光电子技术

光辐射与光源

• 光辐射：一种电磁波

  • 辐射度学

    • 辐射度学：跟光电成像原理差不多的知识点与定义

      • 辐射能，辐通量，辐强度，辐照度，辐出射度，辐亮度，光谱辐射量

    • 计算时注意：

      • 点辐射源在辐射角Ω中辐射通量：
        

      • 点辐射源在空间所有方向上的总辐射通量：
        

      • 实际的点辐射源：具有各向异性的辐射源
        

      • 光电测量：归一化补偿，多角度遥感

  • 光度量学

    • 光度量学：具有标准人眼视觉特性的人眼接收到的辐射量

      1. 标准光度观察者的光谱光视效率（视见函数）

         标准人眼函数：光度不同曲线不同

      2. 光度学的基本物理量

         与辐射度量的定义一一对应。区别在于下标，以及光度量仅在光谱的可见波段

         

    • 光度量基本单位

      1. 坎德拉（cd）：发光强度单位，最基本
      2. 流明（lm）：光通量单位
      3. 勒克斯（lx）：光照度单位

  • 辐射通量与光通量的关系
    
    其中是光功当量（明视觉的最大光谱光效率函数），表示人眼对波长为555nm的光辐射产生光感觉的效能。= 680lm/W。

    其他物理量也有类似的关系。

• 热辐射：由于物体与外界热量交换而发生的辐射

  • 热辐射源的特性：辐射能量直接与温度相关
  • 热平衡
  • 一些量定义：
    • 辐射本领M‘λ(λ, T)
    • 吸收率α(λ, T)
    • 绝对黑体：α(λ,T) =1
    • 物体的发射率

• 热辐射的基本定律

  • 黑体辐射

    • 普朗克定律
      • 探测飞机导弹——中波红外（800-1000K，3-5μm）

  • 维恩位移定律

    • 斯特藩-玻尔兹曼定律

• 线、带状辐射

光电探测器

光子探测器

1. 光电子发射器件（外光电效应）

   产生条件：单个光子能量 > 阴极材料逸出功W

   • λ较大时，发射光子就难，因此在红外波段系统中光电子发射应用不多（如果需要应用，需要寻找逸出功小的材料）

2. 光电导探测器（内光电效应）

   本征半导体：纯半导体

   • 产生条件：hγ>（本征半导体禁带宽度）。等价于
     

   非本征光电导hγ大于等于

   • 光电导种类

     1. 光敏电阻

     2. 红外光电导探测器

        工作在三个大气窗口（某个大气吸收小的波长范围）：1到3μm，3到5μm，8到14μm

        ※温度不断升高，普朗克曲线的峰值波长向左移动

   • 工作温度

     • 室温：295K
     • 干冰温度：195K
     • 液氮温度、8到14μm大气窗口：77K
     • Ge-Au非本征光电导探测器：66K

3. 光伏探测器（内光电效应）

   • 产生条件：本征光伏效应。半导体受到光照之后产生电动势

4. 光电磁探测器（内光电效应）

   • 产生条件：光电磁效应

5. 光子探测器特点

   1. 选择性：λ必须小于长波限
   2. λ<时，P一定，λ越短，单个光子能量越多，对应光子数越少（探测器的响应率与波长成正比）

热探测器

• 特点：与波长无关，只取决于辐射功率

• 种类

  1. 测辐射温差热电偶与热电堆

     温差电效应

     1. 塞贝克效应：不同材料，不同温度，不同结点，产生节点电动势

        金属材料由热转换成电的能力没有半导体强

     2. 珀尔帕效应：塞贝克效应的逆效应（电流通过不同材料的两个结点时，出现吸热放热）

     3. 汤姆逊效应：单一均质导体或半导体中存在着与珀尔帕效应相同现象

     测温热电偶串联：热电堆，电压↑

  2. 电阻测辐射热器

     定义：当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻增加，半导体电阻降低

     电阻温度系数：
     
     特点：

     1. 与材料的种类与温度相关
     2. 描述R时温度变化灵敏度的基本参数
     3. 对于金属来说，αT是温度的反比函数
     4. 对于半导体来说，B=3000K，半导体的αT比金属的灵敏度系数大一个数量级

  3. 热释电探测器

     由热释电晶体组成。

     • 热释电晶体：自发电极化，其强度随着温度增高而下降

     特点：（与光电子探测器比较）

     1. 与波长分布无关

光电探测器的性能参数

工作条件

1. 辐射源的光谱分布
   • 光谱响应（Sλ）：信号的强弱（量子效率），与辐射波长之间的关系。决定了探测器探测特定目标的有效程度
     • 评价探测器性能时，需要给出辐射源的光谱分布Wλ
2. 电路的通频带与贷款（与噪声成正比）
3. 工作温度：与噪声相关
4. 光敏面尺寸：信噪比与面积开方相关
5. 偏置情况：没有工作时也加上电压（与信号与噪声相关）

