《探测与解调》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 光波的探测与解调光波的探测与解调14.14.1光子探测方法光子探测方法4.1.14.1.1光子探测机理的分类光子探测机理的分类 把被调制的光信号转换成电信号并将信息把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。提取出来的技术。 光探测过程可以形象地称为光频解调，光光探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。量的物理量的器件。1、光电探测技术、光电探测技术22 2、光探测器的发展历史、光探测器的发展历史n18731873年，英国的年，英国的SmithSmith和和MayMay在大西洋横断

2、海底电信局所进行的实验在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的中发现，当光照射到用作电阻的sese棒后，其电阻值约改变棒后，其电阻值约改变3030；n同年同年SimensSimens将铂金绕在这种将铂金绕在这种sese棒上，制成了第一个光电池；棒上，制成了第一个光电池；n18881888年，德国的年，德国的HallwachsHallwachs在作在作HertzHertz的电磁波实验中，发现光照射的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射；到金属表面上会引起电子发射；n19091909年，年，RichtmeyerRichtmeyer发现，封入真空中的发现，封入真空

3、中的NaNa光电阴极所发射的电子光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；n接着美国的接着美国的ZworkynZworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于管，并于19331933年发明了光电摄像管；年发明了光电摄像管；n19501950年，美国的年，美国的WeimerWeimer等人研制出光导摄像管；等人研制出光导摄像管；n19701970年，年，BoyleBoyle等人发明了等人发明了CCDCCD（电荷耦合器件）。（电荷耦合器件）。3n按光按光电相互作用分类电相

4、互作用分类3 3、探测机理及其分类、探测机理及其分类n按响应区域分类按响应区域分类光子直接对电子光子直接对电子产生扰动产生扰动温升使材料的某些温升使材料的某些特性发生变化特性发生变化 电磁场对材料的扰电磁场对材料的扰动所引起材料某些动所引起材料某些内特性发生变化内特性发生变化 输出信号是敏感输出信号是敏感区域的平均值区域的平均值 对敏感区域的空间对敏感区域的空间变化所产生的响应变化所产生的响应 44 4、光电效应、光电效应n 光光照照射射到到物物体体上上使使物物体体发发射射电电子子，或或电电导导率率发发生生变变化化，或或产产生生电电动动势势，这这些些因因光光照照引引起起物物体体电电学学特特性性

5、改改变变的的现现象象，统称为统称为光电效应光电效应。n内内光光电电效效应应光光子子激激发发的的载载流流子子(电电子子或或空空穴穴)将将保保留留在材料内部。在材料内部。n外外光光电电效效应应将将电电子子打打离离材材料料表表面面，外外光光电电效效应应器器件件通常有多个阴极，以获得倍增效果。通常有多个阴极，以获得倍增效果。5外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n 当当光光照照射射到到金金属属或或金金属属氧氧化化物物的的光光电电材材料料上上时时，光光子子的的能能量量传传给给光光电电材材料料表表面面的的电电子子，如如果果入入射射的的光光能能使使表表面面的的电电子子获获得得足足够够的的能能量量，电

6、电子子就就会会克克服服正正离离子子对对它它的的吸吸引引力力，脱脱离离金金属属表表面面而而进进入入外外界界空空间间，这这种种现现象象称称为为外外光光电电效应效应。外光电效应可用两条基本定律来描述。外光电效应可用两条基本定律来描述 ：n斯托列托夫定律斯托列托夫定律 当当入入射射光光的的频频率率或或频频谱谱成成分分不不变变时时，饱饱和和光光电电流流（单单位时间内反射的光子数目）位时间内反射的光子数目）与入射光的强度成正比。与入射光的强度成正比。 斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。6外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n爱因斯坦定律爱因

7、斯坦定律如如果果发发射射体体内内电电子子吸吸收收的的光光子子能能量量大大于于发发射射体体表表面面逸逸出出功功，则则电电子子将将以以一一定定的的速速度度从从发发射射体体表表面面发发射射，光光电电子子离离开开发发射射体体表表面面时时的的初初动动能能随随入入射射光光的的频频率率线线性增长，与入射光的强度无关。性增长，与入射光的强度无关。光电效应方程：光电效应方程：入射光子入射光子能量能量电子的电子的动能动能逸出功逸出功该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。逸出功，才能发生光电发射。00为产生光电发射的

8、最低频率，即该频为产生光电发射的最低频率，即该频率与材料的属性有关，与入射光强无关。率与材料的属性有关，与入射光强无关。逸出功逸出功7密立根密立根 ( (美国美国,1868-1953) ,1868-1953) 罗伯特密立根生于罗伯特密立根生于18681868年，童年的大部分年，童年的大部分时间在农村度过，年仅时间在农村度过，年仅1414岁就开始赚取自己的岁就开始赚取自己的面包，后于面包，后于18861886年进入奥柏林大学。两年后他年进入奥柏林大学。两年后他才选修了物理课，并认为那是才选修了物理课，并认为那是“一个彻底的失一个彻底的失败败”。 19081908年，年， 密立根密立根4040岁，

9、还只是一个岁，还只是一个副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的平均年纪只有平均年纪只有3232岁。他确定了两个人生目标：岁。他确定了两个人生目标：一是进入物理学的名人堂，一是进入物理学的名人堂，“留下的时间已经留下的时间已经不多了不多了”；二是将余生奉献给自己钟爱的教育；二是将余生奉献给自己钟爱的教育事业。事业。 从从19091909年到年到19171917年，密立根完成了年，密立根完成了漫长而艰苦的油滴实验漫长而艰苦的油滴实验最著名的物理实验最著名的物理实验之一。之一。 这一杰出工作以及光电效应的相关这一杰出工作以及光电效应的相关贡献为他赢得了贡献为

10、他赢得了19231923年的诺贝尔物理学奖，成年的诺贝尔物理学奖，成为有史以来第二位得奖的美国物理学家。为有史以来第二位得奖的美国物理学家。 8爱因斯坦定律爱因斯坦定律n入入射射光光波波长长大大于于截截止止波波长长时时，无无论论光光强强有有多多大大、照照射射时时间间多多长长，都都不不会会有有光光电电子子发发射射。光光电发射大致可分为三个过程：电发射大致可分为三个过程：n光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；n受受激激电电子子从从受受激激处处出出发发，向向表表面面运运动动，其其间间必必然然要要同同其其他他电电子子或

11、或晶晶格格发生碰撞而失去部分能量；发生碰撞而失去部分能量；n到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。外光电效应外光电效应9爱因斯坦定律爱因斯坦定律n由此得到光电发射对阴极材料的要求由此得到光电发射对阴极材料的要求：对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；电电导导率率好好，以以便便能能够够通通过过外外电电源源来来

12、补补充充光光电电发发射射失失去去的电子。的电子。外光电效应外光电效应10光电倍增管光电倍增管n今今天天我我们们使使用用的的光光电电器器件件中中，光光电电倍倍增增管管（PMTPMT）是是一一种种具具有有极极高高灵灵敏敏度度和和超超快快时时间间响响应应的的光光探探测测器器件件。典典型型的的光光电电倍倍增增管管如如图图所所示示，在在真真空空管管中中，包包括括光光电电发发射射阴阴极极（光光阴阴极极）和和聚聚焦焦电电极极、电电子子倍倍增增极极和和电电子子收收集集极极（阳阳极极）的器件。的器件。n当当光光照照射射光光阴阴极极，光光阴阴极极向向真真空空中中激激发发出出光光电电子子。这这些些光光电电子子按按聚

13、聚焦焦极极电电场场进进入入倍倍增增系系统统，通通过过进进一一步步的的二二次次发发射射得得到到倍倍增增放放大大。放放大后的电子被阳极收集作为信号输出。大后的电子被阳极收集作为信号输出。外光电效应外光电效应11光电倍增管光电倍增管(1)光电倍增管利用光电倍增管利用外光电效应原理外光电效应原理制成。制成。(2)结构结构外光电效应外光电效应12光电倍增管光电倍增管外光电效应外光电效应13光电倍增管的结构光电倍增管的结构n一一般般端端窗窗型型（Head-on）和和侧侧窗窗型型（Side-on）结结构构的的光光电电倍倍增增管管都都有有一一个个光光阴阴极极。侧侧窗窗型型的的光光电电倍倍增增管管，从从玻玻璃璃

14、壳壳的的侧侧面面接接收收入入射射光光，而而端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管是是从从玻玻璃璃壳壳的的顶顶部部接接收收入入射射光光。通通常常情情况况下下，侧侧窗窗型型光光电电倍倍增增管管价价格格较较便便宜宜，并并在在分分光光光光度度计计和和通通常常的的光光度度测测定定方方面面有有广广泛泛的的使使用用。大大部部分分的的侧侧窗窗型型光光电电倍倍增增管管使使用用了了不不透透明明光光阴阴极极（反反射射式式光光阴阴极极）和和环环形形聚聚焦焦型型电电子子倍倍增增极极结结构构，这这使使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。n端端窗窗型型（也也称称作作顶顶窗窗型型）光光电电倍

15、倍增增管管在在其其入入射射窗窗的的内内表表面面上上沉沉积积了了半半透透明明光光阴阴极极（透透过过式式光光阴阴极极），使使其其具具有有优优于于侧侧窗窗型型的的均均匀匀性性。端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管的的特特点点还还包包括括它它拥拥有有从从几几十十平平方方毫毫米米到到几几百百平平方方厘米的光阴极。厘米的光阴极。n端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管中中还还有有针针对对高高能能物物理理实实验验用用的的，可可以以广广角角度度捕捕集集入入射射光光的的大大尺尺寸寸半半球球形形光光窗窗的的光电倍增管。光电倍增管。外光电效应外光电效应14光电倍增管光电倍增管外光电效应外光电效应15光电倍增管光电倍增管(3)

16、特点特点n灵敏度高，适宜弱光信号；灵敏度高，适宜弱光信号；n响应时间极短；响应时间极短；n频率特性较好频率特性较好，频率可达，频率可达106赫或更高；赫或更高；(4)缺点缺点需高压直流电源、价贵体积大、经不需高压直流电源、价贵体积大、经不起机械冲击等。起机械冲击等。外光电效应外光电效应16北京滨松光子北京滨松光子外光电效应外光电效应17光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域1 1光谱学光谱学-利用光吸收原理利用光吸收原理应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性紫外紫外/可见可见/近红外分光光度计近红外分光光度计光通过物质时使物质的电子状态发生变光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分

17、能量，叫做吸收。利用吸收化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收进行定量分析。为确定样品物质的量，采用进行定量分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质程度，计算出物质的量。得到被测物质程度，计算出物质的量。1.宽光谱响应宽光谱响应2.高稳定性高稳定性3.低暗电流低暗电流4.高量子效率高量子效率5.低滞后效应低滞后效应6.较好偏光特性较好偏光特性原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计广泛地应用于微量金属元素的分析。对广泛地应用于微量金属元素的分析。

18、对应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。与预先得到的标准样品比较。外光电效应外光电效应18光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域2 2利用发光原理利用发光原理应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性发光分光光度计发光分光光度计样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光

19、谱线是否存在及其特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。1.高灵敏度高灵敏度2.高稳定性高稳定性3.低暗电流低暗电流荧光分光光度计荧光分光光度计荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样

20、品成份。拉曼分光光度计拉曼分光光度计用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中，只有物质特有量的用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中，只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。1.高量子效率高量子效率2.低暗电流低暗电流3.单光子分辨能单光子分辨能力力其它其它液相或气相色谱液相或气相色谱X光衍射仪，光衍射仪，X

21、光荧光分析光荧光分析电子显微镜电子显微镜外光电效应外光电效应19光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域3 3环境监测环境监测应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性尘埃粒子计数器尘埃粒子计数器尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或射线的吸收原理。射线的吸收原理。1.低暗噪声低暗噪声2.低毛刺噪声低毛刺噪声3.高量子效率高量子效率浊度计浊度计当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度计

