第五章-光电仪器中的光电探测及常用检测电路管理.ppt

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 光子能量大于 逸出功 材料内束缚能级的电子逸出表面 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 光子能量大于禁带宽度 材料内不导电束缚状态的电子空穴 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 光子能量足够大 材料内束缚能级的电子逸出表面 电子--空穴对 光辐射 光生电动势 垂直磁场中的半导体材料 光子能量足够大 本征吸收产生 电子空穴对 载流子浓度梯度 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： 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/N＝1）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NEP＝10-11W。 ? 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不是一个理想的参量。