歸一化探測率

歸一化探測率

歸一化探測率(Normalized Detectivity)是光電探測器的主要性能指標之一,即比探測率。該指標描述的是探測器材料對弱光的探測能力。 圖片所示是幾種常用探測器的歸一化探測率值,數值越大表示性能越好。

歸一化探測率定義式

歸一化探測率 歸一化探測率

歸一化探測率或比探測度 ,可定義為:

歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率

單位為 ,即當探測器回響元面積為1cm²,放大器頻寬為1Hz時,單位功率所能給出的信噪比。這個數值越大,探測器性能越好。幾種常用探測器光譜探測率如下圖所示 。

常用探測器的光譜探測率 常用探測器的光譜探測率

此指標是從光電探測器的若干可直接測得的指標提取出來的,能夠較準確反映光電探測材料探測弱光的極限性能。

歸一化探測率的測量

基本原理

根據定義,歸一化探測度可表示為:

歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
式中,探測器的接收面積A和放大器的工作頻寬在一定的測量系統中為定值,因此,只要測得探測器輸出信噪比,便可根據計算得到的P求出。

實驗用500 K黑體作輻射源。

根據普朗克公式,黑體在單位面積上在單位波長間隔內發射的輻射功率為:

歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率

式中,普朗克常數 ;玻爾茲曼常數 ;光速 ; 為輻射波長; 為熱力學溫度。

歸一化探測率 歸一化探測率

黑體在 波段範圍內的輻射功率為:

歸一化探測率 歸一化探測率

PbS光敏元件的回響波段為1~3μm,在此波段內的輻射功率為:

歸一化探測率 歸一化探測率

經數值積分計算得:

歸一化探測率 歸一化探測率

探測器接收到的功率P為:

歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率

式中,A為探測器面積;A/r²為接收視場立體角; 為黑體光闌孔徑面積;r為黑體光闌孔徑至探測器靈敏面的距離; 為輻射係數,取0.99;m為調製轉換係數,這裡取0.28(三角波調製)。

當黑體輻射爐和探測器確定後,上述參量就是一些常數。故探測器的接收功率是確定的,而相應的探測器的輸出電壓噪電壓可以測出,因此可計算出探測器的回響度和探測度 。

試驗步驟

試驗裝置如下圖所示:

探測度測試試驗裝置圖 探測度測試試驗裝置圖

(1)接通黑體輻射爐電源,並使黑體溫度維持在227℃,即絕對溫度500 K。

(2)接通探測器的偏置電源(+50 V)及放大器供電電源(+12 V)。

(3)把頻譜分析儀的旋鈕放在適當位置。

(4)把放大器的輸出端和頻譜分析儀的輸入相連線,並接通頻譜分析儀的電源開關。

(5)接通調製盤電機電源。

(6)用頻譜分析儀測量輸出信號電壓。

(7)測量噪聲電壓,用黑紙遮擋住黑體輻射源視窗,測量與調製頻率相應的噪聲電壓。

(8)改變電機電壓(即改變調製頻率),測量不同調製頻率下的輸出信號電壓和噪聲電壓。

使用儀器及元件

(1)頻譜分析儀;(2)電晶體穩壓電源;(3)黑體輻射源;(4)PbS元件及放大器。

探測率與歸一化探測率

顯然噪聲等效功率NEP越小,光電器件的性能越好。但參數NEP不符合人們的傳統認知習慣。為此定義NEP的倒數為光電器件的探測度,作為衡量光電器件探測能力的一個重要指標。探測率D用公式表示為:

歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率

D的單位是 。它描述的是器件在單位輸入光功率下輸出的信噪比,顯然D值大,光電器件的性能越好。

歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率
歸一化探測率 歸一化探測率

與歸一化噪聲等效功率相應的歸一化探測率又稱為比探測率用 表示, 後面常附有測量條件,如 (500K,900,1)表示是用500K黑體作光源,調製頻率為900Hz,測量頻寬為1Hz。對於長波紅外光電器件,因環境輻射波長與信號波長十分接近,因此的測量與背景溫度及測量視場角有關。在沒有特殊標註的情況下,通常是指視場立體角為2π球面度,背景溫度為300K。當光電器件的質量很高,內部噪聲很低以至於可以忽略不計時,僅由背景噪聲決定,這種器件稱為達到背景限的探測器 。

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