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光电信号处理第一章第一章绪绪论论光电系统的构成:光电系统：以光波作为信息或能量载体，实现传感、传输、显示、控制等功能的系统。按辐射源来分：主动光电系统和被动光电系统。一般地，一个光电系统（被动）的构成如下：一个典型的光电系统一般由五部分组成：光学镜头、光电探测器、前置放大器、信号处理电路、计算机。光电探测器是光电系统的核心，其他部分都是围绕光电探测器来设计的。典型光电系统举例典型光电系统举例————数码相机数码相机光学镜头光电图像传感器CCD/CMOS信号处理显示存储主要工作主要工作总体：智能光电仪器研制●光电探测器选择●光学系统设计●硬件电路设计●嵌入式软件●精密机械设计电子线路等课程：电路和信号处理的知识;光电系统的特点：输出的电信号十分微弱当探测器输出的信号十分微弱时，噪声和干扰的影响就不能忽视。探测器的偏置电路、前置放大器都要进行特殊的考虑，即：低噪声电子设计当探测器输出的信号十分微弱，小到甚至被噪声所淹没，这时要从噪声中分离出有用信号，就要采用特殊的方法，即：微弱信号检测的方法。本课程的主要内容：本课程的主要内容：低噪声电子设计微弱信号检测光电图像信号处理研究对象：光电信号——光电探测器输出的信号光电图像信号——光电成像器件（图像传感器）输出的信号教材：叶嘉雄常大定等光电系统与信号处理科学出版社参考书：汪文杰曾学文施建华光电技术科学出版社作业作业11：：1.画出主动光电系统框图，说明各个部分的作用，并举一例。2.画出被动光电系统框图，说明各个部分的作用，并举一例。3.将光电探测器按探测的物理原理、响应波段、探测器的几何结构分别分类，并各举一例。第一章第一章绪绪论论§1.1光电探测器概述§1.2噪声的基本知识§1.3噪声的关联与相加§1.4含多个噪声源的电路及其计算法则§1.5等效噪声带宽§1.6噪声的基本属性z由于光电探测器的相关知识与本课程有重要关系，z所以，首先介绍有关探测器的基本知识。§§1.11.1光电探测器概述光电探测器概述§1.1.1光电探测器原理§1.1.2光电探测器的性能参数§1.1.3辐射度学与光度学基础1.1.11.1.1光电探测器原理光电探测器原理光电探测器：光Æ电●光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，作用：发现信号、测量信号，并为随后的应用提供必要的信息。●光电探测器的分类光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是：利用各种光子效应的光子探测器另一类是：利用光热（温度变化）效应的热（电）探测器光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强器光敏电阻光电池光电二极管（PIN、APD）光电三极管位置传感器PSD电荷耦合器件CCDCMOS图像传感器真空器件固体器件光子探测器热探测器光电探测器热电偶和热电堆测辐射热计热释电探测器光电探测器的分类一．光子探测器一．光子探测器●特点：入射光子和材料中的电子发生各种直接相互作用，即光电子效应。所用的材料：大多数为半导体。●光电效应器件：外光电效应器件：器件材料中的电子吸收了入射光的光子能量以后．逸出材料表面，产生了光电子发射，这种器件称为外光电效应器件。内光电效应器件：光电导效应、光生伏特效应的器件，吸收了入射光的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴。11光电子发射探测器光电子发射探测器●光电子发射效应也称外光电效应。入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。●产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。因此，光电子发射存在长波限，●光子能量hc／λ低于阴极材料逸出功就不能产生光电子发射。●阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。●利用光电子发射效应的探测器：光电子发射探测器典型器件：光电管光电倍增管PMT●真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应要求极快的场合。●光电倍增管它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。光电倍增管（PMT）光电倍增管由五个主要部分组成光窗光电阴极电子光学系统电子倍增系统阳极z光电子发射探测器主要是可见光探测器，因为对红外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲和势光电阴极，z它们的响应波长也只扩展到1．25μm，只适用于近红外的探测，z因此在红外系统中应用不多。22光电导探测器光电导探测器PCPC————内光电效应内光电效应光电导是应用最广泛的光电子效应●原理：入射光子与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对(本征光电导)、自由电子或空穴(非本征光电导)，从而使半导体材料的电导增加。特征：光子所激发的载流子仍保留在材料内部，是一种内光电效应。●利用光电导效应的探测器：光电导探测器典型器件：光敏电阻光电导体电极电极光电流Ip符号在均匀的光电导体两端加上电极后构成为光敏电阻，两电极加上一定电压，当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中电流会发生变化，电流变化的大小与光照射的强度有关。光敏电阻的工作原理：●光电导探测器响应范围根据器件材料不同可从可见光、近红外延伸至远红外；●与工作温度有关，冷却可以使光谱响应曲线的峰值和长波限向长波方向移动，同时可提高器件的灵敏度；●光电导探测器是均质型器件，没有极性之分，工作时必须外加偏压(偏流)，并应注意选择正确工作温度和最佳偏压(或偏流)，以便充分发挥器件性能。光敏电阻的特点：33光伏探测器光伏探测器PVPV●光伏（光生伏特）效应：是半导体受光照射产生电动势的现象。是另一种应用广泛的内光电效应，光----电压(伏特）●与光电导效应不同之处：存在内部势垒，将正、负载流子在空间上分离有光照射时，若PN结电路接负载电阻RL，在PN结内出现两种相反的电流：光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下，形成光生电流大小Ip与光照有关，方向与PN结反向。RLIpID●通常用PN结来实现这种效应NP●当入射光子在PN结及其附近产生电子—空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。●如果在外电路中把P区和N区短接，就产生反向的短路信号电流。●假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在N区和P区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。