光辐射

描述时间响应特性的参数：弛豫时间和幅频特 性。 1 ）弛豫时间：响应落后于作用信号的现象称为 弛豫。 弛豫时间也称为时间常数。 弛豫时间的定义如下： 起始弛豫（上升时间常数 — 器件的响应从零上 h(t ) 升至稳定值的90%时所需的时间 1 t1； 0 .9 衰减弛豫（下降时间常数） —当信号撤去后，器件的响应 从稳定值下降至稳定值的10% 0 .1 t 0 t t2 时所需的时间t2 。 1
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关 系i＝f (P)，称为探测器的光电特性。
i di Ri (线性区内) (安/ dP P 瓦) du u (线性区内) (伏/瓦) Ru dP P R i和R u分别称为积分电流和积分电压响应率，i 和u称为电表测量的电流、电压有效值。 光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
三、按反应机理分
探测器件的类型
探测器件分为三大类:
光电探测元件 热光电探测元件 气体光电探测元件
探测器件
热光电探测元件 光电探测元件 气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型
真空光电管
充气光电管
放大型 光电倍增管 像增强器 摄像管 变像管
光电导探测器
光磁电探测器
光生伏特探测器
本征型

在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并 不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它 实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。
1 I i T


T
0
i (t )dt
用均方噪声来表示噪声值大小
1 i (t ) T
2

T
0
[i (t ) i (t )] dt
2


噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。
2）幅频特性：光电探测器的响应随入射光的 调制频率而变化的特性称为频率响应．
– 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后 过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响 应会有较大的影响。

光电探测器响应率与入射调制频率的关系
S0 S( f ) [1 ( 2f ) 2 ]1 / 2
S ( f ) 为调制频率为f
由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对 信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系 统的噪声所限制。


所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小 和消除噪声是十分重要的问题。
光电探测器常见的噪声
热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声 光子噪声 温度噪声
实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀 等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪 声或过剩噪声。

1/f 噪声的经验规律为 ： K I R f 2 f un f
K I f 2 f in f
式中Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态 等有关的比例系数； α为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常取 2； β 为与元件材料性质有关的系数，其值在0.8～ 1.3之间，大部分材料的β 值取１； γ与元件阻值有关，一般在１.４～１.７之间。 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1 千赫兹，这种噪声就可以防止。

1、热噪声

或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成 的噪声。 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随 机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零， 但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电 压，称为热噪声电压。
U NT 4kTT 4kT f / R
掺杂型
非放大 光电池 光电二极管
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
光敏电阻 红外探测器
外光电效应
光电管：利用光电阴极 K在光辐射下向真空 中发射光电子的效应探测各种光信号 。 K发 射的电子被具有极高电位的阳极A所收集。 光电倍增管：在真空光电管内利用二次电子 发射来提高灵敏度。其实质是光电阴极和二 次电子倍增器结合，从而把微弱光转化成光 电子，并使光电子获得倍增的光电器件。
3）光谱响应率和积分响应率之间的关系
显然，积分响应率R与光谱响应率Rλ 之间的 关系是
R
0
P R d P d
如果用相对光谱响应率为 R（λ）和相对单色 辐射功率P（λ ）来表示，那么 由 R R( )Rm 和 P P( )Pm 其中： Rm是最大光谱响应率，Pm是最大单色辐射功率 ， 称为器件同光源的光谱匹配系数。
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？ （2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些 关键指标？
1.5
光电器件特性及评价基础
响应特性
噪声特性
量子效率
线性度
工作温度
光电信息系统的光电器件包括光电探测器 件和光电成像器件，其相应的性能参数也有 两类： 光电探测器件主要应说明其响应特性和噪声 特性。 光电成像器件，除了上述参数外，为了说明 其成像特性，还引入了反映亮度空间分布失 真程度的量，比如分辨率、空间频率特性以 及空间抽样特性等。 信噪比（信号噪声比），反映器件总体性能 的综合参数。
光
探 测 器
放 大 器 示波器
(a )
(b )
(c )
二、噪声特性
（一）噪声及其类型 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。 按噪声产生的原因，可分为以下几类： 1、外部原因：人为噪声；自然噪声。 2 、内部原因：热噪声；产生－复合噪声；散 粒噪声；温度噪声； 1/f噪声；量子（辐射）噪 声；放大器噪声。
的曲线称为光谱灵敏度曲线。
R( ) R / Rm Rλm是指Rλ的最大值， R( ) 为无量纲，随λ变化
，定义为
光谱响应曲线
1.0 Ta=25 C 0.8
相对响应度
0.6
0.4
0.2
0 400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
波长λ（nm）
2）积分响应率R
——器件对全色入射辐射的响应能力，定义为器件 的输出信号与输入辐射功率之比，用R来表示。
2
Vg r 4eid R 2 M 2f
式中M是光电导的内增益。
4. 1/f 噪声


1/f噪声又称为闪烁或低频噪声。 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，当电流流过时在微粒间发生微火花 放电而引起的微电爆脉冲。 几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现 在大约1KHz以下的低频频域，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。

3、产生-复合噪声


对光电导探测器，载流子热激发是电子—空穴对。 电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点 在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是 随机的。 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流 子复合的起伏，这样就使起伏加倍，简称为产 生—复合噪声。
I g r 4eid fM
一、响应特性
１．响应率（或称灵敏度）：是光电探测器 输出信号与输入光功率之间关系的度量。 描述的是光电探测器件的光电转换效率。
响应率是随入射光波长变化而变化的； 响应率分光谱响应率和积分响应率。
1)光谱响应率Rλ 光功率谱密度Pλ由于光电探测器的光谱选择性， 在其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的 函数，记为iλ，于是光谱响应率Rλ定义为 dU s dI s R R I U dP dP Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器 (如光热探测器)，光电探测器则是选择性探测器。 通常给出的是相对光谱灵敏度 R( )
1.4
光电器件的分类
紫外光探测器 可见光探测器 红外光探测器
一、按工作波段分 二、按应用分
换能器 探测器
将光信息（光能）转换成电信息（电能） 非成像型 光信息转换成电信息 变像管 成像型 像增强器 摄像管 真空摄像管 固体成像器件CCD
光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学 特性发生变化． 光电发射效应：物体受光照后向外发射电 子——多发生于金属和金属氧化物． 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光 生载流子，使半导体中载流子数显著增加而 电阻减少． 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属— 半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体 接触的两侧产生光生电动势。
2
2、散粒噪声



散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的， 光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通 过结区的载流子数也是随机的。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光 电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。 散粒噪声的大小取决于：
i 2eI f
i F (u, P, , f )
以u，P，λ为参变量，i＝F（f）的关系称为光 电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。
同样，i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。 i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。
而i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。
当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线 中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特 性曲线来设计探测器的使用电路。

光电器件与热电器件的特点
光电器件 热电器件
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见 截止波长，超过该波长，器 光到远红外的各种波长的辐 件无响应。 射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒
需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广 泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测 量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外 波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感 等方面。