光度与色度学-第3章_光辐射探测器

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。 人眼是一种光辐射探测器。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。 随着光学和光电技术的迅速发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迅速发展,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。, 外光电效应：当光子入射到探测器阴极表面(一般是金属或金属氧化物)时，探测器把吸收的入射光子能量(h=hc/)转换成自由电子的动能，当电子动能大于电子从材料表面逸出所需的能量时，自由电子逸出探测器表面，并在外电场的作用下，形成了流向阳极的电子流，从而在外电路产生光电流。, 光伏效应：半导体P-N结在吸收具有足够能量的入射光子后，产生电子-空穴对，在P-N结电场作用下，两者以相反的方向流过结区，从而在外电路产生光电流。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二极管、光电三极管等 。, 光电导效应。半导体材料在没有光照下，具有一定的电阻，在接收入射光辐射能时，半导体释放出更多的自由电子，表现为电导率增加(电阻值下降)。这类光电探测器有各种半导体材料制成的光敏电阻等。,热探测器利用热电效应。即探测器接收光辐射能后，引起物体自身温度升高，温度的变化使探测器的电阻值或电容值发生变化(测辐射热计)，或表面电荷发生变化(热释电探测器)，或产生电动势(热电偶，热偶堆)等，通过这些探测器参量的变化，获取入射光辐射量。,3.1光辐射探测器的性能参数, 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。 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。 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。,3.1.1 响应度,探测器的响应度定义为单位辐射度量产生的电信号量，一般是波长的函数。,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。,积分响应度和光谱响应度的关系为,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。 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和自然干扰噪声。人为干扰噪声通常来自电器电子设备，其会辐射出不同频率的电磁干扰。自然干扰噪声主要来自大气和宇宙间的干扰。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(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。,（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。,（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P-N结内的散粒噪声。,（3）热噪声或Johnson噪声,热噪声由电阻材料中离散的载流子（主要是电子）的热运动造成。使探测器制冷或者探测器及前置放大器一起制冷，可以减少热噪声电流。,（4）1/f 噪声,一般认为，它与半导体的接触、表面、内部存在的势垒有关，所以有时叫做“接触噪声”，其值随信号调制频率的增加而减少。,（5）温度噪声,由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的温度起伏，称为温度噪声。,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， (W) (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。,3.1.2 噪声及其评价参数,由于探测率与探测器面积以及测量系统的带宽有关，对于比较不同类型、不同工作状态探测器的探测性能存在不便，为此，更常用的是采用比探测率D*(叫作D星)， (cmHz1/2W-1) (3-17)即用单位测量系统带宽和单位探测器面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力。值得注意的是，探测器的比探测率不是一个固有常量。