1、光 電 信 號 處 理華中科技大學光學與電子信息學院第一章 緒 論光電系統的構成:光電系統：以光波作為信息或能量載體，實現傳感、 傳輸、顯示、控制等功能的系統。按輻射源來分：主動光電系統和被動光電系統。一般地，一個光電系統（被動）的構成如下： 一個典型的光電系統一般由五部分組成： 光學鏡頭、光電探測器、 前置放大器、 信號處理電路、計算機。光電探測器是光電系統的核心，其他部分都是圍繞光電探測器來設計的。典型光電系統舉例數碼相機 光學鏡頭光電圖像傳感器CCD/CMOS信號處理顯示存儲 電子線路等課程，電路和信號處理的知識;光電系統的特點：輸出的電信號十分微弱當探測器輸出的信號十分微弱時，噪聲和干

2、擾的影響就不能忽視。探測器的偏置電路、前置放大器都要進行特殊的考慮， 即： 低噪聲電子設計 當探測器輸出的信號十分微弱，小到甚至被噪聲所淹沒，這時要從噪聲中分離出有用信號，就要采用特殊的方法， 即：微弱信號檢測 的方法。 教材： 何兆湘 光電信號處理 華中科技大學出版社 葉嘉雄 常大定等 光電系統與信號處理 科學出版社 汪文杰 曾學文 施建華 光電技術 科學出版社作業1：1.畫出主動光電系統框圖，說明各個部分的作用，并舉一例。2.畫出被動光電系統框圖，說明各個部分的作用，并舉一例。3.將光電探測器按探測的物理原理、響應波段、探測器的幾何結構分別分類，并各舉一例。課件下載第一章 緒 論 1.1

3、光電探測器概述 1.2 噪聲的基本知識 1.3 噪聲的關聯與相加 1.4 含多個噪聲源的電路及其計算法則 1.5 等效噪聲帶寬 1.6 噪聲的基本屬性由于光電探測器的相關知識與本課程有重要關系，所以，首先介紹有關探測器的基本知識。1.1 光電探測器概述 1.1.1 光電探測器原理 1.1.2 光電探測器的性能參數1.1.3 輻射度學與光度學基礎 光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強器光敏電阻光電池光電二極管（PIN、APD）光電三極管位置傳感器PSD電荷耦合器件CCDCMOS圖像傳感器真空器件固體器件光子探測器熱探測器光電探測器熱電偶和熱電堆測輻射熱計熱釋電探測器光電探測器的分類一光子探測器

4、特點：入射光子和材料中的電子發生各種直接相互 作用，即光電子效應。 所用的材料：大多數為半導體。光電效應器件： 外光電效應器件：器件材料中的電子吸收了入射光的光子能量以后逸出材料表面，產生了光電子發射， 這種器件稱為外光電效應器件。 內光電效應器件：光電導效應、光生伏特效應的器件，吸收了入射光的光子能量以后，器件材料中出現光生自由電子和空穴。利用光電子發射效應的探測器： 光電子發射探測器 典型器件： 光電管 光電倍增管PMT真空光電管 由光電陰極和陽極構成， 用于響應要求極快的場合。光電倍增管 它的內部有電子倍增系統， 因而有很高的電流增益， 能檢測極微弱的光輻射信號。 光電倍增管（PMT）光

5、電倍增管由五個主要部分組成光窗光電陰極電子光學系統電子倍增系統陽極光電子發射探測器主要是可見光探測器，因為對紅外輻射響應的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發展的負電子親和勢光電陰極，它們的響應波長也只擴展到125m，只適用于近紅外的探測，因此在紅外系統中應用不多。 光電導體電極電極光電流Ip符號 在均勻的光電導體兩端加上電極后構成為光敏電阻，兩電極加上一定電壓，當光照射到光電導體上，由光照產生的光生載流子在外加電場作用下沿一定方向運動，在電路中電流會發生變化，電流變化的大小與光照射的強度有關。光敏電阻的工作原理：3 光伏探測器PV光伏（光生伏特）效應： 是半導體受光照射產生電動勢的現象。 是

6、另一種應用廣泛的內光電效應， 光 - 電壓(伏特）與光電導效應不同之處： 存在內部勢壘，將正、負載流子在空間上分離有光照射時， 若PN結電路接負載電阻RL ， 在PN結內出現兩種相反的電流：光激發產生的電子空穴對，在內建電場作用下，形成光生電流大小Ip與光照有關，方向與PN結反向。RLIpID通常用PN結來實現這種效應NP當入射光子在PN結及其附近產生電子空穴對時，光生載流子受勢壘區電場作用，電子漂移到N區，空穴漂移到P區。如果在外電路中把P區和N區短接，就產生反向的短路信號電流。假若外電路開路，則光生的電子和空穴分別在N區和P區積累，兩端便產生電動勢，這稱為光生伏特效應，簡稱光伏效應。 結型