22、正是利用折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。1.低暗电流低暗电流2.低峰值噪声低峰值噪声3.高量子效率高量子效率其它其它NOX、SOX检测检测1.相关波长处高量相关波长处高量子子效率效率2.低暗电流低暗电流3.良好的温度特性良好的温度特性4.高稳定性高稳定性外光电效应外光电效应20光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域4 4生物技术生物技术应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性细胞分类细胞分类细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的

23、荧光、散乱光用光电倍增用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。1.高量子效率高量子效率2.高稳定性高稳定性3.低暗电流低暗电流4.高电流增益高电流增益5.好的偏振特性好的偏振特性荧光计荧光计细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等进行测定。

24、进行测定。外光电效应外光电效应21内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光光电电导导效效应应是是光光照照变变化化引引起起半半导导体体材材料料电电导导变变化化的的现现象象。当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料时时，材材料料吸吸收收光光子子的的能能量量，使使得得非非传传导导态态电电子子变变为为传传导导态态电电子子，引引起起载载流流子子浓浓度度增增大大，从从而而导导致致材材料料电电导导率率增增大大。这这种种变变化化可可以以通通过过测测量量负负载载电电阻阻两两端端的的电电压压来来观观察察。该该现现象象是是100多多年年来来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。有关半导体与光作用的

25、各种现象中最早为人们所知的现象。 信号信号V负载电阻负载电阻入射光线入射光线+-22内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。n2020世世纪纪又又先先后后在在氧氧化化亚亚铜铜、硫硫化化铊铊、硫硫化化镉镉、硫硫化化铅铅等等材材料料中中发发现现光光电电导导效效应应，并并由由此此发发展展了从了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。23内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光子能量光子能量n红限波长红限波长n光电流光电流当光子波长大于当光子波长大于0 0时，本征型半导体器时，

26、本征型半导体器件将不会出现光电导件将不会出现光电导现象现象通常是多子起作用，少通常是多子起作用，少子由于其寿命相对短得子由于其寿命相对短得多，故对光电流的贡献多，故对光电流的贡献不大。不大。 24内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光光电电导导增增益益G由由自自由由载载流流子子寿寿命命和和渡渡越越时间时间T的比值来决定。的比值来决定。n渡渡越越时时间间T是是指指多多数数载载流流子子穿穿过过器器件件电电极的时间，它由下式决定：极的时间，它由下式决定： 式式中中l为为电电极极间间的的距距离离，为为多多数数载载流流子子的的迁迁移移率率，VA为器件所加上的偏压。为器件所加上的偏压。25内光电效应

27、内光电效应光电导效应光电导效应n响应速度响应速度(由多数载流子的寿命决定由多数载流子的寿命决定 )频率为时频率为时的的短路电流短路电流频率为时频率为时的的开路电压开路电压由由上上面面两两式式可可知知，低低频时光光电器器件件的的输出出基基本本上上与与频率率无无关关；高高频时则与与频率成反比，率成反比，转折点定折点定义在在为为1的频率。的频率。直流短路电流直流短路电流器件开路电压器件开路电压26内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光光子子在在材材料料中中激激发发出出的的载载流流子子必必须须在在外外加加电电压压（电电场场）作作用用下下方方能能作作空空间间流流动动，对外电路产生贡献。对外电路产生

28、贡献。n这种器件必须加上偏压才能正常工作。这种器件必须加上偏压才能正常工作。27光敏电阻光敏电阻(1) (1) 结构结构内光电效应内光电效应28光敏电阻光敏电阻(2) (2) 优点优点n光谱响应相当宽光谱响应相当宽;光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏域域可可在在紫紫外外光光区区，可可见见光光区区，也可在红外区和远红外区。也可在红外区和远红外区。n所测的光强范围宽所测的光强范围宽;n使用方便，成本低，稳定性高，寿命长使用方便，成本低，稳定性高，寿命长;n灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。(3) (3) 不足不足n在强光照射下线性较差，频率特性也较差。在强光照射下线性较

29、差，频率特性也较差。内光电效应内光电效应29光敏电阻光敏电阻内光电效应内光电效应30光电导摄像管光电导摄像管(1)基本原理基本原理光光电电导导摄摄像像管管的的结结构构如如图图所所示示。它它主主要要由由光光敏敏靶靶和和电电子子枪枪两两部部分分组组成成。光光敏敏靶靶是是由由光光敏敏半半导导体体材材料料制制成成的的。景景物物通通过过光光学学系系统统在在摄摄像像管管光光敏敏靶靶上上成成像像。由由于于光光像像各各部部分分的的亮亮度度不不同同。靶靶上上各各相相应应部部分分的的电电导导率率发发生生了了相相应应变变化化，与与亮亮像像素素对对应应的的靶靶单单元元的的电电导导较较大大。与与暗暗像像素素对对应应的的

30、靶靶单单元元电电导导较较小小，于于是是将将景景物物各各像像素素亮亮度度不不同同变变成成了了靶靶面面上上各各单元的电导不同，光像变成了单元的电导不同，光像变成了“电像电像”。 内光电效应内光电效应31光电导摄像管光电导摄像管(2)组成：组成：电子枪电子枪偏转线圈偏转线圈光电导靶面光电导靶面内光电效应内光电效应32电子枪电子枪电电子子枪枪的的任任务务是是发发射射电电子子束束，它它由由灯灯丝丝J、阴阴极极K、栅栅极极G及及加加速速聚聚焦焦阳阳极极A1、A2等等组组成成。电电子子束束在在聚聚焦焦线线圈圈和和偏偏转转线线圈圈产产生生的的磁磁场场的的联联合合作作用用下下，以以聚聚焦焦状状态态按按一一定定规

31、规律律(即即从从左左到到右右、从从上上到到下下一一行行一一行行)扫扫描描靶靶上上各各点点。当当电电子子束束接接触触到到靶靶面面某某点点时时，使使电电子子枪枪阴阴极极与与信信号号板板、负负载载RL和和电电源源E构构成成一一个个回回路路，在在负负载载RL中中就就有有电电流流流流过过，电电流流大大小小取取决决于于光光敏敏靶靶该该点点电电导导率率的的大大小小。因因此此，当当电电子子束束按按一一定定规规律律在在靶靶面面上上扫扫描描时时，便便在在负负载载上上依依次次得得到到与与景景物物各各点点亮亮度度相相对对应应的的电电信信号号，完完成成了了将将图图像像分分解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电

32、转换过程。解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程。光电导摄像管光电导摄像管内光电效应内光电效应33光光电电导导靶靶面面是是由由无无数数个个光光电电导导像像素素单单元元组组成成，每每个个光光电电导导像像素素单单元元可可以以等等效效为为一一个个电电阻阻和和一一个个电电容容并并联联的的电电路路，其其电电阻阻值值和和电电容容值值为：为：光电导靶面光电导靶面内光电效应内光电效应34当当阴阴极极发发射射的的电电子子接接通通某某一一像像素素时时，该该像像素素单单元元的的电电容容C0就就立立即即被被充充电电到到靶靶电电源源的的电电压压，当当电电子子束束离离开开该该像像素素单单元元时时，电电容

33、容便便通通过过该该单单元元的的等等效效电电阻阻R0放放电，放电时电容两端电压为：电，放电时电容两端电压为：光电导靶面的工作原理光电导靶面的工作原理内光电效应内光电效应35第一种情况第一种情况无无光光照照时时。在在一一帧帧时时间间内内电电子子束束扫扫描描完完各各个个点点，使使这这些些点点为为低低电电位位后后，C0充充满满电电，由由于于电电容容放放电电时时间间 R0C00.53秒秒，远远大大于于一一帧帧的的扫扫描描时时间间0.04秒秒，故故电电容容几几乎乎没没有有放放电电，当当第第二二次次扫扫描描时时，无无充充电电电电流流流流过过RS，B点点电电位位 ET，这这时时无视频信号输出。无视频信号输出。

34、36第二种情况第二种情况有有光光照照时时。当当有有光光照照射射在在靶靶面面上上时时，R0随随光光强强的的大大小小而而变变化化，扫扫描描后后C0放放电电时时间间变变化化，光光越越强强，R0越越小小，放放电电越越快快，在在下下一一次次电电子子束束扫扫描描该该像像素素时时所所补补充充的的电电荷荷就就越越多多，就就会会有有较较大大的的电电流流流流过过负负载载电电阻阻RS而而产产生生较较大大的的信信号号电电压压输输出出，负负极极性性视视频信号反映了图像的明暗程度。频信号反映了图像的明暗程度。37第三种情况第三种情况光光照照均均匀匀时时。当当光光照照均均匀匀无无起起伏伏时时，R0不不变变，输出为直流分量，

35、直流量反映了平均照度。输出为直流分量，直流量反映了平均照度。由由此此可可见见，只只有有电电子子束束按按全全电电视视信信号号的的要要求求对对靶靶面面进进行行扫扫描描，就就可可在在输输出出端端得得到到视视频频信信号号，将将视视频频信信号号加加上上消消隐隐信信号号和和同同步步信信号号，就就形形成成了了全全电电视视信信号号，就就可可送送入入电电视视机机进进行行逆逆过过程程变变换换，形形成成一一幅幅幅幅电电视视图图像像，也也可可送送入入录录像像机机用用磁磁带带保保存全电视信号。存全电视信号。38内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属光伏效应指光照使不均匀半导体或

36、半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应。层的存在引起的势垒型光伏效应。结区结区pn+-E光光iu短路光电短路光电流流开路光电开路光电压压光电流光电流反向饱和电流反向饱和电流暗电流暗电流39内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n光伏效应光伏效应n载流子的激发载流子的激发光子光子n载流子的分离载流子的分离内建电场内建电场n光电流：光电流： IdId暗暗电电流流，IsIs为为无无光光照照射射时时的的反反向向饱饱和和电电流流，V V为

37、为施施加加在在器器件件上上的的电电压压( (正正向为正，反向为负向为正，反向为负) )，k k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，为近似为为近似为1 1的常数，的常数，T T为绝对温度。为绝对温度。 40内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n光伏器件的电流电压特性（光伏器件的电流电压特性（5-5）对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导工作模式）、正偏。工作模式）、正偏。41内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应光伏器件工作模式光伏器件工作模式光电信号光电信号入射光入射光开路开路V负载负载电阻电阻+-光电信号光电信号反向偏压反向偏压入射光入射光光电导效应和光伏

38、效应的区别光电导效应和光伏效应的区别前者必须在外加偏压下才能正常工作前者必须在外加偏压下才能正常工作光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号，但光光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号，但光伏效应器件通常工作在伏效应器件通常工作在反偏状态，即给器件加上反向电压，其反向电反偏状态，即给器件加上反向电压，其反向电流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。42光伏器件光伏器件n光电池光电池n光敏二极管光敏二极管n光敏三极管光敏三极管内光电效应内光电效应43光电池光电池（1）原理与结构）原理与结构内光电效应内光电效应4

39、4光电池光电池（2）特性：）特性：n波长范围波长范围:硅光电池为硅光电池为4001100nm，峰值波长在峰值波长在850nm附近；附近；n灵敏度：灵敏度：硅光电池为硅光电池为6-8毫安流明；毫安流明；n可靠性好，寿命也较长；可靠性好，寿命也较长；n体积小。体积小。内光电效应内光电效应45硅光电池硅光电池内光电效应内光电效应46光敏二极管光敏二极管n(1)结构结构内光电效应内光电效应47光敏二极管光敏二极管n光光敏敏二二极极管管是是利利用用硅硅结结受受光光照照后后产产生生光光电电流流的的一一种种光光电电器器件件。光光敏敏二二极极管管的的电电路路符符号号、外外形形见见图图所所示示。其其封封装装有有

