28所示。由下面的公式可計算出D孔徑約等于5 mm。 mm的紅外探測器放在透鏡的焦點處?；蛟诠饴酚嬎銜r做某些修正。色差現(xiàn)象是客觀存在的。減小球差的有效方法是加入孔徑光闌，遮住非近軸光的進入，保證θθββ2足夠小。除非透鏡設(shè)計成非球面或組合透鏡，否則球差總是存在的。(2)近軸光因為近軸光可以使入射角與折射角(θθββ2)減小，是保證透鏡成像公式精確的重要因素，因此，應(yīng)盡量使用近軸光。當透鏡的厚度不能認為非常薄時，就不能保證透鏡成像公式的精確性。式(23)和式(24)即為常用的透鏡成像公式。同時假定透鏡非常薄，則A點B點至光軸的距離可認為是相等的，且等于它們所對應(yīng)的弧長，另外，由于透鏡的厚度非常薄，故它們的厚度不影響u和v的值。由折射定律可得 (21)式中n為透鏡材料對空氣的折射率。角度θθββ2分別為此條光線進入透鏡和從透鏡射出時的入射角和折射角。I點至透鏡的距離為v。透鏡的成像公式雖然簡單，但與透鏡的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)，具有一定程度的不嚴格性。綜合考慮各種紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點和課題的實際，在課題中選擇使用了透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)。同時大氣對8~14μm之間的紅外線透過率較高，吸收相對較少。工作波段是影響光學(xué)設(shè)計和光電轉(zhuǎn)換的首要因素。對測量特定目標的紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，首先考慮的是工作波段。由于曼金折射－反射鏡都由球面組成，因而造價低廉，加工和安裝較容易。(2)曼金折射－反射鏡這種系統(tǒng)由一個球面反射鏡和一個與它相貼的彎月形折射透鏡組成，如圖26所示。典型的組合式反射－透射系統(tǒng) 系統(tǒng)以下三種：（1）施米特系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的主鏡是球面反射鏡，其前面安裝有一塊校正板，如圖25所示。反射－透射式光學(xué)系統(tǒng)可以結(jié)合反射式和透射式系統(tǒng)的優(yōu)點，采用球面鏡取代非球面鏡，同時用補償透鏡來校正球面反射鏡的像差，從而可獲得較好的像質(zhì)。像差的大小依賴于光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑、光束相對于光軸的傾斜角度和制作光學(xué)系統(tǒng)的材料等。但其中心擋光，有較大的軸外像差，難于滿足大視場和大孔徑成像的要求。這種系統(tǒng)的加工難度介于牛頓系統(tǒng)與卡塞格倫系統(tǒng)之間，且所成的像是正像。這種系統(tǒng)較牛頓系統(tǒng)擋光少，像質(zhì)好，結(jié)構(gòu)尺寸小，但曲面加工較困難。但擋光大，鏡筒長，因而重量也大。典型的反射系統(tǒng)有：(1) 牛頓系統(tǒng) 牛頓系統(tǒng)的主鏡是拋物鏡，次鏡是平面，如圖23所示。同時透射式光學(xué)系統(tǒng)色差很大，消除色差的透鏡不易設(shè)計制造。這種系統(tǒng)能很好的消除像差，可獲得較好像質(zhì)，但總透過率低。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，在成像質(zhì)量要求不高、通光口徑較小的場合使用。透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)也稱折射式紅外光學(xué)系統(tǒng)，它一般由一個透鏡或組合透鏡構(gòu)成。因而，無論是單波段、雙波段或多波段紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，都要按預(yù)先確定的工作波段進行設(shè)計[33]。通常，測溫儀的最近測量距離為20 cm，最遠測量距離為20 m左右，所以不能將目標光源看成平行光。但一般的紅外測溫儀的測量距離并不太遠，尤其是在工業(yè)應(yīng)用場合。與其它光學(xué)儀器相比，紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)具有下面幾個特點：第一、測溫儀光學(xué)系統(tǒng)的作用是會聚能量，它的后續(xù)部件是光電轉(zhuǎn)換器，所以它所成的像必須是實像。第2章光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換紅外測溫儀光學(xué)系統(tǒng)的作用是重新改善光束的分布，更有效地利用光能。