有关响应方面的性能参数

1. 响应率（响应度，灵敏度）或RI

   定义：光电探测器输出的均方根电压或电流与入射到光电探测器上的平均光功率之比

   工作条件参数：500K黑体

   单色灵敏度、积分灵敏度

   响应时间

   频率响应

有关噪声方面的参数

探测器的可探测性：

• 响应度R为线性段或者类线性段的斜率

• 可见光段响应度 = 灵敏度

1. 信噪比：信号功率与噪声功率之比
   
   用信噪比比较时，信号辐射功率必须相等

   单个光电探测器：信噪比与面积与入射信号有关

   入射辐射越强，信噪比越大

2. 等效噪声输入（ENI）

   • 器件在特定带宽（1Hz）产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量

3. 噪声等效功率（NEP）

   • 信噪比为1时，入射到探测器上的辐射通量，单位是W
     • NEP小，噪声小，性能好
     • 良好探测器的NEP约为W
     • ENI可以描述辐射与光度学，而NEP仅描述辐射

4. 探测率D与比探测率D*

   探测率D：在噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领

   • D越大，光电探测器的性能越好；入射光功率越小，探测率越高
   • 缺点：不能表征两个探测器之间的优劣

   比探测率：方便比较两个探测器的不同

   • 前提结论： = 常数， = 常数

     【这部分很重要，D*一定要会求，到时候发了ppt补上】

5. 暗电流：光电探测器在没有输入信号与背景辐射时所流过的电流（加电源时），一般测量其直流值或者平均值

其他参数

1. 量子效率：某一特定波长上每秒钟产生的光电子数与入射光量子数之比

   理想情况：η(λ) = 1，若其大于1，则有加入增益

2. 线性度：描述探测器的光电特性或者光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度

   与电子线路有很大关系；下限由暗电流与噪声决定，上限由饱和效应或过载决定

   线性区随偏量、辐射调制与调制频率等条件的变化而变化

噪声的统计特性

噪声的统计特性：概率分布、功率谱密度、相关函数、常见噪声的统计特征

噪声的概率分布

1. 噪声特点：连续型随机信号，在某一时刻出现各种可能数值

2. 噪声可以用统计学参数衡量

   1. 数学期望
   2. 方差

3. 几个概念

   1. 广义平稳随机过程：光电系统处于稳定状态时，噪声的方差与期望不随时间变化
   2. 狭义平稳随机过程：噪声概率分布密度不随时间变化
   3. 各态经历：统计平均可以用时间平均来计算
      • 光电系统的噪声是各态经历的广义平稳随机过程（统计平均 = 时间平均）

噪声的功率谱密度

1. 噪声功率谱密度SN(f)：单位频谱的噪声功率
2. 噪声功率：功率谱密度对整个频谱的积分
   1. 如果放大器带宽为()，则积分上下限改为
   2. 和光电探测器相连接的前置放大器是低噪声放大器
      1. 带宽不应该太宽，使有用信号可以通过即可
      2. 过宽的带宽不会增加有用信息，反而降低了输出信噪比
   3. 在工程上方便计算，用单边功率谱密度表示
   4. 白噪声：无限大的噪声功率，是有色噪声
      • 还有低频、高频

噪声的相关函数

1. 自相关函数：一个随机过程在不同时刻取值的相关性

   重要性质：

   1. 仅与时间差有关
   2. R随着时间差的增加逐渐衰减，表示在时间上的相关性逐渐减少
   3. 为偶函数，时间差为0的时候有最大值
   4. 均为二阶统计特征

