CN1232962A - 低温背景限红外探测器 - Google Patents

Abstract

一种低温背景限红外探测器,包含由外壳体和内胆构成中间夹有真空夹层的杜瓦瓶。内胆的内腔里装有液氮。内胆的下部置有热沉,热沉在真空夹层内的一端上置有光敏元,与光敏元对着的外壳体上的窗口与光敏元之间置有冷屏、光阑和带有微型电机的调制盘。本发明的调制系统和冷屏、光阑与光敏元三位一体均置于真空夹层内处于液氮低温下,增强了屏蔽,降低了周围背景辐射,即降低了噪声,提高了信号输出,提高了探测器的性能。

Description

低温背景限红外探测器

本发明涉及光电红外探测器的一种低温背景限红外探测器。

红外探测器是红外仪器设备的心脏，靠它把光学信息转变为电学信号而可以记录下来(如成图像)。传统的红外探测器是用HgCdTe、SbIn或YBCO(高温超导材料)等制成光敏元的探测器，探测率D^*是表征探测器优劣的重要参数之一。通常用室温300K下的D^* ₃₀₀理论计算值来比较评价器件的技术水平，并按照这样的思路进行设计，工艺等制造研究。D^*的表达式如下： $D^{*}=\frac{S}{P}\frac{\sqrt{\mathrm{A\Δf}}}{N}$            (cm·H^ ₂·W^-1)式中P为入射功率，A是光敏元面积，Δf是测量带宽，S/N是信噪比。这表明实际探测器所能达到最高水平往往与其噪声机制有关。但温度降低到一定程度时，器件内噪声减弱到极小极小，此时探测器输出的噪声则是它对背景辐射功率起伏的响应，通常称之为光子噪声。理论上计算出背景限探测率值如下表。

背景温度(K)	300	250	77
				背景光子流(1/cm2·sec.)	1.13×1018	4.35×1017	9.31×1012
探测率D*(cm·H 2·W-1)	3.32×1010	5.53×1010	1.15×1013

从上表可以看出背景温度从300K下降到77K其光子流降低了10⁶，而D^*则高出10³，显然，对低温背景限探测器和器件物理的研制是极有实用价值的。(参见对比文献[1]B.Dwir and D.Pavune,＂A sensitive YBaCuO thin film bolometer withultrawide wavelength response＂J.Appl.Phys.72(9).1 Nov.1992.P3855～3861。[2]Julie A.Crooke等＂Alignment and cryogenic testing of the Cassini-composite-InfraRed Spectrometer(CIRS)far-infrared(FIR)focal plane＂SPIE Vol.2814/105～106,9/96)

对于已有的低温探测器讲，其基本结构是由衬底上置有光敏元，衬底置于热沉上，热沉置于带有窗口的杜瓦瓶内胆里的液体氮(液N₂)内以及光敏元前或者有冷屏，或者有光阑所组成(参见对比文献[3]OvedNaveh,＂Sensitivity of scanning andstaring infrared seekers for air-to-air missiles＂,SPIE Vol.3061.0277-786X/97。[4]Braddy J.Cooke等，＂Analysis and Design Methodology for the Development ofOptimized,Direct-Detection CO₂ DIAL Receivers＂SPIE Vol.3122.0277-786X/97)，它作为光电转换的核心部件，与外部的调制系统、线路处理、光学部件或光机扫描机构有机组合成红外整机。

上述结构的低温背景限红外探测器，由于周围背景辐射和噪声大等因素的影响，信噪比S/N很难做到理想值，也就是说，很难获得上述表1中所列的温度为77K的探测率D^*的值。因此，很难提高探测器的性能。

本发明的目的为克服上述已有技术中的问题，提供一种能够有效地屏蔽，有效地降低周围背景辐射，大幅度地降低背景光子流，使光敏元的噪声将大大地下降，从而提高探测器的性能，并且改变上述传统用室温下光敏元的探测率D^*理论值来评价探测器的水平。

本发明的低温背景限红外探测器，包含有由外壳体4和内胆13构成中间夹有真空夹层14的杜瓦瓶15，外壳体4的顶端带有抽气口1和光敏元7引线的接线柱3。内胆13的顶端带有注入液体氮(N₂)5的注入口2。内胆13内腔里装有液体氮(液态的N₂)。在杜瓦瓶15内胆13的下部置有一端在液体氮5里，另一端在真空夹层14内的热沉6，在真空夹层14内的一端热沉6上置有光敏元7，与光敏元7对着的杜瓦瓶15的外壳体4上有外窗口10。在真空夹层14内，光敏元7与外窗口10之间置有冷屏8。在冷屏8与外窗口10之间置有光阑9。光敏元7、冷屏8和光阑9三者构成一体。在光阑9与外窗口10之间置有带微型电机12的调制盘11。微型电机12置于热沉6内。

