紅外探測(cè)器原理與核心指標(biāo)
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發(fā)布時(shí)間：2023-04-20 10:52:52
紅外探測(cè)器是紅外系統(tǒng)的核心，是探測(cè)、識(shí)別和分析物體紅外信息的關(guān)鍵部件。根據(jù)具體的需求和應(yīng)用，紅外探測(cè)器會(huì)有不同的分類方式來(lái)強(qiáng)調(diào)某一方面的特性。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測(cè)器可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類；根據(jù)工作溫度和制冷需求，分為制冷紅外探測(cè)器和非制冷紅外探測(cè)器。
熱探測(cè)器的工作機(jī)理就是基于入射輻射的熱效應(yīng)引起探測(cè)器材料溫度變化。探測(cè)器材料某些物理性質(zhì)會(huì)隨著溫度變化發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量這些物理性質(zhì)的變化就可以測(cè)出材料吸收輻射的大小。熱探測(cè)器利用的熱效應(yīng)，熱吸收與入射輻射的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，熱敏單元的溫度變化較慢，室溫環(huán)境下就可以觀測(cè)到熱敏單元的溫度變化。
光子探測(cè)器是基于入射光子流與探測(cè)器材料的相互作用產(chǎn)生光電效應(yīng)。探測(cè)器通過(guò)測(cè)量光電效應(yīng)的大小可以計(jì)算得到吸收輻射的大小。光電效應(yīng)是半導(dǎo)體中電子吸收光子而產(chǎn)生的效應(yīng)，通常情況下，必須將半導(dǎo)體冷卻到較低溫度才能夠觀測(cè)到光電效應(yīng)。同時(shí)，入射光子能量要大于一定值時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，所以光子探測(cè)器具有截止波長(zhǎng)。
陣列規(guī)模、NETD、像元間距是紅外探測(cè)器的核心指標(biāo)
紅外探測(cè)器的性能參數(shù)主要有響應(yīng)度、噪聲等效功率、探測(cè)率、比探測(cè)率、光譜響應(yīng)特征、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)頻率、噪聲等，其中重要的是陣列規(guī)模、NETD、像元間距。
響應(yīng)率：描述紅外光電探測(cè)器接受的入射紅外信號(hào)與輸出的電信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。紅外探測(cè)器的響應(yīng)率定義為單位輻射功率人射到探測(cè)器上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力。響應(yīng)率越大說(shuō)明探測(cè)器對(duì)入射紅外輻射信號(hào)的響應(yīng)程度越強(qiáng)烈，但是這并不能說(shuō)明該探測(cè)器的探測(cè)能力或是靈敏度就越高。
響應(yīng)時(shí)間：由于紅外探測(cè)器存在惰性，因此對(duì)紅外輻射的響應(yīng)存在一定的滯后。當(dāng)以恒定的輻照強(qiáng)度照射探測(cè)時(shí)，探測(cè)器的輸出信號(hào)從零開(kāi)始逐漸上升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才可以達(dá)到穩(wěn)定值。響應(yīng)時(shí)間的物理意義是：當(dāng)探測(cè)器受到紅外照射時(shí)，輸出信號(hào)上升到穩(wěn)定值63%所需要的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)越快，該指標(biāo)直接影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幀頻。當(dāng)幀頻對(duì)應(yīng)的時(shí)間小于響應(yīng)時(shí)間，新的信號(hào)還不能達(dá)到預(yù)定的穩(wěn)定輸出值，上一幀的信號(hào)還沒(méi)有釋放完，因此不能得到準(zhǔn)確清晰的圖像。幀率是制冷型探測(cè)器和非制冷型探測(cè)器性能的主要差別之一，制冷型探測(cè)器的幀頻更高。