   一般的，自相关函数与功率谱密度有傅里叶变换的关系

2. 噪声的互相关函数

   1. 仅和时间差相关，和时间起点无关

常见噪声的统计特性

噪声的统计平均可以用时间平均来代替

1. 随机正弦信号

   定义：，

   ​ 随机相位与振幅正弦信号：不是各态平稳的随机过程

2. 白噪声

   定义

   自相关函数：矩形频谱，相关时间 = 1 / 4B

3. 窄带噪声：噪声通过带通录波器输出之后的值。通带内为白噪声

   相关时间 = 1 / 2B

   • 窄带噪声：随机调幅调频波
   • 结论1.n(t)为高斯信号时，为零均值高斯噪声，有相同的自相关函数
   • 2.随机振幅服从瑞利分布，相位服从均匀分布

光电探测器的噪声

• 此处公式一定要记住，很重要

散粒噪声

• 只要产生电流就会有的噪声。散粒噪声与输出电流成正比

• 产生原因：光辐射或者热激发，光电子或载流子随机产生

• 电流的频谱（功率谱密度）：电流速度的傅里叶变换，等于e

• 统计特征：

  • 散粒噪声的功率谱密度与工作频率无关，有白噪声的频谱特性

  • 探测器的工作带宽为Δf时，
    

  • 如果I为探测器的暗电流，则无光照的暗电流噪声功率：
    $$
    i^{2}{Nd} = 2eI{d}Δf
    $$

  • 由入射光引起的散粒噪声：（为光辐射作用于光电探测器产生的平均光电流）

热噪声

• 电阻发热产生的噪声。由于耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的

• 电阻样品的电导率
  

• 一个电子在相邻两次碰撞期间在外电路中引起的电流脉冲

• 统计特征
  

  • 热噪声电流均方根值与电压均方根值
  • 频谱为白噪声频谱
  • 高端极限工作频率

• 减小噪声的方法

  • 减小工作温度

产生复合噪声

1. 机理

   半导体中由于载流子产生与复合的随机性引起载流子平均浓度的起伏所产生的噪声称为产生-复合噪声（g-r噪声）。

   设光产生载流子的持续时间为τ，则在外回路中产生的感应电流脉冲为

2. 统计特性：G-r噪声的功率谱密度
   
   G为光电导探测器的内增益（一般很大，几百上千）

温度噪声

• 在测温传感器内独有的噪声。热辐射传感器达到热平衡附近有一个小的起伏，这种温度起伏引起的热探测器输出起伏称为温度噪声
  • 最终决定了热探测器所能探测的最小辐射能量

1/f噪声

• 电流噪声通常被称为低频噪声（红噪声
• 功率谱密度：

光电子发射探测器

1. 定义：光电子发射探测器是基于外光电效应的光电探测器，又称为真空光电探测器。

   • 物理基础：爱因斯坦方程
     $$
     h\nu = mv^{2}{0} / 2 + W{Φ}
     $$
     其中为物体逸出表面速度，为金属表面逸出功。

     • 绝对零度下成立，可以确定长波限

2. 分类：

   1. 光电管
   2. 光电倍增管（部分取代）
      • 高内增益：敏感单个光电子，适合微光探测
        • G=
      • 响应速度快：适合快速脉冲、弱光信号探测

金属的光电子发射

• 缺点：表面逸出功高；表面反射强，吸收率低；内部存在大量电子，相互碰撞损失能量
• 为表面势垒的高度，也称作金属对电子的亲和势

1. T = 0K时，能量最大的电子处于费米能级上，根据光子的概念与能量守恒定律，电子逸出表面的运动能
   

   1. ΔE = 0；

   2. 金属逸出功：
      

2. T > 0K时，出现高于费米能级的电子

   因此会存在ν < 的一个拖尾。

• 半导体的发射情况比金属好。

半导体的光电子发射

• 优点：

  1. 反射系数小，吸收系数大，长波限就有电子发射
  2. 阴极层导电性适中
     1. 损失能量小
     2. 传导电子补充
  3. 半导体中存在大量发射中心（价带中有大的电子密度）
  4. 逸出功小，量子效率高

• 过程

  1. 光电子的吸收

  2. 光电子向表面的运动

  3. 克服表面势能的逸出

     逸出功
     
     首先进入导带，然后从导带逸出

光电子发射材料

1. 纯金属材料
2. 表面吸附一层其他元素的金属和半导体材料
3. 光电阴极

光电阴极的主要参数

1. 灵敏度

   1. 光照灵敏度（白光灵敏度，积分灵敏度）

      光电阴极在一定的白光(380,780)照射下，阴极光电流与入射的光通量之比。单位为μA/lm。

   2. 色光灵敏度（局部光谱区域的积分灵敏度）

      在特定波长下，用特性已知的滤波片插入光路

      基本概念：蓝白比，红白比，红外白比等

   3. 光谱灵敏度（某一特定波长）

      一定波长的单色辐射招到光电阴极上，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比。

2. 量子效率（量子产额Q(λ)）

   1. 一定波长的光子入射至光阴极时，发射的电子数与入射的光子数的比值

   2. 与光谱灵敏度之间的关系（重要）
      
      S(λ)的单位为W/A

   3. 光谱响应曲线

      光电阴极的光谱灵敏度或者量子效率与入射辐射波长的关系曲线

      • 真空光电器件中的长波灵敏度极限主要由光电阴极材料的长波限λ0决定，实际上由阴极材料本身的能级和电子亲和势决定。

   4. 热电子发射

      光电阴极中少量电子的热能大于阴极逸出功。

      室温下的典型值：

常用光电发射材料

1. 良好光电发射材料应具备的条件

2. 常见材料的发射特性

   1. 金属：紫外
   2. 半导体：红外，渐红外

3. 负电子亲和势材料

   阈值波长（重要）
   
   （若是正电子亲和势光电阴极，换为）

4. 光电子能量集中

   对提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率很有意义

光电倍增管

定义：光电子发射效应，二次电子发射，电子光学理论基础

光电倍增极

1. 灵敏度与光谱响应度（见ppt）

   阴极灵敏度：μA/lm

   阳极灵敏度：A/lm

   光电阴极光谱响应度：

   光电阳极光谱响应度：
   
   阴极积分光谱响应度：

   阳极积分光谱响应度：

2. 放大倍数：

3. 暗电流

   减小暗电流的方法：（以后遇到类似的问题需要有类似思路）

   1. 合适的电压
   2. 在阳极回路中加入与暗电流相反的直流成分
   3. 在倍增输出电路中加以选频或锁相
   4. 利用冷却法减小热电子发射

4. 输出信号与等效电路

5. 线性

   1. 引起非线性的原因
      1. 内因：
         • 空间电荷的堆积
         • 光电阴极电阻率
         • 聚焦和收集效率变化
      2. 外因：高压供电、信号输出电路
         • 信号电流->负载电阻（负反馈）
         • 电压再分配
   2. 解决方法
      1. 极间电压

