第三章 光辐射探测器
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第三章光辐射探测器
光热探测器对光辐射的响应有两个过程： •器件吸收光能量使自身温度发生变化 共性
•把温度变化转换为相应的电信号
个性
光热探测器的最大特点是： 从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应 灵敏度与光波波长无关，是对光波长无选 择性探测器。响应速度较慢 。
探测器遵从的热平衡方程：
Ct d(dTt)GtT
设入射光的表达式为： 0(1ejt)
以上两式表明：PN结两边少数载流子
与多数载流子之间的关系。
热平衡状态下，PN结中漂移运动等 于扩散运动，净电流为零。
当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由 qUD变为q(UD–U)，引起多数载流子扩散时， 少数载流子产生增量Δnp、Δpn，有关系式：
np np eq(UDU)/kT nn
pn pn eq(UDU)/kT pp npnp(eqU /k T1)
cI f
f
多数器件的1/f噪声在200～300Hz以 上已衰减为很低水平。
五、温度噪声
在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导
等热交换引起的温度起伏。
tn2
4kT2f
Gt[1(2ft
)2]
低频时
t
2 n
4kT 2f Gt
也具有白噪声性质。
光电探测器 噪声功率谱 综合示意图
3.1.4 光探测器的性能参数 一、光电特性和光照特性
PN结导电特性： U 0 正向偏置，电流随着电压
的增加急剧上升。
U 0 反向偏置，电流为
反向饱和电流。
U 0热平衡状态 ，I=0
二、光照下的PN结 h > E g 产生电子-空穴对。
在自建电场作用下， 光电流Iφ的方向与I0相同。
光照下PN结的电流方程为
三度学习题与思考题(理论部分)
《辐射度、光度与色度及其测量》习题及思考题第一章辐射度量、光辐射度量基础1.通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段？2.简述发光强度、亮度、光出射度、照度等定义及其单位。
3.试述辐射度量与光度量的联系和区别。
4.人眼视觉的分为哪三种响应？明暗和色彩适应各指什么？5.何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？6.试述人眼的分辨力的定义及其特点。
7.简述人眼对间断光的响应特性，举例利用此特性的应用。
8.人眼及人眼－脑的调制传递函数具有什么特点？9.描述彩色的明度、色调和饱和度是怎样定义的，如何用空间纺锤体进行表示？10.什么是颜色的恒常性、色对比、明度加法定理和色觉缺陷。
11.简述扬-赫姆霍尔兹的三色学说和赫林的对立颜色学说。
12.朗伯辐射体是怎样定义的？其有哪些主要特性？13.太阳的亮度L＝1.9⨯109 cd/m2，光视效能K＝100，试求太阳表面的温度。
14.已知太阳常数(大气层外的辐射照度)E=1.95 cal/min/cm2，求太阳的表面温度(已知太阳半径R s=6.955⨯105 km，日地平均距离L=1.495⨯109 km)。
15.某一具有良好散射透射特性的球形灯，它的直径是20cm，光通量为2000lm，该球形灯在其中心下方l=2m处A点的水平面上产生的照度E等于40lx，试用下述两种方法确定这球形灯的亮度。
(1)用球形灯的发光强度；(2) 用该灯在A点产生的照度和对A点所张的立体角。
16.假定一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡在各方向均匀发光，求其发光强度。
17.有一直径d=50mm的标准白板，在与板面法线成45︒角处测得发光强度为0.5cd，试分别计算该板的光出射度M v、亮度L和光通量Φv。
18.一束光通量为620lm，波长为460nm的蓝光射在一个白色屏幕上，问屏幕上在1分钟内接受多少能量？19.一个25W的小灯泡离另一个100W的小灯泡1m，今以陆米－布洛洪光度计置于两者之间，为使光度计内漫射“白板”T的两表明有相等的光照度，问该漫射板T应放在何处？20.氦氖激光器发射出波长632nm的激光束3mW，此光束的光通量为多少？若激光束的发散半角1mrad，放电毛细管的直径为1mm，并且人眼只能观看1cd/cm的亮度，问所戴保护眼镜的透射比应为多少？21.在离发光强度为55cd的某光源2.2m处有一屏幕，假定屏幕的法线通过该光源，试求屏幕上的光照度。
光辐射探测
光学参数——空间分辨率
空间分辨率（resolution）
线阵或者面阵探测器能够分辨的临界空间几何长度的最小极限， 即对细微结构的分辨率
一般由小探测单元（像素）的尺寸决定
CCD芯片：5 μm、13 μm等 CMOS芯片：4.5 μ m等
