紅外探測器原理與核心指標
來源：
閱(yue)讀：1448
發布(bu)時間(jian)：2023-04-20 10:52:52
紅外探測器是紅外系統的核心，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵部件。根據具體的需求和應用，紅外探測器會有不同的分類方式來強調某一方面的特性。根據能量轉換方式，紅外探測器可以分為熱探測器和光子探測器兩大類；根據工作溫度和制冷需求，分為制冷紅外探測器和非制冷紅外探測器。
熱探測器的工作機理就是基于入射輻射的熱效應引起探測器材料溫度變化。探測器材料某些物理性質會隨著溫度變化發生改變，通過測量這些物理性質的變化就可以測出材料吸收輻射的大小。熱探測器利用的熱效應，熱吸收與入射輻射的波長無關，熱敏單元的溫度變化較慢，室溫環境下就可以觀測到熱敏單元的溫度變化。
光子探測器是基于入射光子流與探測器材料的相互作用產生光電效應。探測器通過測量光電效應的大小可以計算得到吸收輻射的大小。光電效應是半導體中電子吸收光子而產生的效應，通常情況下，必須將半導體冷卻到較低溫度才能夠觀測到光電效應。同時，入射光子能量要大于一定值時才能產生光電效應，所以光子探測器具有截止波長。
陣列規模、NETD、像元間距是紅外探測器的核心指標
紅外探測器的性能參數主要有響應度、噪聲等效功率、探測率、比探測率、光譜響應特征、響應時間、響應頻率、噪聲等，其中重要的是陣列規模、NETD、像元間距。
響應率：描述紅外光電探測器接受的入射紅外信號與輸出的電信號之間的對應關系。紅外探測器的響應率定義為單位輻射功率人射到探測器上轉換為電信號的能力。響應率越大說明探測器對入射紅外輻射信號的響應程度越強烈，但是這并不能說明該探測器的探測能力或是靈敏度就越高。
響應時間：由于紅外探測器存在惰性，因此對紅外輻射的響應存在一定的滯后。當以恒定的輻照強度照射探測時，探測器的輸出信號從零開始逐漸上升，經過一段時間后才可以達到穩定值。響應時間的物理意義是：當探測器受到紅外照射時，輸出信號上升到穩定值63%所需要的時間。響應時間越短，響應越快，該指標直接影響系統設計中的幀頻。當幀頻對應的時間小于響應時間，新的信號還不能達到預定的穩定輸出值，上一幀的信號還沒有釋放完，因此不能得到準確清晰的圖像。幀率是制冷型探測器和非制冷型探測器性能的主要差別之一，制冷型探測器的幀頻更高。
噪聲：紅外系統的探測性能受到其噪聲的限制，噪聲的大小決定了紅外探測器性能的極限。紅外焦平面探測器的噪聲包括瞬態噪聲和空間噪聲。瞬態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像元的響應特征不一致造成的。
噪聲等效功率NEP：描述測器探測輻射的能力的下限。由于噪聲存在，當輻射小到它在探測器上產生的信號完全被探測器噪聲所淹沒時，探測器就無法檢測輻射信號。當探測器輸出信號等于探測器噪聲時，入射到探測器上的輻射功率定義為噪聲等效功率。在設計系統時通常要求最低可探測功率（靈敏度）數倍于噪聲等效功率，以保證系統有較高的探測概率和較低的虛警率。
比探測率D*：探測率D是噪聲等效功率NEP的倒數，用來表示輻照在探測器上單位輻射功率所獲得的信噪比。但探測率與探測器的面積和噪聲帶寬有關，所以引入了比探測率D*這一個標準化參數來度量探測器的性能。表示當探測器的敏感元有單位面積、放大器測量帶寬為1Hz時，單位輻射功率所能獲得的信號噪聲比。比探測率越大，探測器的探測能力越強，所以在對探測器性能進行比較時，用比探測率較為合適。
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，定義為器件的輸入信號等于噪聲時，入射輻射目標的溫度變化。又稱為紅外熱成像的熱靈敏度，決定了熱像儀區分細微溫差的能力。NETD越小，表示器件的靈敏度越高。例如：某紅外探測器在室溫下的熱靈敏度為50mK，表示被測物表面溫度發生0.05℃的變化時，或者表面存在0.05℃以上的不均勻時，就可以被紅外熱像儀的探測器所感應到。
盲元率：盲元率是評價一款焦平面陣列均勻程度的直觀的指標。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，響應度小于焦平面器件平均響應度1/2的像元為死像元，或盲元，像元噪聲大于平均噪聲的2倍則為過熱盲元。盲元占總像元數的百分比為盲元率。盲元的數量和分布對于紅外圖像的信噪比和圖像質量產生很大影響，如果盲元過多或分布過于集中，則紅外圖像上將出現大量的或者過于集中的壞點。
像元尺寸：描述單個成像單元的尺寸大小。在紅外成像系統應用中，像元尺寸的減小，可以使得每個晶片上制造更大規模的焦平面陣列，對整機系統的大小、重量和價格大有好處。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，而其他各項參數保持不變的情況下，NETD就會增大約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，導致靈敏度降低。
