第四章光電式傳感器演示文稿

第四章光電式傳感器演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)優(yōu)選第四章光電式傳感器當(dāng)前第2頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．5新型光電檢測(cè)器

4．5．1光位置傳感器（PSD）

4．5．2量子阱探測(cè)器(QWIP)4．5．3光電磁探測(cè)器

4．5．4固態(tài)圖像傳感器

4．6激光傳感技術(shù)

4．6．1干涉測(cè)試技術(shù)

4．6．2衍射測(cè)試技術(shù)

4．6．3激光多普勒測(cè)速技術(shù)

4．7光纖傳感器

4．7．1光纖傳感器基礎(chǔ)

4．7．2光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)

4．7．3光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?/p>

4．8光電式傳感器

4．8．1光電式傳感器的類(lèi)型

4．8．2光電尺寸測(cè)量舉例

4．8．3激光傳感技術(shù)實(shí)例

4．8．4光纖傳感器實(shí)例

4．8．5機(jī)器人視覺(jué)傳感器

當(dāng)前第3頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4.0光電式傳感器

光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和軍事裝置中獲得廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是固態(tài)圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。

當(dāng)前第4頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)光源光通路光電元件測(cè)量放大光量光量電量電量輸出X1X2圖4-1光電式傳感器的組成

光電式傳感器通常由四部分組成，如圖4-1所示。圖中x1表示被測(cè)量能直接引起光量變化的檢測(cè)方式；x2表示被測(cè)量在光傳播過(guò)程中調(diào)制光量的檢測(cè)方式。光電元件（敏感元件）只能敏感照射其上光的功率（光的電場(chǎng)分量），本篇將講述各種結(jié)構(gòu)都是通過(guò)調(diào)制，例如干涉、衍射、光譜、······等原理，最終反映在單光電元件點(diǎn)位置處時(shí)域變化光功率，或陣列傳感器上一、二維的空域上的光功率分布。這里將可見(jiàn)光、紅外光、激光、光纖等傳感器技術(shù)納入本編一并講解，尋求其共性規(guī)律統(tǒng)一講述。當(dāng)前第5頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

4．1光源與光輻射體

4．1．1光的特性光是電磁波譜中的一員，不同波長(zhǎng)光的分布如圖4-2所示，這些光的頻率（波長(zhǎng)）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。

當(dāng)前第6頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

由光的粒子說(shuō)可知，光是以光速運(yùn)動(dòng)著的粒子（光子）流，一種頻率的光由能量相同的光子所組成，每個(gè)光子的能量為（式4-1）

式中h-普郎克常數(shù)，h＝6.626×10－34J?s

可見(jiàn)，光的頻率愈高（即波長(zhǎng)愈短），光子的能量愈大。

對(duì)于光的計(jì)量有兩種描述方法：一種是測(cè)量其客觀物理實(shí)質(zhì)的輻射度學(xué)量，另一種是測(cè)量其對(duì)人眼生理作用的光度學(xué)量，表4-1和表4-2分別給出輻射度學(xué)量和光度學(xué)量及單位。

當(dāng)前第7頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)名稱(chēng)（中英文）符號(hào)單位名稱(chēng)單位代號(hào)輻射能（Radiantenergy）Q焦耳J輻射通量（Radiantflux）Φ瓦特W輻射強(qiáng)度(Radiantintensity)I瓦/球面度W/sr輻射度（Radiantexintence）M瓦/米2W/m2輻射亮度（Radiance）L瓦/米2·球面度W/m2·sr輻照度（Irradiane）E瓦/米2W/m2表4-1輻射度學(xué)量當(dāng)前第8頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)名稱(chēng)（中英文）符號(hào)單位名稱(chēng)單位代號(hào)光能量（Luminousenergy）Q流明·秒lm·s光通量（Luminousflux）Φ流明lm光強(qiáng)度（Luminousintensity）I坎德拉流明/球面度cdlm/sr發(fā)光度（Luminousexintence）M流明/米2·球面度lm/m2光亮度（Luminance）L坎德拉/米2（尼特）流明/米2·球面度cd/m2（nit）lm/m2·sr光照度（Illuminance）E流明/米2（勒克斯）lm/m2（lx）表4-2光度學(xué)量當(dāng)前第9頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

在輻射度學(xué)量中當(dāng)指明特定光譜條件下的輻射量（單位波長(zhǎng)短的輻射量）時(shí)還有：光譜輻射通量、光譜輻射出射度

、光譜輻射強(qiáng)度等等對(duì)應(yīng)量。

歷史上曾定義1流明等于一支蠟燭從1米外投射在一平方米的表面上的光的數(shù)量?，F(xiàn)在定義絕對(duì)黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305*103cm2面積上輻射出來(lái)的光通量為1lm。人眼在白晝對(duì)于波長(zhǎng)λ=555nm的綠光最敏感，在該波長(zhǎng)輻射度學(xué)量與光度學(xué)量可建立1W=683lm數(shù)量關(guān)系，許多圖像傳感器商品常用光度學(xué)量標(biāo)明其性能。

當(dāng)前第10頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．1．2光源與光輻射體

工程檢測(cè)中遇到的光，可以由各種發(fā)光器件產(chǎn)生，也可以是物體的輻射光。眾所周知，自然界中任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度，都能輻射紅外線(xiàn)。本節(jié)將介紹各種發(fā)光器件及物體的紅外輻射。

一、白熾光源白熾光源中最常用的是鎢絲燈，它產(chǎn)生的光，譜線(xiàn)較豐富，包含可見(jiàn)光與紅外光。使用時(shí)，常加用濾色片來(lái)獲得不同窄帶頻率的光。二、氣體放電光源氣體放電光源光輻射的持續(xù)，不僅要維持其溫度，而且有賴(lài)于氣體的原子或分子的激發(fā)過(guò)程。原子輻射光譜呈現(xiàn)許多分離的明線(xiàn)條，稱(chēng)為線(xiàn)光譜。分子輻射光譜是一段段的帶，稱(chēng)為帶光譜。線(xiàn)光譜和帶光譜的結(jié)構(gòu)與氣體成分有關(guān)。白熾燈

當(dāng)前第11頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

氣體放電光源目前常用的有碳弧、低壓水銀弧、高壓水銀弧、鈉弧、氖弧燈等。高低壓水銀弧燈的光色近于日光；鈉弧燈發(fā)出的光呈黃色，發(fā)光效率特別高（200lm／W）；氖弧燈功率最大，光色也與日光相近。

三、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種電致發(fā)光的半導(dǎo)體器件，它與鎢絲白熾燈相比具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、便于與集成電路相匹配等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。發(fā)光二極管可用LED表示，它的種類(lèi)很多，其發(fā)光波長(zhǎng)見(jiàn)表4-3。GaAs1-xPx、GaP、SiC發(fā)出的是可見(jiàn)光，而GaAs

、Si、Ge為紅外光。材料GeSiGaAsGaAs1-xPxGaPSiCλ/nm18501110867867∽550550435

發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開(kāi)啟（點(diǎn)燃）電壓略有差異。砷磷化鎵發(fā)光二極管，紅色約為1.7V開(kāi)啟，綠色約為2.2V。一般情況下（在幾十毫安電流范圍內(nèi)），LED單位時(shí)間發(fā)射的光子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)注入到二極管導(dǎo)帶中的電子數(shù)成正比，即輸出光強(qiáng)與輸入電流成正比。電流的進(jìn)一步增加會(huì)使LED輸出產(chǎn)生非線(xiàn)性，甚至導(dǎo)致器件損壞。表4-3

發(fā)光二極管光波峰值波長(zhǎng)當(dāng)前第12頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)四、激光器激光是新穎的高亮度光，它是由各類(lèi)氣體、固體或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的頻率單純的光。

1、激光的形成在正常分布狀態(tài)下，原子多處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，如無(wú)外界的作用，原子可長(zhǎng)期保持此狀態(tài)。但在外界光子作用下，賦予原子一定的能量，原子就從低能級(jí)E1躍遷到高能級(jí)E2，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為光的受激吸收。光子能量與原子能級(jí)躍遷的關(guān)系為

處在高能級(jí)E2的原子在外來(lái)光的誘發(fā)下，躍遷至低能級(jí)E1而發(fā)光，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為光的受激輻射。受激輻射發(fā)出的光子與外來(lái)光子具有完全相同的頻率、傳播方向、偏振方向。一個(gè)外來(lái)光子誘發(fā)出一個(gè)光子，在激光器中得到兩個(gè)光子，這兩個(gè)光子又可誘發(fā)出兩個(gè)光子，得到四個(gè)光子，這些光子進(jìn)一步誘發(fā)出其他光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為光放大。如果通過(guò)光的受激吸收，使介質(zhì)中處于高能級(jí)的粒子比處于低能級(jí)的多--“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，則光放大作用大于光吸收作用。這時(shí)受激輻射占優(yōu)勢(shì)，光在這種工作物質(zhì)內(nèi)被增強(qiáng)，這種工作物質(zhì)就稱(chēng)為增益介質(zhì)。若增益介質(zhì)通過(guò)提供能量的激勵(lì)源裝置形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時(shí)大量處于低能級(jí)的原子在外來(lái)能量作用下將躍遷到高能級(jí)。