感光面积一定时，人们用像素数来衡量 空间分辨率是成像器件的一项重要指标
光物理效应 1.光子效应：探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子 状态的改变。对光波频率有选择性。响应速度一般较快。 外光电效应：光电子发射、光电子倍增 内光电效应：光电导、光生伏特效应等 2. 光热效应：吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温 度上升。原则上对光波频率没有选择性。响应速度一般较慢。 光化学效应
载流子无规则热运动引起的电流起伏
热噪声与温度有关，温度一定时，只与电阻R和通带Δf 有 关，又称电阻噪声，属于白噪声
散粒噪声产生原理
光电效应过程中随机性引起随机起伏的噪声
低频与中频条件下与频率无关，属于白噪声
产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声
产生-复合噪声产生原理
瞬间载流子产生数和复合数的随机起伏，引起电导率的起伏 1/f 噪 声特点 噪声功率谱近似与频率成反比变化
内增益极高－－倍增原理
（1）二次电子发射
入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系 统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子；电子 经n级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载RL上产生放 大的信号输出。
4）. 电子倍增极
（2）实用的倍增极材料
灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体
a 复杂的半导体型：锑铯和锑铯钾等碱金属化合物化合物， b 氧化物型，主要是氧化镁。 c 合金型，主要是银镁、铝镁、 铜镁等合金。 d 负电子亲合势发射体。
第三章__光辐射探测器的理论基础
这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后， 能带最多能容纳 2N(2l +1)个电子。
2N(2l+1)
例如，1ｓ、2ｓ能带，最多容纳 2N个电子。 2ｐ、3ｐ能带，最多容纳 6N个电子。
电子排布时，应从最低的能级排起。
有关能带被占据情况的几个名词：
1．满带（排满电子） 2．价带（能带中一部分能级排满电子）
1.电子的能量是分立的能级; 2.电子的运动有隧道效应。
原子的外层电子(高能级)， 势垒穿透概率 较大， 电子可以在整个晶体中运动, 称为 共有化电子。
原子的内层电子与原子核结合较紧,一般 不是 共有化电子。
1.电子的共有化运动
孤立原子 能量按照能级分布 晶体 壳层交叠
二. 能带 (energy band)
或价带顶之能级差。
③其它吸收，有激子吸收，自由载流子吸
收、晶格吸收等。
本征吸收和杂质吸收的能带
1、非平衡载流子的产生 热平衡状态，T定，载流子浓度一定。 热平衡状态下载流子浓度，称平衡载流子浓度。
np
Nc N
exp
Ec E KT
N
Nc
exp
Eg KT
对半导体施加外界作用(光, 电等)，迫使它处于与热平 衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
亦称导带 3．空带（未排电子） 亦称导带 4．禁带（不能排电子）
导体 Eg
导体
导体
绝缘体 Eg
半导体 Eg
导体 在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。 E
从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。
绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。
2N(2l+1)
例如，1ｓ、2ｓ能带，最多容纳 2N个电子。 2ｐ、3ｐ能带，最多容纳 6N个电子。
电子排布时，应从最低的能级排起。
有关能带被占据情况的几个名词：
1．满带（排满电子） 2．价带（能带中一部分能级排满电子）
1.电子的能量是分立的能级; 2.电子的运动有隧道效应。
原子的外层电子(高能级)， 势垒穿透概率 较大， 电子可以在整个晶体中运动, 称为 共有化电子。
原子的内层电子与原子核结合较紧,一般 不是 共有化电子。
1.电子的共有化运动
孤立原子 能量按照能级分布 晶体 壳层交叠
二. 能带 (energy band)
或价带顶之能级差。
③其它吸收，有激子吸收，自由载流子吸
收、晶格吸收等。
本征吸收和杂质吸收的能带
1、非平衡载流子的产生 热平衡状态，T定，载流子浓度一定。 热平衡状态下载流子浓度，称平衡载流子浓度。
np
Nc N
exp
Ec E KT
N
Nc
exp
Eg KT
