《光电检测》PPT课件.ppt

第2章 光电检测技术基础,第2页,主要内容,2.1 检测量的误差及数据处理2.2 辐射度量与光度量基础2.3 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。2.熟悉光电检测器件的特性参量，了解噪声的类型和参量。,第3页,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，锥体在球表面上所截取部分的表面积dA和球半径r平方之比。,2.2.1 辐射度量,2.2 辐射度量与光度量基础,第4页,方位角,天顶角,(sr，球面度),第5页,辐射度量,辐射能(Q)：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J,辐射密度(w)：单位体积元内的辐射能，单位:J/m3,辐射通量(,P)：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：瓦,第6页,辐射强度（I）：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：W/sr,辐射出射度(M)：离开光源表面单位面元的辐射通量，单位：W/m2,辐亮度(L)：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：W/m2sr,辐照度(E）：单位面元被照射的辐射通量，单位：W/m2,光线与面源法线的夹角,第7页,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,第8页,2.2.2 光度量,基本光度量的名称、符号和定义方程,第9页,光度量的最基本单位,发光强度：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。光通量：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明lm。光照度：单位面积所接收的入射光的量，单位：勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接收到1个流明的光通量。,第10页,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。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Le，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（380780nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数，如Qe()。,第11页,人眼对应明视觉和暗视觉的视见函数,CIE推荐的平均人眼光谱光视效率(或称视见函数),光通量V和辐射通量e可通过人眼视觉特性进行转换：,555nm,507nm,光视效率和光视效能,最大光谱光视效能,第12页,光视效能：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lm/W。,第13页,2.2.3 朗伯辐射体及其辐射特性,朗伯辐射体：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，这类辐射源称为朗伯辐射体。,第14页,1.朗伯余弦定律,由于朗伯辐射体亮度与方向无关，即不随角度 变化，则,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(或反射)的辐射通量(辐射强度)和该方向与表面法线方向的夹角的余弦成正比。,第15页,2.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dA的立体角为：,设朗伯微面元dS亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为：,半球内发射的总通量P为：,出射度：,辐亮度：,第16页,漫反射体：对于处在辐射场中反射率为 的朗伯漫反射体(=1为理想漫反射体)，不论辐射从何方向入射，它除吸收(1-)的入射辐射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。,反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面单位面积上辐射通量的倍。即M=E，故,第17页,附 加 内 容,1.亮度守恒定律,面元dA1的辐射亮度：,面元dA2的辐射亮度：,第18页,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度相等，即亮度守恒。,立体角：,第19页,假设光在介质中无反射和吸收损失,折射定律：,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。,基本辐亮度,第20页,dA上的照度：,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。,2.照度与距离平方反比定律,dA上的照度：,(1)点光源,第21页,若光源面积为R2,，且Rr，则dA上的照度为：,(2)面光源,第22页,2.3 光电检测器件的特性参量,光电检测器件的分类,光电检测器件：利用物质的光电、热电效应把光辐射信号变成电信号的器件。,第23页,2.3.1 响应度,1.响应度（灵敏度）：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。,-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,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,第24页,2.光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光参量之比。,可知：积分响应度不仅与探测器的光谱响应度有关，也与入射辐射的光谱特性有关，因而，说明积分响应度时应指出测量所用的光源特性。,3.积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度。,第25页,4、量子效率()：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。,电子的电量，1.602210-9C,量子效率可视为微观灵敏度，若()=1，则入射一个光子就发射一个电子或产生一对电子空穴对，实际上()通常小于1。,真空中光速，2.998108(m/s),普朗克常数，6.62610-34Js4.1310-15eVs,第26页,探测器的辐射通量光谱电流响应度为:,第27页,5.响应时间：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：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性。,由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的频率对光电探测器的响应会有较大的影响。,第28页,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）：所对应的频率。,调制频率为零时的响应度,调制频率为f 时的响应度,时间常数（等于RC）,第29页,2.3.2 噪声及其评价参数（与第6章结合）,1.噪声,在系统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声。,噪声可分为来自外部的干扰噪声和内部噪声,干扰噪声可分为人为干扰噪声和自然干扰噪声。,内部噪声可分为人为噪声和固有噪声。,噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值、表示，有时简化为、。,第30页,功率谱密度S(f)：频率为f的噪声在1的电阻上产生的功率。,第31页,（1）热噪声（约翰逊噪声）,由电阻材料中离散的载流子(主要是电子)的热运动造成。,热噪声电流的均方值为：,白噪声,电阻两端产生的噪声电压均方值为：,具有热噪声的电阻R的等效电路：,玻耳兹曼常数1.3810-23(J/K),第32页,（2）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。,散粒噪声的电流均方值为：,白噪声,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PN结的载流子涨落。,流过器件电流的直流分量（平均值）,第33页,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。,（3）1/f噪声（闪烁噪声、低频噪声、接触噪声）,噪声的电流均方值为：,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，约在0.81.3之间，常取1。,非白噪声,与元件有关的参数,第34页,（4）产生-复合(G-R)噪声,由于半导体内的载流子在产生和复合过程中，自由电子和空穴数随机起伏所形成。半导体辐射探测器件中的一种主要噪声。,噪声的电流均方值为：,非白噪声,在相对低频的条件下，即 时，则,近似白噪声,令，为光电导器件的内增益，则,载流子的平均寿命,载流子在器件中的平均漂移时间,第35页,（5）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温度起伏。热敏探测器件的主要噪声。,温度起伏的均方值为：,（6）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的光子噪声。,器件的热导,第36页,典型光导型探测器的噪声频谱,频率较低时，1/f噪声起主导作用；频率达到中间频率范围时，G-R噪声比较显著；频率较高时，热噪声占主导地位。,第37页,2.噪声等效参量,（1）信噪比SNR,负载电阻上信号功率与噪声功率之比，或信号电流与噪声电流的均方值之比。,若用分贝（dB）表示，为：,第38页,NEP数值越小，表示探测器的探测能力越强，探测器越灵敏。,（2）噪声等效功率 NEP,探测器产生的输出电压(电流)与噪声均方根电压(电流)相等时入射到探测器的辐射功率，即信噪比等于1时的最小输入光信号的功率。,探测率D NEP的倒数,比探测率D*（归一化探测率）,D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。D*越高，探测器越灵敏。,带宽,检测元件的面积,第39页,对于白噪声，即D(f)1，则有,当网络的频率响应为带通型时，有,（3）等效噪声带宽,放大器或网络的相对功率增益,放大器或网络功率增益的最大值,等效于网络输入端的归一化噪声功率谱,若用放大器或网络放大倍数表示：,第40页,负载电阻RL的热噪声为：,对应总输入噪声为：,对应总输出噪声为：,（4）等效噪声电阻,等效到输入端为：,总等效电阻为：,第41页,（5）等效噪声温度,假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声，把Teq叫作等效噪声温度。,输入源的噪声：,则等效在输入端的总噪声为：,第42页,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Req的热噪声，则,或,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。,第43页,作业：2-14、2-15、6-3,总结：1、辐射度量和光度量的意义。2、响应度的意义与表示。3、噪声的意义与参量表示。,