（式4-2）當(dāng)前第13頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

為了使受激輻射的光具有足夠的強(qiáng)度，還須設(shè)置一個(gè)光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔內(nèi)設(shè)有兩個(gè)面對(duì)面的反射鏡：一個(gè)為全反射鏡，另一個(gè)為半反半透鏡。當(dāng)沿軸線(xiàn)方向行進(jìn)的光遇到反射鏡后，就被反射折回，如此在兩反射鏡間往復(fù)運(yùn)行并不斷對(duì)有限容積內(nèi)的工作物質(zhì)進(jìn)行受激輻射，產(chǎn)生雪崩式的放大，從而形成了強(qiáng)大的受激輻射光--激光，通過(guò)半反半透鏡輸出?？梢?jiàn)，激光的形成必須具備三個(gè)條件：（1）具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)--增益介質(zhì)；（2）具有供給能量的激勵(lì)源；（3）具有提供反復(fù)進(jìn)行受激輻射場(chǎng)所的光學(xué)諧振腔。2、激光的特性

（1）方向性強(qiáng)、亮度高：激光束的發(fā)散角很小，一般約0.18°，這比普通光和微波小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，立體角極小，一般可小至10－8rad；激光能量在空間高度集中，其亮度比普通光源高百萬(wàn)倍。（2）單色性好：光源發(fā)射光的光譜范圍愈窄，光的單色性就愈好。普通光中單色性最好的是同位素Kr燈所發(fā)出的光，其中心波長(zhǎng)λ＝605.7nm，Δλ＝0.00047nm，氦氖激光器λ＝632.8nm，Δλ＝10－6nm?？梢?jiàn)，激光具有很好的單色性。當(dāng)前第14頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

（3）相干性好：光的相干性是指兩光束相遇時(shí)，在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)出的波相疊加，并能形成較清晰的干涉圖樣或能接收到穩(wěn)定的拍頻信號(hào)。由同一光源在相干時(shí)間Δt內(nèi)不同時(shí)刻發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)不同路程相遇，將產(chǎn)生干涉。這種相干性，稱(chēng)為時(shí)間相干性。同一時(shí)間，由空間不同點(diǎn)發(fā)出的光的相干性，稱(chēng)為空間相干性。激光是受激輻射形成的，對(duì)于各個(gè)發(fā)光中心發(fā)出的光波，其傳播方向、振動(dòng)方向、頻率和相位均完全一致，因此激光具有良好的時(shí)間和空間相干性。3、激光器及其特點(diǎn)

（1）固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)是固體。這類(lèi)激光器結(jié)構(gòu)大致相同，共同特點(diǎn)是小而堅(jiān)固，脈沖功率高。

（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。氣體激光器的特點(diǎn)是能連續(xù)工作，單色性好，但輸出功率不及固體激光器。工作波長(zhǎng)為0.638pm或1.15μrn的氦氖激光器是一種最常用的氣體激光器。它使用方便，亮度很高。工作波長(zhǎng)為10.6μrn的二氧化碳激光器是工作在遠(yuǎn)紅外波段的功率較高的光源，常用于探測(cè)大氣成分的光雷達(dá)中。工作波長(zhǎng)為0.5l6μrn的氬離子激光器具有很高的亮度。當(dāng)前第15頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

（3）液體激光器工作物質(zhì)是液體，其中較重要的是有機(jī)染料激光器。液體激光器的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長(zhǎng)可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，而不降低效率。（4）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是輸出功率較小。半導(dǎo)體激光器增益帶寬特別高，但使用時(shí)需注意其輸出特性的非線(xiàn)性，以及輸出隨光學(xué)負(fù)載（返回到激光器的外部反射率）的變化而變化。（5）光纖激光器所謂光纖激光器就是在光纖材料中含增益介質(zhì)并用光纖構(gòu)成光學(xué)諧振腔的激光器。主要特點(diǎn)如下：

1）由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無(wú)光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

2）由于光纖激光器的工作光纖可以盤(pán)繞，可以把體積做得非常小。

3）光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工利用，大大地簡(jiǎn)化了機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4）對(duì)工作環(huán)境要求低，對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度等具有很高的容忍度。

5）由于光纖激光系統(tǒng)的散熱性能非常好，易于達(dá)到輕小便攜的目的。

6）電光效率高，綜合電光效率高達(dá)20%以上（YAG固體激光器的綜合電光效率在3%左右）。極大地節(jié)約了工作時(shí)的電耗，節(jié)約了運(yùn)行成本。

7）超長(zhǎng)的工作壽命和免維護(hù)時(shí)間，平均免維護(hù)時(shí)間在10萬(wàn)小時(shí)以上。

8）光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)從1000nm-2000nm的不同波長(zhǎng)輸出，使得它可以應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。當(dāng)前第16頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)五、紅外輻射紅外輻射又稱(chēng)紅外光，其頻率和波長(zhǎng)范圍見(jiàn)圖4-2所示，從紫光到紅光熱效應(yīng)逐漸增大，而熱效應(yīng)最大的為紅外光。在自然界中只要物體本身具有一定溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外光。例如電機(jī)、電器、爐火、甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射，又稱(chēng)熱輻射。紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱(chēng)為黑體；能全部反射的物體稱(chēng)為鏡體；能全部透過(guò)的物體稱(chēng)為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱(chēng)為灰體。嚴(yán)格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。1、熱輻射體的分類(lèi)熱輻射體根據(jù)輻射體的光譜發(fā)射率的變化規(guī)律分為黑體、灰體、選擇性輻射體三類(lèi)。一個(gè)輻射體的發(fā)射率定義為該輻射體的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比，即

（式4-3）式中是黑體的輻射出射度。

一個(gè)物體的光譜發(fā)射率定義為該物體的光譜輻射出射度與同溫度下黑體的光譜輻射出射度之比，即當(dāng)前第17頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)（式4-4）顯然，黑體的=1不隨波長(zhǎng)變化；灰體具有=常數(shù)＜1不隨小于1且隨波長(zhǎng)變化?；殷w是一種波長(zhǎng)變化；選擇性輻射體，其發(fā)射率小于1的理想物體，其吸收和發(fā)射規(guī)律與黑體相同，在紅外波段范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料可以當(dāng)作灰體處理。三類(lèi)輻射體的光譜發(fā)射率和光譜輻射出射度的區(qū)別可以從圖4-3看出。（a）

（b）

圖4-3三類(lèi)輻射體的光譜發(fā)射率和光譜輻射出射度

當(dāng)前第18頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)2、熱輻射的基本規(guī)律（1）普朗克公式普朗克最早找到了描述黑體輻射光譜能量密度的公式，普朗克公式的一種常見(jiàn)形式如下：（式4-5）式中h是普朗克常數(shù)，C是光速，k是玻爾茲曼常數(shù)，，

式4-5給出的是光譜能量密度與波長(zhǎng)的關(guān)系。

（2）維思位移定律

M是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，且Mλ隨λ變化總有一個(gè)極大值，由極值條件

求得對(duì)應(yīng)極值的波長(zhǎng)λm應(yīng)滿(mǎn)足如下的維思公式：（式4-6）（3）斯蒂芬-玻爾茲曼定律如果將M對(duì)所有的波長(zhǎng)積分，就得到當(dāng)前第19頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)（4）在折射率為n的介質(zhì)中的黑體輻射公式

式4-5至式4-7適用于真空或折射率接近1的介質(zhì)空間。對(duì)于折射率n≠1的介質(zhì)中的黑體輻射，由于輻射在介質(zhì)中的傳播速度v與在真空中的速度c不同，所以上述各定律公式應(yīng)寫(xiě)成以下形式：（式4-7）

式中

，稱(chēng)斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

（式4-8）

（式4-9）

（式4-10）

當(dāng)前第20頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

圖4-4為不同溫度的光譜輻射分布曲線(xiàn)，圖中虛線(xiàn)表示了由式4-5描述的峰值輻射波長(zhǎng)λm與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可以看到，隨著溫度的升高其峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，在溫度不很高的情況下，峰值輻射波長(zhǎng)在紅外區(qū)域。

圖4-4

不同溫度的光譜輻射分布曲線(xiàn)（a）溫度為15∽200℃；（b）溫度為1000∽2000K當(dāng)前第21頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)（5）紅外輻射與分子能級(jí)光的發(fā)射與吸收本質(zhì)上是電子在原子、分子能級(jí)間躍遷的結(jié)果，處在低能級(jí)的電子，吸收適當(dāng)能量的光子就會(huì)躍遷到高能級(jí)。在分子中，不但要考慮電子的軌道運(yùn)動(dòng)能級(jí)，而且要考慮由于分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)附加上的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，組合起來(lái)，分子中的能級(jí)就十分復(fù)雜。如用Ee、Ev、Er分別表示電子軌道能級(jí)，分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的能量，則一般情況，電子的能量應(yīng)為（式4-11）而能級(jí)躍遷所造成的能量變化為（式4-12）