对半导体施加外界作用(光, 电等)，迫使它处于与热平 衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
亦称导带 3．空带（未排电子） 亦称导带 4．禁带（不能排电子）
导体 Eg
导体
导体
绝缘体 Eg
半导体 Eg
导体 在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。 E
从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。
绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。
光电子技术概论
§1、问题的提出及概述
•什么是“光电子学”； •什么是“光电子技术”； •什么是“光电子技术基础”；
光电子技术
光通信
无线光通信
量子通信
宽带、高速、长距离（干线，点对点）
城域网
无线接入网
光传感
光纤传感
医疗诊断
生物信息
环境监测
安全监测
其它：光盘、存储、条形码、加工、武器……
波分复用光通信系统
Wavelength Division Multiplexing (WDM)Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)
➢ 将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子 学所不可能产生的许多新功能。
➢
以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来
完成 ——光电子学，研究光子与束缚电子的
相互作用，是光子学的第一个阶段。
➢ 激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是 继原子能、半导体、计算机后的又一重大发明
➢ 计算机延伸了人的大脑 而激光延伸了人的五官 是探索大自然奥秘的超级“探针”
光电子技术
ELECTRONIC TECNOLOGY
本书主要内容
绪论 第1章 光电系统中的常用光源 第2章 光辐射的调制 第3章 光辐射探测器 第4章 光电成像器件 第5章 光存储器 第6章 平板显示器件
绪论
➢ §1、问题的提出及概述 ➢ §2、光电子学与光电子技术简介 ➢ §3、 光电子信息产业的重要性 ➢ §4 、光电子技术的应用 ➢ §5 、本课程的主要内容 ➢ §6 、本课程学习方法、要求
信号
λ1
发射机
光放大器
λ1
功放
预放
λn 复用器
光通信：光波频率~ 1016Hz, 允许高频调制，
光电探测器
一`光电探测器第一节 光辐射探测器的主要指标光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。
光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。
本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。
光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。
这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。
光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。
它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。
光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。
例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。
外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。
P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1)上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。
这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： hp E c =ν , ()()nm eV E E hC p p C 1240==λ --------(2.1-2)频率低于C ν 或波长长于C λ 的光波不能被探测到，因为这样的光子能量不足以使电子克服材料的逸出功。
光辐射探测器
⑶交流耦合电路
信号传送，线性转换，抑制噪声效果好， 抗干扰能力强。
利用基极引出线，形成基极偏流，减小了 光电三极管的rbe ，还有利于提高频率特性。
2.控制电路 用无基极引出线 的硅光电三极管 作光控继电器。 无光照时集电极 电流基本为零， 使继电器灵敏而 准确地工作。
•电流控制
•电压控制
亮通电路
暗通电路
