第2章光电检测.ppt

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1、主要内容主要内容2.1检测量的误差及数据处理检测量的误差及数据处理2.2辐射度量与光度量基础辐射度量与光度量基础2.3光电检测器件的特性参量光电检测器件的特性参量1.熟悉辐射度量与光度量参量的意义。熟悉辐射度量与光度量参量的意义。2.熟悉光电检测器件的特性参量，了解熟悉光电检测器件的特性参量，了解噪声的类型和参量。噪声的类型和参量。1立体角立体角立体角立体角是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度。接收时的发散或会聚的角度。定义：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面定义：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分

2、的表面积上所截取部分的表面积dA和球半径和球半径r平方之比平方之比。2.2.1辐射度量辐射度量2.2辐射度量与光度量基础辐射度量与光度量基础2dArdddO方位角方位角天顶角天顶角(sr，球面度，球面度)3辐射度量辐射度量辐射能辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位：焦耳收的能量，单位：焦耳J辐射密度辐射密度(w)：单位体积元内的辐射能，单位：单位体积元内的辐射能，单位:J/m3辐射通量辐射通量(,P)：以辐射的形式发射、传输或接收的功：以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。又称辐射功率，单位：率，用

3、以描述辐能的时间特性。又称辐射功率，单位：瓦瓦4辐射强度（辐射强度（I）：在给定传输方向上的单位立体角内光源发：在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，单位：出的辐射通量，单位：W/sr辐射出射度辐射出射度(M)：离开光源表面单位面元的辐射通量，单位：离开光源表面单位面元的辐射通量，单位：W/m2辐亮度辐亮度(L)：面源在某方向上单位投影面积辐射到单位：面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐射通量，单位：立体角的辐射通量，单位：W/m2sr辐照度辐照度(E）：单位面元被照射的辐射通量，单位：单位面元被照射的辐射通量，单位：W/m2光线与面源光线与面源法线的夹角法线的夹角5基本

4、辐射度量的名称、符号和定义方程基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称名称符号符号定定义义方程方程单单位位符号符号辐辐射能射能Q焦耳焦耳J辐辐射能密度射能密度焦耳立方米焦耳立方米Jm-3辐辐射通量，射通量，辐辐射功率射功率瓦特瓦特W辐辐射射强强度度瓦特球面度瓦特球面度Wsr-1辐辐射亮度射亮度瓦特球面度瓦特球面度平方米平方米Wm-2sr-1辐辐射出射度射出射度瓦特平方米瓦特平方米Wm-2辐辐射照度射照度瓦特平方米瓦特平方米Wm-262.2.2光度量光度量基本光度量的名称、符号和定义方程基本光度量的名称、符号和定义方程7光度量的最基本单位光度量的最基本单位发光强度发光强度：发出波长为：发出波长为5

5、55nm的单色辐射，在给定方的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位，它是国际单位制中七个基本单位之一。之一。光通量光通量：光强度为：光强度为1cd的均匀点光源在的均匀点光源在1sr内发出的光内发出的光通量。单位：流明通量。单位：流明lm。光照度光照度：单位面积所接收的入射光的量：单位面积所接收的入射光的量，单位：勒克，单位：勒克斯斯lx，相当于，相当于1平方米面积上接收到平方米面积上接收到1个流明的光通个流明的光通量。量。8注意事项注意事项光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。光

6、度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为辐射度量下标为e，例如，例如Qe，e，Ie，Le，Me，Ee，光度量下标为光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（光度量只在可见光区（380780nm)才有意义。才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数，如辐射度量和光度量都是波长的函数，如Qe()。9人眼对应明视觉和暗视觉的视见函数人眼对应明视觉和暗视觉的视见函数CIE推荐的平均推荐的平均人眼光谱光视效人眼光谱光视效率率(或称视见函数或称视见函数)光通量光通量 V和辐射通量和辐射通量 e可通过人眼视觉特性进行转换：可通过人眼视觉特性进行转换：555nm50

7、7nm光视效率和光视效能光视效率和光视效能最大光谱光最大光谱光视效能视效能10光视效能光视效能：目视引起刺激的光通量与光源发出的辐：目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射通量之比，单位为射通量之比，单位为lm/W。112.2.3朗伯辐射体及其辐射特性朗伯辐射体及其辐射特性朗伯辐射体：朗伯辐射体：对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯辐射体。射源称为朗伯辐射体。121.朗伯余弦定律朗伯余弦定律由于朗伯辐射体亮度与方向无由于朗伯辐射体亮度与方向无关，即不随角度