研究的主要內(nèi)容是設(shè)計一種能滿足醫(yī)用要求的紅外測溫儀。它不僅具有巨大的商業(yè)價值，而且具有重大的社會價值。非典疫情過后，人們越來越注重公共衛(wèi)生安全。根據(jù)昆明物理研究所實測過幾百臺、套各種類型國內(nèi)外生產(chǎn)的測溫儀得出的數(shù)據(jù)，測量精度最好的僅為2%，差的竟有10%的偏差！同時，℃℃之間時，外界環(huán)境溫度與被測目標的溫度很接近，外界環(huán)境溫度對紅外測溫儀的精度影響就十分顯著?！?。正是由于上述兩種紅外體溫測量儀的這些特點，制約了它們在公共場合的應(yīng)用。即使是上述兩種體溫測量儀，由于其自身的特點，也不適合對大流量人群的快速檢測。2003年，由中科院物理研究所王樹鐸教授研制的“非接觸、口腔式紅外線電子體溫儀”才獲得專利授權(quán)。由于熱釋電探測器具有響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬、靈敏度與波長無關(guān)等優(yōu)點，1989年以來，熱釋電耳道式測溫儀已成功的用于體溫測量，1991年以后該產(chǎn)品已遍及歐美市場[31]。表12 能量誤差隨環(huán)境溫度與目標溫度的變化關(guān)系 (%)Table 12 The variational relationship of energy error with environment and object temperature 環(huán)境目標270k280k290k300k310k320k330k300k500k700k900k1100k1300k盡管紅外測溫儀早已在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但由于醫(yī)用紅外測溫儀的特殊要求，,用來測量人體鼓膜的溫度[30]。從表12中可以看出，當目標溫度越低，環(huán)境溫度越高時，能量誤差就越大。另一方面，由于外界輻射源的存在，尤其是附近熱輻射體的存在，使測溫鏡頭實際接收到的輻射能量大于目標投入鏡頭的能量，由此產(chǎn)生的測量誤差也十分明顯[29]。這些氣體分子除吸收紅外線外，還將散射紅外線。、。而大氣中的多原子氣體分子，例如H2O、COOCHN2O、CO等，對紅外輻射具有強烈的吸收作用。但儀表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且只能在固定距離和方向上測量，很難在工業(yè)上得以實用[26]。這種復(fù)雜的參數(shù)要準確的測量是非常困難的[25]。作為表征材料表面輻射特性的一個物理量，發(fā)射率的大小與材料的表面溫度、輻射波長、發(fā)射角度、偏振方向有關(guān)。見表11。都存在一定的誤差，且誤差大小與材料的發(fā)射率有關(guān)。由于實際物體的發(fā)射能力都比同等溫度下黑體的輻射能力低，所以輻射發(fā)射率是個小于1的數(shù)值[21]。波段越多，測溫儀的結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，另外太多的波段也會導(dǎo)致發(fā)射率方程組的病態(tài)程度加深。目前出現(xiàn)的三波段、四波段、甚至八波段的多波段紅外測溫儀[18,19]。這也就是說，在一定的溫度和表面狀況下，物體的輻射發(fā)射率僅為波長的函數(shù)。早在1966年，前蘇聯(lián)科學(xué)院冶金所的專家就提出：物體的光譜發(fā)射率可近似的認為是對于波長的多項式。而由式(110)亦知，若將λ1和λ2選擇在短波，且兩者相差較大，測量誤差也會減小。利用黑體標定目標溫度，則由式(17)得出兩個波長輻射功率的比值為(110)經(jīng)整理得 (111)由此可見，為了提高比色測溫的精度，關(guān)鍵是選擇合適的波長，使兩個波長處的發(fā)射率相近[17]。同樣，元件的性能或電路放大倍數(shù)的變化對測量結(jié)果也無顯著影響。只要發(fā)射率在這兩個波段內(nèi)的變化是緩慢的，這兩個波段上的輻射能量的比值就主要決定于被測物體的表面溫度。設(shè)實際物體的真實溫度為T，在波長和λ2處的光譜發(fā)射率為和，當該物體在這兩個波長處輻射功率之比與某一溫度為的黑體在這兩個波長處的輻射功率之比相等時，這個黑體的溫度就叫做該物體的有色溫度，簡稱色溫。因此，測量低溫目標宜選用長波波長，而測量高溫目標宜選用短波波長。而長波單色測溫儀雖然測量誤差偏大，但它有較寬的溫度覆蓋范圍，且對太陽、爐壁、火焰等高溫物體的雜散輻射引起的誤差不大敏感。即 (18)于是得 （19）由式(19)可知