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)外層電子，ΔEe在l～20eV，ΔEv在0.05～leV，而ΔEr在0.05eV以下。根據(jù)躍遷能量與發(fā)射（或吸收）光子的頻率（或波長(zhǎng)）的關(guān)系，對(duì)于純轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷，與0.05eV以下的ΔEr相聯(lián)系的是遠(yuǎn)紅外和微波段光子；對(duì)于純振動(dòng)能級(jí)間的躍遷，

當(dāng)前第22頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)0.05～leV的ΔEv對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)2.5－25μm的中、遠(yuǎn)紅外光子；當(dāng)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)存在時(shí)（但沒(méi)有軌道能級(jí)變化），ΔEr+ΔEv，所對(duì)應(yīng)的光子可能出現(xiàn)在0.75-2.5μm的近紅外區(qū)。只要有軌道能級(jí)的變化，不管是否存在振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化，ΔE(=ΔEe+ΔEv+ΔEr)都將對(duì)應(yīng)著可見(jiàn)光區(qū)，甚至是紫外區(qū)的短波長(zhǎng)的光子。從以上分析看，物質(zhì)的分子要發(fā)射或吸收紅外輻射，必須有合適的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，而這些能級(jí)的存在實(shí)際上是由分子結(jié)構(gòu)決定的。實(shí)驗(yàn)和理論都證明，物質(zhì)分子對(duì)紅外輻射的吸收是有選擇性的。物質(zhì)分子吸收紅外輻射的條件是：①分子在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中存在著偶極矩的周期性變化，②偶極矩周期性變化的頻率（即振動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率）與外來(lái)光子的頻率一致。那些在振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中沒(méi)有偶極矩變化的分子是不能吸收紅外輻射的。例如O2、N2、Cl2等同核雙原子分子和惰性氣體在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)都沒(méi)有偶極矩變化，所以不能吸收紅外輻射；而H2O、CO2、CH4、N2O、O3這些分子在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)中有偶極矩的變化，從而可以吸收紅外輻射，但吸收也存在選擇性。設(shè)分子處在大氣中，一些分子吸收紅外輻射的波長(zhǎng)是：

H2O：1.379、1.87、2.66、6.27μm；

CO2：2.69、2.77、4.26、15.0μm；

CH4：3.31、7.66μmN2O：4.51、7.73μmO3：9.6μm當(dāng)前第23頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)六、光源特性光源的輻射特性（例如白熾燈輻射為非相干的朗勃光源，激光器是相干光源）、光譜特性（輻射的中心波長(zhǎng)λ和譜寬△λ）、光電轉(zhuǎn)換特性（光源的電偏置與光源幅射的光學(xué)特性之間的關(guān)系）以及光源的環(huán)境特性（熱系數(shù)、長(zhǎng)時(shí)間漂移和老化等）是光源的重要參量。對(duì)于分析光電檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光源光譜的噪聲電平也是極其重要的。光源的最低噪聲電平由散粒噪聲決定，散粒噪聲是光子特性的直接結(jié)果。如果平均來(lái)看，在給定的時(shí)間間隔里，光源發(fā)射出N個(gè)光子，則在連續(xù)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射的實(shí)際值有N1/2的變化，這種變化等效于發(fā)射信號(hào)振幅中的一個(gè)噪聲分量。散粒噪聲又稱(chēng)光子噪聲，多數(shù)白熾光源（包括發(fā)光二極管）的噪聲電平非常接近于散粒噪聲。激光器通常由填充著光學(xué)諧振媒質(zhì)的光學(xué)諧振腔構(gòu)成，在腔體內(nèi)產(chǎn)生諧振效應(yīng)，因此在一些特定頻率上會(huì)產(chǎn)生附加噪聲電平。另外，給光源提供能量的電源通常存在噪聲，經(jīng)光源的光電轉(zhuǎn)換，這種電噪聲將轉(zhuǎn)換為光噪聲，故光源的實(shí)際噪聲電平往往超過(guò)散粒噪聲。當(dāng)前第24頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．2光電效應(yīng)及器件所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。這里將紫外光、可見(jiàn)光和紅外光做統(tǒng)一考慮，把光電探測(cè)器分為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器。在光子探測(cè)器中研究外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類(lèi)。4．2．1外光電效應(yīng)在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)。根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)：一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，因此要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子能量大于該物體的表面逸出功A。各種不同的材料具有不同的逸出功A，因此對(duì)某特定材料而言，將有一個(gè)頻率限υo域波長(zhǎng)限λo，稱(chēng)為“紅限”，不同金屬光電效應(yīng)的紅限見(jiàn)表4-4。當(dāng)入射光的頻率低于υo時(shí)（或波長(zhǎng)大于λo），不論入射光有多強(qiáng)，也不能激發(fā)電子；當(dāng)入射頻率高于υo時(shí)，不管它多么微弱也會(huì)使被照射的物體激發(fā)電子，光越強(qiáng)則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。紅限波長(zhǎng)可用下式求得：

（式4-13）式中c--光速。當(dāng)前第25頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)根據(jù)能量守恒定理

（式4-14）

式中m-電子質(zhì)量；V0-電子逸出速度。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比，即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。外光電效應(yīng)從光開(kāi)始照射至金屬釋放電子幾乎在瞬間發(fā)生，所需時(shí)間不超過(guò)10－9s。基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管。

表4-4外光電效應(yīng)紅限金屬銫(Cs)鈉(Na)鋅(Zn)銀(Ag)鉑(Pt)λ0/nm660500372260115.5圖4-5光電管

光電管是裝有光陰極和陽(yáng)極的真空玻璃管，如圖4-5所示。光陰極由在玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料構(gòu)成，陽(yáng)極為置于光電管中心的環(huán)形金屬板或置于柱面中心線(xiàn)的金屬柱。當(dāng)前第26頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

光電管的陰極受到適當(dāng)?shù)恼丈浜蟊惆l(fā)射光電子，這些光電子被具有一定電位的陽(yáng)極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入一適當(dāng)阻值的電阻，則該電阻上將產(chǎn)生正比空間電流的電壓降，其值與照射在光電管陰極上的光成函數(shù)關(guān)系。光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽(yáng)極外，尚裝有若干個(gè)光電倍增極，光電倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。光電倍增極的形狀及位置設(shè)置得正好能使前一級(jí)倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級(jí)倍增極，在每個(gè)倍增極間均依次增大加速電壓。設(shè)每級(jí)的培增率為δ，若有n級(jí)，則光電倍增管的光電倍增管的光電流倍增率將為δn。光電倍增極一般采用Sb-Cs涂料或Ag-Mg合金涂料，倍增極數(shù)常為4～14，δ值為3～6。

一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對(duì)入射光起作用，但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒(méi)有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱(chēng)為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場(chǎng)致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱(chēng)為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線(xiàn)對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。圖4-6

光電倍增管當(dāng)前第27頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．2．2內(nèi)光電效應(yīng)光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即能量必須大于材料的禁帶寬度△Eg（圖4-7）才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)，因此叫內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長(zhǎng)λO＝1293／△Eg（mm）。通常純凈半導(dǎo)體的禁帶寬度為1eV左右，例如鍺的△Eg＝0.75eV，△Eg＝1.2eV。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。半導(dǎo)體受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線(xiàn)愈強(qiáng)，阻值愈低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管與三極管；光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。圖4-7

半導(dǎo)體能帶圖當(dāng)前第28頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)一、光敏電阻

光敏電阻是一種電阻器件，其工作原理如圖4-8所示。使用時(shí)，可加直流偏壓（無(wú)固定極性），或加交流電壓。光敏電阻中光電導(dǎo)作用的強(qiáng)弱是用其電導(dǎo)的相對(duì)變化來(lái)標(biāo)志的。禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料，在室溫下熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)較少，無(wú)光照時(shí)的電阻（暗電阻）較大。因此光照引起的附加電導(dǎo)就十分明顯，表現(xiàn)出很高的靈敏度。光敏電阻常用的半導(dǎo)體有硫化鎘（CdS，禁帶寬度Eg＝2.4eV）和硒化銀（CdSe，禁帶寬度Eg＝l.8eV）等。敏感元件的電阻可表示為：

（式4-15）式中為長(zhǎng)度，為敏感元面積，為電導(dǎo)率。光導(dǎo)探測(cè)器響應(yīng)率正比于光照后電導(dǎo)率的相對(duì)變化，而后者又可表示為：（式4-16）式中：為量子效率，為自由載流子壽命；為遷移率，是電子電荷量，為探測(cè)器厚度。