7、光伏探測器工作時可以不加偏置電壓，不加偏置電壓光伏探測器光電池。如果加上反向偏壓，則入射輻射會使反向電流增加，這時觀測到的光電信號是光電流。 加偏壓工作的光伏探測器光電二極管。常用的光伏探測器有： 光電池、光電二極管 光電三極管 雪崩光電二極管(APD管) PIN光電二極管(PIN 管)光子探測器的特點： 是一種波長選擇性探測器， 要產生光子效應，光子的能量要超過某一確定的值，即光子的波長要短于長波限。 波長長于長波限的入射輻射不能產生所需的光子效應，因而也就不能被探測出來。 另一方面波長短于長波限的入射輻射， 當功率一定時，波長愈短，光子數就愈少。因此理論上光子探測器的響應率應與波長成正比。

8、 速度高二熱探測器熱探測器對光輻射的響應和光子探測器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現象，即光熱效應。光熱效應的特點： 入射光輻射與物質中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，這又引起物質的溫度上升，從而導致與溫度有關的材料的某些物理性質的變化。熱電探測器的簡單模型： 與光電效應有本質的不同，光熱效應與入射輻射的單個光子的能量沒有直接關系。 因此，熱效應一般與波長無關，即光電信號取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成份無關，即熱探測器對光輻射的響應無波長選擇性光熱效應可以產生： 溫差電效應 電阻率變化效應 自發極化強度的變化效應等利用這些效應可制作各種熱探測器。熱電偶和熱

9、電堆（測輻射）當由兩種不同材料制成的兩個結點出現溫差時，在該兩點間就有電動勢產生，通過這兩點的閉合回路中就有電流流過，這個現象稱為溫差電效應。溫差電效應包括塞貝克效應、珀耳帖效應和湯姆遜效應。塞貝克(seebeck)效應：當由兩種不同的導體或半導體組成閉合回路的兩個結點置于不同溫度(兩結點間的溫差為T)時在兩點之間就產生一個電動勢；這個電動勢在閉合回路中引起連續電流，這種現象稱為塞貝克效應。其中產生的電動勢稱為溫差電動勢或塞貝克電動勢，上述回路稱為熱電偶。產生塞貝克電動勢的原因：是由于受熱不均勻的兩結點的接觸電位差不同所致。 熱電偶和熱電堆的原理性結構如圖所示 多個熱電偶串聯起來即成為熱電堆。

10、接收輻射一端稱為熱端，另一端稱為冷端。測輻射熱電堆：測輻射熱電堆：為了增加信號電壓工藝：在襯底上蒸上一層金屬膜，然后再蒸上第二種材科與第一層膜部分重疊，從而形成若干接觸點。缺點：輸出電信號比許多光子探測器弱優點：不需要電偏置和致冷， 應用廣泛。 測輻射熱計(Bolometer)原理：當吸收光輻射而溫度升高時， 金屬的電阻會增加， 半導體材料的電阻會降低。 電阻溫度效應從材料電阻變化可測定被吸收的光輻射功率， 利用材料的電阻變化制成的熱探測器 測輻射熱計測輻射熱計結構示意圖：紅外成像紅外熱像儀可見光成像熱紅外成像材料的電阻與溫度的關系可用材料的電阻溫度系數T來表征。實驗研究發現： 材料溫度從T改

11、變到了T+T，材料的阻值改變量R只與材料的阻值R及溫度改變量T 成正比，即：R=TRT 當T足夠小時，則有： dR = T RdT 由此得到： T = 電阻溫度系數T與材料的種類和溫度有關，是描述測輻射熱器材料的電阻值對溫度變化靈敏程度的基本參數。當溫度變化時， T值越大，其電阻阻值變化就越大； T值越小，其電阻阻值變化就越小在室溫下，金屬材料的T約為0.0033， 半導體材料的T值約為-0.033； 比金屬材料的T值大一個數量級。 3 熱釋電探測器某些晶體(如硫酸三甘肽TGS、鈮酸鋰LiNbO3等)受光照射時溫度升高，從而在晶體的特定方向上由于自發極化強度隨溫度變化而引起表面電荷的變化。這種

12、現象稱為熱釋電效應。熱釋電探測器由熱釋電晶體制成。當強度調制過的光輻射投射到熱釋電晶體上時，引起自發電極化強度隨時間的變化，結果在垂直于極化方向的晶體兩個外表面之間出現微小變化的信號電壓，由此可測定所吸收的光輻射功率。 由于結型場效應晶體管(JFET)的輸入阻抗高，噪聲又小，所以常用JFET作熱釋電探測器的前置放大器。 熱探測器的特點：所有熱探測器，在理論上對一切波長都具有相同的響應，因而是非選擇性探測器熱探測器一般無需致冷熱探測器的響應時間比光子探測器長 （取決于熱探測器熱容量的大小和散熱的快慢）1.1.2 光電探測器的性能參數 光電系統一般都是圍繞光電探測器的性能進行設計的， 探測器的性能

