第三章光輻射探測(cè)器

第三章光輻射探測(cè)器輻射度光度與色度及其測(cè)量本章內(nèi)容3.1光輻射探測(cè)器的性能參數(shù)3.2光電探測(cè)器3.3熱探測(cè)器光輻射量的測(cè)量通常采用各種探測(cè)器把光輻射能變換成一種可測(cè)的量，因而光輻射探測(cè)器是光輻射量測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其性能往往直接影響到光輻射度量測(cè)量的可行性及精確性客觀探測(cè)器主觀探測(cè)器人眼探測(cè)器的分類隨著光學(xué)和光電技術(shù)的展以及對(duì)光輻射探測(cè)與精確定量、高靈敏度測(cè)量的需要，光輻射探測(cè)器的品種和數(shù)量發(fā)展，可對(duì)光輻射客觀物理量進(jìn)行精確的定量測(cè)量光譜響應(yīng)范圍寬響應(yīng)速度快響應(yīng)度高這些優(yōu)點(diǎn)使光輻射量的探測(cè)和測(cè)量能力大大地提高廣義地講，只要能提示光輻射存在，并可確定其大小都應(yīng)包含的光輻射探測(cè)器的范疇內(nèi)。

光電探測(cè)器利用光電效應(yīng)，把入射到物體表面的輻射能變換成可測(cè)量的電量：（1）外光電效應(yīng)基于外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器有真空光電管、充電光電管、光電倍增管、像增強(qiáng)器等。（3）光電導(dǎo)效應(yīng)這類光電探測(cè)器有各種半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻等。（2）光伏效應(yīng)基于這類效應(yīng)的探測(cè)器有以硒、硅、鍺、砷化鎵等材料做成的光電池、光電二極管、光電三極管等。熱探測(cè)器利用熱電效能通過這些探測(cè)器參量的變化溫度的變化使探測(cè)器的電阻值發(fā)生變化，或表面電荷發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等探測(cè)器接收光輻射能引起物體自身溫度升高反映入射光輻射量常見光輻射探測(cè)器的分類3.1光輻射探測(cè)器的性能參數(shù)對(duì)于光輻射探測(cè)器的應(yīng)用，較關(guān)注的性能是：探測(cè)器的響應(yīng)度大小（探測(cè)器的輸出信號(hào)值定量地表示多大的光輻射度量）（1）與噪聲相當(dāng)?shù)妮椛涔β蚀笮。▽?duì)某種探測(cè)器，需要多大的輻射度量才能使探測(cè)器產(chǎn)生可區(qū)別于噪聲的信號(hào)量）（2）探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)速度，線性動(dòng)態(tài)范圍等。（3）3.1.1響應(yīng)度