當(dāng)前第29頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

從式中可看出，高響應(yīng)率要求探測(cè)器有較高的量子效率，自由載流子壽命長(zhǎng)，遷移率高，厚度應(yīng)小。自由載流子壽命取決于復(fù)合過(guò)程，在一定程度上可由材料配方和雜質(zhì)含量來(lái)控制。自由載流子壽命是一個(gè)極其重要的參數(shù)，除影響響應(yīng)率外，還影響探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)。高響應(yīng)率還要求探測(cè)器在無(wú)光子輻照時(shí)有較低的電導(dǎo)率，即將非光子效應(yīng)產(chǎn)生的載流子數(shù)降低到最小。對(duì)長(zhǎng)波響應(yīng)的探測(cè)器材料，必須有小的禁帶寬度。但禁帶寬度小，在室溫下，無(wú)光照就會(huì)產(chǎn)生大量熱激發(fā)載流子，只能通過(guò)致冷探測(cè)器來(lái)解決。一般來(lái)講，如不致冷的話(huà)，大多數(shù)光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)波段不會(huì)超過(guò)3微米；響應(yīng)波段在3到8微米的，要求中等致冷（77K）；響應(yīng)超過(guò)8微米的，要求致冷到絕對(duì)溫度幾度。當(dāng)光導(dǎo)探測(cè)器面積一定時(shí)，高響應(yīng)率需要高的量子效率，以便盡可能利用所有入射光子，可在敏感元后面設(shè)反射器或敏感元表面鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

當(dāng)前第30頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

二、光敏二極管與光電池

PN結(jié)可以光電導(dǎo)效應(yīng)工作，也可以光生伏特效應(yīng)工作。如圖4-9所示，處于反向偏置的PN結(jié)，在無(wú)光照時(shí)具有高阻特性，反向暗電流很小。當(dāng)光照時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流，方向與反向電流一致。光的照度愈大，光電流愈大。由于無(wú)光照時(shí)的反偏電流很小，一般為納安數(shù)量級(jí)，因此光照時(shí)的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。光敏二極管光伏探測(cè)器受到輻照后，其伏安特性曲線(xiàn)特性將會(huì)下移，如圖4-10所示。圖4-9光伏型探測(cè)器的幾何模型

圖4-10P-N結(jié)光二極管工作簡(jiǎn)圖

當(dāng)前第31頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)設(shè)信號(hào)的輻射通量為，則光電流為：

（式4-17）式中：為量子效率，為電子電荷量。

使用時(shí)可選擇合適的工作點(diǎn)。一般說(shuō)來(lái)，光伏探測(cè)器工作于短路狀態(tài)時(shí)，即零偏壓狀態(tài)，能產(chǎn)生最佳信噪比。有時(shí)也對(duì)光伏探測(cè)器加適當(dāng)?shù)姆聪蚱?，加反向配置能增加耗盡層的厚度，從而減小時(shí)間常數(shù)，探測(cè)器有較好的高頻特性。硅光電池是用單晶硅制成的，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散方法滲入一些P型雜質(zhì)，從而形成一個(gè)大面積PN結(jié)I層極薄能使光線(xiàn)穿透到PN結(jié)上。硅光電池也稱(chēng)硅太陽(yáng)能電池，為有源器件，它輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體污染或熱污染，特別適用于宇宙飛行器作儀表電源。硅光電池轉(zhuǎn)換效率較低，適宜在可見(jiàn)光波段工作。當(dāng)前第32頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)三、光敏三極管

它可以看成是一個(gè)eb結(jié)為光敏二極管的三極管。在光照作用下，光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，該電流信號(hào)被晶體三極管放大。顯然，在晶體管增益為β時(shí)，光敏三極管的光電流要比相應(yīng)的光敏二極管大β倍。光敏二級(jí)管和三極管均用硅或鍺制成。由于硅器件暗電流小、溫度系數(shù)小，又便于用平面工藝大量生產(chǎn)，尺寸易于精確控制，因此硅光敏器件比鍺光敏器件更為普通。光敏三極管當(dāng)前第33頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．2．3熱探測(cè)器熱探測(cè)器也通稱(chēng)為能量探測(cè)器，其原理是利用輻射的熱效應(yīng)，通過(guò)熱電變換來(lái)探測(cè)輻射。入射到探測(cè)器光敏面的輻射被吸收后，引起響應(yīng)元的溫度升高，響應(yīng)元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應(yīng)可設(shè)計(jì)出不同類(lèi)型的熱探測(cè)器，其中最常用的有電阻溫度效應(yīng)（熱敏電阻）、溫差電效應(yīng)（熱電偶、熱電堆）和熱釋電效應(yīng)。 由于各種熱探測(cè)器都是先將輻射轉(zhuǎn)化為熱并產(chǎn)生溫升，而這一過(guò)程通常很慢，熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)要比光子探測(cè)器大得多。熱探測(cè)器性能也不象光子探測(cè)器那樣有些已接近背景極限。即使在低頻下，它的探測(cè)率要比室溫背景極限值低一個(gè)數(shù)量級(jí)，高頻下的差別就更大了。因此，熱探測(cè)器不適合用于快速、高靈敏度的探測(cè)，熱探測(cè)器的最大優(yōu)點(diǎn)是光譜響應(yīng)范圍較寬且較平坦。一、熱敏電阻嚴(yán)格地說(shuō)，利用輻射熱效應(yīng)而引起電阻變化的熱探測(cè)器應(yīng)稱(chēng)之為測(cè)熱輻射計(jì)（Bolometer），俗稱(chēng)熱敏電阻。當(dāng)前第34頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)圖4-11直流工作的橋式輻射熱測(cè)量探測(cè)器電路

圖4-12輻射熱測(cè)量計(jì)電路

當(dāng)用橋式測(cè)量電路時(shí)，如圖4-11所示，兩個(gè)熱敏電阻具有相同的溫度特性，分別用于測(cè)量和補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，不會(huì)破壞電橋的平衡。用較為簡(jiǎn)單的測(cè)量電路時(shí)，如圖4-12所示，只有熱敏電阻電壓的變化量才能通過(guò)耦合電容傳給信號(hào)放大電路。當(dāng)照射到熱敏電阻的輻射發(fā)生變化時(shí)，引起溫度變化有一個(gè)時(shí)間延遲，此延遲取決于熱敏電阻內(nèi)部的熱學(xué)結(jié)構(gòu)，用熱平衡方程可表達(dá)為：（式4-18）式中:-入射輻射功率增量W；

-探測(cè)元溫度增量K；

-探測(cè)元有效熱導(dǎo)WK^-1；

-探測(cè)元熱容，JK^-1.

當(dāng)前第35頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

公式的物理意義是：入射的輻射功率一部分通過(guò)傳導(dǎo)和輻射方式耗散，具體取決于探測(cè)元的熱導(dǎo)；另一部分以蓄熱方式儲(chǔ)存起來(lái)，該部分取決于探測(cè)元的熱容，如入射輻射按正弦變化（式4-19）

該微分方程的穩(wěn)定解為：

（式4-20）響應(yīng)元電阻變化為（式4-21）

式中：響應(yīng)元電阻，溫度系數(shù)，

響應(yīng)元比輻射率（即吸收率）；

熱容與有效熱導(dǎo)之比，即熱時(shí)間常數(shù)，單位秒。

此公式與RC低通濾波電路的表達(dá)形式很相似，只是RC電路的時(shí)間常數(shù)為電容和電阻乘積，即電容與電導(dǎo)之比。當(dāng)前第36頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

公式清楚地表明：要減小熱時(shí)間常數(shù)，響應(yīng)元應(yīng)有較小的熱容和較大的熱導(dǎo)（或較小的熱阻）。但是，熱導(dǎo)大即熱阻小，意味著同樣的入射輻射功率產(chǎn)生較小的溫升，就會(huì)影響響應(yīng)率。因此，熱敏電阻響應(yīng)元通常具有薄片狀結(jié)構(gòu)，以增大接收面積和減小熱容量。用熱特性不同的基片，熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)可為1毫秒至50毫秒。熱敏電阻通常由高溫度系數(shù)的金屬氧化物燒結(jié)而成，由于材料本身吸收不是很好，制作時(shí)必須黑化。

熱敏電阻噪聲主要是噪聲和熱噪聲，對(duì)于有最佳信噪比的大偏置電流的情況，主要是噪聲。偏置電流足夠小時(shí)，熱噪聲起主要作用，此時(shí)，熱敏電阻的噪聲譜是平直的，僅依賴(lài)于響應(yīng)元的電阻和溫度。二、熱釋電探測(cè)器 凡是有自發(fā)極化的晶體，其表面會(huì)出現(xiàn)面束縛電荷，而這些面束縛電荷平時(shí)被晶體內(nèi)部和外部來(lái)的自由電荷所中和，因此在常態(tài)下呈中性。如果交變的輻射照射在光敏元上，則光敏元的溫度、晶片的自發(fā)極化強(qiáng)度以及由此引起的面束縛電荷的密度均以同樣頻率發(fā)生周期性變化。如果面束縛電荷變化較快，自由電荷來(lái)不及中和，在垂直于自發(fā)極化矢量的兩個(gè)端面間會(huì)出現(xiàn)交變的端電壓。