6. 稳定性

   阳极电流随工作时间变化，则会产生误差

   原因：最后n级倍增极在大量电子轰击下受损，引起二次发射系数变化

   • 漂移：阳极电流大小，稳定电流在1μA以下；与外加高压关系不大

   滞后效应：在光电倍增管加上高压或者开始光照的短时间内，阳极输出不稳定

   • 电子偏离设计的轨迹
   • 衡量滞后效应：正常工作5min，停止1min；重新启动，工作1min，算出H
   • 解决方法：
     1. 抗滞后设计：在陶瓷架上镀铬，与阴极同电位，减少杂散电子
     2. 老化（不可逆）：新的光电倍增管自然老化一段时间之后使用，使用的阳极电流小一些，可以减缓老化过程
     3. 疲劳（可逆）：工作一段时间之后在黑暗中放置几个小时

7. 时间特性与频率特性

   • 上升时间：10%→90%所用的时间
   • 渡越时间：光脉冲到达光电阴极和阳极输出最大脉冲电流到达最大值的时间间隔
   • 渡越时间离散：照射到光电阴极的不同区域，发射的电子到达阳极的渡越时间不一致

8. 磁场特性

   • 和管子的结构和磁场的方向相关，百叶窗式优于聚焦式
   • 降低方法：光电倍增管加屏蔽筒，筒长至少比光电倍增管长2R（有效屏蔽长度等于总长加上两个半径）

9. 空间均匀性

   • 原因：由光电阴极表面的均匀性与倍增的结构决定
   • 方法：
     1. 光电倍增管前加漫射器
     2. 入射光斑均匀
     3. 偏振光入射，经过漫射器可以大大降低偏振度，减小偏振误差

10. 偏振效应

• 线偏振光以θ角入射到光电阴极上，当改变偏振面时，阳极电流会发生变化
• 变化是周期性的，大多数时候是正弦的
• 解决：安装漫反射器以减小此类误差

11. 噪声（探测器最重要的特性）

    散粒噪声：阴极电流产生的散粒噪声、各级倍增级的散粒噪声

    • 解决方式：让第一级比其他级的增益δ大
    • 实际探测时，阳极光电流 = 信号 + 背景 + 暗电流

12. 通量阈

    • 在光电倍增管输出端产生与固有噪声电平相等的信号电平时的入射光通量
    • 光电倍增管的信噪比：

光电倍增管的等效电路

1. 高压供电电路

   1. 负电压高压供电

      阳极、阴极用齐纳管控制：稳压

   2. 线性供电方式

      饱和段：当入射的光通量进一步增加时，阳极电流接近于分压器上的电流

      • 避免饱和：
        • 阳极电流应该比分压器上的电流小20倍以上
        • 测量信号的非线性误差小于1%
        • …

   3. 高压电源

      稳定度：0.01%到0.05%

2. 信号输出

   1. 负载输出： = 输出电压

      1. 大，V大，但频率特性变差；但若希望输出大，需要更大

         因此最终适中

      2. 与放大器相连

光电导探测器

• 特点
  1. 光敏电阻：利用光电导效应制作的器件
  2. 有源器件

光电导探测器的工作原理

光电导效应

• 定义：光作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，形成光生载流子

1. 对于本征半导体

   1. 没有光照

   2. 有光照

      长波阈：λ =

      短波阈： + 价带宽 + 导带宽 =

2. 对于杂质半导体

表征光电导效应的主要参数

1. 光电导体的灵敏度：在一定的光强下的光电导的强弱
   
   其中渡越时间：
   
   代入G的表达式，得

2. 光电导的弛豫

   弛豫时间（响应时间）：光照开始和光照停止时，光电导上升或下降的时间

   • 反映了光电导对周期性变化信号的反映能力

   分类：

   • 直线性：光强较低

   • 抛物线性：光电导与光强的平方根成正比

     上升段（与光强有关）、下降段（双曲线形式）

   • τ适中，因为τ小则惯性与灵敏度皆小，τ大则惯性与灵敏度皆大

3. 光谱分布

   1. 本征：光电导大小与波长密切相关，叫

      • 等量子曲线

      • 等能量曲线

      • 长波限：下降很快

   2. 杂质：

      总体：

      1. 光谱响应的波长较长
      2. 光电导效应微弱得多
      3. 适合探测红外（但要在低温下工作）
      4. 曲线：右陡进（本征光电导开始）；左下降（杂质半导体的长波限）