有斯密特触发器的光控电路
光线明暗渐变，达预定亮度继电器准确动作。
3.3.2.3 光电二极管（PD）
光电二极管与光电池不同之处：
①光电池掺杂浓度较高，约为1016～1019原子数/cm3， 而硅光电二极管约为1012～1013原子数/cm3； ②光电池的电阻率低，约为0.1～0.01Ω/cm， 而硅光电二极管则为1000Ω/cm； ③光电池通常在零偏置下工作，而硅光电二极管 通常在反向偏置下工作； ④光电池的受光面积比硅光电二极管大得多，因此， 硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。
光电池与光敏二极管虽然都是结型光电器件，但 二者工作条件不同；在制造产品时，它们的结构、 工艺及受光面积均不同；两者的性能指标不一样， 不能相互通用电池、砷化镓光电池、 锗光电池等。按用途可分为两大类： •太阳能光电池，要求转换效率高、成本低。 •测量光电池，要求光照特性的线性度好。 硅光电池性能稳定、换能效率高，既可用于探测 又可用作能源，应用广泛。有 2CR型（P＋N）、2DR型（N＋P）。
控制工作温度 ≤20°较好。
请仔细阅读 6.使用要点
二、基本电路
1.自偏置电路
U IRL
光电池的优点在于能输出较大电流，常用在 需输出大的电流的场合，如用于光电控制。
用光电池的光电控制电路
光电池开路电压的应用
核辐射探测第三章 闪烁探测器
3、PMT 使用中的几个问题
1) 光屏蔽，严禁加高压时曝光。
2) 高压极性：正高压和负高压供电方式。
正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用耐高压 的电容耦合，耐高压电容体积大，因而分布电 容大。高压纹波也容易进入测量电路。
负高压供电方式，阳极是地电位，耦合方式简 单，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高 地负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏 蔽外壳之间的绝缘。
纯晶体 Bi4Ge3O12 BGO
2) 有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等； 有机液体闪烁体及塑料闪烁体.
3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。
2、闪烁体的发光机制
1) 无机闪烁体的发光机制
激活剂
重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)， CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典 型，又称卤素碱金属晶体。
t
te
IV.闪烁探测器的电压脉冲信号
由等效电路
可得：
ItVR(0t)C0
dV(t) dt
Vt
et/R0C0
t
Itet/R0C0dt
C0 0
代入：I(t)nphTMeet/
令： QnphTMe
V (t)Q R 0C 0 e e t/R 0C 0 t/
C 0 (R 0C 0)
1、当 R0C0 时 V(t)QE
在很多情况下，与相比， pt 是一个非常窄的
时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，
用函数来近似 pt
即：可设 p t M e t te
则：I(t)n ph Tte t tM e (tte)d t 0
求 解
0
It nphTMee(tte)/
I t
nphT Me
e(tte )/
光辐射探测器
• ３. 三维噪声 • 采用二维阵列探测器进行成像探测时， 由于探测器单元之间信号和
噪声在时间、空间上的独立性， 图像噪声在时间和空间上各具特点 ， 且各方向互相独立， 通常采用三维噪声模型进行描述。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 三维噪声分析的实验数据是以一个有均匀恒定的背景为目标， 成像 系统连续采集的数字化图像组成噪声数据组， 则三维噪声随机响应 模型为
３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 表３ －１ 列出了几种半导体及掺杂半导体材料的Ｅｇ值及最大响应 波长λｍａｘ。 表中掺杂半导体如锗掺汞， 记作Ｇｅ∶ Ｈｇ 等。
