光电检测技术第三章讲义.pptVIP

; 第三章 主要内容 §3.1光探测器的物理基础 §3.2光电探测器的特性参数 §3.3光电导探测器 ;;;2、光电探测器也可分为： 单元器件； 阵列器件； 成像器件。 单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能量变成电信号； 阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。 成像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面上的图像信号。 光电检测器件还可从用途上分为用于检测微弱信号的存在及其强弱的探测器，这时主要考虑的是器件探测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高，噪声低；用于控制系统中作光电转换器，主要考虑的是光电转换的效能。 ;;;三、光电转换定律 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学量，所以光电探测器实质上是一种光－电转换器件。 考虑能量为的光子入射到光电探测器上所产生的光电流，如果光子能量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间?t内，它产生的平均光电子数为?N，则根据量子理论分析的结果， ?N与入射的平均光辐射能量成正比，即 ;而入射的瞬时光辐射能量为： 式中，P(t)是光辐射的瞬时功率。一般来说，它是一个随机量，如果P(t)在观察时间?t内没有明显的改变，则W(t)?P(t) ?t。由此可得光电探测器输出的平均光电流表达式： 式中P为入射光辐射的平均功率。此式描述了光－电转换的基本定律。 ;从光电转换定律可知： ①光电探测器输出的光电流与入射平均光功率成正比，因此，一个光子探测器可视为一个电流源。 ②由于平均光功率与光电场强度的平方成正比，所以光电探测器输出的光电流也与光电场强度的平方成正比。也就是说，光电探测器的响应具有平方律特性。因此，通常称光电探测器为平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。;;;;;光谱灵敏度 如果把光功率P换成波长可变的光功率谱密度P? ，则由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为I?（或U?），于是光谱灵敏度定义为： SI (λ)＝I? /dP? SU(λ)＝U? /dP? 如果SI (λ)或SU(λ)是常数，则相应的探测器称为无选择性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性探测器。 ; 这就是探测器的频率特性，S0为调制频率f＝0时的灵敏度，Sf随f升高而下降的速度与? 值关系很大。一般规定，Sf下降到时的频率fc称为探测器的截止响应频率或响应频率。 fc＝1/2?? 当f fc时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。;频率灵敏度Sf 如果入射光是强度调制的，则在其他条件不变的情况下，光电流If将随调制频率f的升高而下降。这时的 灵敏度称为频率灵敏度Sf ，定义为： 式中，If是光电流时变函数的傅里叶变换，通常 式中，? 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。 ;;4． 响应时间和频率响应 响应时间 通常用响应时间τ来衡量。 当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电流为： Is（t）= I0[1-exp（-t/ τ1 ）] 定义：Is（t）上升到稳态值I0的0．63倍的时间为探测器的上升响应时间，即τ上=τ1 。 同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为 Ix（t）= I0 exp（-t/ τ2） 定义Ix（t）下降到稳态值I0的0．37倍的时间为探测器的下降响应时间，即τ下= τ2 。一般光电器件τ1 = τ2 。 ;;;;;一般光电检测系统的噪声可分为三类： （1）光子噪声 包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。 （2）探测器噪声 包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声； 1/f 噪声；温度噪声。 （3）信号放大及处理电路噪声 ;热噪声(又称电阻噪声或白噪声) 凡有功耗电阻的元件都有热噪声，它来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度T成正比；与测量仪器的电子带宽Δf成正比，与频率无关。 热噪声均方电流In2和热噪声均方电压Vn2分别由下式决定 In2＝4KTΔf/R Vn2＝4KTΔf.R 式中:K是玻尔兹曼常数；T是温度(K)；R是器件电阻值；Δf为所取的通带宽度(频率范围)。因此，所取的带宽愈大