定義：?jiǎn)挝惠椛涠攘慨a(chǎn)生的電信號(hào)量，記作R，電信號(hào)可以是電流，稱為電流響應(yīng)度；也可以是電壓，稱為電壓響應(yīng)度。（1）對(duì)輻射通量的電流響應(yīng)度（2）對(duì)輻照度的電流響應(yīng)度（3）對(duì)輻亮度的電流響應(yīng)度探測(cè)器的響應(yīng)度描述光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)大小的能力。輻射度量測(cè)量中，測(cè)不同的輻射度量，應(yīng)當(dāng)用不同的響應(yīng)度。探測(cè)器的響應(yīng)度一般是波長(zhǎng)的函數(shù)。與上面定義的積分響應(yīng)度對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度為（3-1)積分響應(yīng)度和光譜響應(yīng)度的關(guān)系為(3-2)注意積分響應(yīng)度不僅與探測(cè)器的光譜響應(yīng)度有關(guān)，也與入射輻射的光譜特性有關(guān)，因而，說明積分響應(yīng)度時(shí)通常要求指出測(cè)量所用的光源特性。光電探測(cè)器響應(yīng)度可簡(jiǎn)單地推導(dǎo)如下由普朗克量子理論可智，單個(gè)光子的入射能量為hv，則單位時(shí)間內(nèi)入射到探測(cè)器表面的光子數(shù)為探測(cè)器的量子效率為（3-3）輸出信號(hào)電子數(shù)探測(cè)器接收的光子數(shù)=單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器的輸出信號(hào)電子數(shù)為（3-4）探測(cè)器的輻射通量光譜電流響應(yīng)度為（3-5）對(duì)于光電探測(cè)器，最大響應(yīng)波長(zhǎng)為（3-6）內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)3.1.2噪聲及其評(píng)價(jià)參數(shù)1噪聲2噪聲等效功率NEP1、噪聲在系統(tǒng)中任何虛假的或不需要的信號(hào)統(tǒng)稱為噪聲。研究噪聲的目的是探討系統(tǒng)探測(cè)信息的極限以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何抑制噪聲以提高探測(cè)本領(lǐng)。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲：人為噪聲固有噪聲來自外部的噪聲：人為干擾自然干擾系統(tǒng)的噪聲分析噪聲源的性質(zhì)（1）散粒噪聲（2）產(chǎn)生-復(fù)合（G-R）噪聲（3）熱噪聲或Johnson噪聲（4）1/f噪聲（5）溫度噪聲3.1.2（1）散粒噪聲由于光子流以間斷入射的形式投射到探測(cè)器表面，以及探測(cè)器內(nèi)部光子轉(zhuǎn)換成電子動(dòng)能而產(chǎn)生的電子流具有統(tǒng)計(jì)漲落的特征，形成散粒噪聲。假設(shè)入射光子服從Poisson概率密度分布(3-8）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光輻射測(cè)量時(shí)，可用一固定頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。這樣，系統(tǒng)的工作頻帶寬度可減少。鎖頻技術(shù)可使系統(tǒng)工作在一個(gè)很窄的通頻帶范圍內(nèi)，有利于減少系統(tǒng)噪聲。增加信號(hào)的積分時(shí)間，縮小測(cè)量系統(tǒng)的頻帶，也可以減少散粒噪聲。（2）產(chǎn)生-復(fù)合（G-R）噪聲光導(dǎo)型探測(cè)器的G-R噪聲是由于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子在產(chǎn)生和復(fù)合過程中，自由電子和空穴數(shù)隨機(jī)起伏所形成的，也屬于白噪聲，相當(dāng)于光伏型中單向?qū)щ奝-N結(jié)內(nèi)的散粒噪聲。(3-9)（3）熱噪聲或Johnson噪聲熱噪聲由電阻材料中離散的載流子（主要是電子）的熱運(yùn)動(dòng)造成。熱噪聲電流的均方值為：(3-10)使探測(cè)器制冷或者探測(cè)器及前置放大器一起制冷，可以減少熱噪聲電流。（4）1/f噪聲一般認(rèn)為，它與半導(dǎo)體的接觸、表面、內(nèi)部存在的勢(shì)壘有關(guān)，所以有時(shí)叫做“接觸噪聲”，其值隨信號(hào)調(diào)制頻率的增加而減少(3-11)(3-12)（5）溫度噪聲由熱探測(cè)器和背景之間的能量交換所造成的探測(cè)器自身的溫度起伏，稱為溫度噪聲。（3-13）只有信號(hào)足夠強(qiáng)，才能與噪聲電流區(qū)別開。信噪比，作為表征探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)能力和精度的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，記作SNR(3-14)2.噪聲等效功率NEP噪聲等效功率是探測(cè)器產(chǎn)生與其噪聲均方根電壓相等的信號(hào)所需入射到探測(cè)器的輻射功率(3-15)用NEP描述探測(cè)器探測(cè)能力的不便之處數(shù)值越小，表示探測(cè)器的探測(cè)能力越強(qiáng)，相對(duì)缺乏直觀性。為此一般引入NEP的倒數(shù)——D探測(cè)率（3-16）更常采用的是采用比探測(cè)率D*（3-17）需要注意：探測(cè)器的比探測(cè)率不是一個(gè)固有常量。探測(cè)器的比探測(cè)率不是一個(gè)固有常量。首先，它和響應(yīng)度成正比，隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律與響應(yīng)度的相同。其次，與各種影響響應(yīng)度和噪聲電流的因素都有關(guān)系，所以在給出探測(cè)器的比探測(cè)率時(shí)，一般注明測(cè)量的條件。一些不在圓弧號(hào)內(nèi)說明的可另加注釋。33.2光電探測(cè)器3.2.13.2.23.2.3光電管和光電倍增管光伏探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器3.2.1光電管和光電倍增管光電管1.光電管工作電路2.光電效應(yīng)方程根據(jù)光子說及能量轉(zhuǎn)換和守恒定律有:hυ—表示一個(gè)光子的能量E0—金屬的逸出功3.光陰極的量子效率:

4.光電管的基本特征①積分響應(yīng)度:

②響應(yīng)時(shí)間約10-8S(快速變化的脈沖光)③暗電流ID=Ir+IlIr—熱電流,光陰極在Ιf下的熱電子發(fā)射Il—漏電流(為主),陰極間的非無窮大電阻產(chǎn)生無光照射時(shí)產(chǎn)生微小的電流輸出光電管的最小可測(cè)功率由暗電流決定(漏電流)④光電特征—光電流與入射通量之間的關(guān)系(如圖)

非線性響應(yīng)光電流的輸出值與照射時(shí)間的關(guān)系5.光電管的種類①真空管:響應(yīng)時(shí)間(約10-8至10-9s)ΙP與φ的線性好,響應(yīng)度S較低②充氣管(管內(nèi)充Ar):響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)ΙP與φ的線性范圍短,響應(yīng)度高達(dá)150μA/lm光電倍增管：1.二次電子發(fā)射:電子將能量轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)射表面,因電子束射到材料上而引起材料表面的電子發(fā)射①二次電子發(fā)射的現(xiàn)象—低噪聲、反應(yīng)時(shí)間快②二次發(fā)射系數(shù)：>1③二次電子發(fā)射材料半導(dǎo)體:氧化的銀鎂合金、氧化銅鍍合金2.光電倍增管的工作原理：①基本特性υA＞υD4＞υD3＞υD2＞υD1＞υK②結(jié)構(gòu)示意圖③工作原理K受照后發(fā)射電子D1、D2、D3……是二級(jí)電子發(fā)射極電位依次逐級(jí)升高，光電子被電場(chǎng)加速后打到二次電子發(fā)射極上產(chǎn)生二次電子發(fā)射，使光電子數(shù)倍增，最后到達(dá)陽極A。④光電倍增管的基本特性：a)放大系數(shù)M設(shè)有n個(gè)二次發(fā)射極，則M=σnb)靈敏度（響應(yīng)度）光譜響應(yīng)度:由光陰極材料決定積分響應(yīng)度:分陰極響應(yīng)度和陽極響應(yīng)度光電倍增管的積分響應(yīng)度為：S=SA=Skσn其中Sk為光陰極響應(yīng)度c)光電特性曲線（如圖）d)電極管各級(jí)間電壓分配:等壓分配和非等壓分配e)暗電流：采用降低光電倍增管的工作溫度來減小暗電流,另外還可減小陰極老化3、光電倍增管常設(shè)計(jì)成聚焦或散焦式兩種聚焦式光電倍增管的示意圖4、使用光電倍增管時(shí)的注意事項(xiàng)①由于疲勞現(xiàn)象存在，測(cè)試前必須預(yù)照后再進(jìn)行測(cè)量②溫度控制在(環(huán)境溫度)250C③保證供電直流電源具有很高的穩(wěn)定性33.3熱探測(cè)器熱探測(cè)器是各種探測(cè)器中唯一能得到無選擇性響應(yīng)的探測(cè)器。為提高熱探測(cè)器的探測(cè)能力，應(yīng)最大限度地吸收各種波長(zhǎng)的入射輻射能，所以熱探測(cè)器表面常用煤黑、黑色金屬氧化物或黑色無定形金屬等做成黑的。按照能量守恒定律，熱探測(cè)器吸收入射輻射能與探測(cè)器表面溫度升高之間的關(guān)系可寫成：吸收的輻射熱能=探測(cè)器的熱傳導(dǎo)損失+探測(cè)器表面的溫升所需的能量。表達(dá)式可寫成為:(3-24)式（3-24）表示探測(cè)器表面吸收的輻射能，部分消耗在熱導(dǎo)損失上（探測(cè)器溫升損失的熱輻射功率），部分使表面溫升。設(shè)入射輻射通量即是頻率的調(diào)制光信號(hào)，則解式（3-24）可得探測(cè)器表面溫度變化的幅度(3-25)要提高熱探測(cè)器響應(yīng)度，應(yīng)減少探測(cè)器的熱導(dǎo)和熱容。為此，熱探測(cè)器常常做成薄條或薄片狀，以減少熱容；探測(cè)器表面的支承部分要盡可能少，引線要短且細(xì)，以減少熱導(dǎo)。這樣熱探測(cè)器在結(jié)構(gòu)上較脆弱，且熱導(dǎo)和熱容的減少還受到工藝等的限制，故熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)比光電探測(cè)器大得多，一般為ms級(jí)。為了減少外界溫度、空氣流動(dòng)等對(duì)熱探測(cè)器信號(hào)探測(cè)的影響（溫度噪聲），常常把探測(cè)片封裝在密封的真空容器內(nèi)。真空封裝的熱探測(cè)器響應(yīng)度為非真空封裝狀態(tài)的兩倍以上，但是，真空封裝后與外界的熱交換也變差，時(shí)間常數(shù)將會(huì)增大。在絕大多數(shù)情況下，熱探測(cè)器響應(yīng)度的不平坦可忽略不記，只是在精確光譜量標(biāo)定時(shí)才需考慮。