40、金金封封和和塑塑封封两两种种（即即圆圆柱柱形形和和扁扁方方形形）。有有的的光光敏敏二二极极管管为为了了提提高高其其稳稳定定性性，还还外外加加了了一一个个屏屏蔽蔽接接地地脚脚，外外形形似似光光敏敏三三极极管管。光光敏敏二二极极管管工工作作于于反反向向偏偏压压，其其光光谱谱响响应应特特性性主主要要由由半半导导体体材材料料中中所所掺掺的的杂杂质质浓浓度度所所决决定定。同同一一型型号号的的光光敏敏二二极极管管在在一一定定的的反反偏偏电电压压、相相同同强强度度和和不不同同波波长长的的入入射射光光照照射射下下，产产生生的的光光电电流流并并不不相相同同，但但有有一一最最大大值值。不不同同型型号号的的光光敏敏

41、二二极极管管在在同同一一反反偏偏电电压压、同同一一强强度度的的入入射射光光照照射射下下，所所产产生生的的光光电电流流最最大大值值也也不不相相同同，且且光光电电流流最最大大值值所所对对应应的的入入射射光光的的波长也不相同。波长也不相同。内光电效应内光电效应48光敏二极管光敏二极管n图图的的曲曲线线、分分别别是是光光敏敏二二极极管管、的的光光谱谱响响应应特特性性曲曲线线。由由图图可可看看出出，它它们们的的光光电电流流的的最最大大值值分分别别在在可可见见光光区区和和红红外外线线区区，其其中中二二极极管管的的光谱响应值最大。光谱响应值最大。n由由于于光光敏敏二二极极管管的的基基本本结结构构也也是是一一

42、个个结结，故故其其检检测测方方法法也也与与普普通通二二极极管管相相同同，其其测测得得的的正正、反反向向电电阻阻也也类类似似于于普普通通二二极极管管，但但在在测测反反向向电电阻阻遇遇光光照照时时，阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。内光电效应内光电效应49光敏二极管光敏二极管n图图是是用用光光敏敏二二极极管管构构成成的的路路灯灯自自动动控控制制电电路路。其其原原理理是是：白白天天受受光光照照时时光光敏敏二二极极管管反反向向电电阻阻减减小小，足足以以使使三三级级管管（BG2）饱饱和和导导通通的的电电流流注注入入复复合合管管基基极极，于于是是BG饱饱和和导导通通继

43、继电电器器J1得得电电常常闭闭触触头头J1被被吸吸下下路路灯灯供供电电回回路路被被切切断断灯灯泡泡熄熄灭灭。天天黑黑时时因因光光照照很很小小光光敏敏二二极极管管SR反反向向电电阻阻大大增增BG2退退出出饱饱和和而而截截止止J1失失电电常常闭闭触触头头复复位位电电灯供电回路接通灯供电回路接通路灯点亮。路灯点亮。内光电效应内光电效应50复复习习n n外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n n相应器件：光电倍增管相应器件：光电倍增管相应器件：光电倍增管相应器件：光电倍增管n n内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n n相应器件：光敏电阻、光电导摄像管相应器件：光敏电阻、光电导摄像管相应器

44、件：光敏电阻、光电导摄像管相应器件：光敏电阻、光电导摄像管n内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n n相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管51PIN光敏二极管光敏二极管n特点特点1、最最大大的的特特点点是是频频带带宽宽。在在P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体之之间间夹夹着着一一层层（相相对对）很很厚厚的的本本征征半半导导体体（I层层）。这这样样，P-N结结的的内内电电场场就就基基本本上上全全集集中中于于I层层中中，从从而而使使P-N结结空空间间电电荷荷层层的的间间距

45、距加加宽宽，因因此此结结电电容容变变小小。相相应应时间变短，频带变宽。时间变短，频带变宽。2、管管子子的的线线性性输输出出范范围围很很宽宽。因因为为I层层（相相对对）很很厚厚，在在反反偏偏压压下下运用可承受较高的反向电压。运用可承受较高的反向电压。不不足足：I层层电电阻阻很很大大，管管子子的的输输出出电电流小，一般为零点几流小，一般为零点几AA至数至数AA。52PIN光敏二极管的光电转换原理光敏二极管的光电转换原理53雪崩光敏二极管（雪崩光敏二极管（APD） 雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管是是利利用用P-NP-N结结在在高高反反向向电电压压下下产产生生的的雪雪崩崩效效应应来来工工作作的的一一种种

46、光光伏伏器器件件。它它具具有有响响应应度度高高，响响应应速速度度快快的的特特点点，通通常常工工作作在在很很高高的的反反偏偏状状态态100100200V200V，接接近近于于反反向向击击穿穿电电压压。当当电电压压等等于于反反向向击击穿穿电电压压时时，电电流流增增益益可可达达10106 6，即即产产生生所所谓谓的的自自持持雪雪崩崩。频频率率响响应应很很高高，带带宽宽可可达达100GHz100GHz。是是目目前前响响应应最最快快的的一一种种光光敏敏二二极极管管。适适用用于于光光纤纤通信、激光测距及其他微弱光的探测等。通信、激光测距及其他微弱光的探测等。n 原理：原理：根据光电效应，当光入射到根据光电

47、效应，当光入射到PN结时，结时，光子被吸收而产生电子光子被吸收而产生电子空穴对空穴对如如果电压增加到使电场达到果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子以上，初始电子(一次电子一次电子)在高电场区获得足够在高电场区获得足够能量而加速运动能量而加速运动高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子使晶格原子电离，产生新的电子空穴对空穴对新产生的二次电子再次和原子碰撞新产生的二次电子再次和原子碰撞如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增流子雪崩式倍增，见图。，见图。54雪崩光敏二极管（雪崩光敏二极管（

48、APD）n雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管频频率率响响应应很很高高，带带宽宽可可达达100GHz。是是目目前前响响应应最最快快的的一一种种光光敏敏二二极极管管。适适用用于于光光纤纤通通信信、激激光光测距及其他微弱光的探测等。测距及其他微弱光的探测等。n光敏二极管阵列光敏二极管阵列将将光光敏敏二二极极管管以以线线列列或或面面阵阵形形式式集集合合在在一一起起，用用来来同同时时探探测测被被测测物物体体各各部部位位提提供供的的不不同同光光信信息息，并并 将将 这这 些些 信信 息息 转转 换换 为为 电电 信信 号号 的的 器器 件件 。http:/ 5、 热释电效应热释电效应 n热热释释电电效效应应指指

49、的的是是某某些些晶晶体体的的电电极极化化强强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。n基基于于该该效效应应制制成成的的光光电电转转换换器器件件有有红红外外探探测测器器，热热电电激激光光量量热热计计，夜夜视视仪仪以以及及各各种种光谱光谱仪仪接收器等。接收器等。60热释电探测器热释电探测器n结构结构61热释电探测器工作原理热释电探测器工作原理n器器件件吸吸收收入入射射辐辐射射功功率率产产生生温温升升，温温升升引引起起材材料料某某种种有有赖赖于于温温度度的的参参量量的的变变化化，检检测测该该变变化化，可可以以探探知知辐辐射射的的存存在在和和强强弱弱。这这一一过过程

50、程比较缓慢，因此一般热电探测器件的响应时间多为比较缓慢，因此一般热电探测器件的响应时间多为msms量级。量级。n热热释释电电器器件件相相当当于于一一个个以以热热电电晶晶体体为为电电介介质质的的平平板板电电容容器器。入入射射辐辐射射可可引引起起电电容容器器电电容容的的变变化化，因因此此，可可利利用用这这一一特特性性来来探探测测变变化化的的辐射。辐射。对光辐射的转换过程：对光辐射的转换过程：第第一一步步按按系系统统的的热热力力学学特特性性来来确确定定入入射射辐辐射射所所引引起的温度升高；起的温度升高；第第二二步步探探测测器器件件因因温温升升引引起起器器件件物物理理特特性性的的变变化化而输出各种电信

51、号。而输出各种电信号。62热释电探测器的优缺点热释电探测器的优缺点热释电探测器的优缺点热释电探测器的优缺点n优点：优点：n光光谱谱响响应应范范围围特特别别宽宽，从从紫紫外外到到红红外外几几乎乎都都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。n工作时无需制冷。工作时无需制冷。n缺点：灵敏度低，响应时间较长。缺点：灵敏度低，响应时间较长。63热释电探测器使用注意热释电探测器使用注意热释电探测器使用注意热释电探测器使用注意n1、比比较较理理想想的的热热探探测测器器，其其机机械械强强度度、响响应应灵灵敏敏度度、响应速度都很高。响应速度都很高。n2、只能测量变化的

52、辐射，辐射恒定时无输出。、只能测量变化的辐射，辐射恒定时无输出。n3、输输出出是是背背景景与与热热辐辐射射体体的的温温差差，而而不不是是热热辐辐射射体体的的实际温度。测温时，需先用辅助探测器测出背景温度。实际温度。测温时，需先用辅助探测器测出背景温度。n4、各各种种热热释释电电材材料料都都存存在在一一个个居居里里温温度度，使使用用范范围围小小于居里温度。于居里温度。64居里温度居里温度n 居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。n 低低于于居居里里温温度度时时该该物物质质成成为为铁铁磁磁体体，此此时时和和材材料料有有关关的的磁磁场

53、场很很难难改改变变。当当温温度度高高于于居居里里温温度度时时, ,该该物物质质成成为为顺顺磁磁体体，磁磁体体的的磁磁场场很很容容易易随随周周围围磁磁场场的的改改变变而而改改变变。这这时时的的磁磁敏敏感感度度约约为为1010的的负负6 6次次方。如铁的居里温度是方。如铁的居里温度是770, 770, 铁硅合金的居里温度是铁硅合金的居里温度是690690等。等。n 利利用用这这个个特特点点，人人们们开开发发出出了了很很多多控控制制元元件件。例例如如，我我们们使使用用的的电电饭饭锅锅就就利利用用了了磁磁性性材材料料的的居居里里点点的的特特性性。在在电电饭饭锅锅的的底底部部中中央央装装了了一一块块磁磁

54、铁铁和和一一块块居居里里点点为为105105度度的的磁磁性性材材料料。当当锅锅里里的的水水分分干干了了以以后后，食食品品的的温温度度将将从从100100度度上上升升。当当温温度度到到达达大大约约105105度度时时，由由于于被被磁磁铁铁吸吸住住的的磁磁性性材材料料的的磁磁性性消消失失，磁磁铁铁就就对对它它失失去去了了吸吸力力，这这时时磁磁铁铁和和磁磁性性材材料料之之间间的的弹弹簧簧就就会会把把它它们们分分开开，同同时时带带动动电电源源开开关关被断开，停止加热。被断开，停止加热。 65居里温度居里温度66热释电探测器热释电探测器光谱范围：光谱范围：一般热释电在一般热释电在0.220m；用用途途：

55、主主要要用用于于防防盗盗报报警警和和安安全全报报警警装装置置、自自动动门门、自自动动照照明明装装置置、火火灾灾报报警警等等一一些些自自动动控控制制系系统统中。中。特特点点：光光谱谱响响应应范范围围宽宽，对对于于从从紫紫外外到到毫毫米米量量级级的的电电磁磁辐辐射射几几乎乎都都有有相相同同的的响响应应。（与与测测辐辐射射计计、温温差差热热电电堆堆等等比比较较）频频率率特特性性好好，室室温温下下工工作作，无无需致冷，需致冷，体积小，重量轻，坚固。体积小，重量轻，坚固。67被动式热释电红外探测器应用被动式热释电红外探测器应用 n n被动式热释电红外探头的工作原理及特性：被动式热释电红外探头的工作原理及

