1、第五章 光电仪器中的光电检测及常用检测电路,5.1 光电探测器及其选用 5.2 光电信号检测电路设计 5.3 时变光信号的调制检测,概述,光电探测是光电仪器的重要组成部分，其探测原理如下：,光电仪器中的光电探测是通过光学变换与光电转换来实现的，而光电转换技术是通过光电探测器及其相应的集成电路来完成的。,光源,照明光学系统,被测对象,光学转换,光电转换,电路处理,控制,显示,辐射源,光载波,光信号,电信号,光电探测,光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。可适用的波长范围包括紫外、可见光和红外光谱区。,光辐射量,光电探测器,电量,光电探测器及其选用,光电探测器按探测机理的物理效应可分为两大
2、类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器。,在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各种相互作用的光电子效应。在众多的光电子效应中，只有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛的应用。,光发射器件（光电子发射效应或外光电效应）,金属氧化物或半导体表面,自由电子,光辐射,光导器件（光电导效应或内光电效应）,半导体材料,自由电子空穴,光辐射,电导率变化,光伏器件（光生伏特效应或内光电效应）,光电磁器件（光电磁效应或内光电效应）,金属氧化物或半导体表面,电子-空穴对,光辐射,光生电动势,垂直磁场中的半导体材料,载流子浓度梯度,
3、光辐射,光磁电动势,光电探测器及其选用,光电探测器及其选用,光子探测器,固体光子器件,光发射器件,光导器件,光电磁器件,受激发的电子由光敏电极上发射到周围的媒介中,光子引起材料中电子能量分布的变化，从而输出所需的信号,光伏器件,光探测器的性能指标,所有的光探测器都是为探测某个特定波段或一个宽波段上的辐射能，并能输出一个和所吸收的能量成正比的信号。,响应度（率）（RV、RI）,响应度是描述探测器灵敏度的参量，描述的是光电探测器的光电转换效能。它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。,定义为单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流），即器件的输出电压（流）与输入辐射功率之比，并分别用RV 和
4、RI 表示有：,对于红外和激光辐射探测器，通常使用V/W或A/W为单位，对于可见光则常用mA/lm来表示，因为流明是可见辐射功率的单位；,输出信号用电压表示：,输出信号用电流表示：,光探测器的性能指标,量子效率（）,量子效率是评价光电器件性能的重要参数，它是在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。,光探测器的性能指标,每秒入射光量子数： 每秒产生的光电子数：于是：,例 光子探测器的量子效率为1，用来探测He-Ne激光器发出的辐射。求其响应度R。,解：由量子效应为,故可得,信噪比（S/N）,信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即
5、：,噪声等效功率（NEP）与噪声等效辐照（NEI）,光探测器的性能指标,或, 与入射辐射功率、光敏面积有关。 如果入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能不一定就好。因此用 S/N 评价器件有一定的局限性。,噪声等效功率即最小可探测功率Pmin，定义为信号功率与噪声功率之比为1（即S/N1）时，入射到探测器上的辐射通量（单位为W），即：,光探测器的性能指标, NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。一般一个良好的探测器的NEP10-11W。 仅用NEP这个指标，无法比较两器件的优劣有局限性。,噪声等效辐照为通过单位面积的辐射通量，定义为输出信号等于探测器噪声时，入射到探测器上的辐射通量密度（单
6、位为W/m2），即：, 此参数是为描述一个系统的性能而引入的，表征的是系统电路输出信号的信噪比为1时在入射光瞳处所要求的通量密度。,NEP数值越小，表示探测器的探测能力越强，相对缺乏直观性。为此引入了NEP的倒数定义为探测度D，即：,探测度（D）,光探测器的性能指标, 其描述了光电探测器在其噪声水平上产生可观测信号的本领。即探测器能响应的入射功率越小，探测度越高。 探测度表征器件性能时，必须说明入射辐射的波长、探测器工作温度、斩波器的频率、器件上所加的偏置电流、探测器的接收面积和放大器的带宽。,由于D与探测器光敏面积Ad 和放大器带宽f 乘积的平方根成反比，故对于不同的器件来说D不是一个理想的
7、参量。,比探测度（D）,光探测器的性能指标,为克服此缺点，对探测度进行归一化处理，归一化后的探测度称为比探测度。表达式为, 比探测度是在入射到探测器上的辐射功率为1W，探测器的敏感面积为1cm2，放大器带宽为1Hz的条件下测量的。用于不同放大器带宽、不同光敏面积的光电探测器性能的比较。 D*可定义为对单色辐射或黑体辐射的响应。对前者称为光谱比探测度，通常在D*后附加测量条件D*(，f，f)表示。通常为光探测器的峰值波长，f为斩波器的频率， f 为放大器的带宽；后者用D*(T，f，f)表示，T为黑体的绝对温度。,光探测器的性能指标,响应时间是探测器对入射辐射响应快慢的参数，表征了器件对突然变化的
8、输入信号的反应速度。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。,响应时间和频率响应, 对光电池、光敏电阻及热电探测器等器件，响应时间定义为光电信号从零上升到稳定值的1-e-1（即63%）或下降到稳定值的e-1（即37%）所需要的时间。 对雪崩二极管、光电二极管及光电倍增管等响应速度快的探侧器件，响应时间定义为光电信号从稳定值的10上升到90或90下降到10所需的时间。,光探测器的性能指标,由于光电探测器信号的产生和消失存在一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电探测器的响应会有较大影响。 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率
9、变化而变化的特性称为频率响应。其表达式为, R(f )随着f 的升高而下降，下降速度与时间常数的大小有关。右图为探测器频率响应曲线。 从图中可知时间常数决定了探测器频率响应的带宽。,式中 R(f )频率为 f 时的响应度； R0频率为零时的响应度； RC为时间常数。,光谱响应,光谱响应描述了输出信号对输入信号波长的函数关系。, 当规定每单位波长间隔的辐射通量保持为常数，按该规定的理想光谱响应曲线如下。, 当规定每单位波长间隔所到达的光子速度保持为常数，按该规定的理想光谱响应曲线如下。,光探测器的性能指标, 暗电流Id。即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源时)。一般测量其直