光电导探测器的工作原理

1. 光电导探测器的光电流

   在均匀照射的条件下

   单位体积内吸收的光功率

2. 光电导

   内增益器件：雪崩管也算

3. 光电导探测器的工作模式及等效电路

   1. 结构和偏置电路

      光电导探测器：有源两端网络

      很大（10MΩ），很小（Ω）

   2. 不同情况下（不同），探测器的输出电流与电压

      1. 短路电流：短路时探测器等效为一个内阻很大的恒流源

      2. 开路电压：开路时探测器等效为内阻为0的恒压源

      3. 负载匹配时探测器的输出电压：当 = 时，在匹配工作状态中

         此时探测器输出的电功率最大，光探测系统总的光电变换效率最高

4. 小结

   1. 半导体对光的吸收具有非线性→光电导探测器的光电流与入射光功率将呈现非线性关系
   2. 光线较弱：非线性关系

光电导探测器的性能参数

1. 光电导增益G

   载流子的平均寿命/载流子的渡越时间
   
   将空穴和自由电子的效果综合考虑，

   讨论：

   1. 灵敏的光电导探测器，必然有很大的增益系数

      时，G > 1

   2. L的变化对G的影响（G大概是数量级）

      追求高灵敏、高增益，则需要让L小。但是L小，受光面积变小，则不利。

2. 光电导器件的量子效率：与反射率、吸收率与厚度相关

能带观点

• 价带
• 导带
• 禁带：价带和导带之间

光电探测器的噪声

• 主要有三种：热噪声、产生复合噪声、1/f噪声
• 载流子：热噪声、信号光、背景光；低温时，产生-复合噪声只有信号光与背景光两种来源

响应率

• 面积大，响应率下降
• 增益与响应率成正比，与响应时间成反比

比探测率

• 具有很高的探测率；背景超过平衡勺少子浓度：背景极限比探测率

温度特性

• 温度升高，响应率低，峰值相应波长向短波移动，长波限变化

前历效应

• 在稳定的光照下，阻值有明显的漂移现象，经过一段时间测阻值仍有变化
• 短态前历效应：无光照条件下，放3min，在1lx下测不同阻值
• 中态前历效应：无光照条件下，放24h，在100lx下测不同阻值；再在1000lx下放置15min，继续在100lx下测量阻值

光伏探测器

• 主要特点：

  1. 结型器件，只有到达结区附近的光才会产生光电效应

     结型场效应管特点：阻抗高、噪声小

     光电导：均值型

  2. 有确定的极性，不需外加电压也可以把光信号变为电信号

     光电导：工作时必须外加电压

  3. 光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运动，弛豫效应小，响应速度快，频率效应好

     光电导主要是多子的产生

     特例：光电三极管

     弛豫效应：光照射与光电流产生的时间差

• 光生伏特效应：光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子与空穴在空间分开而产生电位差的现象

  1. 不均匀半导体（PN结等）
     1. 光
  2. 均匀半导体（体积光生伏特效应）
     1. 没有内电场：光照在半导体的一部分上，丹倍效应
     2. 存在外加磁场：光磁电效应

• 由势垒效应产生的光生伏特效应

  • PN结与外电路相连，起到电池作用

• 短路电流的光电流

  【前提条件：弱电流】

  PN结伏安特性在V = 0时的动态电阻（在一定温度下，动态电阻是一个固定的值）：
  
  光生电压：
  
  电压响应率：
  

• 光伏探测器工作电流的方向：从N到P

• 光电二极管工作外电压偏置状态：反向电压偏置

光照下理想PN结方程及特性曲线

1. 第一象限：PN结加正偏压

   此时PN结的暗电流远大于PN结的正向电流，非工作区

2. 第三象限：PN结反偏

   暗电流等于反向饱和电流，远小于工作电流；是工作区，用于光导工作模式，用作探测器

   • 注意：负载电阻不可过小，外电路电压不可过大，以免造成反向击穿

3. 第四象限：PN结零偏

   存在。光功率不同，输出的电压与电流会发生变化，非线性。

   开路电压：
   
   工作模式：光伏工作模式，用作微型光电池

4. DN值（digital number，描述灰度）：黑则DN小，白则DN大

• 光伏模式：内阻远低于负载，恒压源

• 光导模式：内阻远大于负载，恒流源

  的大小变化大，

光伏探测器的性能参数

1. 响应率

   与器件的工作温度、少数载流子的浓度和扩散、探测器面积有关，与器件的偏压无关
   

2. 噪声

   散粒噪声、暗电流噪声、热噪声

   器件的零偏电阻越大，暗电流越小，对散粒噪声贡献越小

3. 比探测率

   以散粒噪声为主时：

   1. 零偏压工作：
   2. 反偏压工作：

4. 光谱特性曲线

5. 频率响应与响应时间

6. 温度特性：

   对温度进行标定，在使用时进行温度控制

光电池和光电二极管

光电池

• 光生伏特效应，不需要偏压

1. 光电池结构

   • ：地面
   • ：空间

   硅光电池：电极梳齿状，便于透光，减小串联电阻

   光敏面上涂一层二氧化硅透明层：起到保护作用

   作用：光电探测器件、太阳能转化为电能

2. 光电池特性

   1. 光照特性

光电二极管

• 作为光伏探测器，具有方向性

1. 主要噪声：散粒噪声、热噪声

   1. 弱光：散<热
   2. 强光：散>热

2. 频率特性：加大反向电压；减小结电容；改变结构

3. 伏安特性

• 雪崩光电二极管（APD）
  1. 工作原理：雪崩效应，外加反偏电压（N正P负），非常大
  2. 在高频电路中工作，需要屏蔽噪声
  3. 特征参数
     1. 散粒噪声