首先，它和响应度成正比，随波长变化与响应度的相同。其次，与各种影响响应度和噪声电流的因素都有关系，所以在给出探测器的比探测率时，一般注明测量的条件。,图3-12 典型光电探测器的D*曲线,3.2 光电探测器,光电管和光电倍增管,光伏探测器,光电导探测器,3.2.1 光电管和光电倍增管,1.光电管工作电路,2.光电效应方程根据光子说及能量转换和守恒定律有: h表示一个光子的能量 E0金属的逸出功3.光阴极的量子效率:,3.2.1 光电管和光电倍增管,4.光电管的基本特征积分响应度: 响应时间约10-8S(快速变化的脉冲光),3.2.1 光电管和光电倍增管,暗电流 ID=Ir+IlIr热电流,光阴极在f下的热电子发射Il漏电流(为主),阴极间的非无穷大电阻产生无光照射时产生微小的电流输出光电管的最小可测功率由暗电流决定(漏电流),3.2.1 光电管和光电倍增管,5.光电管的种类真空管:响应时间(约10-8至10-9s)P与的线性好,响应度S较低充气管(管内充Ar):响应时间长P与的线性范围短,响应度高达150A/lm,3.2.1 光电管和光电倍增管,光电倍增管：,1.二次电子发射:电子将能量转发给发射表面,因电子束射到材料上而引起材料表面的电子发射。二次电子发射的现象低噪声、反应时间快二次发射系数： 1,3.2.1 光电管和光电倍增管,二次电子发射材料,半导体:氧化的银镁合金、氧化铜镀合金。2.光电倍增管的工作原理：基本特性 AD4D3D2D1K,3.2.1 光电管和光电倍增管,结构示意图,3.2.1 光电管和光电倍增管,工作原理 K受照后发射电子D1、 D2、 D3是二级电子发射极，电位依次逐级升高，光电子被电场加速后打到二次电子发射极上产生二次电子发射，使光电子数倍增，最后到达阳极A。,3.2.1 光电管和光电倍增管,光电倍增管的基本特性：,a)放大系数M 设有n个二次发射极，则M=nb)灵敏度（响应度） 光谱响应度:由光阴极材料决定 积分响应度:分阴极响应度和阳极响应度 光电倍增管的积分响应度为：S=SA=Skn 其中Sk为光阴极响应度,3.2.1 光电管和光电倍增管,c)光电特性曲线（如图）,3.2.1 光电管和光电倍增管,d)电极管各级间电压分配: 等压分配和非等压分配e)暗电流：采用降低光电倍增管的工作温度来减小暗电流,另外还可减小阴极老化,3.2.1 光电管和光电倍增管,4、使用光电倍增管时的注意事项由于疲劳现象存在，测试前必须预照后再进行测量温度控制在(环境温度)250C保证供电直流电源具有很高的稳定性,3.2.1 光电管和光电倍增管,3.3 热探测器,热探测器是各种探测器中唯一能得到无选择性响应的探测器。为提高热探测器的探测能力，应最大限度地吸收各种波长的入射辐射能，所以热探测器表面常用煤黑、黑色金属氧化物或黑色无定形金属等做成黑的。,按照能量守恒定律，热探测器吸收入射辐射能与探测器表面温度升高之间的关系可写成：吸收的辐射热能=探测器的热传导损失+探测器表面的温升所需的能量。表达式可写成为:,3.3 热探测器,设入射辐射通量 可得探测器表面温度变化的幅度要提高热探测器响应度，应减少探测器的热导和热容。,3.3 热探测器,为此，热探测器常常做成薄条或薄片状，以减少热容；探测器表面的支承部分要尽可能少，引线要短且细，以减少热导。这样热探测器在结构上较脆弱，且热导和热容的减少还受到工艺等的限制，故热探测器的时间常数比光电探测器大得多，一般为ms级。,3.3 热探测器,3.3 热探测器,3.3.1 热电偶和热偶堆,热电偶是基于两种不同金属在其连接点有温差时会产生热电动势的塞贝克效应。当一个连接点受光辐照时升温，而另一连接点不受辐照时，在回路中就会产生电流。,王元樟博士,把多个热电偶串接构成热偶堆，可提高响应度（N个串联热电偶的热偶堆，其响应度为单个热电偶的N倍。）,3.3.1 热电偶和热偶堆,由于两连接点相距不远，所以当接在桥式回路中时，环境温度变化的影响可自动补偿，故一般工作在常温下。热电偶产生的温差电动势V和温度T(K)之间的关系可写成,3.3.1 热电偶和热偶堆,对上式求导，可得塞贝克系数可得热电偶的响应度为,3.3.1 热电偶和热偶堆,在频率很低时，G C, 则即用高吸收比的表面层、高塞贝克系数且性能稳定的热电偶金属、低热导的结构可使热电偶有较高的响应度。,3.3.1 热电偶和热偶堆,3.3,3.3.1 热电偶和热偶堆,3.3.2 测辐射热计,测辐射热计机理是材料吸收光辐射能引起的温度变化， 进而使材料电阻值 发生变化。,3.3.3 热释电探测器,热释电探测器一种性能较好的热探测器，具有光谱响应范围平而宽、性能稳定、时间常数小等优点。热释电探测器是基于某些铁电材料吸收