●结型光伏探测器工作时可以不加偏置电压，不加偏置电压光伏探测器——光电池。●如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的光伏探测器——光电二极管。●常用的光伏探测器有：光电池、光电二极管光电三极管雪崩光电二极管(APD管)PIN光电二极管(PIN管)光子探测器的特点：●是一种波长选择性探测器，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即光子的波长要短于长波限。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因而也就不能被探测出来。另一方面．波长短于长波限的入射辐射，当功率一定时，波长愈短，光子数就愈少。因此理论上光子探测器的响应率应与波长成正比。●速度高二．热探测器二．热探测器●热探测器对光辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现象，即光热效应。●光热效应的特点：入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这又引起物质的温度上升，从而导致与温度有关的材料的某些物理性质的变化。●热电探测器的简单模型：●与光电效应有本质的不同，光热效应与入射辐射的单个光子的能量没有直接关系。因此，热效应一般与波长无关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成份无关，即热探测器对光辐射的响应无波长选择性●光热效应可以产生：温差电效应电阻率变化效应自发极化强度的变化效应等●利用这些效应可制作各种热探测器。11热电偶和热电堆热电偶和热电堆（测辐射）（测辐射）●当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过这两点的闭合回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。●温差电效应包括塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊效应。塞贝克塞贝克(seebeck)(seebeck)效应：效应：z当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同温度(两结点间的温差为ΔT)时．在两点之间就产生一个电动势；z这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应。z其中产生的电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，z上述回路称为热电偶。z产生塞贝克电动势的原因：是由于受热不均匀的两结点的接触电位差不同所致。z热电偶和热电堆的原理性结构如图所示多个热电偶串联起来即成为热电堆。接收辐射一端称为热端，另一端称为冷端。测辐射热电堆：z测辐射热电堆：为了增加信号电压z工艺：在衬底上蒸上一层金属膜，然后再蒸上第二种材科与第一层膜部分重叠，从而形成若干接触点。z缺点：输出电信号比许多光子探测器弱z优点：不需要电偏置和致冷，z应用广泛。22测辐射热计测辐射热计(Bolometer)●原理：当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，半导体材料的电阻会降低。电阻温度效应●从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率，利用材料的电阻变化制成的热探测器测辐射热计测辐射热计结构示意图：红外成像——红外热像仪可见光成像热红外成像●材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数αT来表征。●实验研究发现：材料温度从T改变到了T+ΔT，材料的阻值改变量ΔR只与材料的阻值R及温度改变量ΔT成正比，即：ΔR=αTRΔT当ΔT足够小时，则有：dR=αTRdT由此得到：αT=dTdRR1●电阻温度系数αT与材料的种类和温度有关，是描述测辐射热器材料的电阻值对温度变化灵敏程度的基本参数。●当温度变化时，αT值越大，其电阻阻值变化就越大；αT值越小，其电阻阻值变化就越小●在室温下，金属材料的αT约为0.0033，半导体材料的αT值约为-0.033；比金属材料的αT值大一个数量级。3热释电探测器●某些晶体(如硫酸三甘肽—TGS、铌酸锂—LiNbO3等)受光照射时温度升高，从而在晶体的特定方向上由于自发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。这种现象称为热释电效应。●热释电探测器由热释电晶体制成。●当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可测定所吸收的光辐射功率。z由于结型场效应晶体管(JFET)的输入阻抗高，噪声又小，所以常用JFET作热释电探测器的前置放大器。热探测器的特点：热探测器的特点：●所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的响应，因而是非选择性探测器●热探测器一般无需致冷●热探测器的响应时间比光子探测器长（取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢）1.1.21.1.2光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的，探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征。光电探测器的工作条件光电探测器的工作条件●光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，所以在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。主要工作条件有：1．辐射源的光谱分布2．电路的通频带和带宽3．工作温度4．光敏面尺寸5．偏置情况一、有关响应方面的性能参数一、有关响应方面的性能参数1．响应率(或称响应度)Rv或RI2．单色灵敏度3．积分响应度4．响应时间5．频率响应11．响应率．响应率((或称响应度或称响应度)Rv)Rv或或RRII响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。●定义：光电探测器的输出均方根电压Vs或电流Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比，即：Rv＝Vs／P(V／W)RI＝Is／P(A／w)Rv和RI称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色响应率Rλ●在可见光波段，光电探测器的响应率又称为光电探测器的灵敏度，并分为单色灵敏度和积分灵敏度。22．单色灵敏度．单色灵敏度●单色灵敏度又叫光谱响应度，用Rλ表示，是光电探测器的输