8、关，即不随角度 变化，则变化，则朗伯余弦定律：在理想情况下，朗伯体单位表面积向朗伯余弦定律：在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立体角内发射空间规定方向单位立体角内发射(或反射或反射)的辐射通量的辐射通量(辐射强度辐射强度)和该方向与表面法线方向的夹角和该方向与表面法线方向的夹角的余弦的余弦成正比。成正比。I0IdA13zxydAdSr朗伯体辐射空间坐标朗伯体辐射空间坐标2.朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系极坐标对应球面上微面元极坐标对应球面上微面元dA的立体角为：的立体角为：设朗伯微面元设朗伯微面元dS亮度为亮度为L，则辐射到，则辐射到dA上的辐射通量

9、为：上的辐射通量为：半球内发射的总通量半球内发射的总通量P为：为：出射度：出射度：辐亮度：辐亮度：14漫反射体：漫反射体：对于处在辐射场中反射率为对于处在辐射场中反射率为 的朗伯漫反的朗伯漫反射体射体(=1为理想漫反射体为理想漫反射体)，不论辐射从何方向入射，不论辐射从何方向入射，它除吸收它除吸收(1-)的入射辐射通量外，其它全部按朗伯的入射辐射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。余弦定律反射出去。反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面单反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面单位面积上辐射通量的位面积上辐射通量的 倍。即倍。即M=E，故，故15附附加加内内容容1.亮度守恒定律亮

10、度守恒定律面元面元dA1的辐射亮度：的辐射亮度：面元面元dA2的辐射亮度：的辐射亮度：16结论：光在同一种介质中传播时，若无传输结论：光在同一种介质中传播时，若无传输过程中能量损失，则光能传输的任一表面亮过程中能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等，即亮度守恒。度相等，即亮度守恒。立体角：立体角：17假设光在介质中无反射和吸收损失假设光在介质中无反射和吸收损失折射定律：折射定律：结论：光在不同种介质中传播时，若无传输结论：光在不同种介质中传播时，若无传输过程中能量损失，基本辐亮度守恒。过程中能量损失，基本辐亮度守恒。基本辐亮度基本辐亮度18dA上的照度：上的照度：结论：当均匀光源向空间发射球面

11、波，则点光源在传输结论：当均匀光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离的平方成反比。方向上某点的照度与该点到点光源距离的平方成反比。rdA2.照度与距离平方反比定律照度与距离平方反比定律dA上的照度：上的照度：(1)点光源点光源19若光源面积为若光源面积为R2,，且，且Rr，则，则dA上的照度为：上的照度为：(2)面光源面光源202.3光电检测器件的特性参量光电检测器件的特性参量光光电电检检测测器器件件的的分分类类光电检测器件：利用光电检测器件：利用物质的光电、热电效物质的光电、热电效应把光辐射信号变成应把光辐射信号变成电信号的器件。电信号的器件。212.3.1响

12、应度响应度1.响应度（灵敏度）响应度（灵敏度）：单位辐射度量产生的电信号量，记作：单位辐射度量产生的电信号量，记作R。描述光信号转换成电信号大小的能力。描述光信号转换成电信号大小的能力。-响应度分电压响应度和电流响应度响应度分电压响应度和电流响应度-响应度是随入射光波长变化而变化的响应度是随入射光波长变化而变化的电压响应度：光电探测器件输出电压与入射光参量之比电压响应度：光电探测器件输出电压与入射光参量之比电流响应度：光电探测器件输出电流与入射光参量之比电流响应度：光电探测器件输出电流与入射光参量之比光谱响应度光谱响应度(单色灵敏度单色灵敏度)：使用波长为使用波长为的单色辐射源的单色辐射源积分

13、响应度积分响应度(积分灵敏度积分灵敏度)：使用复使用复色辐射源色辐射源222.光谱响应度光谱响应度：探测器在波长为探测器在波长为的单色光照射下，输出电压的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光参量之比。或电流与入射的单色光参量之比。可知：积分响应度不仅与探测器的可知：积分响应度不仅与探测器的光谱响应度光谱响应度有关，也与入有关，也与入射辐射的射辐射的光谱特性光谱特性有关，因而，说明积分响应度时应指出测有关，因而，说明积分响应度时应指出测量所用的光源特性。量所用的光源特性。3.积分响应度：积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度。度。234、量子