當(dāng)前第37頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)圖4-13熱釋電探測(cè)器原理電路及等效電路（a）原理電路；（b）等效電路

Ip-熱釋電流；R0-探測(cè)器內(nèi)阻;C0-極間電容R1-前置放大器的輸入電容;C1-輸入電容

與所有熱探測(cè)器一樣，熱釋電探測(cè)器的工作原理可以用三個(gè)過(guò)程來(lái)描述：輻射→熱為吸收過(guò)程，熱→溫度為加熱過(guò)程，溫度→電則為測(cè)溫過(guò)程，加熱過(guò)程與熱敏電阻、熱電偶是類(lèi)似的。當(dāng)前第38頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

熱釋電材料有單晶、陶瓷、薄膜等種類(lèi)。單晶熱釋電晶體的熱釋電系數(shù)高、介質(zhì)損耗小，是至今性能最好的熱釋電探測(cè)器大多選用單晶制作，如TGS、LATGS、LiTaO3等；陶瓷熱釋電晶體成本較低，響應(yīng)較慢，如入侵報(bào)警用PZT陶瓷探測(cè)器工作頻率為0.2～5Hz；薄膜熱釋電材料可以用濺射法、液相外延等方法制備，有些薄膜的自發(fā)極化取向率已接近單晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄，因而對(duì)于制作高性能的熱釋電探測(cè)器十分有利。熱釋電探測(cè)器光譜響應(yīng)范圍很寬，可以非致冷工作，已廣泛用于輻射測(cè)量。由于探測(cè)器性能均勻、功耗低、成像型的熱釋電面陣有很好的應(yīng)用前景。表4-5商用光子探測(cè)器和熱探測(cè)器常見(jiàn)的有光子探測(cè)器熱探測(cè)器本征,PVMCT熱敏V2O5Si,Ge多晶SiGeInGaAs多晶SiInSb,InAsSbAmorphSi本征,PCMCT熱電堆Bi/SbPbS,PbSe熱釋電LithiumTantalite(LiTa)非本征SiXLeadZirconiumTitanite(PbZT)光發(fā)射PtSiBariumStrontiumTitanite(BST)量子阱GaAs/AlGaAs熱容Bimetals當(dāng)前第39頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．3光電器件的特性光電傳感器的光照特性、光譜特性以及峰值探測(cè)率、響應(yīng)時(shí)間等幾個(gè)主要參數(shù)，都取決于光電器件的性能。為了合理選用光電器件，有必要對(duì)其主要特性，作一簡(jiǎn)要介紹。

4．3．1光照特性光電器件的靈敏度可用光照特性來(lái)表征，它反映了光電器件輸入光量與輸出光電流（光電壓）之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性呈非線(xiàn)性，且大多數(shù)如圖4-14（a）所示。因此不宜作線(xiàn)性檢測(cè)元件，但可在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作開(kāi)關(guān)元件。（a）（b）（c）圖4-14光電器件的光照特性（a）光敏電阻；（b）光敏二極管；（c）硅光電池當(dāng)前第40頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

光敏晶體管的光照持性如圖4-14（b）所示。它的靈敏度和線(xiàn)性度均好，因此在軍事、工業(yè)自動(dòng)控制和民用電器中應(yīng)用極廣，既可作線(xiàn)性轉(zhuǎn)換元件，也可作開(kāi)關(guān)元件。光電池的光照特性如圖4-14（c）所示，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線(xiàn)性關(guān)系。開(kāi)路電壓與光照度的關(guān)系呈非線(xiàn)性，在照度2000lx以上即趨于飽和，但其靈敏度高，宜用作開(kāi)關(guān)元件。光電池作為線(xiàn)性檢測(cè)元件使用時(shí)，應(yīng)工作在短路電流輸出狀態(tài)。由實(shí)驗(yàn)知，負(fù)載電阻愈小，光電流與照度之間的線(xiàn)性關(guān)系愈好，且線(xiàn)性范圍愈寬。對(duì)于不同的負(fù)載電阻，可以在不同的照度范圍內(nèi)使光電流與光照度保持線(xiàn)性關(guān)系。故用光電池作線(xiàn)性檢測(cè)元件時(shí)，所用負(fù)載電阻的大小應(yīng)根據(jù)光照的具體情況而定。

光照特性常用響應(yīng)率R來(lái)描述。對(duì)于光生電流器件，輸出電流Ip與光輸入功率Pi之比，稱(chēng)為電流響應(yīng)率RI，即（式4-22）

對(duì)于光生伏特器件，輸出電壓與光輸入功率Pi之比，稱(chēng)為電壓響應(yīng)率RV，即

（式4-23）當(dāng)前第41頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．3．2光譜特性光電器件的光譜特性是指相對(duì)靈敏度K與入射光波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系，又稱(chēng)光譜響應(yīng)。光敏晶體管的光譜特性如圖4-15（a）所示。由圖可知，硅的長(zhǎng)波限為1.lμm，鍺為1.8μm，其大小取決于它們的禁帶寬度。

圖4-15光電器件的光譜特性（a）光敏晶體管；（b）光敏電阻；（c）光電池

短波限一般在0.4～0.5μm附近，這是由于波長(zhǎng)過(guò)短，材料對(duì)光波的吸收劇增，使光子在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)的光生電子-空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。硅器件靈敏度的極大值出現(xiàn)在波長(zhǎng)0.8～0.9μm處，而鍺器件則出現(xiàn)在1.4～1.5μm處，都處于近紅外光波段。采用較淺的PN結(jié)和較大的表面，可使靈敏度極大值出現(xiàn)的波長(zhǎng)和短波限減小，以適當(dāng)改善短波響應(yīng)。當(dāng)前第42頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

光敏電阻和光電池的光譜特性如圖4-15（b）和圖4-15（c）所示。由光譜特性可知，為了提高光電傳感器的靈敏度，對(duì)于包含光源與光電器件的傳感器，應(yīng)根據(jù)光電器件的光譜特性合理選擇相匹配的光源和光電器件。對(duì)于被測(cè)物體本身可作光源的傳感器，則應(yīng)按被測(cè)物體幅射的光波波長(zhǎng)選擇光電器件。4．3．3響應(yīng)時(shí)間光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映它的動(dòng)態(tài)特性，響應(yīng)時(shí)間小，表示動(dòng)態(tài)特性好。對(duì)于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時(shí)間的限制。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為10－1～10－3s，光敏晶體管約為2×10－5s，光敏二極管的響應(yīng)速度比光敏三極管高一個(gè)數(shù)量級(jí)，硅管比鍺管高一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖4-16為光敏電阻、光電池及硅光敏三極管的頻率特性。

圖4-16光電器件的頻率特性（a）光敏電阻；（b）光電池；（c）硅光敏三極管當(dāng)前第43頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．3．4峰值探測(cè)率峰值探測(cè)率源出于紅外探測(cè)器，后來(lái)沿用到其它光電器件。無(wú)光照時(shí)，由于器件存在著固有的散粒噪聲以及前置放大器輸入端的熱噪聲，光探測(cè)器件將產(chǎn)生輸出，這一噪聲輸出常以噪聲等效功率PNE表征。PNE定義為：產(chǎn)生與器件暗電流大小相等的光電流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能產(chǎn)生信號(hào)噪聲比為1的幅射功率值。PNE與光敏器件的有效光敏面積A和探測(cè)系統(tǒng)帶寬紂有關(guān)，而且是平方律關(guān)系。因此探測(cè)器件的性能常用峰值探測(cè)率D*表征，D*值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。即（式4-24）

光電二極管的暗電流是反向偏置飽和電流，而光敏電阻的暗電流是無(wú)光照時(shí)偏置電壓與體電阻之比。一般以暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲計(jì)算器件的PNE

（式4-25）

式中:-電子電荷（1.6×10－19C）；

-暗電流（A）；

-電流響應(yīng)率（A·W－1）當(dāng)前第44頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．3．5溫度特性溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時(shí)對(duì)光譜特性也有很大影響。一般來(lái)說(shuō)，光敏器件的光譜響應(yīng)峰值隨溫度升高而向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，往往可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的響應(yīng)。在定溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測(cè)時(shí)有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償或使它在恒溫條件下工作。當(dāng)前第45頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．4探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì)

4．4．1噪聲 研究噪聲的目的是為了了解傳感器系統(tǒng)，特別是光電系統(tǒng)所受的限制，這里所說(shuō)的噪聲是指探測(cè)器、電路元件產(chǎn)生的隨機(jī)電起伏。本質(zhì)上講，大多數(shù)物理量都是不連續(xù)的或顆粒狀的。例如：電流是由電子流組成的，每一個(gè)電子都帶有一份獨(dú)立的電荷，電子通過(guò)電路中某一點(diǎn)的速率的隨機(jī)起伏，就表現(xiàn)為電噪聲。圖4-17隨機(jī)噪音的記錄圖