• 在理想情况下， 一个光量子在本征材料中能产生一个电子－ 空穴对 ， 即盈子效率为常数， 且等于１。 故在理想情况下， 光电探测器的 光谱响应度曲线如图３ －２ (ａ) 中实线所示。实际上， 由于探测器 抛光表面的镜面反射损失(菲涅尔反射、波长的函数)、探测器表面的 电子陷阱以及电子在扩散中与空穴的复合、探测器材料的吸收等因素 ， 探测器的量子效率常小于１， 且在长波部分下降较快。 因此， 实 际探测器的光谱响应曲线偏离其理想形状， 如图３ －２ (ａ) 中虚线 所示。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• (１) 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。 这种噪声和入射信号的大小有关， 例如来自待测光源、背 景光产生的噪声以及暗电流的散粒噪声等， 在测量中无法消除。 • 假设入射光子服从泊松(Ｐｏｉｓｓｏｎ) 概率密度分布， 则可导出
只要电阻材料的温度大于绝对零度， 则不管材料中有无电流通过， 都存在着热噪声。 热噪声电流的均方值为
噪声在时间、空间上的独立性， 图像噪声在时间和空间上各具特点 ， 且各方向互相独立， 通常采用三维噪声模型进行描述。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 三维噪声分析的实验数据是以一个有均匀恒定的背景为目标， 成像 系统连续采集的数字化图像组成噪声数据组， 则三维噪声随机响应 模型为
３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 表３ －１ 列出了几种半导体及掺杂半导体材料的Ｅｇ值及最大响应 波长λｍａｘ。 表中掺杂半导体如锗掺汞， 记作Ｇｅ∶ Ｈｇ 等。
• 在理想情况下， 一个光量子在本征材料中能产生一个电子－ 空穴对 ， 即盈子效率为常数， 且等于１。 故在理想情况下， 光电探测器的 光谱响应度曲线如图３ －２ (ａ) 中实线所示。实际上， 由于探测器 抛光表面的镜面反射损失(菲涅尔反射、波长的函数)、探测器表面的 电子陷阱以及电子在扩散中与空穴的复合、探测器材料的吸收等因素 ， 探测器的量子效率常小于１， 且在长波部分下降较快。 因此， 实 际探测器的光谱响应曲线偏离其理想形状， 如图３ －２ (ａ) 中虚线 所示。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• (１) 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。 这种噪声和入射信号的大小有关， 例如来自待测光源、背 景光产生的噪声以及暗电流的散粒噪声等， 在测量中无法消除。 • 假设入射光子服从泊松(Ｐｏｉｓｓｏｎ) 概率密度分布， 则可导出
只要电阻材料的温度大于绝对零度， 则不管材料中有无电流通过， 都存在着热噪声。 热噪声电流的均方值为
第3章 光辐射探测器
光电探测器利用光电效应，把入射到物体表面 的辐射能变换成可测量的电量。
3.1光辐射探测器的性能参数
① 探测器的输出信号值定量地表示多大的光辐射度量， 即探测器的响应度大小。 ② 对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器 产生可区别于噪声的信号量，即与噪声相当的辐射功率 大小。 ③ 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围 等。与光辐射测量有关的还有表面响应度的均匀性、视 场角响应特性、偏振响应特性等。
系统内部噪声也可分为人为噪声和固有噪声。内部人为噪声主要 指工频(50H/60Hz)干扰和寄生反馈造成的自激干扰等，可以通过合理 的设计和调整将其消除或降到允许的范围内。内部固有噪声是由于光 电探测器中光子和带电粒子不规则运动的起伏所造成，主要有散粒噪 声、热噪声、产生-复合噪声、1/f噪声和温度噪声等。这些噪声对实 际器件是固有的，不可能消除，并表现为随机起伏过程。
第3章 光辐射探测器
光辐射量的测量通常采用各种探测器把光辐射能变换成一种可测的 量，因而光辐射探测器性能往往直接影响到光辐射度量测量的可行性及 精确性。
人眼一种光辐射探测器。在目视光度量测量中，人眼是一种极好 的探测器件，但由于人眼的生理特点，很难用作光度量绝对量的测量， 只能作为光度比较测量时高灵敏度的光度平衡判别器。
3.1.2 噪声及其评价参数
(2) 噪声等效功率 NEP
噪声等效功率是探测器产生与其噪声均方根电压相等的信号所需入
射到探测器的辐射功率，即信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的
功率，
NEP
I2 N
(W)
SNR R
(3-15)
它是反映了探测器的理论探测能力的一个十分重要的指标。
用NEP描述探测器探测能力的一个不方便之处是数值越小，表示探 测器的探测能力却越强，相对缺乏直观性。为此一般引入NEP的倒数— —探测率D来表示探测器的探测能力。
3.1光辐射探测器的性能参数
① 探测器的输出信号值定量地表示多大的光辐射度量， 即探测器的响应度大小。 ② 对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器 产生可区别于噪声的信号量，即与噪声相当的辐射功率 大小。 ③ 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围 等。与光辐射测量有关的还有表面响应度的均匀性、视 场角响应特性、偏振响应特性等。
