【正文】 存在一個(gè)最低頻率 ν0， 只有入射光頻率大于 ν0才能有響應(yīng)信號輸出 ， 相應(yīng)存在一個(gè)探測波長極限λc， 在 λ＜ λc時(shí)探測器對于某一頻率 （ 波長 ） 光的響應(yīng)與探測器對該波長的吸收速率 ， 即單位時(shí)間內(nèi)入射的光子數(shù)密度成正比 ， 因而 λ＜ λc時(shí) ， 其響應(yīng)隨著波長的增加而呈線性上升 。而 λ＞ λc時(shí) ， 光譜響應(yīng)曲線迅速下降到零 。 相對輸出 波長 隨波長線性增長區(qū) 峰值區(qū) 急劇下降區(qū) λc 114 (3 )能量閾 Pth ? 從響應(yīng)度 R的定義式 ? 可見，如果 P＝ 0，應(yīng)有 Is =0 ? 實(shí)際情況是，當(dāng) P＝ 0時(shí)，光電探測器的輸出電流并不為零。 ? 這個(gè)電流稱為 暗電流或噪聲電流 ，記為 ? 它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。 ? 顯然，這時(shí)響應(yīng)度 R 巳失去意義，我們必須定義一個(gè)新參量來描述光電探測器的這種特性。 PIR s?2/12 )(nn ii ?115 ? 考慮到這個(gè)因素之后，一個(gè)光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換過程的模型如圖所示。 光電 效應(yīng) s i n i s P b P 內(nèi)部 噪聲 信號加 噪聲 電流 增益 放大器過程 輸出 圖中的光功率 Ps和 Pb分別為信號和背景光功率 。 可見 ， 即使 Ps和 Pb都為零 ， 也會有噪聲輸出 。 噪聲的存在 ， 限制了探測微弱信號的能力 。 通常認(rèn)為 ， 如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流 is等于噪聲電流 in， 那么就認(rèn)為剛剛能探測到光信號存在 。 116 ? 依照這一判據(jù)，定義探測器的能量閾 Pth為 )(瓦inth RiP ? 若 Ri=10μA/μW， in=，則能量閾 Pth＝ 。也就是說，小于 ，所以， 能 量閾是探測器所能探測的最小光信號功率 。 (3) 能量閾 Pth 117 (4) 等效噪聲功率（ NEP） ? 同一個(gè)問題，還有另一種更通用的表述方法，這就是等效噪聲功率 NEP。它定義為單位信噪比時(shí)的信號光功率。信噪比 SNR定義為 nsuu?S N R(電壓信噪比 ) nsii?S N R(電流信噪比 ) 顯然 ， NEP越小 ， 表明探測器探測微弱信號的能力越強(qiáng) 。 所以 NEP是描述光電探測器探測能力的參數(shù) 。 1)S N R(N E P????????isissnisssinth PSN RPiiRiiiRiP118 (4) 等效噪聲功率（ NEP） ? 產(chǎn)生單位信噪比所需的入射功率 ? 給出了探測器能夠探測的最小光功率 ，表征探測器的探測能力。 NEP越小，探測能力越強(qiáng)。 sNVVN E P ?? P 由于噪聲頻譜很窄，為減小噪聲影響，一般將探測器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率為調(diào)制頻率，這樣，信號將不受損失而噪聲可以被濾去，從而使 NEP減小，這種情況下的 NEP定義為 ? ?? ?ns21VVN E PfP ??119 ? NEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取 NEP的倒數(shù)并定義為探測度 D，即 ? 這樣， D值大的探測器就表明其探測力高。 )(N E P1 1?? 瓦D(5) 歸一化探測度 D*(讀作 D星 ) 120 ? 實(shí)際使用中，經(jīng)常需要在同類型的不同探測器之間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)“ D值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不充分。 究其原因，主要是探測器光敏面積 A和測量帶寬Δf對 D值影響甚大。 ? 探測器的噪聲功率 N ∝ Δf，所以 ? 于是由 D 的定義知 。 ? 另一方面，探測器的噪聲功率 N ∝ A ? 所以 ， ? 又有 。 )( fi n ??21)( ??? fD21)( Ain ?21)( ?? AD? ?? ?ns21VVN E PfP ??121 ? 把兩種因素一并考慮， ? 為了消除這一影響，定義 ? 并稱為歸一化探測度。 ? 這時(shí)就可以說： D*大的探測器其探測能力一定好。 ? 考慮到光譜的響應(yīng)特性，一般給出 D*值時(shí)注明響應(yīng)波長 λ、光輻射調(diào)制頻率 f及測量帶寬 Δf，即 D*(λ, f ,Δf )。