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Detector IR

N.B.: in questa breve descrizione ci stiamo riferendo ai detector infrarossi, ma le stesse definizioni usate sono generalmente applicabili a qualsiasi tipo di detector.

Un detector IR è un trasduttore che converte energia infrarossa in un segnale elettrico.
Le radiazioni in entrata e il segnale elettrico generato hanno entrambi le loro lunghezze d’onda, frequenze, potenze e distribuzioni spettrali.
Le lunghezze d’onda infrarosse hanno valori di alcuni micrometri (frequenze di circa 1 X 1014 Hertz) mentre i segnali elettrici generati dai detectors hanno frequenze relativamente basse, dalla corrente continua fino ad un megahertz o meno.

I parametri che caratterizzano un detector IR sono:

Responsivity Risposta elettrica in uscita per un dato segnale IR d'ingresso
Noise Rumore sovrapposto al segnale
Signal to Noise ratio Rapporto tra segnale e rumore
Noise Equivalent Power Minimo segnale IR che un detector può rilevare
Specific Detectivity (D*) Rapporto S/N risultante qualora il detector avesse dimensioni standard e fosse provato in condizioni standard
Linearity Linearità del segnale in uscita al variare lineare del segnale IR in ingresso
Dynamic Range Variazione del segnale IR che il detector riesce a seguire generando un segnale utile in uscita
Frequency Response Variazione della Responsivity al variare della frequenza con cui viene colpito dal segnale IR
Spectral Response Variazione della Responsivity al variare della lunghezza d'onda del segnale IR
Modulation Transfer Function Variazione della Responsivity al variare delle dimensioni del segnale IR incidente (solo per detector a matrice)
Crosstalk Segnale apparente generato da un detector quando il segnale IR colpisce un detector adiacente (solo per detector a matrice)

Responsivity
La Responsivity (Capacità di risposta) R è il rapporto tra il segnale d’uscita e la radiazione d’ingresso.

R=Responsivity (V/W)
Vout= Vs=tensione di uscita del detector
IRinput=Radiazione incidente al detector
H= Irraggiamento
(W/cm2)
Ad=Area del detector (cm2)

E’ prassi comune esprimere il segnale d’uscita in volts e l’ingresso IR in watts, cosicché l'unità di misura della Responsivity è volts/watt (V/W).

L’uscita di un detector può essere in corrente o tensione, mentre il segnale d'ingresso IR può essere espresso in termini di potenza totale, densità di potenza, tasso d’arrivo dei fotoni o densità di flusso dei fotoni. Il concetto rimane sempre lo stesso: si tratta di un segnale d'uscita rapportato al segnale d'ingresso.

La Responsivity è un parametro molto importante perché consente ai progettisti elettronici di determinare in anticipo quale debba essere la sensibilità del circuito di misura per poter vedere il segnale d' uscita del detector.

Noise (Rumore)
Il Noise è un segnale elettrico indesiderato sovrapposto al segnale di uscita del detector. E' indispensabile che sia il più basso possibile. La presenza di noise è dovuta a cause interne al detector (fotoni che non arrivano in maniera costante, atomi del materiale con cui è costruito che vibrano leggermente, elettroni che si muovono in maniera casuale) ed a cause esterne (interferenze elettriche, variazioni di temperatura, vibrazioni).


Poichè il noise è una variazione casuale del segnale d'uscita, si richiedono alcune convenzioni per decidere come quantificarlo.
La definizione usuale è quella di root-mean-square (rms) deviation.Sono disponibili multimetri e circuiti digitali che calcolano i valori RMS automaticamente.
Frequency Spectrum Noise (spettro di frequenza del rumore)
Alcune componenti del noise si manifestano solamente ad una frequenza specifica. Ad esempio una pompa che vibra può generare un noise specifo di pochi Hertz al secondo, oppure la linea di alimentazione dei circuiti elettronici può introdurre un noise a 50 Hz.
Esiste anche un noise distribuito più o meno uniformemente su tutte le frequenze.
Esso si chiama white noise o rumore bianco e questo per via dell'analogia con la luce bianca che contiene tutte le frequenze dello spettro visibile. Anche se il rumore non è proprio bianco, conterrà generalmente un’ampia gamma di frequenze. Possiamo ridurre il rumore eliminando le frequenze che non sono necessarie.
Ad esempio, se il nostro segnale è a 200 Hz, eliminando tutte le frequenze al di sopra dei 250 Hz e al di sotto dei 150 Hz permetterà di ridurre il rumore. La larghezza di banda elettrica di 100 Hz rimanente, conterrà meno rumore della banda originaria.


Noise Spectral Density (Densità spettrale di rumore)
Può essere dimostrato che per il rumore bianco, la tensione di rumore generata è proporzionale alla radice quadrata della banda passante. Anche se il rumore non è perfettamente bianco, quando mancano cioè alcune frequenze, si usa per convenzione la medesima regola.
Per paragonare il rumore con diverse bande passanti si usa la densità spettrale di rumore n. Eil noise N diviso per la radice quadrata della banda passante.