所说的光敏元7是由对红外辐射波段敏感的材料构成，如碲镉汞(HgCdTe)、或者锑化铟(SbIn)，或者高温超导材料(YBCD)。

所说的外窗口10是与外壳体4密封的。

所说的冷屏8和外窗口10均是由能够透过红外辐射波的材料构成的。

上述结构的探测器工作过程是：来自目标与背景的红外辐射光束，首先经过外窗口10，只透过一定波长辐射，即外窗口10起到滤光作用。然后经过不断转动的调制盘11，该红外辐射光束在通与断调制下，使探测器的输出成为一个交流信号，这有利于信号的处理。经过调制的辐射光束经过光栏9限制，使背景辐射大大降低，再经过冷屏8使背景辐射降温，经过冷屏8相当于又经过第二个低温滤光片而后投射在光敏元7上。光敏元7把光学信号变成电学信号方便地由引线接线柱3输出到与接线柱3联接的数据显示系统。

本发明的优点在于本发明的低温微型调制系统包括微型电机12、调制盘11与敏感元7一道置于真空夹层14内，也就是说置于真空夹层14内的所有上述元件均处于低温液体氨下。因此使背景辐射成为低温调制后入射到敏感元7上，而作为低温滤光片的冷屏8、光阑9与光敏元7三位一体构成了进一层的屏蔽，降低了周围背景辐射，使整个入射辐射成为接近77K下的光子流，从而达到了降低噪声，提高信号输出的目的。并且改变了已有技术中传统地用室温下光敏元7的探测率D^*理论值来衡量探测器的技术水平。

本发明有如下三个明显效果

1．本发明的红外探测器比上述已有技术的屏蔽增强了、噪声下降了，大大地提高了探测器信噪比S/N；

2．本发明的低温背景限红外探测器在频率1kHz以上时，噪声更低，1/f噪声可以忽略；

3．本发明的低温背景限红外探测器由于上述结构的特征，使得载流子寿命增加了，因此信号输出提高了。

总效果是大大地提高了探测器性能。这可由下述实施例证明。

附图说明：

图1为本发明的低温背景限红外探测器的结构示意图。

实施例：

1．如图1所示的结构。其中光敏元7为高温起导薄膜YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)材料制成。称之为高温超导低温背景限探测器。进行性能测量，获得探测率D^*=8.3×10⁹cm·H^ ₂·W^-1，而同一片的YBCO光敏元7放置于已有技术的杜瓦瓶热沉上。获得D^*=4.1×10⁸cm·H^ ₂·W^-1。说明本发明的探测器比已有技术探测器性能提高了20倍。

2．如图1所示结构。其中光敏元7选用碲镉汞HgCdTe材料制成。称为PC-HgCdTe低温背景限探测器。进行性能测量，获得探测率D^*=8.4×10¹⁰cm·H^ ₂·W^-1，而同一个光敏元7HgCdTe放置于上述已有技术的杜瓦瓶热沉上，获得D^*=1.21×10¹⁰cm·H^ ₂·W^-1。证明了本发明的探测器比已有技术探测器的性能提高约7倍。

Claims (2)

1．一种低温背景限红外探测器，包含：

<1>由外壳体(4)和内胆(13)构成中间夹有真空夹层(14)的杜瓦瓶(15)，外壳体(4)的顶端带有抽气口(1)和接线柱(3)，内胆(13)的顶端带有注入口(2)，内胆(13)的内腔里装有液体氮(5)：

<2>在杜瓦瓶(15)的内胆(13)的下部置有一端在液体氮(5)里，另一端在真空夹层(14)内的热沉(6)，在真空夹层(14)内的一端热沉(6)上置有光敏元(7)，与光敏元(7)对着的杜瓦瓶(15)的外壳体(4)上有外窗口(10)；

其特征在于：

<3>在真空夹层(14)内，光敏元(7)与外窗口(10)之间置有冷屏(8)，在冷屏(8)与外窗口(10)之间置有光阑(9)，光敏元(7)、冷屏(8)和光阑(9)三者构成一体；

<4>在真空夹层(14)内，在光阑(9)与外窗口(10)之间置有带置于热沉(6)内的微型电机(12)的调制盘(11)。

2．根据权利要求1的低温背景限红外探测器，其特征在于光敏元(7)是由对红外辐射波段敏感的材料构成，如是碲镉汞(HgCdTe)，或者是锑化铟(SbIn)，或者是高温超导材料(YBCD)。