光电三极管

1. 结构与工作原理

热探测器

• 定义：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件

• 分类：热电偶、热敏电阻、热释电探测器

• 特点：不需制冷；响应时间长

• 热释电探测器：灵敏度，波长范围的提高，可到14微米，可和光子探测器比拟

热探测器的一般原理

• 过程：

  1. 吸收光辐射能量后，探测器温度升高
  2. 温度升高

• 吸收的热回路

  • P是经过调制的量：
    

  • 温度的变化也包含两个部分：（T越大，G越小，灵敏度越高）
    
    热时间常数：（调节时只能降低H，不能增大G，G大探测器温度降低）
    
    α越高越好，因此会做出表面黑化

• 热探测器的极限探测率

  1. 温度噪声（主要）

  • 探测器与周围环境的热交换：辐射，对流，传导

    • 对流抑制：真空

    • 传导抑制：细杆

    • 辐射热导：只与温度有关，与波长无关；是T的三次方
      

    • 温度噪声功率的均方值：
      
      此式的平方根为对应的等效噪声输入。其中玻尔兹曼常数

    • 比探测率：量级

热释电探测器

热释电效应

1. 定义：光——热——晶体温度——间距
2. 响应速度：量级
3. 优势：光谱响应范围宽，不需制冷，不需偏压

极性晶体

1. 外加电场与应力都是0时，晶体内部正负电荷中心不重合，有一定电矩——自发极化——单位面积的总电矩不为0

2. 与自发极化强度垂直的两个晶面上有大小相等、符号相反的面束缚电荷

3. 极化大小：与由此引起的补偿电荷的多少，与温度有关

4. 晶体自发极化弛豫时间：s；自由电荷对面电荷的中和作用时间：s——h

5. 热释电效应：自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就会呈现出相应于温度变化的面电流变化

   因此热释电探测器只工作于交变辐射功率下。

6. 铁电体与非~

   1. 铁电体：极性

7. 热电晶体：选取有效工作区，温度升高

热释电探测器工作原理

1. 产生电流
   

   1. V与晶体与入射辐射达到平衡的时间无关
   2. γ取决于材料自身性质
   3. T变化率与α与H有关
   4. 电极结构：面电极，不适合高速，大；边电极，灵敏度低，适合高速测量

热敏电阻

• 原理：吸收光辐射升温引起电阻的变化

  • 开路且没有温度辐射时，环境温度
  • 闭路，有焦耳热，热敏电阻的温度
    • 当有交变的辐射到热敏电阻

• 热敏电阻的特性

  1. 响应率

• 热平衡方程：求温差、电阻、电势差、极化（电阻值的该变量）

  • 特性参数

    1. 响应率
       

       1. 低频时，
          

          • 响应率与塞贝克系数成正比

       2. 高频时，
          

          • 响应率高与响应时间短矛盾

    2. 噪声

       1. 热噪声
       2. 温度噪声
       • 热电偶的
         

    3. 电阻

       1. 阻值一半不大

    4. 响应时间

       一般为几十ms到1s

测辐射热电堆

• 定义：若干测辐射热电偶串联，构成测辐射热电堆
  • 输出电压增高
  • 阻值↑
  • 响应时间↓

光辐射的调制

• 定义：改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程

• 分类：

  1.

  • 传统方法：调制盘
  • 现代方法：利用外场的微扰改变介质的光学特性
    • 声光调制
    • 电光调制

  2.

• 内调制：预加载的信号直接作用于光源

• 外调制

调制的基本原理

• 特点：
  • 容量大，量级
  • 方向性好：保密性好，抗干扰性好
• 方法
  • 调幅AM：结构简单，较易实现
  • 调频FM：调角
  • 调相PM：调角