電噪聲是一種隨機(jī)變量，在任一瞬間，隨機(jī)噪聲的幅度和該瞬時(shí)前后出現(xiàn)的幅度完全無(wú)關(guān)，只能用統(tǒng)計(jì)的方法去表示某一幅值出現(xiàn)的概率。我們可以用一定時(shí)間間隔內(nèi)，電壓（或電流）的均方根差來(lái)表示噪聲電壓（或噪聲電流）。即（式4-26）當(dāng)前第46頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)（式4-27）

更確切地，可稱(chēng)之為均方根噪聲電壓或均方根噪聲電流。如果電路中存在兩個(gè)或更多獨(dú)立的噪聲源，其總效果可將各個(gè)噪聲源的噪聲功率相加，也就是將噪聲電壓（或噪聲電流）的平方相加得到,而噪聲電壓或噪聲電流是不可以直接相加的。

不同類(lèi)型噪聲的功率頻譜也不盡相同，可用譜密度來(lái)表示。譜密度可表示為單位帶寬的噪聲功率(噪聲電壓平方)，也可表示為單位根號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲電壓，即

或。4．4．2探測(cè)器噪聲的類(lèi)型不僅響應(yīng)率會(huì)隨輻射頻率變化，探測(cè)率也會(huì)隨輻射頻率變化,因?yàn)椋ㄊ?-28）

與的關(guān)系與探測(cè)器噪聲的類(lèi)型有關(guān)，對(duì)于受白噪聲(噪聲大小與頻率無(wú)關(guān))限制的探測(cè)器，

與的關(guān)系和

與的關(guān)系有相同的形式；對(duì)于受其它形式噪聲限制的探測(cè)器，與

的關(guān)系往往與與的關(guān)系不同當(dāng)前第47頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)圖4-18光導(dǎo)體中總噪聲譜隨頻譜變化的曲線(xiàn)（1）Johnson噪聲也稱(chēng)熱噪聲，存在于所有探測(cè)器,一個(gè)電阻器就是一個(gè)熱噪聲發(fā)生器。熱平衡時(shí)，電阻元件中的電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)在元件兩端產(chǎn)生的隨機(jī)電壓。當(dāng)電阻溫度上升時(shí)，電荷載流子的平均動(dòng)能增加，則噪聲電壓增加。熱噪聲存在于所有探測(cè)器，其噪聲電壓可表達(dá)為：探測(cè)器噪聲從機(jī)理上區(qū)分大致有以下幾類(lèi)：（式4-29）

熱噪聲的譜密度為

在給定溫度下，熱噪聲的噪聲電壓只與電阻有關(guān)，如果噪聲源是一個(gè)阻抗，則噪聲電壓只取決與阻抗的電阻部分，而與電容、電感部分無(wú)關(guān)。噪聲電壓與帶寬的平方根成正比，而與頻率高低無(wú)關(guān)，即熱噪聲的譜密度與頻率無(wú)關(guān)，故稱(chēng)之為白噪聲。當(dāng)前第48頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)（2）溫度噪聲由于熱探測(cè)器敏感元件跟周?chē)妮椛浣粨Q或與散熱片之間的傳導(dǎo)交換，使敏感元件的溫度發(fā)生隨機(jī)起伏，而引起信號(hào)電壓的隨機(jī)起伏，這種噪聲稱(chēng)為溫度噪聲。溫度噪聲僅在熱探測(cè)器中能觀察到，熱探測(cè)器性能的理論極限就是根據(jù)溫度噪聲計(jì)算的。（3）噪聲也稱(chēng)調(diào)制噪聲或閃爍噪聲,產(chǎn)生的物理機(jī)理尚不清楚。噪聲對(duì)低頻段影響較大，可用來(lái)表征其功率譜，n取0.8～2。

(4)產(chǎn)生-復(fù)合噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是敏感元件電荷載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率的統(tǒng)計(jì)起伏產(chǎn)生的噪聲。這種起伏可以由載流子與光子相互作用或背景光子到達(dá)率的隨機(jī)性而引起。如果背景光子起伏對(duì)產(chǎn)生-復(fù)合率的起伏起主要貢獻(xiàn)，那么這種噪聲也稱(chēng)為光子噪聲、輻射噪聲或背景噪聲。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲存在于所有光子探測(cè)器，對(duì)于光伏探測(cè)器，由于只有自由載流子產(chǎn)生率的起伏對(duì)噪聲有貢獻(xiàn)，光伏探測(cè)器的

值要比光子探測(cè)器小倍。

（5）散彈噪聲這種噪聲是由于流過(guò)PN結(jié)的自由電子和空穴的起伏產(chǎn)生的。表現(xiàn)為微電流脈沖，在外電路中表現(xiàn)為隨機(jī)噪聲或電壓，短路噪聲電壓可表達(dá)為：當(dāng)前第49頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)（式4-30）

通常存在于光伏探測(cè)器和薄膜探測(cè)器，光導(dǎo)探測(cè)器由于沒(méi)有PN結(jié)，所以不存在散彈噪聲。探測(cè)器的總噪聲是以上各種噪聲的均方根，不同類(lèi)型探測(cè)器，在不同頻率段，其主導(dǎo)作用的噪聲也是不同的。4．4．3低噪聲電子設(shè)計(jì)一、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)也叫噪聲因素，是器件或電路對(duì)于噪聲的品質(zhì)因素。如一個(gè)放大電路的增益為G，則它的噪聲系數(shù)定義為：（式4-31）

由于

，代入上式，得

（式4-32）當(dāng)前第50頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

因?yàn)樵肼曄禂?shù)是功率比，所以也可用分貝表示，稱(chēng)為對(duì)數(shù)噪聲系數(shù)。

（式4-33）

噪聲系數(shù)是放大器引起的信噪比惡化程度的量度。一個(gè)好的放大器是在源噪聲基礎(chǔ)上不增加噪聲的放大器，其噪聲系數(shù)F=1，或者說(shuō)對(duì)數(shù)噪聲系數(shù)NF=1。低噪聲電子設(shè)計(jì)的目的是使實(shí)際放大器的噪聲系數(shù)接近這種理想的狀態(tài)。

探測(cè)器輸出微弱信號(hào)通常需經(jīng)多級(jí)放大，我們可以導(dǎo)出級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，以分析系統(tǒng)的最重要的放大源在那里。設(shè)有兩級(jí)功率增益分別為

和的放大器級(jí)聯(lián)，它們單獨(dú)使用時(shí)噪噪聲系數(shù)分別為和,即

級(jí)聯(lián)后第一級(jí)的輸出噪聲（即第二級(jí)輸入噪聲）為：

當(dāng)前第51頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)第一級(jí)G1第二級(jí)G2

級(jí)聯(lián)后總輸出噪聲可認(rèn)為由兩部分組成，第一部分是第一級(jí)輸出噪聲放大倍后形成的噪聲，即

第二部分則是第二級(jí)放大器增加的噪聲。按的定義，當(dāng)?shù)诙?jí)輸入噪聲為時(shí)輸出噪聲為

，由于其中的并不是增加

的噪聲，必須從

因此，級(jí)聯(lián)后總輸出噪聲為上述兩部分噪聲之和。

中扣除，才是第二級(jí)放大器增加的額外噪聲。兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為

（式4-34）

當(dāng)前第52頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)同樣，我們也可導(dǎo)出三級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為

（式4-35）

可得出的結(jié)論是：如果第一級(jí)增益高時(shí)，級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系統(tǒng)主要受第一級(jí)噪聲的影響。探測(cè)器信號(hào)放大電路的第一級(jí)通常為高增益的低噪聲放大器，稱(chēng)為前置放大器，后級(jí)主放大器增益較低，對(duì)低噪聲的要求也較低。

二、最佳源電阻

前置放大電路用于對(duì)探測(cè)器輸出微弱電流或電壓信號(hào)的放大，通常要求前放的噪聲系數(shù)接近1，即前放輸出的信噪比盡量接近探測(cè)器輸出的信噪比。這樣即前放在放大過(guò)程中引入的噪聲，相對(duì)于探測(cè)器噪聲而言可以忽略。

為研究前置放大器對(duì)探測(cè)器輸出信噪比的影響，可以建立放大器的噪聲模型。即將它等效為一個(gè)無(wú)噪聲放大器，但是在輸入端串聯(lián)一個(gè)的零阻抗噪聲電壓源

和并聯(lián)一個(gè)阻抗無(wú)

。探測(cè)器可視為一個(gè)電

壓源

，其源電阻

產(chǎn)生的熱噪聲用噪聲電壓源

表示。

（式4-36）

當(dāng)前第53頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)圖4-19放大器的噪聲模型和信號(hào)源

