红外探测器原理与核心指标
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发布时间：2023-04-20 10:52:52
红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件。根据具体的需求和应用，红外探测器会有不同的分类方式来强调某一方面的特性。根据能量转换方式，红外探测器可以分为热探测器和光子探测器两大类；根据工作温度和制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。
热探测器的工作机理就是基于入射辐射的热效应引起探测器材料温度变化。探测器材料某些物理性质会随着温度变化发生改变，通过测量这些物理性质的变化就可以测出材料吸收辐射的大小。热探测器利用的热效应，热吸收与入射辐射的波长无关，热敏单元的温度变化较慢，室温环境下就可以观测到热敏单元的温度变化。
光子探测器是基于入射光子流与探测器材料的相互作用产生光电效应。探测器通过测量光电效应的大小可以计算得到吸收辐射的大小。光电效应是半导体中电子吸收光子而产生的效应，通常情况下，必须将半导体冷却到较低温度才能够观测到光电效应。同时，入射光子能量要大于一定值时才能产生光电效应，所以光子探测器具有截止波长。
阵列规模、NETD、像元间距是红外探测器的核心指标
红外探测器的性能参数主要有响应度、噪声等效功率、探测率、比探测率、光谱响应特征、响应时间、响应频率、噪声等，其中重要的是阵列规模、NETD、像元间距。
响应率：描述红外光电探测器接受的入射红外信号与输出的电信号之间的对应关系。红外探测器的响应率定义为单位辐射功率人射到探测器上转换为电信号的能力。响应率越大说明探测器对入射红外辐射信号的响应程度越强烈，但是这并不能说明该探测器的探测能力或是灵敏度就越高。
响应时间：由于红外探测器存在惰性，因此对红外辐射的响应存在一定的滞后。当以恒定的辐照强度照射探测时，探测器的输出信号从零开始逐渐上升，经过一段时间后才可以达到稳定值。响应时间的物理意义是：当探测器受到红外照射时，输出信号上升到稳定值63%所需要的时间。响应时间越短，响应越快，该指标直接影响系统设计中的帧频。当帧频对应的时间小于响应时间，新的信号还不能达到预定的稳定输出值，上一帧的信号还没有释放完，因此不能得到准确清晰的图像。帧率是制冷型探测器和非制冷型探测器性能的主要差别之一，制冷型探测器的帧频更高。
噪声：红外系统的探测性能受到其噪声的限制，噪声的大小决定了红外探测器性能的极限。红外焦平面探测器的噪声包括瞬态噪声和空间噪声。瞬态噪声指的主要是器件本身的噪声，如光子噪声、暗电流噪声、以及读出电路的噪声等；空间噪声是由于红外焦平面阵列各个像元的响应特征不一致造成的。
噪声等效功率NEP：描述测器探测辐射的能力的下限。由于噪声存在，当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器噪声所淹没时，探测器就无法检测辐射信号。当探测器输出信号等于探测器噪声时，入射到探测器上的辐射功率定义为噪声等效功率。在设计系统时通常要求最低可探测功率（灵敏度）数倍于噪声等效功率，以保证系统有较高的探测概率和较低的虚警率。
比探测率D*：探测率D是噪声等效功率NEP的倒数，用来表示辐照在探测器上单位辐射功率所获得的信噪比。但探测率与探测器的面积和噪声带宽有关，所以引入了比探测率D*这一个标准化参数来度量探测器的性能。表示当探测器的敏感元有单位面积、放大器测量带宽为1Hz时，单位辐射功率所能获得的信号噪声比。比探测率越大，探测器的探测能力越强，所以在对探测器性能进行比较时，用比探测率较为合适。
噪声等效温差NETD：噪声等效温差是度量焦平面器件温度分辨能力能力的参数，定义为器件的输入信号等于噪声时，入射辐射目标的温度变化。又称为红外热成像的热灵敏度，决定了热像仪区分细微温差的能力。NETD越小，表示器件的灵敏度越高。例如：某红外探测器在室温下的热灵敏度为50mK，表示被测物表面温度发生0.05℃的变化时，或者表面存在0.05℃以上的不均匀时，就可以被红外热像仪的探测器所感应到。
盲元率：盲元率是评价一款焦平面阵列均匀程度的直观的指标。由于制造材料、工艺等因素的影响（如材料的不均匀性、掩膜误差、缺陷等），在红外焦平面阵列器件中存在不可避免的非均匀性，响应度小于焦平面器件平均响应度1/2的像元为死像元，或盲元，像元噪声大于平均噪声的2倍则为过热盲元。盲元占总像元数的百分比为盲元率。盲元的数量和分布对于红外图像的信噪比和图像质量产生很大影响，如果盲元过多或分布过于集中，则红外图像上将出现大量的或者过于集中的坏点。
像元尺寸：描述单个成像单元的尺寸大小。在红外成像系统应用中，像元尺寸的减小，可以使得每个晶片上制造更大规模的焦平面阵列，对整机系统的大小、重量和价格大有好处。但是由于NETD反比于像元面积，因此如果像元尺寸由50×50μm减小至17×17μm，而其他各项参数保持不变的情况下，NETD就会增大约9倍，这是由于像元尺寸的减小，将使得像元面积接受红外能量减小，温度提升降低，导致灵敏度降低。
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