噪聲：紅外系統(tǒng)的探測(cè)性能受到其噪聲的限制，噪聲的大小決定了紅外探測(cè)器性能的極限。紅外焦平面探測(cè)器的噪聲包括瞬態(tài)噪聲和空間噪聲。瞬態(tài)噪聲指的主要是器件本身的噪聲，如光子噪聲、暗電流噪聲、以及讀出電路的噪聲等；空間噪聲是由于紅外焦平面陣列各個(gè)像元的響應(yīng)特征不一致造成的。
噪聲等效功率NEP：描述測(cè)器探測(cè)輻射的能力的下限。由于噪聲存在，當(dāng)輻射小到它在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)完全被探測(cè)器噪聲所淹沒(méi)時(shí)，探測(cè)器就無(wú)法檢測(cè)輻射信號(hào)。當(dāng)探測(cè)器輸出信號(hào)等于探測(cè)器噪聲時(shí)，入射到探測(cè)器上的輻射功率定義為噪聲等效功率。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)通常要求最低可探測(cè)功率（靈敏度）數(shù)倍于噪聲等效功率，以保證系統(tǒng)有較高的探測(cè)概率和較低的虛警率。
比探測(cè)率D*：探測(cè)率D是噪聲等效功率NEP的倒數(shù)，用來(lái)表示輻照在探測(cè)器上單位輻射功率所獲得的信噪比。但探測(cè)率與探測(cè)器的面積和噪聲帶寬有關(guān)，所以引入了比探測(cè)率D*這一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)來(lái)度量探測(cè)器的性能。表示當(dāng)探測(cè)器的敏感元有單位面積、放大器測(cè)量帶寬為1Hz時(shí)，單位輻射功率所能獲得的信號(hào)噪聲比。比探測(cè)率越大，探測(cè)器的探測(cè)能力越強(qiáng)，所以在對(duì)探測(cè)器性能進(jìn)行比較時(shí)，用比探測(cè)率較為合適。
噪聲等效溫差NETD：噪聲等效溫差是度量焦平面器件溫度分辨能力能力的參數(shù)，定義為器件的輸入信號(hào)等于噪聲時(shí)，入射輻射目標(biāo)的溫度變化。又稱為紅外熱成像的熱靈敏度，決定了熱像儀區(qū)分細(xì)微溫差的能力。NETD越小，表示器件的靈敏度越高。例如：某紅外探測(cè)器在室溫下的熱靈敏度為50mK，表示被測(cè)物表面溫度發(fā)生0.05℃的變化時(shí)，或者表面存在0.05℃以上的不均勻時(shí)，就可以被紅外熱像儀的探測(cè)器所感應(yīng)到。
盲元率：盲元率是評(píng)價(jià)一款焦平面陣列均勻程度的直觀的指標(biāo)。由于制造材料、工藝等因素的影響（如材料的不均勻性、掩膜誤差、缺陷等），在紅外焦平面陣列器件中存在不可避免的非均勻性，響應(yīng)度小于焦平面器件平均響應(yīng)度1/2的像元為死像元，或盲元，像元噪聲大于平均噪聲的2倍則為過(guò)熱盲元。盲元占總像元數(shù)的百分比為盲元率。盲元的數(shù)量和分布對(duì)于紅外圖像的信噪比和圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，如果盲元過(guò)多或分布過(guò)于集中，則紅外圖像上將出現(xiàn)大量的或者過(guò)于集中的壞點(diǎn)。
像元尺寸：描述單個(gè)成像單元的尺寸大小。在紅外成像系統(tǒng)應(yīng)用中，像元尺寸的減小，可以使得每個(gè)晶片上制造更大規(guī)模的焦平面陣列，對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的大小、重量和價(jià)格大有好處。但是由于NETD反比于像元面積，因此如果像元尺寸由50×50μm減小至17×17μm，而其他各項(xiàng)參數(shù)保持不變的情況下，NETD就會(huì)增大約9倍，這是由于像元尺寸的減小，將使得像元面積接受紅外能量減小，溫度提升降低，導(dǎo)致靈敏度降低。
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