56、特性：被动式热释电红外探头的工作原理及特性：被动式热释电红外探头的工作原理及特性： n 在自然界，任何高于绝对温度（在自然界，任何高于绝对温度（- 273- 273度）时物体都将产生红外光谱，不同度）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。高低是相关的。 n在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器器(PIR)(PIR)，它能将波长为，它能将波长为812um812um之间的红外信号变化转

57、变为电信号，并能对之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差

58、异。景物体的温度的差异。n另外一个器件就是菲涅尔透镜另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个和反射式。菲涅尔透镜作用有两个: :一是聚焦作用一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射，即将热释的红外信号折射（反射）在（反射）在PIRPIR上，上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIRPIR上产生变化热释红外信号，这样上产生变化热释红外信号，这样PIRPIR就能产生变化的电信号。就能产

59、生变化的电信号。68被动式热释电红外探测器应用被动式热释电红外探测器应用n 人体都有恒定的体温，一般在人体都有恒定的体温，一般在3737度，所以会发出特定波长度，所以会发出特定波长1010微米左右微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的1010微米左右的红外线而微米左右的红外线而进行工作的。人体发射的进行工作的。人体发射的1010微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体

60、红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。路经检测处理后就能产生报警信号。 n1)1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为1010微米左右的红外辐射必须非常敏感。微米左右的红外辐射必须非常敏感。 2)2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的的菲涅尔菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。滤光片，使环境的干扰受到明显的控制

61、作用。 3)3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 4)4)人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能释电元接收，但是两片热释电

62、元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。抵消，经信号处理而报警。 5)5)菲涅尔菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。69被动式热释电红外探测器被动式热释电红外探测器70热释电摄像管热释电摄像管n热释电摄像管热释电摄像管热热释释电电也也可可制制成成探探测测器器阵阵列列，已已有有320 240像像敏敏元元的的热热释电热成象系统上市，主要用于红外摄像机。释电热成象系统上市，主要用于红外摄像机。n碲镉汞（碲镉汞（CM

63、T）器件器件可可以以单单元元使使用用，也也可可以以线线阵阵或或面面阵阵使使用用，具具有有极极高高的的灵灵敏度，已成功的应用在我国风云一号和风云二号卫星上。敏度，已成功的应用在我国风云一号和风云二号卫星上。但但碲碲镉镉汞汞（CMT）器器件件使使用用时时一一定定要要制制冷冷，一一般般采采用用半半导体制冷。导体制冷。716 6、光电信息转换集成器件、光电信息转换集成器件(1)(1)、位置传感器（位置传感器（PSDPSD）(2)(2)、电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）72(1) (1) 位置传感器（位置传感器（PSDPSD） 光光电电位位置置器器件件（PSDPSD，Position Positi

64、on Sensitive Sensitive DetectorsDetectors） 是是一一种种对对其其感感光光面面上上入入射射光光点点位位置置敏敏感的光电器件。感的光电器件。 即即当当入入射射光光点点落落在在器器件件感感光光面面的的不不同同位位置置时时，PSD PSD 将将对对应应输输出出不不同同的的电电信信号号。通通过过对对此此输输出出电电信信号号的的处处理理，即即可可确确定定入入射射光光点点在在 PSD PSD 的的位位置置。入入射射光光点点的的强强度度和和尺尺寸寸大大小小对对 PSD PSD 的的位位置置输输出出信信号号均均无无关关。PSD PSD 的的位位置置输输出出只只与与入入射

65、射光光点点的的“重重心心”位置有关。位置有关。73(1.1) (1.1) 一维一维PSDPSD工作原理工作原理74(1.2 )(1.2 )二维二维PSDPSD工作原理工作原理BCDAE75(2)(2)电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD） 随随着着集集成成电电路路技技术术的的发发展展,二二十十年年前前贝贝尔尔实实验验室室的的 W.S.Doyle和和 G.Smith发发 明明 了了 电电 荷荷 耦耦 合合 器器 件件(Charge-Coupled-Devices),缩写或简称缩写或简称CCD。由由于于它它具具有有结结构构简简单单，制制造造工工序序少少，功功耗耗低低，信信噪噪比比好好等等优优点点，

66、因因而而日日益益受受到到人人们们的的重重视视，它它的的用途广泛，包括用途广泛，包括工业检测，数码相机，电视摄像工业检测，数码相机，电视摄像等。等。76(2) (2) 电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）n组成组成：MOS光敏元光敏元移位寄存器移位寄存器电荷转移栅电荷转移栅77CCD 目目前前，CCDCCD的的种种类类有有很很多多，其其中中面面阵阵型型CCDCCD是是主主要要应应用用在在数数码码相相机机中中。它它是是由由许许多多单单个个感感光光二二极极管管组组成成的的阵阵列列，整整体体呈呈正正方方形形，然然后后像像砌砌砖砖一一样样将将这这些些感感光光二二极极管管砌砌成成阵阵列列来来组组成可以输

67、出一定解析度图像的成可以输出一定解析度图像的CCDCCD传感器。传感器。 78CCDnCCD和和传传统统底底片片相相比比，CCD更更接接近近于于人人眼眼对对视视觉觉的的工工作作方方式式。只只不不过过，人人眼眼的的视视网网膜膜是是由由负负责责光光强强度度感感应应的的杆杆细细胞胞和和色色彩彩感感应应的的锥锥细细胞胞，分分工工合合作作组组成成视视觉觉感感应。应。nCCD经经过过长长达达35年年的的发发展展，大大致致的的形形状状和和运运作作方方式式都都已已经经定定型型。CCD的的组组成成主主要要是是由由一一个个类类似似马马赛赛克克的的网网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。格、聚光镜片以及

68、垫于最底下的电子线路矩阵所组成。n目目前前有有能能力力生生产产 CCD 的的公公司司分分别别为为：SONY、Phillips、 Kodak、 Matsushita、 Fuji、 SANYO和和Sharp，多半是日本厂商。，多半是日本厂商。79CCD成像原理成像原理n成成像像原原理理是是使使用用感感光光二二极极管管将将光光线线转转换换为为电电荷荷，当当数数位位相相机机的的快快门门开开启启，来来自自影影像像的的光光线线穿穿过过这这些些马马赛赛克克色色块块会会让让感感光光点点的的二二氧氧化化硅硅材材料料释释放放出出电电子子负负电电与与空空穴穴正正电电。经经由由外外部部加加入入电电压压，这这些些电电子

69、子和和空空穴穴会会被被转转移移到到不不同同极极性性的的另另一一个个硅硅层层暂暂存存起起来来。电电子子数数的的多多寡寡和和曝曝光光过过程程光光点点所所接接收收的的光光量量成成正正比比。在一个影像最明亮的部位，可能有超过在一个影像最明亮的部位，可能有超过10万个电子被积存起来。万个电子被积存起来。 80CCD成像原理成像原理n以以市市面面上上常常见见的的IL型型CCD为为例例，曝曝光光之之后后所所有有产产生生的的电电荷荷都都会会被被转转移移到到邻邻近近的的移移位位暂暂存存器器中中，并并且且逐逐次次逐逐行行的的转转换换成成信信号号流流从从矩矩阵阵中中读读取取出出来来。这这些些强强弱弱不不一一的的讯讯

70、号号，会会被被送送入入一一个个DSP也也就就是是数数字字图图像像处处理理单单元元。在在这这个个单单元元之之中中有有一一个个A/D类类似似数数字字信信号号转转换换器器。这这个个转转换换器器能能将将信信号号的的连连续续范范围围配配合合色色块块码码赛赛克克的的分分布布，转转换换成成一一个个2D的的平平面面表表示示系系列列，它它让让每每个个画画素素都都有有一一个个色色调调值值，应应用用这这个个方方法法，再再由由点点组组成成网网格格，每每一一个个点点（画画素素）现现在在都都有有用用以以表表示示它它所所接接受受的的光光量量的的二二进进位位数数据据，可可以以显显示示强强弱弱大大小小，最最终终再整合影像输出。

71、再整合影像输出。81电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）n固体摄像传感器应用固体摄像传感器应用(1)几何量测量几何量测量优点：优点：A扫描时无运动部分，因而可高速扫描；扫描时无运动部分，因而可高速扫描；B体积小、重量轻、可靠性好；体积小、重量轻、可靠性好；C电压低，功耗小；电压低，功耗小；D漂移小，信噪比好，光电转换效率高；漂移小，信噪比好，光电转换效率高；E光敏单元每一位光敏单元每一位(bit)的形状小的形状小(1315微米微米)，集成度高，每一位的几何位置精度较高集成度高，每一位的几何位置精度较高。82电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）n固体摄像传感器应用固体摄像传感器应用(2) (

72、2) 光谱测量光谱测量优点：优点：A A体积小体积小; ;B. B. 快速快速; ;C. C. 分辨率高分辨率高 ( (与光敏二极管列阵比较与光敏二极管列阵比较) ) 83CCD847 7、光电信息转换组合器件、光电信息转换组合器件(1)、光电耦合器光电耦合器(2)、光电编码器光电编码器(3)、光纤陀螺光纤陀螺85(1) (1) 光电耦合器光电耦合器光光电电耦耦合合器器是是将将LED和和光光敏敏三三极极管管紧紧密密的的组组装装在在一一起起，密密封封在在一一个个对对外外隔隔光光的的封封装装之之内内，这这样样LED的的光光线线能能够够落落到到光光敏敏三三极极管管的的表表面面上上，可可避避免免其其它

73、杂散光的干扰。它杂散光的干扰。86(1)(1)光电耦合器光电耦合器n光电耦合器的应用光电耦合器的应用(1)(1) 用于电平转换用于电平转换(2)(2) 用于逻辑门电路用于逻辑门电路(3)(3) 起隔离作用起隔离作用应应用用在在测测量量仪仪器器、精精密密仪仪器器、工工业业和和医医用用电电子子仪仪器器自自动动控控制制、遥遥控控和和遥遥测测、各各种种通通信信装装置置、计计算算机机系系统统及及农农业业电子设备等广阔领域。电子设备等广阔领域。87(2) (2) 光电编码器光电编码器原理：原理：光栅的莫尔条纹。形成莫尔条纹必须由光栅的莫尔条纹。形成莫尔条纹必须由两块栅距相等的光栅组成（两块栅距相等的光栅组

74、成（w1=w2）。）。光光电电编编码码器器能能将将角角位位移移或或线线位位移移信信息息经经过过光光电电转转换换变变成成数数字字量量，具具有有分分辨辨率率高高，可可靠靠性性好好，抗抗干干扰扰能能力力强强，应应用用范范围广等优点。围广等优点。88光电编码器光电编码器89(3) (3) 光纤陀螺光纤陀螺（惯性技术与光电子技术紧密结合的产物）惯性技术与光电子技术紧密结合的产物）惯性技术与光电子技术紧密结合的产物）惯性技术与光电子技术紧密结合的产物） 光光纤纤陀陀螺螺是是近近十十多多年年发发展展起起来来的的一一种种组组合合光光电电器器件件，它它可可以以满满足足动动载载器器从从智智能能式式制制导导导导航航

75、与与控控制制系系统统发发展展为为分分布布式式制制导导/ /导导航航和和控控制制系系统统的的要要求求，目目前前光光纤纤陀陀螺螺正正进进一一步步从从军军用用向向军军民民两两用用方方向发展。向发展。 光光纤纤陀陀螺螺本本质质上上是是由由光光电电子子器器件件组组成成的的光光干干涉涉仪仪系系统统，没没有有任任何何活活动动部部件件，这这就就决决定定了了光光纤纤陀陀螺螺具具有有一一系系列列独独特特的的优优点点：不不怕怕冲冲击击振振动动，可可以以在在恶恶劣劣的的力力学学环环境境下下应应用用；对对角角速速率率的的反反应应极极快快；角角速速率率测测量量灵灵敏敏度度高高；测测量量速速率率范范围围高高达达；潜潜在在的