系统内部噪声也可分为人为噪声和固有噪声。内部人为噪声主要 指工频(50H/60Hz)干扰和寄生反馈造成的自激干扰等，可以通过合理 的设计和调整将其消除或降到允许的范围内。内部固有噪声是由于光 电探测器中光子和带电粒子不规则运动的起伏所造成，主要有散粒噪 声、热噪声、产生-复合噪声、1/f噪声和温度噪声等。这些噪声对实 际器件是固有的，不可能消除，并表现为随机起伏过程。
第3章 光辐射探测器
光辐射量的测量通常采用各种探测器把光辐射能变换成一种可测的 量，因而光辐射探测器性能往往直接影响到光辐射度量测量的可行性及 精确性。
人眼一种光辐射探测器。在目视光度量测量中，人眼是一种极好 的探测器件，但由于人眼的生理特点，很难用作光度量绝对量的测量， 只能作为光度比较测量时高灵敏度的光度平衡判别器。
3.1.2 噪声及其评价参数
(2) 噪声等效功率 NEP
噪声等效功率是探测器产生与其噪声均方根电压相等的信号所需入
射到探测器的辐射功率，即信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的
功率，
NEP
I2 N
(W)
SNR R
(3-15)
它是反映了探测器的理论探测能力的一个十分重要的指标。
用NEP描述探测器探测能力的一个不方便之处是数值越小，表示探 测器的探测能力却越强，相对缺乏直观性。为此一般引入NEP的倒数— —探测率D来表示探测器的探测能力。
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通过这些探测 器参量的变化
反映入射 光辐射量
厦门理工学院
精品课件
光辐射探测器
光电探测器
热探测器
气动光导探测器
外光电效应
内光电响应
高莱探测器
常
无放大作用
见
真空光电管 充气光电管
光
有放大作用
辐
光电倍增管
射
充气光电管
光伏型
无放大作用 光电池
光电二极管 双光电二极管 有放大作用
探
光电三极管
测
光电场效应管
器
厦门理工学院
精品课件
探测器的分类
主观探测器 人眼
客观探测器
厦门理工学院
精品课件
随着光学和光电技术的展以及对光辐射探 测与精确定量、高灵敏度测量的需要，光 辐射探测器的品种和数量发展，可对光辐 射客观物理量进行精确度高
这些优点使光 辐射量的探测 和测量能力大
基于这类效应的 探测器有以硒、 硅、锗、砷化镓 等材料做成的光 电池、光电二极 管、光电三极管 等。
光电导效应
这类光电探测器 有各种半导体材 料制成的光敏电 阻等。
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热探测器利用热电效能
探测器接收 光辐射能
引起物体自 身温度升高
温度的变化使探测 器的电阻值发生变 化，或表面电荷发 生变化，或产生电 动势等
积分响应度和光谱响应度的关系为(3-2)
R I R ( ( ) )( d )d ,R E R E ( E ( ) E )( d )d ,R L R L (L () L )( d )d 厦门理工学院 精品课件
注意
▪ 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 积分响应度时通常要求指出测 量所用的光源特性。
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Q ()[1()]i() (h ) c
单位时间内探测器的输出信号电子数为（3-4）
Q ()[1()]i() (h ) c
▪ 探测器的辐射通量光谱电流响应度为（3-5）
R () I(( ))( h)q c1 (2 ). 8(3 A /W 9)
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max{1.214./2(E4/gEgEA)
▪ 锁频技术可使系统工作在一个很窄的 通频带范围内，有利于减少系统噪声。
▪ 增加信号的积分时间，缩小测量系统 的频带，也可以减少散粒噪声。
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（2）产生-复合（G-R）噪声
▪ 光导型探测器的G-R噪声是由于半导体 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的，也属 于白噪声，相当于光伏型中单向导电PN结内的散粒噪声。(3-9)
大地提高
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广义地讲，只要能提示光辐射存在，并可确 定其大小都应包含的光辐射探测器的范畴内。 光电探测器利用光电效应，把入射到物体表 面的辐射能变换成可测量的电量：
（1）
（2）
