Part 3b: 探测器

Part 3b: 探测器


概述

 

探测器噪声:

光检测器即使在没有入射光存在的情况下也会有很小的输出信号,这被称为暗电流或暗输出。暗电流是由于热生电子的移动所产生的,因此与环境温度有很紧密的关系。一般来说,对于硅基检测器, 当温度减低5-7度时,其暗电流将降低一半,反之,当温度升高5-7度时,其暗电流将增加一倍。
在阵列检测器如CCD阵列中,噪声主要来源于:读出噪声(readout noise)、光子散粒噪声(photon shot noise)、暗散粒噪声(dark shot noise)和固定图形噪声(fixed pattern noise)。读出噪声是由于CCD的输出级和外部电路的电子噪声所造成,其在很大程度上限定了CCD光谱仪的检测极限。光子散粒噪声与入射在CCD上的光子数的统计变化有关,而暗散粒噪声与暗状态下产生的电子数的统计变化有关。这两种散粒噪声都符合泊松分布。光子散粒噪声与入射光子流量的平方根成正比,而暗散粒噪声与暗电流的平方根成正比。固定图形噪声是相邻像元之间的光响应的差异造成,其主要由像元间的量子效率的差异所引起,该量子效率的差异又是由CCD制造过程中所产生的像元面积和膜厚的不一致性所造成。一个阵列式检测器的总噪声等于这四种噪声源的平方根和。
动态范围指的是一个检测器能够准确测量到的累加在噪声水平上的信号的范围。动态范围定义为饱和电荷(满量阱容量)除以噪声。(参考如前所述生产厂家对检测器噪声的定义)。对硅基阵列检测器来说,非科研级的前照式CCD(如Sony ILX511)具有低读出噪声和小量阱容量,因此其动态范围小,适合于测量要求不高的弱信号。薄型背照式CCD属于科研级器件,其具有低读出噪声,低暗噪声和更大的量阱容量的特点,因此其具有更大的动态范围,适合于需要高信噪比的弱信号检测。PDA具有高读出噪声,高暗噪声和非常大的量阱容量,因此其具有最大的动态范围,适合于强信号的检测。对近红外(NIR)阵列检测器来说,标准的InGaAs阵列在900-1700nm波长范围内相对于扩展型InGaAs或PbS阵列来说具有更高的动态范围。而PbS阵列与扩展型InGaAs阵列在各自的光谱响应范围内的动态范围相当。

使用内建的热电致冷控温器(TEC)对阵列检测器进行致冷控温是降低阵列检测器的暗电流和暗噪声并增强其动态范围和检测极限的一种有效方法。图3-4是未进行致冷控温的CCD检测器和进行致冷控温的CCD检测器在60秒积分时间条件下的暗电流与暗噪声的对比图。当在室温条件下运行时,未进行致冷控温的CCD的暗电流已接近饱和,而利用TEC致冷控温到10 °C的CCD的暗电流降低了4倍,其暗散粒噪声降低了2倍。这使得CCD检测器能够在长时间积分条件下检测弱的光学信号。当CCD检测器应用于要求不高的强光强检测如LED检测时,由于需要的积分时间较短,因此由TEC致冷所带来的暗噪声降低的效果并不明显。但在这种情况下,对检测器阵列进行温控对长期检测的基线稳定性有很大的帮助。