76、的成成本本低低；加工简单。这些优点是其它陀螺不能比拟的。加工简单。这些优点是其它陀螺不能比拟的。 90(3 )(3 )光纤陀螺光纤陀螺Sagnac效应效应指指在在任任意意几几何何形形状状的的闭闭合合光光路路中中，从从某某一一点点观观察察点点发发出出的的一一对对光光波波沿沿相相反反方方向向运运行行一一周周后后又又回回到到该该观观察察点点时时，这这对对光光波波的的相相位位（或或它它们们经经历历的的光光程程）将将由由于于该该闭闭合合环环形形光光路路相相对对于于惯惯性性空空间间的的旋旋转转而而不不同同，其其相相位位差差（光光程程差差）的的大大小小与与闭闭合合光光路路的的转转速速速速率成正比。率成正比。

77、91(3) (3) 光纤陀螺原理及构成光纤陀螺原理及构成 光光纤纤陀陀螺螺由由两两部部分分组组成成：光光学学部部分分和和信信号号处处理理电电路路部部分分。光光学学部部分分包包含含光电子器件和光纤器件。有时这两种器件都被纳入光电子技术。光电子器件和光纤器件。有时这两种器件都被纳入光电子技术。 按按照照光光纤纤陀陀螺螺光光学学系系统统的的构构成成，目目前前进进入入实实用用的的光光纤纤陀陀螺螺主主要要有有两两类类：全光纤陀螺全光纤陀螺和使用了集成光学器件的和使用了集成光学器件的“集成光学器件光纤陀螺集成光学器件光纤陀螺”。 全全光光纤纤陀陀螺螺可可采采用用开开环环或或闭闭环环的的信信号号处处理理电电

78、路路。这这种种陀陀螺螺的的成成本本较较低低，但但实实现现高高精精度度的的技技术术难难度度较较大大，因因此此大大多多用用于于精精度度要要求求不不高高和和低低成成本本的的场场合合。92（3 3 ）光纤陀螺原理及构成）光纤陀螺原理及构成 集集成成光光器器件件光光纤纤陀陀螺螺由由于于波波导导相相位位调调制制器器的的调调制制带带宽宽可可高高达达几几个个GHzGHz，在在信信号号处处理理中中可可以以采采用用数数字字闭闭环环技技术术，易易于于实实现现高高精精度度和和高高稳稳定定性性，是是目目前前最最常常用用的的光光纤纤陀陀螺螺构构成模式。成模式。93（3 3 ）光纤陀螺）光纤陀螺光纤陀螺涉及到的技术问题很多

79、，从以上简单介光纤陀螺涉及到的技术问题很多，从以上简单介绍中可以知道，光纤陀螺的研究、制造和发展都绍中可以知道，光纤陀螺的研究、制造和发展都与光电子技术紧密联系。可以罗列出与光纤陀螺与光电子技术紧密联系。可以罗列出与光纤陀螺相关的光电子器件的项目有：相关的光电子器件的项目有：光纤：单模光纤、保偏光纤、细经光纤、匹配光纤：单模光纤、保偏光纤、细经光纤、匹配型保偏光纤；型保偏光纤；有源器件：超辐射二极管有源器件：超辐射二极管(SLD)(SLD)；低噪声；低噪声PINPIN、宽带宽带PIN-FETPIN-FET；光耦合器件：光耦合器件：保偏光纤耦合器、保偏光纤耦合器、1 13(13(14)4)光纤耦

80、合器、小型化耦合器；光纤耦合器、小型化耦合器；光集成器件：光集成器件：多功能集成光器件；多功能集成光器件；EDFAEDFA：泵浦光源、掺饵光纤、光纤光栅、隔离：泵浦光源、掺饵光纤、光纤光栅、隔离器；器；消偏：光纤消偏器；消偏：光纤消偏器；偏振控制：微小型光纤偏振控制器；偏振控制：微小型光纤偏振控制器；光波导器件：波导型无源器件、波导敏感环路；光波导器件：波导型无源器件、波导敏感环路；94光电器件光电器件(1)外光电效应及其器件外光电效应及其器件外光电效应外光电效应特点：速度快特点：速度快-从光照射到释放电子时间不超过从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。秒。需足够光能需足够光能-光子能量光子

81、能量表面溢出功表面溢出功原理：光原理：光阴极阴极光电子光电子阳极阳极空间电子流空间电子流外接电阻外接电阻压降压降U=f(I)原理：光原理：光物体表面物体表面光电子发射光电子发射光电管光电管应用：足够的光强，高速应用：足够的光强，高速-光电开关光电开关特点：简单，灵敏度低特点：简单，灵敏度低（充入惰性气体（充入惰性气体气体轰击气体轰击自由电子）自由电子）95光电倍增管光电倍增管原理：光原理：光阴极阴极光电倍增极光电倍增极阳极阳极电流电流应用：开关测量应用：开关测量光电开关光电开关，计数，计数(2)内光电效应内光电效应原理：原理：导带导带禁带禁带价带价带半导体能带图半导体能带图光电导效应光电导效应

82、：器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管原理：光原理：光电子电子-空穴对空穴对导电性导电性电阻电阻光生伏特效应光生伏特效应:原理：原理：光光PN结（无偏置）结（无偏置）电子电子N,空穴空穴P电动势电动势器件：光电池器件：光电池（硅，锗）（硅，锗）特点：光电流大，灵敏度高特点：光电流大，灵敏度高倍增率倍增率=n,单极倍增率单极倍增率n倍增极数倍增极数光光半导体半导体电子吸收能量电子吸收能量跃迁跃迁电子电子-空穴对空穴对96光敏电阻：光敏电阻：原理：电阻器件，加直流偏压，无极性原理：电阻器件，加直流偏压，无极性无光照无光照-电子电子-空穴对很少空穴对很少-电阻

83、大电阻大(暗电暗电阻阻)有光照有光照-电子电子-空穴对增多空穴对增多-导电性增强导电性增强特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定批量生产，价格便宜批量生产，价格便宜应用：工业自动化应用：工业自动化-开关元件，快速响应开关元件，快速响应家电家电-(感应式节能灯：判断照度感应式节能灯：判断照度)特性：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好特性：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好光照特性光照特性结构：金属封装结构：金属封装-防潮防潮光谱特性光谱特性动态特性动态特性97光敏二极管（光电二极管光敏二极管（光电二极管,PD:Photo-Diod

84、e）原理：原理：半导体半导体PN结结-无光时无光时-高阻特性，微弱电流高阻特性，微弱电流暗暗电流，电流，A；光照时光照时-电子电子N,空穴空穴P光电流光电流光照愈强光照愈强-光电流愈大光电流愈大PN光照特性光照特性光敏三极管（光电三极管光敏三极管（光电三极管,PT:Photo-Triode）原理：光敏二极管（原理：光敏二极管（bc结）结）+三极管三极管应用：线性转换元件，开关元件，应用：线性转换元件，开关元件，特点：灵敏度高于光敏二极管，特点：灵敏度高于光敏二极管，特性：光照特性特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性单峰性光谱特性光谱特性98特性特性：光照特性

85、光照特性-灵敏度高于光敏二极管，线性好灵敏度高于光敏二极管，线性好光谱特性光谱特性-单峰性单峰性动态特性动态特性-响应速度低于光敏二极管响应速度低于光敏二极管应用：线性转换元件，开关元件应用：线性转换元件，开关元件高速光电二极管高速光电二极管PIN结光电二极管（结光电二极管（PIN-PD）：I-高电阻率的本征半导体高电阻率的本征半导体响应速度快，灵敏度高，线性好，响应速度快，灵敏度高，线性好，用于光通讯，光测量用于光通讯，光测量光谱特性光谱特性动态特性动态特性雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：PN+P+APD响应速度快，灵敏度高，线性差，响应速度快，灵敏度高，线性差，用于光通讯脉冲编码用于光通讯

86、脉冲编码99连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出短路电流输出-(b)特性特性：光照特性光照特性-开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压-光强光强)，灵敏度高，灵敏度高短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流-光强光强)，灵敏度低，灵敏度低光谱特性光谱特性-硅电池：硅电池：0.51.2m(红红-红外红外)，峰值，峰值0.8m(近红外近红外)锗电池：锗电池：0.30.7m(紫紫-红红)，峰值，峰值0.5m(绿绿)光电池光电池原理：原理：光光PN结结电子电子N,空穴空穴P电动势电动势光光电能电能光电池（硅电池：单晶硅）光电池（硅电池：单晶硅）特点：有

87、源器件，轻便、简单、无污染，动态特性好（硅）特点：有源器件，轻便、简单、无污染，动态特性好（硅）工作于可见光波段工作于可见光波段-太阳能电池太阳能电池应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器计算器)-开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）100四象限光电池四象限光电池位置敏感器件（位置敏感器件（PSD-PositionalSensingDevice）原理：光原理：光光电二极管光电二极管空穴由空穴由N向向P移动移动空穴空穴1端端I1空穴空穴2端端I2说明：对于各种光电元件：说明：对于各种光电

88、元件：（1）暗电流：无光照时输出电流）暗电流：无光照时输出电流热噪声热噪声（2）温度特性：温度）温度特性：温度灵敏度、光谱特性灵敏度、光谱特性降温、恒温、温度补偿降温、恒温、温度补偿（3）器件材料：）器件材料：硅硅好于好于锗锗原理：集成原理：集成4光电池光电池-四象限四象限光斑光斑4分量分量I1、I2、I3、I4；应用：二维位置检测，准直应用：二维位置检测，准直固态摄像器件：电荷耦合器件（固态摄像器件：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）-CCD比值：比值：应用：位置检测应用：位置检测(一维、二维一维、二维)比值：比值：101光电探测器光电探测器效应效应探测器探测器光光电电效

89、效应应外光外光电效电效应应光阴极发射光电子光阴极发射光电子光电管光电管光电子光电子倍增倍增倍增极倍增倍增极倍增光电倍增管光电倍增管通道电子倍增通道电子倍增像增强管像增强管内光内光电效电效应应光电导效应光电导效应光电导管或称光敏电阻光电导管或称光敏电阻光伏光伏效应效应零偏的零偏的p-n结和结和PIN结结光电池光电池反偏的反偏的p-n结和结和PIN结结光电二极管光电二极管雪崩效应雪崩效应雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管pnp结和结和npn结结光电三极管光电三极管102 噪声噪声外部原因外部原因内部原因内部原因人为噪声人为噪声自然噪声自然噪声散

90、粒噪声散粒噪声产生复合噪声产生复合噪声光子噪声光子噪声热噪声热噪声低频噪声低频噪声温度噪声温度噪声放大器噪声放大器噪声4.24.2光子探测方法光子探测方法4.2.1 4.2.1 光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声1034.24.2光子探测方法光子探测方法4.2.1 4.2.1 光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声n依依据据噪噪声声产产生生的的物物理理原原因因，光光电电探探测测器器的的噪噪声声可可大大致致分分为为散散粒粒噪声噪声、产生产生复合噪声复合噪声、热噪声热噪声和和低频噪声低频噪声。n上上述述噪噪声声是是光光电电转转换换物物理理过过程程中中固固有有的的，是是一一种种不不可可能能人人为为消

91、消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。n因因为为在在光光电电转转换换过过程程中中，半半导导体体中中的的电电子子从从价价带带跃跃迁迁到到导导带带，或或者者电电子子逸逸出出材材料料表表面面等等过过程程，都都是是一一系系列列独独立立事事件件，是是一一种种随随机机的的过过程程。每每一一瞬瞬间间出出现现多多少少载载流流子子是是不不确确定定的的，所所以以随随机机的的起起伏伏将将不不可可避避免免地地与与信信号号同同时时出出现现。尤尤其其在在信信号号较较弱弱时时，光光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确