雖然平坦的光譜響應(yīng)十分重要，但實(shí)際上由于探測(cè)器表面黑色層的吸收比不可能是理想平坦的，探測(cè)器外面的窗材料不僅限制透過輻射能的波長(zhǎng)范圍，且在透射譜段的光譜透射比也不完全平坦，故熱探測(cè)器并不具有完全理想平坦的光譜響應(yīng)。3.3熱探測(cè)器3.3.1熱電偶和熱偶堆3.3.2測(cè)輻射熱計(jì)3.3.3熱釋電探測(cè)器33.3.1熱電偶和熱偶堆熱電偶是基于兩種不同金屬在其連接點(diǎn)有溫差時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的塞貝克效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)連接點(diǎn)受光輻照時(shí)升溫，而另一連接點(diǎn)不受輻照時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電流。熱偶堆把多個(gè)熱電偶串接構(gòu)成熱偶堆，可提高響應(yīng)度（N個(gè)串聯(lián)熱電偶的熱偶堆，其響應(yīng)度為單個(gè)熱電偶的N倍。）由于兩連接點(diǎn)相距不遠(yuǎn)，所以當(dāng)接在橋式回路中時(shí)，環(huán)境溫度變化的影響可自動(dòng)補(bǔ)償，故一般工作在常溫下。熱電偶產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)V和溫度T(K)之間的關(guān)系可寫成（3-26）塞貝克系數(shù)(3-31)由式(3-24)及式(3-26)，可得熱電偶的響應(yīng)度為在頻率很低時(shí)，G>>C,則即用高吸收比的表面層、高塞貝克系數(shù)且性能穩(wěn)定的熱電偶金屬、低熱導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可使熱電偶有較高的響應(yīng)度。熱噪聲和溫度噪聲是熱電偶的主要噪聲源鉍-銻鎳鉻-鎳硅銅-康銅鐵-康銅鉑10%銠-鉑常用的熱電偶鉍-銻的塞貝克系數(shù)最高3.33.3.2測(cè)輻射熱計(jì)測(cè)輻射熱計(jì)的機(jī)理是材料吸收光輻射能引起的溫度變化，進(jìn)而使材料電阻值發(fā)生變化。超導(dǎo)輻射熱器半導(dǎo)體測(cè)輻射熱器金屬測(cè)輻射熱器熱敏電阻簡(jiǎn)單介紹探測(cè)片和半球（或超半球）透鏡貼在一起，以增加輻射能的會(huì)聚能力。燒結(jié)成探測(cè)片氧化鎳錳鈷透鏡材料多用鍺或藍(lán)寶石補(bǔ)償片與探測(cè)片相同，但有擋片使它不受輻射的照射，其作用是補(bǔ)償環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量的影響。3.33.3.3熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器一種性能較好的熱探測(cè)器，具有光譜響應(yīng)范圍平而寬、性能穩(wěn)定、時(shí)間常數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。熱釋電探測(cè)