归一化探测率(Normalized Detectivity)是
光电探测器的主要性能指标之一,即比探测率。该指标描述的是探测器材料对弱光的探测能力。
定义式
归一化探测率或比探测度 ,可定义为:
单位为 ,即当探测器响应元面积为1cm2,放大器带宽为1Hz时,单位功率所能给出的信噪比。这个数值越大,探测器性能越好。几种常用探测器光谱探测率如下图1所示。
此指标是从
光电探测器的若干可直接测得的指标提取出来的,能够较准确反映光电探测材料探测弱光的极限性能。
测量
基本原理
根据定义,归一化探测度可表示为:
式中,探测器的接收面积A和放大器的工作带宽 在一定的测量系统中为定值,因此,只要测得探测器输出信噪比 ,便可根据计算得到的P求出 。
实验用500 K黑体作辐射源。
根据
普朗克公式,黑体在单位面积上在单位波长间隔内发射的辐射功率为:
式中,普朗克常数 ;
玻尔兹曼常数 ;光速 ; 为辐射波长; 为
热力学温度。
黑体在 波段范围内的辐射功率为:
PbS光敏元件的响应波段为1~3μm,在此波段内的辐射功率为:
经数值积分计算得:
探测器接收到的功率P为:
式中,A为探测器面积;A/r2为接收视场立体角; 为黑体光阑孔径面积;r为黑体光阑孔径至探测器灵敏面的距离; 为辐射系数,取0.99;m为调制转换系数,这里取0.28(三角波调制)。
当黑体辐射炉和探测器确定后,上述参量就是一些常数。故探测器的接收功率是确定的,而相应的探测器的输出电压噪电压可以测出,因此可计算出探测器的响应度和探测度。
试验步骤
试验装置如下图2所示:
(1)接通黑体辐射炉电源,并使黑体温度维持在227℃,即绝对温度500 K。
(2)接通探测器的偏置电源(+50 V)及放大器供电电源(+12 V)。
(4)把放大器的输出端和频谱分析仪的输入相连接,并接通频谱分析仪的电源开关。
(5)接通调制盘电机电源。
(7)测量噪声电压,用黑纸遮挡住黑体辐射源窗口,测量与调制频率相应的噪声电压。
(8)改变电机电压(即改变调制频率),测量不同调制频率下的输出信号电压和噪声电压。
使用仪器及元件
(1)频谱分析仪;(2)晶体管稳压电源;(3)黑体辐射源;(4)PbS元件及放大器。
探测率
显然
噪声等效功率NEP越小,光电器件的性能越好。但参数NEP不符合人们的传统认知习惯。为此定义NEP的倒数为光电器件的探测度,作为衡量光电器件探测能力的一个重要指标。探测率D用公式表示为:
D的单位是 。它描述的是器件在单位输入光功率下输出的信噪比,显然D值大,光电器件的性能越好。
与归一化噪声等效功率相应的归一化探测率又称为比探测率用 表示, 后面常附有测量条件,如 (500K,900,1)表示是用500K黑体作光源,调制频率为900Hz,测量带宽为1Hz。对于长波红外光电器件,因环境辐射波长与信号波长十分接近,因此的测量与背景温度及测量视场角有关。在没有特殊标注的情况下,通常是指视场立体角为2π球面度,背景温度为300K。当光电器件的质量很高,内部噪声很低以至于可以忽略不计时,仅由背景噪声决定,这种器件称为达到背景限的探测器。