（3）
外光电效应
基于外光电效应 的光电探测器有 真空光电管、充 电光电管、光电 倍增管、像增强 器等。
光伏效应
（3）
对辐亮度的 电流响应度
R LI/L ,(A /W •m 2•s)r
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探测器的响应度描述光信号转换成电信号 大小的能力。
▪ 辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不 同的响应度。
探测器的响应度一般是波长的函数。与上面定义的积分 响应度对应的光谱响应度为（3-1)
R () I(( )),R E ()E I( ( ) ),R L ()L I( ( ) )
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（()）()
hv hc
光电探测器响应度可简单地推导如下
▪ 由普朗克量子理论可知，单个光子的入射能量为 hv，则单位时间内入射到探测器表面的光子数为
() ()
hv hc
▪ 探测器的量子效率为（3-3）
（） 输出信号电子数
= [1-（ ） ]（ i ）
探测器接收的光子数
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系统的噪声
来自外部的 噪声： 人为干扰 自然干扰
系统内部噪 声： 人为噪声 固有噪声
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分析噪声源的性质 （1）散粒噪声 （2）产生-复合（G-R）噪声 （3）热噪声或Johnson噪声 （4）1/f 噪声 （5）温度噪声
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3.1.2
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In2 2qIpf
对于光电探测器，最大响应波长为（3-6）
max{1.214./2(E4/gEgEA)▪▪
内光电效应 外光电效应
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3.1.2 噪声及其评价参数
1 噪声
2
噪声等效 功率NEP
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1、噪声
▪ 在系统中任何虚假的或不需要的信号 统称为噪声。
▪ 研究噪声的目的是探讨系统探测信息 的极限以及在系统设计中如何抑制噪 声以提高探测本领。
光辐射测量原理与技术 第三章 光辐射探测器
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本章内容
3.1 光辐射探测器的性能参数
3.2 光电探测器
3.3 热探测器
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▪ 光辐射量的测量通常采用各种探测 器把光辐射能变换成一种可测的量， 因而光辐射探测器是光辐射量测量 系统中的关键组成部分，其性能往 往直接影响到光辐射度量测量的可 行性及精确性
光电开关管
的
光导型
光电雪崩二级管
分
本征光导探测器
类
光敏电阻
杂质厦光导门探理测器光工导学探测院器
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N型/P型光导探测器
3.1 光辐射探测器的性能参数 ▪ 对于光辐射探测器的应用，较关注的性能是：
（1） 探测器的响应度大小（探测器的输出信号 值定量地表示多大的光辐射度量）
（2） 与噪声相当的辐射功率大小（对某种探测器，需要多 大的辐射度量才能使探测器产生可区别于噪声的信号量）
（3） 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。
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3.1.1 响应度
定义：单位辐射度量产生的电信号量，记作R， 电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以 是电压，称为电压响应度。
（1）
对辐射通量的 电流响应度
RI/ ,(A/W )
（2）
对辐照度的 电流响应度
R EI/E ,(A /W •m 2)
（1）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征，形成散粒噪声。
▪ 假设入射光子服从Poisson概率密度分布(3-8）
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▪ 在实验室进行光辐射测量时，可用一 固定频率对信号进行调制。这样，系 统的工作频带宽度可减少。