2. 脉冲调制

   • 调幅、调宽、调频、调相

3. 选择调制方式的原则

   有效、失真最小；抑制噪声；容易实现

4. 注意：各种调制分量变化均需转化为光功率的变化

调制信号的频谱

• 调幅信号的频谱

  • 表示形式：载波为余弦，频率比信号频率高很多

  调制系数
  
  特点：

  • 调幅波只有三个频率分量：
  • 带宽：
  • 缺点：只有边频传递有用信号，占总功率的，能量利用率低
  • 优点：频带较窄

• 调角信号的频谱

  • 一般表达式：
    

  • 调频：
    

  • 调相：
    

• 调频波及其频谱

  特点：载波信号的幅度保持不变，信号频率随调制信号变化；最大相偏和最大频偏成正比

  频带宽：
  
  功率利用率高、频带宽

2. 非周期信号的频谱

   1. 单脉冲信号的频谱

      频谱的有效带宽：
      
      函数的频谱

调制盘

• 工作原理：放在焦平面上，光电探测器之前；当目标像点与调制盘有相对运动时

2. 空间频率和傅里叶变换

   定义：空间周期：调制盘频率的透光部分和不透光部分的最小重复间隔

   空间频率：

   空间角频率：

3. 调制盘的空间滤波作用

• 红外目标探测和跟踪系统的特性
• 调制盘空间滤波的依据

• 调制盘如果没有半透区如何给出？——无法给出
• 定量分析调制曲线的形状
  • 日出式调制盘的透过函数在极坐标下只是的函数，与ρ无关。
    • 周期性矩形信号
• 圆对称函数的空间频谱也是圆对称
  • 像点的频谱，连续谱
    • 圆斑像的频谱是连续的，但调制盘的频谱是分立的，所以通量函数的空间频谱也是分立的

莫尔条纹

计量光栅

• 光栅：周期性空间结构

• 莫尔条纹：两光栅有一定夹角摆放

  • 横向：跟角度相关
  • 纵向：跟周期相关

莫尔条纹的几何特性

莫尔条纹的放大作用：

在一个条纹间隔内，安装细分装置，可以读取位移的细分量

声光调制

• 调制的频率会大大增加

声光效应与声光衍射

• 各向同性的透明介质
  • 弹光效应：外力作用下，介质弹性形变→折射率变化
  • 声光效应：超声波为外力的弹光效应
  • 声光衍射：各向同性透明介质+超声波=声光栅

