红外探测器主要参数定义

红外探测器

1．量子效率

在某一特定波长上，每秒钟产生的光电子数与入射光子数之比。对理想的探测器， 入射一个光子发射一个电子， ( ) 1 。当然实际上不是所有的光子都可以被吸收，因 此 ( ) 1 。 探测器对波长为 处的量子效率可以表示为：

( 其中 h

2. 响应率

输出信号电压 S 与输入红外辐射功率 P 之比即：

S

R S

(V/W)或(A/W ) 3. 响应波长范围

单色响应率与波长的关系，称为光谱响应曲线或响应光谱。热敏型红

外 探测器的响应率与波长无关。光电型红外探测器有峰值波长 p 和长波限 c 。 通常取响应率下降到 p 一半所在的波长为 c 。光电探测器只有在小于 c 范

围 有响应，因此称为选择性红外探测器。

I S /e )S

P/hv

34 6.6260755 10 J .S ，是普朗克常数， e 是元电荷。

对于光子探测器，仅当入射光子的能量大于某一极小值时才能产生光电效应。就是说，探测器仅对波长小于c，或者频率大于的光子才有响应。因此，光子探测器的响应随波长线性上升，然后到某一截止波长c突然下降为零。

而热型探测器响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感，在室温工作。灵敏度低、响应时间偏长，最快的响应时间也在毫秒量级。热释电探测器主要应用于被动式的传感器中，主要应用于防盗报警、来客告知等被动探测以及石油化工、电力等行业的温度测量、温度检测等灵敏度不是很高的场合。此外，热释电材料是还是制备非制冷红外成像设备的重要材料。

常见红外光子探测器及响应波段

4.噪声

如果测量探测器输出的电子系统有足够大的放大倍数，即使没有入射辐射。也可以看到一些毫无规律的电压起伏,它的均方根称为噪声电压N ，此噪声来源于探测器中的某些基本的物理过程。探测器的噪声主要有以下几个来源：1/ f 噪声（闪烁噪声），暗电流噪声（热噪声）以及光电流噪声。

1/ f 噪声为低频噪声，在GaAs/ AlGaAs QWIP 中的影响很小，不是主要的制约因素。制约器件性能的主要因素是暗电流噪声和光子噪声，即载流子

无规则的热运动造成的噪声。

当温度在绝对零度以上，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都有热噪声。可通过减小电阻、带宽或者温度的方法降低热噪声。由于热噪声与绝对温度的平方根成正比，所以可以用降低温度的方法降低。例如，将某种电阻的温度由室温（298K ）降低到液态氮的温度（77K ），热噪声下降50% 。

如前所述，QWIP 的探测率的限制因素来源于两个方面，一是探测器本身的暗电流噪声，二是照射到探测器表面的背景光子涨落（光电子噪声）。在温度高于背景限制温度（ T BLIP ）时，暗电流噪声占主导作用，此时QWIP 工作于器件噪声限制模式。当工作温度低于 T BLIP 时，由背景光子涨落引起的光电流噪声占主导地位，此刻QWIP 工作于背景噪声限制

（BLIP）模式。探测器在BLIP模式下工作时，具有最大的探测率，故而我们总是试图增加器件的T BLIP 。

5．信噪比

信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio ），指入射辐射所产生的信号输出电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小。

设入射功率产生的信号输出电压为S，噪声电压为N ，则

SNR＝S/N （dB）

注：dB（Decibel ，分贝）是一个纯计数单位，本意是表示两个量的比值大小，没有单位。

在电子工程领域，放大器增益使用的就是dB （分贝）。放大器输出与输入的比值为放大倍数，单位是“倍”，如10 倍放大器，100 倍放大器。

当改用“分贝”做单位时，放大倍数就称之为增益，这是一个概念的两种称呼。

电学中分贝与放大倍数的转换关系为：

A(V)(dB)=20lg(Vo/Vi) ；电压增益

A(I)(dB)=20lg(Io/Ii) ；电流增益

Ap(dB)=10lg(Po/Pi) ；功率增益

使用分贝做单位主要有三大好处 :

(1) 数值变小，读写方便。电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚

至几十万，一台收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出，一共要放大 2 万倍左右。用分贝表示先取个对数，数值就小得多。

(2) 运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单

位时，总增益就是相加。若某功放前级是 100 倍 (20dB) ，后级是 20 倍

(13dB) ， 那么总功率放大倍数是 100 × 20=2000倍，总增益为 20dB ＋

13dB=33dB 。

(3) 符合听感，估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正 相

关的。例如，当电功率从 0.1 瓦增长到 1.1 瓦时，听到的声音就响了很多； 而从 1 瓦增强到 2 瓦时，响度就差不太多；再从 10 瓦增强到 11 瓦时，没有 人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是 1 瓦，而用增益表示 分

别为 10.4dB ，3dB 和 0.4dB ，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差 别了。

分贝数值中，－ 3dB 和 0dB 两个点是必须了解的。－ 3dB 也叫半功率点

或截止频率点。这时功率是正常时的一半，电压或电流是正常时的 1/ √ 2 。

在

频率范围，输出电平等，不加说明的话都可能有± 的出入。 3dB 功率：

10lg(1/2) (dB) =-3 电流/电流： 20lg( 1/ √2) (dB) =-3

例子：收音机的频响 10Hz ～40kHz ，就是表示在这段频率中，输出幅度

不会超过± 3dB ，也就是说1在0Hz 和 40kHz 这二个端点频率上，输出电压 幅度只有中间频率段的 0.707( 1/ √2)倍了。

0dB 表示输出与输入或两个比较信号一样大。

电声系统中，± 的3d 差B 别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标，如