13、由特定工作條件下的一些參數來表征。光電探測器的工作條件 光電探測器的性能參數與其工作條件密切相關，所以在給出性能參數時，要注明有關的工作條件。主要工作條件有： 1輻射源的光譜分布 2電路的通頻帶和帶寬 3工作溫度 4光敏面尺寸 5偏置情況一、有關響應方面的性能參數 1響應率(或稱響應度)Rv或RI2單色靈敏度3積分響應度4響應時間 5頻率響應1響應率(或稱響應度)Rv或RI 響應率是描述探測器靈敏度的參量。它表征探測器輸出信號與輸入輻射之間關系的參數。定義：光電探測器的輸出均方根電壓Vs或電流Is與入射到光電探測器上的平均光功率之比， 即： RvVsP (VW) RIIsP (Aw) Rv和R

14、I稱為光電探測器的電壓響應率和電流響應率。 測量響應率的輻射源一般是500K的黑體。 使用波長為的單色輻射源，則稱為單色響應率R在可見光波段，光電探測器的響應率又稱為光電探測器的靈敏度，并分為單色靈敏度和積分靈敏度。 2單色靈敏度單色靈敏度又叫光譜響應度，用R表示，是光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量(光通量)之比。即 Rv = (VW) RI= (A / W) 式中， ()為入射的單色輻射通量或光通量。如果()為光通量，則Rv的單位為Vlm。 3積分響應度積分靈敏度表示探測器對連續輻射通量的反應程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為： 光電探測器輸出的電流或電壓

15、與入射總光通量之比稱為積分響應度。由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為： 可得積分響應度為： 式中， 、 、分別為光電探測器的長波限和短波限。由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發生的光譜通量分布也不相同，因此提供數據時應指明采用的輻射源及其色溫。 4響應時間 響應時間是描述光電探測器對入射輻射響應快慢的一個參數。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后光電探測器的輸出上升到穩定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。常用時間常數的大小來表示。當用一個輻射脈沖照射光電探測器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短，如方被，則光電探測器的輸出由于器

16、件的惰性而有延遲，把從10上升到90峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從90下降到10處所需的時間稱為下降時間。 5頻率響應光電探測器的響應隨入射輻射的調制頻率而變化的特性稱為頻率響應。有關噪聲方面的參數 從響應度的定義來看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測出來。當入射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，無法肯定是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起的，而是它所固有的“噪聲”引起的。如果對這些隨時間起伏的電壓(流)按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零， 這個均方根電壓(流)稱為探測器的噪聲電壓(流)。 1信噪比(SN) 判定噪聲大小

17、通常使用信噪比這個參數。在負載電阻RL上產生的信號功率與噪聲功率之比，即： 若用分貝(dB)表示，則為：利用SN評價兩種光電探測器性能時，必須在信號輻射功率相同的情況下才能比較。對單個光電探測器，其S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關。如果入射輻射強，接收面積大S/N就大，但性能不一定就好。 因此用S/N評價器件有一定的局限性。 2等效噪聲輸入(ENI)功率定義：探測器在特定帶寬內(1Hz)產生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時輻射源的輸入通量， 此時，其他參數，如頻率溫度等應加以規定。這個參數是在確定光電探測器件的探測極限(以輸入通量為瓦或流明表示)時使用。 3噪聲等效功率(

18、NEP)（最小可探測功率Pmin）定義為信號功率與噪聲功率之比為1，即SN1時，入射到探測器上的輻射通量(單位為瓦)。即： NEP在ENI單位為瓦時與之等效。一個良好的探測器件的NEP約為1011W。NEP越小，噪聲越小器件的性能越好。 4探測率D與比探測率D*只用NEP無法比較兩個不同來源的光探測器的優劣。為此引入兩個新的性能參數探測率D和比探測率D* 探測率D定義為NEP的倒數，即： （W-1） 顯然，D愈大，光電探測器的性能就愈好。 探測率D所提供的信息與NEP一樣， 也是一項特征參數。顯然，D愈大，光電探測器的性能就愈好。 它描述的特性是：光電探測器在它的噪聲電平之上產生一個可觀測的電信號的本領，即光電探測器能響應的入射光功率越小，則其探測率越高。但是僅根據探測率D還不能比較不同的光探測器的優劣，這是因為如果兩只由相同材料制成的光電探測器，盡管內部結構完全相同，但光敏面積Ad不同，測量