如D*(500K,900 ,1 )表示是用 500K黑體作光源，調(diào)制頻率為900Hz，測量帶寬為 1Hz。 21)( ??? fADfADD ??*)W/Hzcm( 21?122 (6) 頻率響應(yīng) ? 是描述光探測器響應(yīng)度在入射光波長不變時(shí) ， 隨入射光調(diào)制頻率f 變化的特性參數(shù) 。 是表征光探測器頻率特性的重要參數(shù) 。 當(dāng)器件的輸出信號功率降到零頻時(shí)的一半 ， 即信號幅度下降到零頻的 ，可得到器件的上限截止頻率 fc 響應(yīng)度 頻率 R(f) Ra R(f) f ??21?Zf123 (7 )其它參數(shù) ? 暗電流： 指沒有信號和背景輻射時(shí)通過探測器的電流。 ? 工作溫度： 對于非冷卻型探測器指環(huán)境溫度，對于冷卻型探測器指冷卻源標(biāo)稱溫度。 ? 響應(yīng)時(shí)間： 指探測器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯妷夯螂娏鞯鸟Y豫時(shí)間。 ? 光敏面積： 指靈敏元的幾何面積。 124 （ 7） 其它參數(shù) ? 光電探測器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時(shí)必須注意到，例如 光敏面積 ，探測器 電阻 ， 電容 等。 ? 特別是 極限工作條件 ，正常使用時(shí)都不允許超過這些指標(biāo)，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。 ? 通常規(guī)定了 工作電壓 、 電流 、 溫度 以及光照功率允許范圍 ，使用時(shí)要特別加以注意。 125 各種光子探測器件的性能比較和應(yīng)用選擇 ? 接收光信號的方式 ? 各種光子探測器件的性能比較 ? 應(yīng)用選擇 126 （ 1） 接收光信號的方式 ? ① 判斷信號的有無 ? 如光電開關(guān)、光電報(bào)警等。這類光電系統(tǒng)檢測由被測對象造成的投射到光電器件上的光信號的通過或者截?cái)唷? ? 這時(shí)不關(guān)心光電器件的線性，而是關(guān)注其靈敏度。 127 （ 1） 接收光信號的方式 ? ② 系統(tǒng)中的光信號按一定調(diào)制頻率交替變化 ? 這種光電系統(tǒng)中的光強(qiáng)度信號被調(diào)制在一定的頻帶內(nèi)或某一調(diào)制頻率下。 ? 所選光電器件的截止頻率＞光信號的調(diào)制頻率。 128 （ 1） 接收光信號的方式 ? ③ 檢測光信號的幅度大小 ? 被測對象本身光輻射的強(qiáng)度發(fā)生變化； ? 被測對象因?qū)獾姆瓷渎?、透過率發(fā)生變化； ? 光電器件接收到的光照度亦隨之變化。 ? 為準(zhǔn)確檢測出這種變化，選擇器件需注意： 靈敏度適當(dāng)、線性好、響應(yīng)快、動態(tài)范圍合適。 如光敏二極管、光電倍增管。 129 (1) 接收光信號的方式 ? ④ 檢測光信號的色度差異 ? 被測對象造成光電器件接受到的色溫發(fā)生變化； ? 被測對象本身的表面顏色發(fā)生變化。 ? 選擇光譜特性合適的光電器件。 130 (2 )各種光子探測器件的性能比較 ? ① 在時(shí)間響應(yīng)和頻率特性，即動態(tài)特性方面： ? 光電倍增管和光敏二極管較好； ? PIN光敏二極管和雪崩光敏二極管最好。 ?②光電特性方面： ? 光電倍增管、光敏二極管和光電池的線性都較好。 131 (2) 各種光子探測器件的性能比較 ? ③ 靈敏度方面： ? 光電倍增管 、 雪崩光敏二極管最好 ， 光敏電阻和光敏晶體管較好 。 ? 需要說明的是 ， 靈敏度高不一定就是輸出電流大 。 輸出電流大的器件有大面積光電池 、 光敏電阻 、 雪崩光敏二極管和光敏晶體管 。 132 (2) 各種光子探測器件的性能比較 ? ④ 外加偏壓： ? 外加偏壓最低的是光敏二極管和光敏晶體管 ，光電池不需加電源便可工作； ? ⑤ 暗電流： ? 光電倍增管和光敏二極管最小 ， 光電池不加電源時(shí)無暗電流 ， 加反向偏壓后暗電流比光電倍增管和光敏二極管要大； 133 (2) 各種光子探測器件的性能比較 ? ⑥ 長期工作的穩(wěn)定性方面： ? 光敏二極管和光電池最好； ? 其次是光電倍增管和光敏晶體管； ? ⑦光譜響應(yīng)方面： ? 光電倍增管和光敏電阻最寬； ? 