14、效率量子效率()：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。子数与入射光量子数之比。电子的电量，电子的电量，1.602210-9C量子效率可视为量子效率可视为微观灵敏度微观灵敏度，若，若()=1)=1，则入射一个，则入射一个光子就发射一个电子或产生一对电子光子就发射一个电子或产生一对电子空穴对，实际上空穴对，实际上()通常小于通常小于1 1。真空中光速，真空中光速，2.998108(m/s)普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js4.1310-15eVs24探测器的辐射通量光谱电流响应度为探测器的辐射通量光谱电流响应度为:255.响

15、应时间响应时间：描述光电探测器对入射光响应快慢的参数。：描述光电探测器对入射光响应快慢的参数。当入射辐射到光电检测器后或入射辐射遮断后，光电探测器输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间，。上升时间：从10%上升到90%峰值处所需要的时间。下降时间：从90%下降到10%峰值处所需要的时间。6.频率响应频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性。化的特性。由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的频率对光电探测器的响应会有较大的影所以入射光的频率对光电探测器的响应会有较大

16、的影响。响。26光电探测器响应度与入射光的调制频率的关系光电探测器响应度与入射光的调制频率的关系:特征响应频率（上限截止频率）：特征响应频率（上限截止频率）：所对应所对应的频率。的频率。调制频率为零时调制频率为零时的响应度的响应度调制频率为调制频率为f 时时的响应度的响应度时间常数（等时间常数（等于于RC）272.3.2噪声及其评价参数（与第噪声及其评价参数（与第6章结合）章结合）1.噪声噪声在系统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声。在系统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声。l噪声可分为来自外部的噪声可分为来自外部的干扰噪声干扰噪声和和内部噪声内部噪声l干扰噪声可分为人为干扰噪声和自然干扰

17、噪声。干扰噪声可分为人为干扰噪声和自然干扰噪声。l内部噪声可分为人为噪声和固有噪声。内部噪声可分为人为噪声和固有噪声。噪声强度噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值可采用噪声电压或噪声电流的均方值、表示，表示，有时简化为有时简化为、。28功率谱密度功率谱密度S(f)：频率为：频率为f的噪声在的噪声在1的电阻上产生的的电阻上产生的功率。功率。白噪声：功率谱密度与频率无关白噪声：功率谱密度与频率无关1/f噪声：功率谱密度与频率成反比噪声：功率谱密度与频率成反比29（1）热噪声（热噪声（约翰逊噪声）约翰逊噪声）由由电阻电阻材料中离散的载流子材料中离散的载流子(主要是电子主要是电子)的热运动造成。的

18、热运动造成。热噪声电流的均方值为：热噪声电流的均方值为：白噪声白噪声电阻两端产生的噪声电压均方值为：电阻两端产生的噪声电压均方值为：具有热噪声的电阻具有热噪声的电阻R的等效电路：的等效电路：玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数1.3810-23(J/K)30（2）散粒噪声）散粒噪声由于光子流以间断入射的形式投射到探测器表面，以由于光子流以间断入射的形式投射到探测器表面，以及探测器内部光子转换成电子动能而产生的电子流具及探测器内部光子转换成电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特性，形成散粒噪声。有统计涨落的特性，形成散粒噪声。散粒噪声的电流均方值为：散粒噪声的电流均方值为：白噪声白噪声如：光电倍增管的光阴极

19、和二次极的电子发射，光伏器如：光电倍增管的光阴极和二次极的电子发射，光伏器件、晶体管中穿过件、晶体管中穿过PN结的载流子涨落。结的载流子涨落。流过器件电流的直流流过器件电流的直流分量（平均值）分量（平均值）31由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。与半导体的接触，表面、内部存在的势垒有关。与半导体的接触，表面、内部存在的势垒有关。（3）1/f噪声（噪声（闪烁噪声、低频噪声、接触噪声闪烁噪声、低频噪声、接触噪声）噪声的电流均方值为：噪声的电流均方值为：与流过元器件电流有关的常数，常取与流过元器件电流有关的常数，常取 2 与元器件材料性质有关的系数

20、，约在与元器件材料性质有关的系数，约在0.81.3之之间，常取间，常取 1。非白噪声非白噪声与元件有关与元件有关的参数的参数32（4）产生）产生-复合复合(G-R)噪声噪声由于半导体内的载流子在产生和复合过程中，自由电子由于半导体内的载流子在产生和复合过程中，自由电子和空穴数随机起伏所形成。和空穴数随机起伏所形成。半导体辐射探测器件中的一半导体辐射探测器件中的一种主要噪声。种主要噪声。噪声的电流均方值为：噪声的电流均方值为：非白噪声非白噪声在相对低频的条件下，即在相对低频的条件下，即时，则时，则近似白噪声近似白噪声令令，为光电导器件的内增益，则，为光电导器件的内增益，则载流子的平均寿命载流子的

