Специфический детектив

Удельная обнаруживаемость , или D* , для фотодетектора — это показатель качества, используемый для характеристики производительности, равный обратной величине эквивалентной шуму мощности (NEP), нормированной на квадратный корень из площади датчика и полосы пропускания частоты (обратной величине удвоенного интегрирования). время).

Удельная детективность определяется выражением $D^{*}={\frac {\sqrt {A\Delta f}}{NEP}}$, где $A$ – площадь светочувствительной области детектора, $\Delta f$ — полоса пропускания, а NEP — эквивалентная мощность шума в единицах [Вт]. Обычно выражается в единицах Джонса ( $cm\cdot {\sqrt {Hz}}/W$) в честь Роберта Кларка Джонса, который первоначально его определил.

Учитывая, что эквивалентная шуму мощность может быть выражена как функция чувствительности ${\mathfrak {R}}$ (в единицах $A/W$ или $V/W$) и спектральная плотность шума $S_{n}$ (в единицах $A/Hz^{1/2}$ или $V/Hz^{1/2}$) как $NEP={\frac {S_{n}}{\mathfrak {R}}}$, часто можно увидеть, что конкретная детективность выражается как $D^{*}={\frac {{\mathfrak {R}}\cdot {\sqrt {A}}}{S_{n}}}$.

Часто бывает полезно выразить конкретную обнаруживающую способность через относительные уровни шума, присутствующие в устройстве. Ниже приведено распространенное выражение.

$D^{*}={\frac {q\lambda \eta }{hc}}\left[{\frac {4kT}{R_{0}A}}+2q^{2}\eta \Phi _{b}\right]^{-1/2}$

Если q является электронным зарядом, $\lambda$ — интересующая длина волны, h — постоянная Планка, c — скорость света, k — постоянная Больцмана, T — температура детектора, $R_{0}A$ - произведение площади динамического сопротивления при нулевом смещении (часто измеряется экспериментально, но также выражается в предположениях об уровне шума), $\eta$ - квантовая эффективность устройства, а $\Phi _{b}$ - полный поток источника (часто черного тела) в фотонах/сек/см. ² .

Измерение детективности

Детективность можно измерить с помощью подходящей оптической установки с использованием известных параметров. Вам понадобится известный источник света с известной интенсивностью излучения на заданном расстоянии. Источник входящего света будет прерываться на определенной частоте, а затем каждая длина волны будет интегрирована по заданной постоянной времени в течение заданного количества кадров.

Подробно вычислим пропускную способность $\Delta f$ непосредственно из постоянной времени интегрирования $t_{c}$.

$\Delta f={\frac {1}{2t_{c}}}$

Затем необходимо измерить средний сигнал и среднеквадратичный шум по набору $N$ рамки. Это делается либо непосредственно прибором, либо в ходе постобработки.

${\text{Signal}}_{\text{avg}}={\frac {1}{N}}{\big (}\sum _{i}^{N}{\text{Signal}}_{i}{\big )}$

${\text{Noise}}_{\text{rms}}={\sqrt {{\frac {1}{N}}\sum _{i}^{N}({\text{Signal}}_{i}-{\text{Signal}}_{\text{avg}})^{2}}}$

Теперь расчет сияния $H$ в Вт/ср/см ² необходимо вычислить, где см ² является излучающей областью. Далее излучающую область необходимо преобразовать в проецируемую площадь и телесный угол ; этот продукт часто называют этендю . Этот шаг можно избежать, используя калиброванный источник, в котором точное число фотонов/с/см ² известно на детекторе. Если это неизвестно, его можно оценить с помощью уравнения излучения черного тела , активная площадь детектора $A_{d}$ и этендю. В конечном итоге это преобразует исходящее излучение черного тела в Вт/ср/см. ² излучающей площади в одну из W, наблюдаемую на детекторе.

Широкополосная чувствительность — это просто сигнал, взвешенный по этой мощности.

$R={\frac {{\text{Signal}}_{\text{avg}}}{HG}}={\frac {{\text{Signal}}_{\text{avg}}}{\int dHdA_{d}d\Omega _{BB}}}$

Где,

• $R$ — чувствительность в единицах Сигнал/Вт (или иногда В/Вт или А/Вт)
• $H$ — исходящая яркость черного тела (или источника света) в Вт/ср/см. ² излучающей площади
• $G$ это общее интегральное удлинение между источником излучения и поверхностью детектора.
• $A_{d}$ это площадь детектора
• $\Omega _{BB}$ – телесный угол источника, проецируемый вдоль линии, соединяющей его с поверхностью детектора.

Из этой метрики можно вычислить эквивалентную шуму мощность, приняв уровень шума над чувствительностью.

${\text{NEP}}={\frac {{\text{Noise}}_{\text{rms}}}{R}}={\frac {{\text{Noise}}_{\text{rms}}}{{\text{Signal}}_{\text{avg}}}}HG$

Аналогичным образом, эквивалентную шуму освещенность можно вычислить, используя чувствительность в единицах фотонов/с/Вт вместо единиц сигнала. Теперь обнаруживаемость — это просто эквивалентная шуму мощность, нормированная на полосу пропускания и площадь детектора.

$D^{*}={\frac {\sqrt {\Delta fA_{d}}}{\text{NEP}}}={\frac {\sqrt {\Delta fA_{d}}}{HG}}{\frac {{\text{Signal}}_{\text{avg}}}{{\text{Noise}}_{\text{rms}}}}$

Ссылки

В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.