92、性。104n无无光光照照下下，由由于于热热激激发发作作用用，而而随随机机地地产产生生电电子子所所造造成成的的起起伏伏（以以光光电电子子发发射射为为例例）。由由于于起起伏伏单单元元是是电电子子电电荷荷量量e，故故称称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。n热激发散粒均方噪声电流为热激发散粒均方噪声电流为n其有效值为其有效值为n相应的噪声电压为相应的噪声电压为n如果探测器具有内增益如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以，则上式还应乘以M。n光光电电探探测测器器是是依依靠靠内内场场把把电电子子空空穴穴对对分分开开，空空穴穴对对电电流流贡贡献献不不大大

93、，主主要要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器。是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器。1 1 光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声散粒噪声散粒噪声105 热噪声热噪声n电电阻阻材材料料，即即使使在在恒恒定定的的温温度度下下，其其内内部部的的自自由由载载流流子子数数目目及及运运动动状状态态也也是是随随机机的的，由由此此而而构构成成无无偏偏压压下下的的起起伏电动势。伏电动势。n这这种种由由载载流流子子的的热热运运动动引引起起的的起起伏伏就就是是电电阻阻材材料料的的热热噪噪声声，或称为，或称为约翰逊（约翰逊（JohnsonJohnson）噪声）噪声。n热热噪噪声声是是由由导导体体或或半半导导体体中中

94、载载流流子子随随机机热热激激发发的的波波动动而而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。106 热噪声热噪声n光光电电探探测测器器本本质质上上可可用用一一个个电电流流源源来来等等价价，这这就就意意味味着着探测器有一个等效电阻探测器有一个等效电阻R。n电电阻阻中中自自由由电电子子的的随随机机热热运运动动将将引引起起电电阻阻器器R两两端端随随机机起起伏的电压。伏的电压。电阻电阻R的热噪声电流为的热噪声电流为:相应的热噪声电压为：相应的热噪声电压为：相应的热噪声电压为：相应的热噪声电压为：107 G-RG-R噪声噪声n 对对于于光光电电导导探探

95、测测器器，载载流流子子热热激激发发是是电电子子空空穴穴对对。电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中，与与光光伏伏器器件件重重要要的的不不同同点点在在于于存存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。n 因因此此，不不仅仅有有载载流流子子产产生生的的起起伏伏，而而且且还还有有载载流流子子复复合合的的起起伏伏，这这样样就就使使起起伏伏加加倍倍，虽虽然然本本质质也也是是散散粒粒噪噪声声，但但为为强强调调产产生生和和复复合合两两个个因因素素，取取名名为为产产生生复复合合散粒噪声散粒噪声，简称为，简称为产生产生复合噪声复合噪声。108 1/f1/f噪声噪声n1

96、/f噪声又称为噪声又称为闪烁或低频噪声闪烁或低频噪声。n这这种种噪噪声声是是由由于于光光敏敏层层的的微微粒粒不不均均匀匀或或不不必必要要的的微微量量杂杂质质的的存存在在，当当电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。流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。n几几乎乎在在所所有有探探测测器器中中都都存存在在这这种种噪噪声声。它它主主要要出出现现在在大大约约1KHz以以下下的的低低频频域，而且与光辐射的调制频率频频域，而且与光辐射的调制频率f 成反比，故称为低频噪声或成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。噪声。n实实验验发发现现，探探测测器器表表面面的的工工艺艺状状态态(缺缺

97、陷陷或或不不均均匀匀等等)对对这这种种噪噪声声的的影影响响很大，所以有时也称为很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声表面噪声或过剩噪声。n一一般般说说，只只要要限限制制低低频频端端的的调调制制频频率率不不低低于于1千千赫赫兹兹，这这种种噪噪声声就就可可以以防防止。止。109高频高频中频中频低频低频 光电探测器中的噪声分布光电探测器中的噪声分布1/f低频噪声低频噪声产生产生复合噪声复合噪声热噪声热噪声单单位位带带宽宽噪噪声声电电流流均均方方值值对对数数logB拐点拐点（1KHz）拐点拐点（1MHz）110 其他噪声（续）其他噪声（续）n发射噪声：发射噪声：只要有电流通过，便会产生发射噪声，这是由

98、电子电只要有电流通过，便会产生发射噪声，这是由电子电荷的离散性所决定的，这种离散性将造成电流的微小起伏。荷的离散性所决定的，这种离散性将造成电流的微小起伏。 n暗电流噪声：暗电流噪声：即使没有光信号照到光电倍增管中，由于热电子即使没有光信号照到光电倍增管中，由于热电子发射也会形成暗电流噪声，这种暗电流噪声系基于外光电效应器件发射也会形成暗电流噪声，这种暗电流噪声系基于外光电效应器件的主要噪声。的主要噪声。 n倍增噪声：倍增噪声：由于倍增极二次电子发射过程的随机性产生的，它使由于倍增极二次电子发射过程的随机性产生的，它使得倍增极的增益在附近有一定的起伏。得倍增极的增益在附近有一定的起伏。 n热噪

99、声：热噪声：由阳极负载电阻所产生。由阳极负载电阻所产生。 1112 2、光电探测器的特性指标、光电探测器的特性指标n(1) (1) 响应度响应度R R定量定量描述光电器件输出电信号与输入的光信号之描述光电器件输出电信号与输入的光信号之间的关系间的关系。n探测器输出信号电压探测器输出信号电压Vs与输入光功率与输入光功率P的比值。的比值。n单位一般为单位一般为V/W或或A/W。n该值是直流状态下的测试值。该值是直流状态下的测试值。探测器探测器面积面积光源的光源的辐射度辐射度112(2)(2)光谱响应光谱响应（光电探测器最基本的参数，通常用相对光谱响应来描光电探测器最基本的参数，通常用相对光谱响应来

100、描）n表表征征R随随波波长长变变化化的的特特性性参参数数。由由于于许许多多光光探探测测器器是是基基于于光光电电效效应应而而工工作作的的，因因而而存存在在一一个个最最低低频频率率0，只只有有入入射射光光频频率率大大于于0才才能能有有响响应应信信号号输输出出，相相应应存存在在一一个个探探测测波波长长极极限限c，在在c时时探探测测器器对对于于某某一一频频率率（波波长长）光光的的响响应应与与探探测测器器对对该该波波长长的的吸吸收收速速率率，即即单单位位时时间间内内入入射射的的光光子子数数密密度度成成正正比比，因因而而c时时，其其响响应应随随着着波波长长的的增增加加而而呈呈线线性性上上升升。而而c时，光

101、谱响应曲线迅速下降到零。时，光谱响应曲线迅速下降到零。相对输出相对输出波长波长随波长线性增随波长线性增长区长区峰值区峰值区急剧下降区急剧下降区c113(3 )(3 )能量阈能量阈P Pththn从响应度从响应度R的定义式的定义式n可见，如果可见，如果P0，应有，应有Is =0n实际情况是，当实际情况是，当P0时，光电探测器的输出电流并不为零。时，光电探测器的输出电流并不为零。n这个电流称为这个电流称为暗电流或噪声电流暗电流或噪声电流，记为，记为n它是瞬时噪声电流的有效值。它是瞬时噪声电流的有效值。n显然，这时响应度显然，这时响应度R 巳失去意义，我们必须定义一个新参巳失去意义，我们必须定义一个

102、新参量来描述光电探测器的这种特性。量来描述光电探测器的这种特性。114n考虑到这个因素之后，一个光电探测器完成光电转换过程的模型考虑到这个因素之后，一个光电探测器完成光电转换过程的模型如图所示。如图所示。光电效应sinisPbP内部噪声信号加噪声电流增益放大器过程输出图图中中的的光光功功率率Ps和和Pb分分别别为为信信号号和和背背景景光光功功率率。可可见见，即即使使Ps和和Pb都都为为零零，也也会会有有噪噪声声输输出出。噪噪声声的的存存在在，限限制制了了探探测测微弱信号的能力。微弱信号的能力。通通常常认认为为，如如果果信信号号光光功功率率产产生生的的信信号号光光电电流流is等等于于噪噪声声电电

103、流流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。115n依照这一判据，定义探测器的能量阈依照这一判据，定义探测器的能量阈Pth为为若若Ri=10A/W，in=0.01A，则，则能能量阈量阈Pth0.001W。也。也就是说，小于就是说，小于0.001微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，以，能能量阈是探测器所能探测的最小光信号功率量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。(3) (3) 能量阈能量阈P Pthth116(4) (4) 等效噪声功率（等效噪声功率（NEPNEP）n同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，这就是同一

104、个问题，还有另一种更通用的表述方法，这就是等效噪声功率等效噪声功率NEP。它定义为单位信噪比时的信号光。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比功率。信噪比SNR定义为定义为(电压信噪比电压信噪比)(电流信噪比电流信噪比)显显然然，NEP越越小小，表表明明探探测测器器探探测测微微弱弱信信号号的的能能力力越越强。所以强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。是描述光电探测器探测能力的参数。117(4) (4) 等效噪声功率（等效噪声功率（NEPNEP）n产生单位信噪比所需的入射功率产生单位信噪比所需的入射功率n给出了探测器能够探测的最小光功率给出了探测器能够探测的最小光功率 ，表征探测器，表

105、征探测器的探测能力。的探测能力。NEP越小，探测能力越强。越小，探测能力越强。由于噪声频谱很窄，为减小噪声影响，一般将探测器后面的放大器做由于噪声频谱很窄，为减小噪声影响，一般将探测器后面的放大器做成窄带通的，其中心频率为调制频率，这样，信号将不受损失而噪声可成窄带通的，其中心频率为调制频率，这样，信号将不受损失而噪声可以被滤去，从而使以被滤去，从而使NEP减小，这种情况下的减小，这种情况下的NEP定义为定义为118nNEP越小，探测器探测能力越高，不符合人越小，探测器探测能力越高，不符合人们们“越大越好越大越好”的习惯，于是取的习惯，于是取NEP的倒数的倒数并定义为探测度并定义为探测度D，即

106、，即n这样，这样，D值大的探测器就表明其探测力高。值大的探测器就表明其探测力高。(5) (5) 归一化探测度归一化探测度D*(读作读作D星星)119n实际使用中，经常需要在同类型的不同探测器之间进行比实际使用中，经常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现较，发现“D值大的探测器其探测能力一定好值大的探测器其探测能力一定好”的结论并的结论并不充分。不充分。究其原因，主要是探测器光敏面积究其原因，主要是探测器光敏面积A和测量带宽和测量带宽f对对D值影响甚大。值影响甚大。n探测器的噪声功率探测器的噪声功率Nf，所以，所以n于是由于是由D 的定义知的定义知。n另一方面，探测器的噪声功率另一方面，探

107、测器的噪声功率N An所以所以，n又有又有。120n把两种因素一并考虑，把两种因素一并考虑，n为了消除这一影响，定义为了消除这一影响，定义n并称为归一化探测度。并称为归一化探测度。n这时就可以说：这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。大的探测器其探测能力一定好。n考虑到光谱的响应特性，一般给出考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长值时注明响应波长、光辐射调制频率光辐射调制频率f及测量带宽及测量带宽f，即，即D*(, f ,f )。如。如D*(500K,900 ,1 )表示是用表示是用500K黑体作光源，调制频率为黑体作光源，调制频率为900Hz，测量带宽为，测量带宽为1Hz

108、。121(6) (6) 频率响应频率响应n是是描描述述光光探探测测器器响响应应度度在在入入射射光光波波长长不不变变时时，随随入入射射光光调调制制频频率率f 变变化化的的特特性性参参数数。是是表表征征光光探探测测器器频频率率特特性性的的重重要要参参数数。当当器器件件的的输输出出信信号号功功率率降降到到零零频频时时的的一一半半，即即信信号号幅幅度度下下降降到到零零频频的的0.707时时，可得到器件的上限截止频率可得到器件的上限截止频率fc响应度响应度频率频率R(f)Ra0.707RaR(f)f122(7 )(7 )其它参数其它参数n暗电流：暗电流：指没有信号和背景辐射时通过指没有信号和背景辐射时通