Questa è la densità spettrale di rumore e si esprime in V/Hz1/2. Il suo valore numerico è il rumore che ci sarebbe se la banda passante fosse ridotta a 1 Hz.

Signal to Noise Ratio (Rapporto segnale/rumore)
Il rapporto segnale/rumore (S/N) è un semplice modo per descrivere la "pulizia" di un dato segnale. E’ semplicemente la tensione di uscita divisa per il valore RMS del rumore (in alternativa si può usare anche il valore picco-picco del rumore).
Una traccia oscilloscopica con un rapporto segnale/rumore di 100 ha una forma molto chiara con un rumore trascurabile.
Un rapporto segnale/rumore di 10 produce un segnale ancora molto chiaro ma con un rumore ben visibile.
Un rapporto di 3 è abbastanza cattivo e con 1 il segnale è quasi perso nel rumore stesso.

E' importante ricordare che il rapporto segnale/rumore non caratterizza il detector in sè stesso: ad esempio, è possibile avere un rapporto segnale/rumore migliore per lo stesso detector semplicemente aumentando il livello del segnale incidente.

Il rapporto segnale/rumore descrive realmente le condizioni alle quali si sta lavorando. Se state cercando di ottenere dati con un rapporto segnale/rumore di 3 non presterei fede ai vostri risultati tanto come se aveste un rapporto segnale/rumore di 30, o ancora meglio 300.

Noise Equivalent Power (Potenza equivalente di rumore)
Il NEP prmette di stabilire quanto sia sensibile un detector. Permette anche di valutare quale sarà il rapporto S/N con una data potenza incidente.
Il NEP è la potenza che deve arrivare al detector per generare un rapporto S/N = 1. Se si dispone, ad esempio, di una potenza pari a 10 volte il NEP, si otterrà un rapporto S/N=10.

Il NEP si determina dividendo il rumore di sistema per la Responsivity (capacità di risposta).

L'unità di misura del NEP sono i watts.

Una variante della formula precedente usa la noise spectral density (densità spettrale di rumore) invece del rumore:

Questo NEP per unità di banda passante non è una figura di merito standard e ci può essere confusione se non è chiaro che la definizione NEP standard non viene usata. In questo caso le unità sono watts / radice quadrata di Herz (W/Hz1/2)

Specific Detectivity D*(Rivelabilità specifica)
La formula NEP è adatta per prevedere la minima potenza che un dato sistema può rivelare, ma ha alcuni aspetti indesiderabili.
Un buon detector avrà un piccolo NEP ma detectors di dimensioni diverse avranno diversi NEP, cosicché non è possibile dire con precisione quale debba essere un buon NEP se non specifichiamo le dimensioni del detector. Per risolvere il problema si usa quindi
la Specific Detectivity (D*) che permette di comparare detector di dimensioni diverse. Tanto più è grande tanto migliore è il detector.

D* è la capacità di risposta moltiplicata per la radice quadrata dell’area, divisa per la densità spettrale di rumore.L'unità di misura della D* è cm x Hz1/2/W

Linearity (Linearità)
Il segnale di uscita di un detector aumenta linearmente con l'aumentare del segnale d'ingresso.
Si arriverà però ad un punto in cui l'aumento del segnale in uscita non seguirà più l'andamento del segnale d'ingresso. Questo sarà il punto in cui inizia la non linearità del detector.
La linearità di un detector descrive quindi la capacità che ha il segnale d'uscita di seguire esattamente le variazioni del segnale d'ingresso.

Dynamic Range (Variazione dinamica)
Il range dinamico è il rapporto tra il più alto segnale utile e il più basso segnale misurabile. Il più alto segnale utile è quello oltre il quale il detector non è più lineare, mentre il più basso segnale misurabile è quello dove il rapporto segnale/rumore è uguale ad 1.

Frequency Response (Risposta in frequenza)
Il detector, o in genere il detector con l'elettronica di amplificazione, risponderà bene alle basse frequenze ma non risponderà altrettanto bene a frequenze più alte. La frequenza di taglio (che determina la risposta in frequenza del sistema) è quella dove il segnale di uscita del detector si abbassa di 3 decibel:

Spectral Response (Risposta spettrale)
E' la risposta del detector a lunghezze d'onda incidenti diverse. Si esprime in genere con un tracciato come il seguente:

Modulation Transfer Function (Funzione di trasferimento della modulazione)
E' la capacità di un detector di discriminare piccoli dettagli. E' un parametro significativo solamente con i CCD

Crosstalk (Diafonia)
Se in un detector a matrice un punto luminoso colpisce un singolo elemento della matrice, gli elementi adiacenti non dovrebbero in teoria generare nessun segnale.
In pratica però anche questi elementi adiacenti generano un piccolo segnale che è dovuto al crosstalk che può quindi essere definito come
la risposta apparente di un elemento di un detector a matrice quando un segnale IR colpisce un elemento adiacente. Tali effetti sono causati da fenomeni ottici (in genere riflessioni) o elettrici (accoppiamenti capacitivi o resistivi tra i vari elementi della matrice)