這三個(gè)噪聲源又可用等效輸入噪聲

表示，即用位于

的一個(gè)噪聲源代替所有的系統(tǒng)噪聲源。如果

、、和、都是均方根值，不相關(guān)的噪聲源疊加可將它們的噪聲功率簡(jiǎn)單相加，即為：（式4-37）

這里

是接上探測(cè)器后放大器輸出噪聲折算至輸入端的等效噪聲，

之比即放大器的噪聲系數(shù)，低噪聲設(shè)計(jì)目的是使

與探測(cè)器噪聲

盡量接近。

圖4-20

從圖4-20中可以看出：放大器噪聲系數(shù)與源電阻有關(guān)。

中的放大器噪聲在源電阻較小時(shí)主要表現(xiàn)為電壓噪聲；當(dāng)源電阻較大時(shí)，主要是電流噪聲起作用。

當(dāng)前第54頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)當(dāng)

時(shí)，總等效輸入噪聲最靠近熱噪聲曲線(xiàn)。此時(shí)，放大器在探測(cè)器熱噪聲的基礎(chǔ)上增加的噪聲最小，噪聲系數(shù)最小。

稱(chēng)為最佳源電阻，最佳源電阻不是功率傳輸最大時(shí)的電阻，它和放大器的輸入阻抗沒(méi)有直接關(guān)系，它是由放大器的噪聲機(jī)構(gòu)決定的。三、晶體管噪聲如果不能忽略下一級(jí)噪聲，前置放大器應(yīng)提供足夠的增益，以抑制下一級(jí)噪聲的貢獻(xiàn)。在這種情況下，輸入晶體管是影響讀出電路噪聲的主要因素。用于低噪聲放大的晶體管有雙極晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。MOSFET的工作溫度范圍、功率和噪聲特性較好，許多現(xiàn)代讀出集成電路都是由用CMOS工藝制造的MOSFET和其他組件組成。

一個(gè)有噪聲的晶體管放大器同樣可以等效為輸入端串聯(lián)了一個(gè)噪聲電壓源和并聯(lián)了一個(gè)噪聲電流源的無(wú)噪聲放大器。下圖給出了共發(fā)射極或共源極BJT、JFET和MOSFET放大器噪聲電壓、噪聲電流的頻譜?？梢钥闯?，它們的最佳源電阻不同：BJT最低，JFET次之，MOSFET最高。最佳源電阻不同，與之匹配的探測(cè)器源電阻的范圍也有所不同。

按阻抗可把探測(cè)器分為兩類(lèi)：其一為低阻抗探測(cè)器（低于10kΩ），如長(zhǎng)波紅外HgCdTe光導(dǎo)探測(cè)器；其二為高阻抗探測(cè)器（大于10kΩ），如光伏、非本征硅及硅化鉑探測(cè)器。當(dāng)前第55頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

對(duì)于通常具有10MΩ以上阻抗的光伏探測(cè)器，MOSFET的噪聲比探測(cè)器熱噪聲小。然而，對(duì)阻抗低于100kΩ的探測(cè)器，如低電阻的光導(dǎo)探測(cè)器，MOSFET并不是最佳選擇。在這種情況下，最好選擇雙極晶體管。

JFET常用于分立元件的放大器中，接小于100MΩ的探測(cè)器，即使在室溫下，也比MOSFET有更好的性能，并且，因?yàn)樯⒘Ｔ肼曇鸬妮斎肫秒娏麟S溫度降低明顯地減小，低溫JFET具有較好地低噪聲性能，可匹配阻抗大于100MΩ地探測(cè)器。四、常用前置放大器的噪聲前置放大器通常采用電壓放大和電流電壓放大（互阻抗）兩種形式。圖4-21

根據(jù)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)迭加原理，電壓放大器的等效輸入噪聲電壓

為：

（式4-38）

其中

是放大器輸入電阻和探測(cè)器電阻（源電阻）的并聯(lián)。當(dāng)前第56頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

可以看出，放大器噪聲電流的影響隨源電阻增大而增大，而放大器噪聲電壓的影響隨源電阻增大而減小。因此，設(shè)計(jì)低噪聲電壓放大器時(shí)，如探測(cè)器阻抗較低，應(yīng)選用噪聲電壓較低的運(yùn)放；如探測(cè)器阻抗較高，則應(yīng)選用噪聲電流較低的運(yùn)放。電流電壓放大器的噪聲性能一般用等效輸入噪聲電流來(lái)表示，這僅是表達(dá)方式不同，上面的結(jié)論依然成立。（式4-39）

在有用的系統(tǒng)帶寬內(nèi)，

和

可能不是白噪聲，

因此，前置放大器輸出的均方根電壓噪聲應(yīng)表達(dá)為積分形式。自然是頻率的函數(shù)。電壓放大器：

其中：

為放大器的電壓增益。

電流電壓放大器：

其中：

為放大器的跨阻。

當(dāng)前第57頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

對(duì)于探測(cè)器、放大器組件，總的均方根噪聲功率是放大器噪聲、探測(cè)器噪聲和光子噪聲功率之和：（式4-40）

五、微弱信號(hào)檢測(cè)（WeakSignalDetection）技術(shù)概述對(duì)于眾多的微弱量（如弱光、小位移、微震動(dòng)、微溫差、弱磁、弱聲、微電流、低電壓及弱流量等等），一般都通過(guò)各種傳感器作非電量的轉(zhuǎn)換，使檢測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)變成電量（電流或電壓）。但當(dāng)檢測(cè)量甚為微弱時(shí)，由微弱物理量本身的漲落、傳感器本底與測(cè)量?jī)x器噪聲的影響，被測(cè)的有用的電信號(hào)被強(qiáng)于數(shù)千甚至數(shù)十萬(wàn)倍的噪聲所淹沒(méi)微弱信號(hào)。因此，微弱信號(hào)檢測(cè)是一種專(zhuān)門(mén)與噪聲作斗爭(zhēng)的技術(shù)。只有抑制噪聲，才能取出信號(hào)，噪聲對(duì)于弱檢測(cè)幾乎是無(wú)處不在，無(wú)地沒(méi)有，它總是與信號(hào)共存。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的，就是利用電子學(xué)的、信息論的和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特征和相關(guān)性，采取必要的手段檢測(cè)被背景噪聲覆蓋的弱信號(hào)。它的任務(wù)是發(fā)展微弱信號(hào)檢測(cè)的理論，探索新的方法和原理，研制新的檢測(cè)設(shè)備以及在各學(xué)科領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。當(dāng)前第58頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

噪聲與干擾：噪聲的定義是有害信號(hào)。它普遍存在于測(cè)量系統(tǒng)之中，因而妨礙了有用信號(hào)的檢測(cè)，成為限制測(cè)量信號(hào)的主要因素。除噪聲之外，實(shí)際的測(cè)量之中，還存在干擾，它與噪聲有本質(zhì)的區(qū)別。噪聲由一系列隨機(jī)電壓組成，其頻率和相位都是彼此不相干的，而且連續(xù)不斷；而干擾通常都有外界的干擾源，是周期的或瞬時(shí)的、有規(guī)律的。無(wú)論是噪聲還是干擾，他們都是有害信號(hào)，有時(shí)為方便，統(tǒng)稱(chēng)噪聲。在微弱信號(hào)檢測(cè)中，往往是噪聲電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)量信號(hào)，即信號(hào)“深埋”（或稱(chēng)“淹沒(méi)”）于噪聲之中。產(chǎn)生噪聲的噪聲源有很多類(lèi)型，主要有信號(hào)源電阻的熱噪聲、接收及處理信號(hào)儀器的電路產(chǎn)生的噪聲、電源和環(huán)境干擾等。由于信號(hào)特點(diǎn)不同，檢測(cè)方法亦異，微弱信號(hào)檢測(cè)一般有三條途徑：一是降低傳感器與放大器的固有噪聲，盡量提高其信噪比；二是研制適合微弱信號(hào)檢測(cè)原理并能滿(mǎn)足特殊需要的器件；三是利用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)各種手段提取信號(hào)。這三者缺一不可，但主要還是第三條，即研究其檢測(cè)方法。由于檢測(cè)方法必須根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)與之相適應(yīng)，因此在發(fā)展檢測(cè)方法的過(guò)程中也就發(fā)展了微弱信號(hào)檢測(cè)這門(mén)技術(shù)。目前，微弱信號(hào)檢測(cè)的基本方法有以下幾種：當(dāng)前第59頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)1、相干檢測(cè)：它是一種頻域信號(hào)的窄帶化處理方法，也是一種積分過(guò)程的相關(guān)測(cè)量。它利用信號(hào)與外加參考信號(hào)的相干特性，而這種特性卻是隨機(jī)噪聲所不具備的。典型的儀器設(shè)備是以相敏檢波器（PSD）為核心的鎖定放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)LIA）。鎖定放大器問(wèn)世以來(lái)其性能不斷提高。