109、过探测器的电流。探测器的电流。n工作温度：工作温度：对于非冷却型探测器指环境对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度。温度。n响应时间：响应时间：指探测器将入射辐射转变为指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的驰豫时间。信号电压或电流的驰豫时间。n光敏面积：光敏面积：指灵敏元的几何面积。指灵敏元的几何面积。123（7 7） 其它参数其它参数n光电探测器还有其它一些特性参数，在光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注意到，例如使用时必须注意到，例如光敏面积光敏面积，探，探测器测器电阻电阻，电容电容等。等。n特别是特别是极限工作条件极限

110、工作条件，正常使用时都不，正常使用时都不允许超过这些指标，否则会影响探测器允许超过这些指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。的正常工作，甚至使探测器损坏。n通常规定了通常规定了工作电压工作电压、电流电流、温度温度以及以及光照功率允许范围光照功率允许范围，使用时要特别加以，使用时要特别加以注意。注意。 1243、各种光子探测器件的性能比较、各种光子探测器件的性能比较和应用选择和应用选择n1、接收光信号的方式、接收光信号的方式n2、各种光子探测器件的性能比较、各种光子探测器件的性能比较n3、应用选择、应用选择125（1 1） 接收光信号的方式接收光信号的方式n判断信号的有无判断信号的

111、有无n如光电开关、光电报警等。这类光电系统检测由被如光电开关、光电报警等。这类光电系统检测由被测对象造成的投射到光电器件上的光信号的通过或测对象造成的投射到光电器件上的光信号的通过或者截断。者截断。n这时不关心光电器件的线性，而是关注其灵敏度。这时不关心光电器件的线性，而是关注其灵敏度。126（1 1） 接收光信号的方式接收光信号的方式n系统中的光信号按一定调制频率交替变化系统中的光信号按一定调制频率交替变化这种光电系统中的光强度信号被调制在一定的频这种光电系统中的光强度信号被调制在一定的频带内或某一调制频率下。带内或某一调制频率下。所选光电器件的截止频率光信号的调制频率。所选光电器件的截止频

112、率光信号的调制频率。127（1 1） 接收光信号的方式接收光信号的方式n检测光信号的幅度大小检测光信号的幅度大小被测对象本身光辐射的强度发生变化；被测对象本身光辐射的强度发生变化；被测对象因对光的反射率、透过率发生变化；被测对象因对光的反射率、透过率发生变化；光电器件接收到的光照度亦随之变化。光电器件接收到的光照度亦随之变化。n为准确检测出这种变化，选择器件需注意：为准确检测出这种变化，选择器件需注意：灵敏度适当、线性好、响应快、动态范围合适。灵敏度适当、线性好、响应快、动态范围合适。如光敏二极管、光电倍增管。如光敏二极管、光电倍增管。128(1) (1) 接收光信号的方式接收光信号的方式n检

113、测光信号的色度差异检测光信号的色度差异被测对象造成光电器件接受到的色温发生变化；被测对象造成光电器件接受到的色温发生变化；被测对象本身的表面颜色发生变化。被测对象本身的表面颜色发生变化。n选择光谱特性合适的光电器件。选择光谱特性合适的光电器件。129(2 )(2 )各种光子探测器件的性能比较各种光子探测器件的性能比较n在时间响应和频率特性，即动态特性方在时间响应和频率特性，即动态特性方面：面：光电倍增管和光敏二极管较好；光电倍增管和光敏二极管较好；PINPIN光敏二极管和雪崩光敏二极管最好。光敏二极管和雪崩光敏二极管最好。n光电特性方面：光电特性方面：光电倍增管、光敏二极管和光电池的线性都较光

114、电倍增管、光敏二极管和光电池的线性都较好。好。130(2) (2) 各种光子探测器件的性能比较各种光子探测器件的性能比较n灵敏度方面：灵敏度方面：光光电电倍倍增增管管、雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管最最好好，光光敏敏电电阻和光敏晶体管较好。阻和光敏晶体管较好。n需需要要说说明明的的是是，灵灵敏敏度度高高不不一一定定就就是是输输出出电电流流大大。输输出出电电流流大大的的器器件件有有大大面面积积光光电电池池、光光敏敏电电阻阻、雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管和和光敏晶体管。光敏晶体管。131(2) (2) 各种光子探测器件的性能比较各种光子探测器件的性能比较n外加偏压：外加偏压：外外加加偏偏压压最最低低

115、的的是是光光敏敏二二极极管管和和光光敏敏晶晶体体管管，光电池不需加电源便可工作；光电池不需加电源便可工作；n暗电流：暗电流：光光电电倍倍增增管管和和光光敏敏二二极极管管最最小小，光光电电池池不不加加电电源源时时无无暗暗电电流流，加加反反向向偏偏压压后后暗暗电电流流比比光光电倍增管和光敏二极管要大；电倍增管和光敏二极管要大；132(2) (2) 各种光子探测器件的性能比较各种光子探测器件的性能比较n长期工作的稳定性方面：长期工作的稳定性方面：光敏二极管和光电池最好；光敏二极管和光电池最好；其次是光电倍增管和光敏晶体管；其次是光电倍增管和光敏晶体管；n光谱响应方面：光谱响应方面：光电倍增管和光敏电

116、阻最宽；光电倍增管和光敏电阻最宽；光电倍增管的响应偏在紫外方面，光敏电阻光电倍增管的响应偏在紫外方面，光敏电阻的响应偏向红外方面；的响应偏向红外方面；133(2) (2) 各种光子探测器件的性能比较各种光子探测器件的性能比较器件波长响应范围/nm光电特性直线性受光面积稳定性外形尺寸价格主要特点短波峰值长波光电管紫外红外好大良大大微光测量光电倍增管紫外红外最好大良大大快速、精密微光测量光敏电阻400640900差大一般中中多元阵列光开关Si光电池4008001200好最大最好中中象限光电池输出功率大Se光电池350550700好最大一般中中光谱接近人的视觉范围Si光敏二极管4007501000好

117、小最好最小低高灵敏度、小型、高速Si光敏三极管4007501000较好小良小低有电流放大134(3) (3) 应用选择应用选择na光光电电器器件件必必须须和和辐辐射射信信号号以以及及光光学学系系统统在在光光谱谱特性上相匹配。特性上相匹配。如如测测量量波波长长在在紫紫外外波波段段，则则可可选选光光电电倍倍增增管管或或专专门门的的紫外半导体光电器件；紫外半导体光电器件；如如果果信信号号是是可可见见光光，则则可可选选光光敏敏电电阻阻、硅硅光光电电器器件件或或光电倍增管；光电倍增管；对于红外信号，可选光敏电阻；对于红外信号，可选光敏电阻；近红外波段可选硅材料光电器件或光电倍增管。近红外波段可选硅材料光

118、电器件或光电倍增管。135(3) (3) 应用选择应用选择nb b光电器件与入射辐射能量在空间上对准。光电器件与入射辐射能量在空间上对准。a a、光光电电器器件件的的光光敏敏面面要要与与入入射射辐辐射射在在空空间间上上匹配好。匹配好。太太阳阳能能电电池池光光敏敏面面大大用用于于杂杂散散光光或或没没有有达达到到聚聚集集状状态态的的光光束束的接收。的接收。光光敏敏电电阻阻（光光调调可可变变电电阻阻）通通过过光光路路和和机机械械设设计计控控制制光光照照在在全部电阻体上，有效利用全部光敏面。全部电阻体上，有效利用全部光敏面。光光敏敏二二极极管管和和光光敏敏晶晶体体管管的的感感光光面面只只是是结结附附近

119、近的的一一个个极极小小的的面面积积用透镜把光聚焦到感光的光敏点上。用透镜把光聚焦到感光的光敏点上。136(3) (3) 应用选择应用选择nc c光光电电器器件件的的光光电电转转换换特特性性要要与与入入射射辐辐射射相相匹配。匹配。 通通常常使使入入射射辐辐射射通通量量的的变变化化中中心心处处于于光光电电器器件件的的线线性性范范围围内内，以以确确保保获获得得良良好的线性检测。好的线性检测。nd d对对于于微微弱弱光光信信号号，器器件件要要有有高高的的灵灵敏敏度度，以以保保证证一一定定的的信信噪噪比比和和足足够够强强的的输输出出电电信信号。号。137(3) (3) 应用选择应用选择ne光光电电器器件

120、件的的响响应应特特性性要要与与光光信信号号的的信信号号频频率率、调调制制形形式式和和波波形形相相匹匹配配，以以保保证证输输出波形没有频率失真和良好的时间响应。出波形没有频率失真和良好的时间响应。nf这这种种情情况况主主要要是是选选择择响响应应时时间间短短或或者者上上限限频频率率高高的的器器件件，同同时时在在电电路路上上也也要要注注意意匹匹配好动态参数。配好动态参数。138(3) (3) 应用选择应用选择ng光光电电器器件件还还应应和和后后继继电电路路在在电电特特性性上上相相互互匹匹配配，以以保保证证最最大大的的转转换换系系数数、线线性性范范围、信噪比以及快速的动态响应等。围、信噪比以及快速的动

121、态响应等。139(3) (3) 应用选择应用选择nh注注意意选选好好器器件件的的规规格格和和使使用用的的环环境境条条件件，以使器件具有长期工作的可靠性。以使器件具有长期工作的可靠性。ni当当工工作作条条件件超超过过最最大大限限额额时时，器器件件的的特特性性会会急急剧剧恶恶化化，特特别别是是超超过过电电流流容容限限值值后后，其其损损坏坏往往往往是是永永久久性性的的。使使用用的的环环境境温温度度和和电电流流容容限限一一样样，当当超超过过温温度度的的容容限限值值后后，往往往往会会引引起起缓缓慢慢的的特特性性恶化。恶化。140（4 4） 光电检测电路光电检测电路n大多数的光电器件都需要经过检测与转换电

122、路才大多数的光电器件都需要经过检测与转换电路才能实现光电信号的变换，通常的光电检测电路由能实现光电信号的变换，通常的光电检测电路由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。n核心：光电检测器件，是沟通光学量和电子系统的接口核心：光电检测器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节。环节。n重要环节：前置放大及耦合电路。重要环节：前置放大及耦合电路。n中间环节：输入电路，为光电器件提供正常的电路工作中间环节：输入电路，为光电器件提供正常的电路工作条件，同时也完成与前置放大及耦合电路的电路匹配。条件，同时也完成与前置放大及耦合电路的电路匹配。光电检测器件光电检测器件

123、输入电路输入电路前置放大器前置放大器141（4 4 ）光电检测电路的设计要求）光电检测电路的设计要求na、光电转换能力强、光电转换能力强nn将光信号转变为适合的电信号，是实现光电检测的将光信号转变为适合的电信号，是实现光电检测的先决条件。所以光电转换能力的高低对整个光电检测系先决条件。所以光电转换能力的高低对整个光电检测系统具有至关重要的影响和作用。因此，具备较强的光电统具有至关重要的影响和作用。因此，具备较强的光电转换能力，是对光电检测电路的最基本要求。转换能力，是对光电检测电路的最基本要求。nn表示光电转换能力强弱的参数，通常采用光电灵敏表示光电转换能力强弱的参数，通常采用光电灵敏度，即单

124、位输入光信号的变化量所引起的输出信号的变度，即单位输入光信号的变化量所引起的输出信号的变化量。化量。142（4 4） 光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求nb、动态响应速度快、动态响应速度快nn光电检测电路应满足信号通道所要求的频率选择性光电检测电路应满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。或对瞬变信号的快速响应。143（4 4） 光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求nc、信号检测能力强、信号检测能力强nn信号检测能力，主要是指光电检测电路输出信号中信号检测能力，主要是指光电检测电路输出信号中有用信号成分的多少，常用信噪比、功率等参数表征。有用信号成分的多少，常用