10、流值或平均值。 线性度。线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。线性度是辐射功率的复杂函数，是指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差来度量：,光探测器的性能指标,其他参数,式中：max为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差，I1和I2分别为线性区中最小和最大响应值。, 光电探测器还有其他的一些特性参数，在使用时需要特别注意。例如光敏面积、探测器的电阻、电容等。,探测器的噪声,信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信号的干扰，人们常称这些干扰信号为噪声。 光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引入噪声，称为光电探测器的噪声。噪声是限制光
11、电系统性能的决定性因素，是光电信号检测中的不利因素。 噪声是种随机信号，任何时刻都不能预知其精确大小。它的值只能通过噪声的统计特性，得出某时刻的可能数值，通常用电压或电流的均方根的和决定。,显然，噪声un(t)表示了u(t)偏离us(t)的程度。,若us(t)表示信号，经过传输或变换后输出u(t)，则：,un(t)表示噪声,探测器噪声,内部原因,外部原因,热噪声,产生复合噪声,又称为有形噪声，通常由电、磁、机械等因素引起。一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。,来自物理系统内部，内部材料、器件或固有的物理过程的自然扰动。表现为一种无规则起伏，称为无规噪声。,光子噪声,噪声的分类,根据噪声产生
12、的原因，大体上可把噪声分为人为噪声、自然干扰和物理系统内部的起伏干扰三类。,人为噪声,自然噪声,散粒噪声,温度噪声,1/f 噪声,放大器噪声,探测器的噪声,探测器的噪声,光电器件中的噪声是物理过程中固有的，为了提高信噪比，可增大信号值或减小噪声大小。一般应尽可能减小噪声以提高信噪比。,Johnson噪声,或称热噪声，是由于自由载流子在电阻材料中的无规则热运动造成的噪声。任何有电路的材料都有热噪声。 当温度高于绝对零度时，导体或半导体中每一电子都作随机运动，使瞬时电流扰动会在探测器输出端产生均方电流或均方电压，其均方值为, 从式中可看出该噪声与频率无关，故称为“白”噪声。,注意：热噪声是温度T的
13、函数，但不是温度变化引起的温度噪声。,玻尔兹曼常数,电阻,探测器的噪声,例 计算1k电阻在300K（室温）和600K时的噪声等效功率NEP。设 =1，=0.6328m。,解：依题意有,噪声等效功率为,当T=300K时有：,当T=600K时有：,产生复合噪声,在光和热的作用下，半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声，又称G-R 噪声。, 非本征半导体器件的G-R噪声电流和噪声电压为,探测器的噪声, 近本征器件的G-R噪声电流和噪声电压为,自由载流子总数,自由电子总数,探测器的噪声,散粒噪声,是在结型器件中发现的噪声源。是由于光辐射作用或热激发作用下，光电子或
14、载流子随机产生电子所引起的噪声。散粒噪声电流的表达式为：, 零偏置时的电阻r0为,二极管电流,反向偏置饱和电流, 零偏置时，即当I=0时的散粒噪声电流为,等价于在零偏置环路电阻时的Johnson噪声电流, 在反向偏置情况下，I=-I0，则散粒噪声电流为,探测器的噪声,温度噪声,只有在热探测器上才能观察到的一种噪声源。它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。当材料的温度发生变化时，由于有温差的存在，因而引起材料有热流量的变化，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。它的能量的均方起伏表达式为：, 温度噪声限制了热探测器所能探测的最小辐射能量。,式中G为热导系数,温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上
15、有一定的差别，主要区别在于：,对于热噪声，材料的温度T 一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流in；对于温度噪声，材料温度有变化T，从而导致热流量的变化，此变化就表示了温度噪声的大小。,探测器的噪声,1/f 噪声（低频、闪变）,几乎所有探测器都存在这种噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流存在时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。它主要出现在大约1kHz以下的低频频阈，而且与光辐射的调制频率f 成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。其经验公式为,式中 kf 与元件制作工艺、材料尺寸及表面状态等有关的比例系数； 与流过元件的电流有关，通常2； 与元件
16、材料性质有关(0.81.5)，大部分材料1。,光电信号检测电路设计,对于大多数的光电装置，光电器件需要通过检测电路才能实现光电信号的变换作用。通常，光电检测电路是由光电器件、输入电路和前置放大器及耦合电路组成。,光电器件,输入电路,前置放大器及耦合电路,输出,光电变换：把被测光信号转换成电信号,输入电路：为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大及耦合电路的电路匹配。,前置放大器及耦合电路：一是对微弱电信号进行放大；二是匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。,光电检测电路的设计要求,设计原则：根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平以及输出电平和通频带等技术要求
17、来确定电路的连接形式和电路参数，保证光电器件和后续电路最佳工作状态。使整个检测电路满足下列要求：, 光电转换能力强：光电灵敏度、线性范围。 动态响应能力快：频率响应 信号检测能力强：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。 稳定性、可靠性好：工作要求（精度、重复性）,缓变光信号检测电路的设计,缓慢变化的光信号通常采用直流电路进行检测，其设计重点在于电路的静态计算。由于光电检测器件的非线性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解法和分段线性化的解析法。,按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流源型、光伏型和可变电阻型。,根据这些要求，检测电路的设计通常包括的步骤为电路静态计算、电路动态计算、噪声估算和放大电路选择与设计。,缓变光信号检测电路的设计,