2、時(shí)域信號(hào)的平均處理：它是根據(jù)時(shí)域特征的取樣平均來(lái)改善信噪比并恢復(fù)波形的測(cè)量。對(duì)于任何重復(fù)的信號(hào)波形，在其出現(xiàn)期間只取一個(gè)樣本，并在固定的取樣間隔內(nèi)重復(fù)m次，由法則可知，信噪比改善。若將所描述的信號(hào)按時(shí)間順序劃分為n個(gè)間隔，將每個(gè)間隔的平均結(jié)果記錄下來(lái)，便能使噪聲污染的信號(hào)波形得到恢復(fù)。其代表性的儀器有Boxcar平均器或稱(chēng)取樣積分器，這類(lèi)儀器的缺點(diǎn)是取樣效率低，不能充分利用信號(hào)波形，其次是不利于低重復(fù)頻率的信號(hào)的恢復(fù)，從而限制了它的使用。隨著微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，出現(xiàn)了信號(hào)多點(diǎn)數(shù)字平均技術(shù)，可最大限度地抑制噪聲或節(jié)約時(shí)間，并能完成多種模式的平均功能。當(dāng)前第60頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)3、離散信號(hào)的計(jì)數(shù)處理：在被檢測(cè)的信號(hào)中，有時(shí)卻是隨機(jī)的或按概率分布的離散信息。例如當(dāng)光非常微弱時(shí)，它呈離子性，成為量子化的光子。光子是沒(méi)有質(zhì)量只有動(dòng)量的離子，其能量為。

單位時(shí)間內(nèi)的光子既非同時(shí)發(fā)射，亦非順序到達(dá)，而是滿(mǎn)足一定的概率分布。在檢測(cè)這些離散量時(shí)能否逐一分開(kāi)，全部記錄，如何修正其堆積過(guò)程，如何排除噪聲，這些問(wèn)題便是微弱信號(hào)檢測(cè)的又一課題。計(jì)算機(jī)處理方法：隨著計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展，原來(lái)在微弱信號(hào)檢測(cè)中需要用硬件來(lái)完成的檢測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)在可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合、平滑、數(shù)字濾波、快速傅立葉變換（FFT）及譜估計(jì)等方法處理信號(hào)，提高了信噪比，實(shí)現(xiàn)了微弱信號(hào)檢測(cè)的要求。當(dāng)前第61頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．5新型光電檢測(cè)器隨著制造工藝的不斷完善，特別是集成電路技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了一批新型光電器件，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要，本節(jié)將著重介紹幾種典型的新器件。4．5．1光位置傳感器（PSD）當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD），如圖4-22：圖4-22光位置傳感器原理當(dāng)前第62頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)

當(dāng)光照射到硅光電二極管的某一位置時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生的空穴載流子向P層漂移，而光生電子則向N層漂移。到達(dá)P層的空穴分成兩部分：一部分沿表面電阻R1流向1端形成光電流I1；另一部分沿表面電阻R2流向2端形成光電流I2。當(dāng)電阻層均勻時(shí)，R2／R1＝x2／x1，則光電流（I1/I2）＝（R2／R1）＝x2／x1，故只要現(xiàn)出I1和I2便可求得光照射的位置。圖4-23光平面位置測(cè)試器原理（a）器件，結(jié)構(gòu)（b）等效電路，（c）讀取電路框圖

上述原理同樣適用于二維位置檢測(cè)，其原理如圖4-23所示。a、b極用于檢測(cè)x方向，a＇、b＇極用于檢測(cè)y方向。光位置檢測(cè)器在機(jī)械加工中可用作定位裝置，也可用來(lái)對(duì)振動(dòng)體、回轉(zhuǎn)體作運(yùn)動(dòng)分析及作為機(jī)器人的眼睛。當(dāng)前第63頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．5．2量子阱探測(cè)器(QWIP)

量子阱探測(cè)器(QWIP)：將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長(zhǎng)形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢(shì)能阱A層內(nèi)，能量量子化，稱(chēng)為量子阱。利用量子阱中能級(jí)電子躍遷原理可以做紅外探測(cè)器。圖4-24半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)白圈和灰圈代表兩種材料的原子

量子阱紅外光子探測(cè)器（QWIP）是由非常薄的兩種半導(dǎo)體材料（如GaAs和AlxGa1-xAs）晶體層交疊而成的超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢(shì)能阱GaAs層（如GaAs）內(nèi)，能量量子化，稱(chēng)為量子阱。采用分子束外延技術(shù)可將GaAs、AlxGa1-xAs晶體層的厚度控制到幾分之一的分子層的精度。

GaAs材料的帶隙為1.35電子伏特，通常不能制造波長(zhǎng)大于0.92微米的探測(cè)器。但量子阱內(nèi)電子可處于基態(tài)或初激發(fā)態(tài)，即處于兩種子能帶，子能帶之間的帶隙較小。在光子激發(fā)下，電子由基態(tài)躍遷到初激發(fā)態(tài)。器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)可保證受激載流子能從勢(shì)阱頂部逸出，并在電場(chǎng)的作用下，被收集為光電流。

當(dāng)前第64頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)QWIP響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)是由量子阱的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)差決定的，它的光譜響應(yīng)與本征紅外探測(cè)器不同，QWIP的光譜響應(yīng)峰較窄、較陡。但它的峰值波長(zhǎng)、截止波長(zhǎng)可以靈活、連續(xù)地剪裁，在同一塊芯片上制造出雙色、多色的成像面陣。與其它光子探測(cè)器相比，QWIP獨(dú)特之處首先在于它的響應(yīng)特性可通過(guò)制造理想的束縛能級(jí)的方法來(lái)修正。改變晶體層的厚度可改變量子阱的寬度，改變AlGaAs合金中Al的分子比，可改變勢(shì)阱高度，從而在較大范圍內(nèi)調(diào)整子能帶之間的帶隙，探測(cè)器就可以響應(yīng)3至20微米的輻射。量子阱探測(cè)器的缺點(diǎn)是光譜響應(yīng)峰較窄。由于QWIP采用了GaAs生長(zhǎng)和處理的成熟技術(shù)，可以制作成大規(guī)模的成像面陣。研制寬波段的紅外大規(guī)模面陣是發(fā)展趨勢(shì)，如8～14微米、100萬(wàn)象素的量子阱成像面陣?？梢灶A(yù)見(jiàn)，屆時(shí)紅外相機(jī)和可見(jiàn)光CMOS相機(jī)的差距將大大縮小。當(dāng)前第65頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．5．3光電磁探測(cè)器如圖4-25所示，將半導(dǎo)體材料置于磁場(chǎng)中，能量足夠的光子垂直入射到半導(dǎo)體上，通過(guò)本征吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于材料的吸收作用，光強(qiáng)隨著進(jìn)入材料的深度呈指數(shù)規(guī)律下降，所以在半導(dǎo)體樣品內(nèi)形成光生載流子濃度梯度，于是光生載流子將從濃度大的表面向濃度小的體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中光生載流子切割磁力線(xiàn)。由于帶相反電荷的電子和空穴向相同的方向運(yùn)動(dòng)以及磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力的作用，電子和空穴分別向樣品的兩端偏轉(zhuǎn)，于是在半導(dǎo)體材料兩端產(chǎn)生累積電荷，從而建立起一個(gè)電場(chǎng)，這就是光磁電效應(yīng)。

圖4-25光磁電（PEM）效應(yīng)

光電磁探測(cè)器由本征半導(dǎo)體材料薄片和稀土永久磁鐵組成，它不需要電偏置。這類(lèi)探測(cè)器不需致冷，可響應(yīng)到7微米。主要特點(diǎn)是時(shí)間常數(shù)很小，可小于1ns。由于光電磁探測(cè)器的探測(cè)率比光導(dǎo)和光伏型的低得多，一般很少使用。

當(dāng)前第66頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)4．5．4固態(tài)圖像傳感器圖像傳感器是對(duì)光敏陣列元件具有自?huà)呙韫δ艿臄z像器件，它與傳統(tǒng)的電子束掃描真空攝像管相比，具有體積小、重量輕、使用電壓低（＜20V）、可靠性高和不需要強(qiáng)光照明等優(yōu)點(diǎn)。因此，在軍用、工業(yè)控制和民用電器中均有廣泛使用。電荷耦合器件CCD（Charge-Coupleddevice）與互補(bǔ)金-氧半導(dǎo)體電路CMOS（ComplementaryMetal–Oxide–Semiconductor）傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，將光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖象，而其主要差異是電信號(hào)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類(lèi)似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。一、深耗盡狀態(tài)和表面勢(shì)阱所謂MOS，即Metal-0xide-Semicondudor(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)的縮寫(xiě)。MOS電容結(jié)構(gòu)如圖4-26所示，其中金屬為MOS結(jié)構(gòu)的電極，稱(chēng)為“柵極”(此柵極材料通常不是用金屬而是用能夠透過(guò)一定波長(zhǎng)范圍光的多晶硅薄膜制造)。半導(dǎo)體作為襯底電極，在兩電極之間有一層SiO2絕緣體。

當(dāng)前第67頁(yè)\共有157頁(yè)\編于星期六\17點(diǎn)MOS電容上沒(méi)加電壓時(shí)，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖圖4-27(a)所示，從界面層到內(nèi)部能帶都是一樣的，即所謂平帶條件。若在金屬-半導(dǎo)體間加正電壓Uc，對(duì)