التحقيق المتخصص

إن الكشفية المحددة ، أو D* ، لكاشف ضوئي هي مقياس جدارة يستخدم لتوصيف الأداء، وهي تساوي مقلوب القدرة المكافئة للضوضاء (NEP)، معاير لكل جذر تربيعي لمساحة المستشعر وعرض نطاق التردد (مقلوب ضعف وقت التكامل).

تُعطى القدرة على الكشف المحدد بواسطة${\displaystyle D^{*}={\frac {\sqrt {A\Delta f}}{NEP}}}$، أين${\displaystyle A}$هي مساحة المنطقة الحساسة للضوء في الكاشف،${\displaystyle \Delta f}$يمثل عرض النطاق الترددي، وNEP يمثل القدرة المكافئة للضوضاء (بوحدات${\displaystyle W/{\sqrt {هرتز}}}$). ويتم التعبير عنها عادةً بوحدات جونز (${\displaystyle cm\cdot {\sqrt {هرتز}}/W}$) تكريماً لروبرت كلارك جونز الذي وضع تعريفه الأصلي. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

بما أن القدرة المكافئة للضوضاء يمكن التعبير عنها كدالة للاستجابة${\displaystyle {\mathfrak {R}}}$(بوحدات${\displaystyle A/W}$أو${\displaystyle V/W}$) وكثافة الطيف الضوضائي${\displaystyle S_{n}}$(بوحدات${\displaystyle A/Hz^{1/2}}$أو${\displaystyle V/Hz^{1/2}}$) مثل${\displaystyle NEP={\frac {S_{n}{\sqrt {\Delta f}}}{\mathfrak {R}}}}$من الشائع رؤية التعبير عن التحقيق المحدد على النحو التالي:${\displaystyle D^{*}={\frac {{\mathfrak {R}}\cdot {\sqrt {A}}}{S_{n}}}}$.

من المفيد غالبًا التعبير عن حساسية الكشف المحددة بدلالة مستويات الضوضاء النسبية الموجودة في الجهاز. يرد أدناه تعبير شائع.

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

مع${\displaystyle q}$باعتبارها الشحنة الإلكترونية،${\displaystyle \lambda }$هو الطول الموجي المطلوب،${\displaystyle h}$ثابت بلانك ،${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء ،${\displaystyle k}$هو ثابت بولتزمان ،${\displaystyle T}$هي درجة حرارة الكاشف،${\displaystyle R_{0}A}$هو حاصل ضرب مساحة المقاومة الديناميكية عند انحياز صفري (غالباً ما يتم قياسه تجريبياً، ولكن يمكن التعبير عنه أيضاً بافتراضات مستوى الضوضاء)،${\displaystyle \eta }$تمثل الكفاءة الكمية للجهاز، و${\displaystyle \Phi _{b}}$يمثل التدفق الكلي للمصدر (غالباً جسم أسود) بوحدة الفوتونات/ثانية/ ^سم² .

يمكن قياس حساسية الكشف باستخدام إعداد بصري مناسب ومعاملات معروفة. ستحتاج إلى مصدر ضوئي معروف ذي إشعاعية معروفة عند مسافة محددة. سيتم تقطيع الضوء الوارد بتردد معين، ثم يتم حساب تكامل كل طول موجي خلال فترة زمنية محددة لعدد معين من الإطارات.

بالتفصيل، نقوم بحساب عرض النطاق الترددي${\displaystyle \Delta f}$مباشرة من ثابت زمن التكامل${\displaystyle t_{c}}$.

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

بعد ذلك، يجب قياس متوسط ​​الإشارة ومتوسط ​​الضوضاء الفعال من مجموعة من${\displaystyle N}$يتم ذلك إما مباشرة بواسطة الجهاز، أو كمعالجة لاحقة.

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

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

والآن، حساب الإشعاع${\displaystyle H}$يجب حساب قيمة بوحدة واط/ستراديان/سم²، ^{حيث سم²} هي مساحة الانبعاث. بعد ذلك، يجب تحويل مساحة الانبعاث إلى مساحة إسقاطية وزاوية مجسمة ؛ ويُطلق على هذا الناتج غالبًا اسم الامتداد المجسم . يمكن تجنب هذه الخطوة باستخدام مصدر مُعاير، حيث يكون العدد الدقيق للفوتونات/ثانية/سم² ^{معروفًا} عند الكاشف. إذا كان هذا العدد غير معروف، فيمكن تقديره باستخدام معادلة إشعاع الجسم الأسود ، ومساحة الكاشف الفعالة.${\displaystyle A_{d}}$والامتداد. وهذا في النهاية يحول الإشعاع الصادر من الجسم الأسود بوحدة واط/ستراديان/سم² ^من مساحة الانبعاث إلى إشعاع بوحدة واط يُرصد على الكاشف.

إذن، فإن استجابة النطاق العريض هي مجرد الإشارة الموزونة بهذه القدرة الكهربائية.

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

أين

• ${\displaystyle R}$هي الاستجابة بوحدات الإشارة / واط، (أو أحيانًا فولت / واط أو أمبير / واط)،
• ${\displaystyle H}$يمثل الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود (أو مصدر الضوء) بوحدة واط/ستراديان/سم² ^من مساحة الانبعاث،
• ${\displaystyle G}$يمثل إجمالي الامتداد المتكامل بين مصدر الانبعاث وسطح الكاشف،
• ${\displaystyle A_{d}}$هي منطقة الكاشف،
• ${\displaystyle \Omega _{BB}}$هي الزاوية المجسمة للمصدر المسقطة على طول الخط الواصل بينه وبين سطح الكاشف.

ومن هذا المقياس، يمكن حساب القدرة المكافئة للضوضاء عن طريق حساب مستوى الضوضاء مقسومًا على الاستجابة.

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

وبالمثل، يمكن حساب الإشعاع المكافئ للضوضاء باستخدام الاستجابة بوحدات الفوتونات/ثانية/واط بدلاً من وحدات الإشارة. أما الآن، فإن قابلية الكشف هي ببساطة القدرة المكافئة للضوضاء مُقاسةً بالنسبة لعرض النطاق الترددي ومساحة الكاشف.

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

• الحساسية (الإلكترونيات)

 تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22 يناير 2022.