125、信噪比、功率等参数表征。通常要求光电检测电路具有可靠检测所必须的信噪比或通常要求光电检测电路具有可靠检测所必须的信噪比或最小可检测信号功率。最小可检测信号功率。144（4 4 ）光电检测电路的设计要求）光电检测电路的设计要求nd、稳定性、可靠性好、稳定性、可靠性好nn光光电电检检测测电电路路在在长长期期工工作作的的情情况况下下应应该该稳稳定定、可可靠靠，特特别别是是在在一一些些特特殊殊场场合合下下，对对稳稳定定性性、可可靠靠性性的的要要求求会会更高。更高。1454.3.1 4.3.1 光波的解调光波的解调n强度调制的解调强度调制的解调n输入：输入：n输出：输出：特点：对于强度调制信号，采用直接

126、探测便可获得特点：对于强度调制信号，采用直接探测便可获得不失真解调。不失真解调。1464.3.1 4.3.1 光波的解调光波的解调n振幅调制的解调振幅调制的解调n输入：输入：n输出：输出：开平方运算：开平方运算：模拟电路运算成本低，速度高，但精度较差；模拟电路运算成本低，速度高，但精度较差；数值运算一般由计算机完成，可达到相当高的精度，但成本较高，数值运算一般由计算机完成，可达到相当高的精度，但成本较高，且速度稍低。且速度稍低。147WollastonRochonSenarmont4.3.1 4.3.1 光波的解调光波的解调n偏振调制的解调偏振调制的解调n偏振分光棱镜的原理偏振分光棱镜的原理1

127、21212148Wollaston棱镜棱镜1494.3.1 4.3.1 光波的解调光波的解调nWollaston棱镜的取向使得当未受到偏振棱镜的取向使得当未受到偏振调制时调制时I1和和I2的光强相等。的光强相等。n两路光的振幅为：两路光的振幅为：当偏振面转动当偏振面转动 后：后：1504.3.1 4.3.1 光波的解调光波的解调n可以证明，两路信号的光强与角度可以证明，两路信号的光强与角度 有如下关系有如下关系：n特点：特点：n可以消除光源波动可以消除光源波动n无传输通道的干扰的影响无传输通道的干扰的影响1514.3.1 4.3.1 光波的解调光波的解调n频率及相位调制的解调频率及相位调制的解

128、调n信号预处理：将频率或相位信息转化为光强信息。信号预处理：将频率或相位信息转化为光强信息。信号光信号光s参考光参考光0输出信号输出信号光电接收器光电接收器放大器放大器1524.3.1 4.3.1 光波的解调光波的解调n设设Es(信信号号光光)和和Eo(参参考考光光)为为平平面面波波，对对于于探探测测器器接接收面上，则可认为空间定点，故收面上，则可认为空间定点，故Es和和Eo可表示为：可表示为：在探测器在探测器D处，总光场为：处，总光场为：153和频分量和频分量二倍参考光频二倍参考光频二倍信号光频二倍信号光频外差检测原理外差检测原理n在光混频器上的输出光强为：在光混频器上的输出光强为：直流分量

129、直流分量差频分量差频分量光学外差信号表达式！光学外差信号表达式！154说说明明n在外差干涉信号中，参考光束（又称为本机振荡光束或简称本振光）是在外差干涉信号中，参考光束（又称为本机振荡光束或简称本振光）是两相干光的光频率和相位的比较基准。两相干光的光频率和相位的比较基准。n信号光可以是由本振光分束后经调制形成，也可以采用独立的相干光源信号光可以是由本振光分束后经调制形成，也可以采用独立的相干光源保持与本振光波的频率跟踪和相位同步。前者多用于干涉测量，后者用保持与本振光波的频率跟踪和相位同步。前者多用于干涉测量，后者用于相干通信。于相干通信。n不论用哪种方式，由上式可知在保持不论用哪种方式，由上

130、式可知在保持本振光的本振光的E0、 0、0不变的前提下，不变的前提下，外差信号的振幅、频率和相位可以表征信号光波的特征参量外差信号的振幅、频率和相位可以表征信号光波的特征参量Es、 s、s，即信号光的参量受到被测信息调制，外差信号能够无畸变地精确复制，即信号光的参量受到被测信息调制，外差信号能够无畸变地精确复制这些调制信号。这些调制信号。155调幅信号调幅信号n如信号光振幅如信号光振幅Es受频谱如图的调制信号受频谱如图的调制信号F(t)的调制，则的调制，则调制信号调制信号的振幅的振幅调制信号调制信号的调制度的调制度调制信号的调制信号的角频率角频率调制信号的调制信号的相位相位156n可见，信号光

131、波振幅上所载荷的调制被转换到了外差信号上去。可见，信号光波振幅上所载荷的调制被转换到了外差信号上去。对于其他调制方式也有类似的结果，这是直接探测所不可能到达对于其他调制方式也有类似的结果，这是直接探测所不可能到达的。的。157光波的解调光波的解调零差检测零差检测零差检测零差检测简化化计算，令算，令 0 ，则158说明说明n上上式式表表明明零零差差探探测测能能无无畸畸变变地地获获得得信信号号的原形，只是包含了本振光振幅的影响。的原形，只是包含了本振光振幅的影响。n此此外外，在在信信号号光光不不作作调调制制时时，零零差差信信号号只只反反映映相相干干光光振振幅幅和和相相位位的的变变化化而而不不能能反

132、映频率的变化。反映频率的变化。159光波的解调光波的解调n以上各种采用相干以上各种采用相干(零差或外差零差或外差)法的解调方法，法的解调方法，从理论上讲是可行的，而且在信噪比灵敏度等方面比从理论上讲是可行的，而且在信噪比灵敏度等方面比直接探测有明显的优点，但在具体应用时，由于灵敏直接探测有明显的优点，但在具体应用时，由于灵敏度非常高，故对干扰信号同样也很敏感。度非常高，故对干扰信号同样也很敏感。n例如，对于相位调制，要求信号光和参考光的频例如，对于相位调制，要求信号光和参考光的频率和振幅，以及参考光的相位要非常稳定，否则使对率和振幅，以及参考光的相位要非常稳定，否则使对相位的探测下限急剧恶化。

133、这就要求采取许多措施来相位的探测下限急剧恶化。这就要求采取许多措施来稳定这些因素，从而使复杂性增大和成本增大，增大稳定这些因素，从而使复杂性增大和成本增大，增大的程度随探测灵敏度而变，故除非在对灵敏度要求非的程度随探测灵敏度而变，故除非在对灵敏度要求非常高的场合，一般很少采用相干探测。同理，一般也常高的场合，一般很少采用相干探测。同理，一般也是以可用于直接探测的强度调制、振幅调制方法使用是以可用于直接探测的强度调制、振幅调制方法使用得居多。得居多。1604.3.2 4.3.2 特殊探测方法特殊探测方法n弱信号探测的意义弱信号探测的意义n考虑问题的关键考虑问题的关键抑制噪声，提高信抑制噪声，提高

134、信噪比噪比n分析噪声和信号的特点，寻找可供分离分析噪声和信号的特点，寻找可供分离的依据的依据n几种方法的特点几种方法的特点161弱光检测弱光检测n光光信信号号测测量量常常常常会会出出现现背背景景噪噪声声或或干干扰扰很很大大而而待待测测信信号号却却十十分分微微弱弱、几几乎乎被被噪噪声声淹淹没没的的情况。情况。n例例如如，对对于于空空间间物物体体的的检检测测，常常常常伴伴随随着着强强烈烈的的背背景景噪噪声声；在在光光谱谱学学测测量量中中特特别别是是吸吸收收光光谱谱的的弱弱谱谱线线更更是是容容易易被被环环境境辐辐射射或或检检测测器器件件的的内内部部噪噪声声所所淹淹没没。这这样样就就使使得得通通过过光

135、光电电探探测测器器转转换换后后得得到到的的光光电电信信号号的的信信噪噪比比（S/N）很很小。小。1621、特殊探测方法之光子计数法、特殊探测方法之光子计数法n 光光子子计计数数法法是是专专用用于于光光电电倍倍增增管管的的一一种种探探测测微微弱弱光光信信号号的的方方法法，目目前前已已有有采采用用APD管管来来实实现现的的例例子子。光光子子计计数数法法就就是是利利用用了了信信号号和和噪噪声声脉脉冲冲高高度度的的区区别别，将将信信号号脉脉冲冲和和噪噪声声脉脉冲冲予予以以分分离离，只只对对信信号号脉脉冲计数，从而能大大提高信噪比。冲计数，从而能大大提高信噪比。163基本光子计数系统基本光子计数系统n微

136、弱光信号检测一般以光电倍增管为检测器，光子计数系统就是微弱光信号检测一般以光电倍增管为检测器，光子计数系统就是利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子技术测利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子技术测量极微弱光脉冲信号的系统。量极微弱光脉冲信号的系统。光电倍增管光电倍增管光子光子放大器放大器鉴别器鉴别器计数器计数器输出输出1641 1、特殊探测方法之光子计数法、特殊探测方法之光子计数法n窗口电平的选择窗口电平的选择 完完成成分分离离信信号号脉脉冲冲和和噪噪声声脉脉冲冲的的关关键键装装置置是是脉脉冲冲鉴鉴别别器器，它它实实际际上上就就是是一一种种窗窗口口比比较较器器。设设窗

137、窗口口的的上上、下下限限为为VH和和VL，则则只只有有当当输输入入信信号号落落入入窗窗口口内内(即即VLVSVH)时时，该该比比较较器器才才输输出出一一个个记记数数脉脉冲冲，而而幅幅值值处处于于窗窗口口外外的的任任何何脉脉冲冲信信号号则则被被视视为为噪噪声声，不不予予记记数数，从从而而能能大大大大提提高高信信噪噪比比。 VL和和VH的值与光电倍增管的脉高分布曲线以及工作电压有关的值与光电倍增管的脉高分布曲线以及工作电压有关 。t信号脉冲形信号脉冲形成的峰值成的峰值VLVHU多光子脉冲多光子脉冲形成的峰值形成的峰值165光子计数的基本过程光子计数的基本过程a、用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包

138、、用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声在内的输出光脉冲。括噪声在内的输出光脉冲。b、利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光、利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过。子脉冲，只允许单光子脉冲通过。c、利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测、利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量。量目的，折算出被测参量。d、为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用、为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。双通道测量方法。1662 2、特殊探测方法之相关探测、特殊探测方法之相关探测相关的定义：相关的定义：输入信号：输入信号：参考信号：参考信号：相关运算结果：相

139、关运算结果：特点：能够剔除信号内包含的噪声！特点：能够剔除信号内包含的噪声！167相关探测的应用相关探测的应用n锁定放大器锁定放大器对对交交流流信信号号进进行行相相敏敏检检波波的的放放大大器器。它它不不仅仅利利用用信信号号的的频频率率特特性性，同同时时还还抓抓住住信信号号的的相相位位特特点点，即即“锁锁定定”信信号号的的频频率率和和相相位位。这这样样，噪噪声声的的频频率率既既要要落落在在信信号号通通带带之之内内，又又要要和和信信号号的的位位相相相相同同才才能能有有响响应应，而而这这样样的的几几率率是非常小的。是非常小的。振振荡荡驱动驱动探头探头O/E可变延时可变延时乘乘法法器器积分积分低通滤波低通滤波输出输出光光源源P(t)1683 3、特殊探测方法之取样积分、特殊探测方法之取样积分n输入信号及其信噪比为：输入信号及其信噪比为：n经过经过M次迭加后：次迭加后：n输出信号的信噪比：输出信号的信噪比：n特点：能够从强噪声中提取信息特点：能够从强噪声中提取信息169