光辐射探测器
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 自然干扰噪声主要来自大气和宇宙间的干扰， 如雷电、太阳、星球 的辐射等。 外部干扰的噪声可采用适当的屏蔽、滤波等方法减小或 消除。 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(５０ Ｈｚ/６０ Ｈｚ)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 成的， 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。 下面主要分析这些噪声源的性质。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。 在辐射度量 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
• 积分响应度和光谱响应度的关系为
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 光辐射探测器本身也是一种阻抗元件， 故在光电信号转换中有一定 的时间常数。 当入射光信号的调制频率ｆ 较高时， 探测器可能难以 响应。 尤其是热探测器， 入射光辐射信号使光敏层的温度上升与下 降都需要一定的时间， 因此与光电探测器相比， 热探测器的时间常 数较大(频率响应较差)。
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• 探测器的量子效率η(λ) 为
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 故单位时间内探测器的输出信号电子数为 • 于是， 探测器的辐射通量光谱电流响应度为 • 对于光电探测器， 由于受到材料能带之间的间隙———禁带宽度Ｅ
ｇ 的限制， 响应波长具有长波限， 最大响应波长为
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• ３.１.１ 响应度
• 响应度定义为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。 对应 不同辐射度量的响应度用下标来表示， 例如:
• (１) 对辐射通量的电流响应度ＲΦ ＝ Ｉ / Φ， (Ａ/ Ｗ)； • (２) 对辐照度的电流响应度ＲＥ ＝ Ｉ / Ｅ， (Ａ·ｍ２ / Ｗ)； • (３) 对辐亮度的电流响应度ＲＬ ＝ Ｉ / Ｌ， (Ａ·ｓｒ·ｍ２ / Ｗ)。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• ３.１.２ 噪声及其评价参数
• １. 噪声 • 在系统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声。 噪声的存在干扰
了有用信息， 影响了系统信号的探测或传输极限。 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。 • 系统的噪声可分为来自外部的干扰噪声和内部噪声。 来自外部的干 扰噪声又可分为人为干扰噪声和自然干扰噪声。 人为干扰噪声通常 来自电器电子设备， 如高频炉、无线电发射、电火花和气体放电等 ， 其会辐射出不同频率的电磁干扰。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 对于热探测器， 为提高响应度， 一般其表面都涂有一层吸收比很高 的黑色涂层(炭黑、金黑等)， 吸收层的吸收比几乎与波长无关。 此 外， 探测器探测的表面温度变化只与吸收辐射能的大小有关。 因此 ， 热探测器的响应度曲线近似为均匀的， 且响应谱段包括几乎整个 光辐射测量段(图３ －２ (ｂ))， 这使得热探测器被广泛用于光辐射测 量中。
• 可以看到， 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。
• 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ｈν (ｈ 为普朗克常数， ν ＝ ｃ / λ 为入射光的频 率)， 则单位时间内入射到探测器表面的光子数为
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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
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。
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。 • 这里主要讨论前两方面的性能， 后一方面问题在讨论具体探测器类 型时介绍。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
第３ 章 光辐射探测器
• 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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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 对于光辐射探测器的应用， 人们较关注的性能是: • (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
ห้องสมุดไป่ตู้
３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 可以用频率响应来描述探测器的频率响应特性， 典型的探测器频率 响应特性如图３ －３ 所示。探测器的特征响应频率ｆｃ 定义为Ｒ (ｆ ｃ ) ＝０.７０７Ｒｍａｘ对应的频率。 若Ｒ、Ｃ 分别为探测器和负载电 阻所构成等效电路的电阻和电容值， 则
• 因此， 实用上可用改变探测器的负载电阻Ｒ 或等效电容Ｃ 的方法改 变频率响应特性。
３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 自然干扰噪声主要来自大气和宇宙间的干扰， 如雷电、太阳、星球 的辐射等。 外部干扰的噪声可采用适当的屏蔽、滤波等方法减小或 消除。 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(５０ Ｈｚ/６０ Ｈｚ)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 成的， 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。 下面主要分析这些噪声源的性质。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。 在辐射度量 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
• 积分响应度和光谱响应度的关系为
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 光辐射探测器本身也是一种阻抗元件， 故在光电信号转换中有一定 的时间常数。 当入射光信号的调制频率ｆ 较高时， 探测器可能难以 响应。 尤其是热探测器， 入射光辐射信号使光敏层的温度上升与下 降都需要一定的时间， 因此与光电探测器相比， 热探测器的时间常 数较大(频率响应较差)。
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• 探测器的量子效率η(λ) 为
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 故单位时间内探测器的输出信号电子数为 • 于是， 探测器的辐射通量光谱电流响应度为 • 对于光电探测器， 由于受到材料能带之间的间隙———禁带宽度Ｅ
ｇ 的限制， 响应波长具有长波限， 最大响应波长为
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• ３.１.１ 响应度
• 响应度定义为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。 对应 不同辐射度量的响应度用下标来表示， 例如:
• (１) 对辐射通量的电流响应度ＲΦ ＝ Ｉ / Φ， (Ａ/ Ｗ)； • (２) 对辐照度的电流响应度ＲＥ ＝ Ｉ / Ｅ， (Ａ·ｍ２ / Ｗ)； • (３) 对辐亮度的电流响应度ＲＬ ＝ Ｉ / Ｌ， (Ａ·ｓｒ·ｍ２ / Ｗ)。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• ３.１.２ 噪声及其评价参数
• １. 噪声 • 在系统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声。 噪声的存在干扰
了有用信息， 影响了系统信号的探测或传输极限。 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。 • 系统的噪声可分为来自外部的干扰噪声和内部噪声。 来自外部的干 扰噪声又可分为人为干扰噪声和自然干扰噪声。 人为干扰噪声通常 来自电器电子设备， 如高频炉、无线电发射、电火花和气体放电等 ， 其会辐射出不同频率的电磁干扰。
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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 对于热探测器， 为提高响应度， 一般其表面都涂有一层吸收比很高 的黑色涂层(炭黑、金黑等)， 吸收层的吸收比几乎与波长无关。 此 外， 探测器探测的表面温度变化只与吸收辐射能的大小有关。 因此 ， 热探测器的响应度曲线近似为均匀的， 且响应谱段包括几乎整个 光辐射测量段(图３ －２ (ｂ))， 这使得热探测器被广泛用于光辐射测 量中。
• 可以看到， 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。
• 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ｈν (ｈ 为普朗克常数， ν ＝ ｃ / λ 为入射光的频 率)， 则单位时间内入射到探测器表面的光子数为
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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
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。
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。 • 这里主要讨论前两方面的性能， 后一方面问题在讨论具体探测器类 型时介绍。
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第３ 章 光辐射探测器
• 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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３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 对于光辐射探测器的应用， 人们较关注的性能是: • (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
ห้องสมุดไป่ตู้
３.１ 光辐射探测器的性能参数
• 可以用频率响应来描述探测器的频率响应特性， 典型的探测器频率 响应特性如图３ －３ 所示。探测器的特征响应频率ｆｃ 定义为Ｒ (ｆ ｃ ) ＝０.７０７Ｒｍａｘ对应的频率。 若Ｒ、Ｃ 分别为探测器和负载电 阻所构成等效电路的电阻和电容值， 则
• 因此， 实用上可用改变探测器的负载电阻Ｒ 或等效电容Ｃ 的方法改 变频率响应特性。