21、平均寿命载流子在器件载流子在器件中的平均漂移中的平均漂移时间时间33（5）温度噪声）温度噪声由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的温度起伏。温度起伏。热敏探测器件的主要噪声。热敏探测器件的主要噪声。温度起伏的均方值为：温度起伏的均方值为：（6）背景辐射的光子噪声）背景辐射的光子噪声探测器在接收目标辐射的同时，也接收到目标以外其它探测器在接收目标辐射的同时，也接收到目标以外其它物体的辐射，这些辐射也是一种不连续的起伏过程。这物体的辐射，这些辐射也是一种不连续的起伏过程。这种因背景辐射起伏引起探测器产生的噪声叫做背景辐射种因背景辐射起伏

22、引起探测器产生的噪声叫做背景辐射的光子噪声。的光子噪声。器件的热导器件的热导34典型光导型探测器的噪声频谱典型光导型探测器的噪声频谱频率较低时，频率较低时，1/f噪声起主导作用；噪声起主导作用；频率达到中间频率范围时，频率达到中间频率范围时，G-R噪声比较显著；噪声比较显著；频率较高时，热噪声占主导地位。频率较高时，热噪声占主导地位。352.噪声等效参量噪声等效参量（1）信噪比）信噪比SNR负载电阻上信号功率与噪声功率之比，或信号电流与负载电阻上信号功率与噪声功率之比，或信号电流与噪声电流的均方值之比。噪声电流的均方值之比。若用分贝（若用分贝（dB）表示，为：）表示，为：36NEP数值越小，表

23、示探测器的探测能力越强，探测器越数值越小，表示探测器的探测能力越强，探测器越灵敏。灵敏。（2）噪声等效功率）噪声等效功率NEP探测器产生的输出电压探测器产生的输出电压(电流电流)与噪声均方根电压与噪声均方根电压(电流电流)相相等时入射到探测器的辐射功率，即信噪比等于等时入射到探测器的辐射功率，即信噪比等于1时的最小输时的最小输入光信号的功率。入光信号的功率。探测率探测率DNEP的倒数的倒数比探测率比探测率D*（归一化探测率）（归一化探测率）D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。D*越越高，探测器越灵敏。高，探测器越灵敏。带宽带宽检测元件的面积检测元件的

24、面积37对于白噪声，即对于白噪声，即D(f)1，则有，则有当网络的频率响应为带通型时，有当网络的频率响应为带通型时，有（3）等效噪声带宽等效噪声带宽放大器或网络的相对放大器或网络的相对功率增益功率增益放大器或网络功率放大器或网络功率增益的最大值增益的最大值等效于网络输入端的归等效于网络输入端的归一化噪声功率谱一化噪声功率谱若用放大器或网络放大倍数表示：若用放大器或网络放大倍数表示：38负载电阻负载电阻RL的热噪声为：的热噪声为：对应总输入噪声为：对应总输入噪声为：对应总输出噪声为：对应总输出噪声为：（4）等效噪声电阻）等效噪声电阻等效到输入端为：等效到输入端为：总等效电阻为：总等效电阻为：39

25、（5）等效噪声温度等效噪声温度假设放大器的噪声也等效到电阻假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当于附加一个上，相当于附加一个温差温差Teq在在RS产生的热噪声，把产生的热噪声，把Teq叫作叫作等效噪声温度等效噪声温度。输入源的噪声：输入源的噪声：则等效在输入端的总噪声为：则等效在输入端的总噪声为：40对应输出端的总噪声为对应输出端的总噪声为:若把放大器噪声等效为等效噪声电阻若把放大器噪声等效为等效噪声电阻Req的热噪声，则的热噪声，则或或结论：等效噪声电阻与源电阻之比等于结论：等效噪声电阻与源电阻之比等于等效噪声温度与参考温度之比。等效噪声温度与参考温度之比。41作业：作业：2-14、2-15、6-3总结：总结：1、辐射度量和光度量的意义。、辐射度量和光度量的意义。2、响应度的意义与表示。、响应度的意义与表示。3、噪声的意义与参量表示。、噪声的意义与参量表示。42