光電倍增管的響應(yīng)偏在紫外方面，光敏電阻的響應(yīng)偏向紅外方面； 134 (2) 各種光子探測器件的性能比較 器件 波長響應(yīng)范圍 /nm 光電特性直線性 受光面積 穩(wěn)定性 外形尺寸 價(jià)格 主要特點(diǎn) 短波 峰值 長波 光電管 紫外 紅外 好 大 良 大 大 微光測量 光電倍增管 紫外 紅外 最好 大 良 大 大 快速、精密微光測量 光敏電阻 400 640 900 差 大 一般 中 中 多元陣列光開關(guān) Si光電池 400 800 1200 好 最大 最好 中 中 象限光電池輸出功率大 Se光電池 350 550 700 好 最大 一般 中 中 光譜接近人的視覺范圍 Si光敏二極管 400 750 1000 好 小 最好 最小 低 高靈敏度、小型、高速 Si光敏三極管 400 750 1000 較好 小 良 小 低 有電流放大 135 (3) 應(yīng)用選擇 ? a光電器件必須和輻射信號以及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上相匹配 。 ? 如測量波長在紫外波段 ， 則可選光電倍增管或?qū)ｉT的紫外半導(dǎo)體光電器件； ? 如果信號是可見光 ， 則可選光敏電阻 、 硅光電器件或光電倍增管； ? 對于紅外信號 ， 可選光敏電阻； ? 近紅外波段可選硅材料光電器件或光電倍增管 。 136 (3) 應(yīng)用選擇 ? b光電器件與入射輻射能量在空間上對準(zhǔn) 。 ? a、 光電器件的光敏面要與入射輻射在空間上匹配好 。 ? 太陽能電池光敏面大 —— 用于雜散光或沒有達(dá)到聚集狀態(tài)的光束的接收 。 ? 光敏電阻 （ 光調(diào)可變電阻 ） —— 通過光路和機(jī)械設(shè)計(jì)控制光照在全部電阻體上 ， 有效利用全部光敏面 。 ? 光敏二極管和光敏晶體管的感光面只是結(jié)附近的一個(gè)極小的面積 —— 用透鏡把光聚焦到感光的光敏點(diǎn)上 。 137 (3) 應(yīng)用選擇 ? c光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性要與入射輻射相匹配 。 通常使入射輻射通量的變化中心處于光電器件的線性范圍內(nèi) ， 以確保獲得良好的線性檢測 。 ? d對于微弱光信號 ， 器件要有高的靈敏度 ，以保證一定的信噪比和足夠強(qiáng)的輸出電信號 。 138 (3) 應(yīng)用選擇 ? e光電器件的響應(yīng)特性要與光信號的信號頻率 、 調(diào)制形式和波形相匹配 ， 以保證輸出波形沒有頻率失真和良好的時(shí)間響應(yīng) 。 ? f這種情況主要是選擇響應(yīng)時(shí)間短或者上限頻率高的器件 ， 同時(shí)在電路上也要注意匹配好動態(tài)參數(shù) 。 139 (3) 應(yīng)用選擇 ? g光電器件還應(yīng)和后繼電路在電特性上相互匹配 ， 以保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù) 、 線性范圍 、 信噪比以及快速的動態(tài)響應(yīng)等 。 140 (3) 應(yīng)用選擇 ? h注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件 ，以使器件具有長期工作的可靠性 。 ? i當(dāng)工作條件超過最大限額時(shí) ， 器件的特性會急劇惡化 ， 特別是超過電流容限值后 ， 其損壞往往是永久性的 。 使用的環(huán)境溫度和電流容限一樣 ，當(dāng)超過溫度的容限值后 ， 往往會引起緩慢的特性惡化 。 141 （ 4） 光電檢測電路 ? 大多數(shù)的光電器件都需要經(jīng)過檢測與轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號的變換，通常的光電檢測電路由光電檢測器件、輸入電路和前置放大器組成。 ? 核心：光電檢測器件，是溝通光學(xué)量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)。 ? 重要環(huán)節(jié)：前置放大及耦合電路。 ? 中間環(huán)節(jié)：輸入電路，為光電器件提供正常的電路工作條件，同時(shí)也完成與前置放大及耦合電路的電路匹配。 光電檢測器件 輸入電路 前置放大器 142 （ 4 ）光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求 ? a、光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng) ? ? 將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合的電信號，是實(shí)現(xiàn)光電檢測的先決條件。所以光電轉(zhuǎn)換能力的高低對整個(gè)光電檢測系統(tǒng)具有至關(guān)重要的影響和作用。因此，具備較強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換能力，是對光電檢測電路的最基本要求。 ? ? 表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度，即單位輸入光信號