1. 声行波：超声波在介质中以行波方式传播

   任意时刻声光栅存在，为空间函数

2. 声驻波：

   正弦声光栅在空间中位置不动，时有时无，以为频率作永恒的变化

3. 拉曼-奈斯衍射（Raman-Nath）
   
   当Q<1时，认为是平面光栅，正入射与斜入射都可以

   声波与光波传播方向垂直，多级衍射，类似光学平面光栅

4. 布拉格衍射

   Q>10，光波以一定角度斜入射声光介质

   只出现0与±1级衍射光。超声波频率足够高的时候，所有的能量都转化到衍射极值上

声光调制器

• 一般采用布拉格衍射，也可以是R-N衍射
• 要求：较高的调制频率；较小的所需声功率

1. 调制效率

   与超声强度成正比，与调制效率的品质因数（仅取决于材料本身）成正比

   波长越长，调制所需超声强度越大

2. 效率、带宽积

   为调制带宽的品质因数，大→好

3. 声光可调谐滤波器（AOTF）

   布拉格衍射条件：

电光调制

• 分为普克尔效应和克尔效应

1. 线性电光效应（Pockels）

   加电场后，折射率椭球系数随电场线性变化：折射率的变化和电场大小成正比

   只在不具有对称性的晶体中存在

   1. 纵向电光调制——强度调制

      外加电场与光轴（Z轴）平行时，晶体主轴将旋转45°，x轴变快，y轴变慢
      
      半波电压：

   2. 横向电光调制——强度调制

      可以很大，半波电压较低，调制信号比较小

   3. 电光相位调制

直接探测系统

光电系统的类型与指标

系统的类型

1. 是否带有光源

   主动探测系统、被动探测系统

2. 响应光谱范围

   可见光、红外

3. 是否成像

4. 电路类型

5. 光波携带方式

输出信噪比

输入是光端的，输出是电端的。

探测极限与趋近方法

1. 背景噪声限
   

2. 光信号为主

   。。。

直接探测系统的作用距离

• 对于点目标，光电系统

• 距离光源L处的光照度：
  

光在大气中的传输

1. 吸收与散射

   分子吸收衰减：大气透过率与光线传输距离的关系

   分子散射衰减：透过率与传输距离的关系

   总大气透过率：

2. 大气窗口

3. 湍流对光传播的影响

   • 大气成分：辐射功率的衰减
   • 大气湍流：光疏的弯曲、光波相位变化

接收光学系统

• 光电探测器接收到的功率：
  

1. 对于主动系统
   1. 直接接收光源
   2. 接收目标反射的辐射能
      1. 大目标
      2. 小目标

系统的作用距离

光电探测器的输出电压：

1. 被动探测系统

相干探测

相干探测的特点

1. 转换增益高：有利于微弱光信号探测
   

相干探测的空间条件

• 信号光与本征光必须保持空间上的角准直
• 中频信号最强：在空间准直不满足的情况下，
  • 获得大的信噪比，直接探测系统的口径更大

相干探测的频率条件

• 信号光宇本征光的单色性与频率稳定性

光电信号处理方法

• 处理目的：抑制噪声，提取信号携带的有用信息

前置放大器

1. 放大器的噪声模型

2. 等效输入噪声

   定义式

3. 的测量

   源电阻，用来选低噪声放大器

4. 噪声系数F

   反映放大器引入多少噪声：
   
   其中，=源电阻噪声功率

   理想状态F=1.现实中F＞1且与源电阻有关

5. 噪声匹配

   F随着的增大先减后增，令F最小的源电阻为最佳源电阻，则

   此时
   
   与第五章的功率传输最大时的电阻不是一样的；

   散粒噪声，如何分析？

噪声的测量

1. 正弦波法

   用均方根电压表测电压、要有足够的带宽

2. 噪声发生器法

​ 将放大器的未知噪声电平与放大器的已知噪声电平进行比较

3. 用NF曲线来计算输入噪声值（重要）

微弱信号的处理方法

特点：

1. 信噪比小

2. 噪声在时间与幅度变化上是随机的，带宽很宽——压缩带宽

   1. 锁相放大器：信号通道、参考通道、相敏滤波（相位为0的时候是最大值）

      输出的信噪比极高，

      一般的RC网络：
      
      当时，，品质因数Q=100左右

      锁相放大器：

   2. 取样积分器、

   3. 光子计数器

复习

• 填空+简答（4-6道）+计算（1-2）
• 作业要利用好
• 建立好输入与输出之间的关系+条件+记住简化调价式
• 基本探测器+探测参数

第一章

1. 物理量定义与单位：

   物理量	定义	单位
   辐射能Q	一种以电磁波形似发射、传播或吸收的能量	J
   辐通量Φ	辐射能的时间变化率	W
   辐强度I	点辐射源，给定方向，单位立体角内的辐射通量	W/sr
   辐照度E	投射在单位面积上的辐射通量（与系统光学参数有关）
   辐射出射度M	扩展辐射源单位面积的辐射通量（被测物的基本属性）
   辐亮度L	扩展源表面一点处的面源在给定方向上单位立体角单位投影面积内发出的辐通量
   光谱辐射量	在波长为λ处的单位波长间隔内的辐射通量	W/μm

2. 黑体的三大定律：普朗克、S-B、维恩位移

3. 非黑体的四个定律：基尔霍夫、兰伯特、距离平方反比、亮度守恒

4. 光源的基本特性与原则（p17-20）

第二章

一 探测器分类

• 书2.1基本的定律与概述（与后面的知识结合起来，例：半导体的热和吸收（？）和金属的~）

二 性能参数

• 响应率（响应度）

• 单色灵敏度

• 积分响应度

• 信噪比SNR

• 等效噪声输入ENI

• 噪声等效功率NEP

• 探测率D和比探测率D*
  

• 暗电流

• 量子效率

  响应率和量子效率η之间的关系：

三 噪声

• 散粒噪声：光电子或载流子随机产生
  

• 热噪声：耗散原件中电荷载流子的随机热运动造成的。任何材料都有热噪声
  
  K为玻尔兹曼常数，T为温度，R为电阻

  降低温度可以减少热噪声

• 产生复合噪声：载流子产生复合，平均浓度起伏
  

• 温度噪声：在某一平均温度下呈现微小起伏，最终决定了热探测器所能探测的最小能量
  

• 1/f噪声：低频噪声、电流噪声
  

  • 带宽有限时，在以上所有噪声功率表达式后面乘。
  • 所有场景都存在：散粒噪声、热噪声
    • 热噪声抑制：降低温度（f(t)的基本概念）
    • 散粒噪声：普遍存在

四 自相关函数

1. 随机正弦信号

2. 白噪声

3. 限带白噪声

4. 窄带噪声
   

第三章 光电子发射探测器

一 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。条件是光子能量（逸出功）。

二 光电倍增管

• 正亲和势的材料与负亲和势的材料：表面的真空能级是否位于导带之上

• 长波限如何选择（3.2）

原理内容：电子势、负电子势、…

**电阻的分配，使其保持线性（非常重要）**（p83的图）：

1. 降低分压器电阻值，在阳极与末级倍增级之间采取齐纳二极管

2. 在分压器后几级电阻上并联频率特性较好的瓷片电容

3. 改变极间分压电阻值，中间至最后与阳极各极间的电阻值逐渐增加

4. 基本电路：

   

   image-20240613104744783

5. 基本原则：抑制非线性

   

   image-20240613105015509

三 可见光探测

主要是可见光探测，负电子亲和势可达到近红外探测

第四章 光电导探测器

一 内光电效应

入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生电子-空穴对（本征光电导），自由电子或空穴（非本征光电导），光子激发的载流子仍留在材料内部。

• 长波限条件：光子的最小能量必须大于光电发射阈值或功函数，否则电子就不会逸出物质表面，这个最小能量对应的波长称为阈值波长（长波限）。

  为禁带能级，为禁带+亲和势

  正电子亲和势光阴极：
  
  负电子亲和势光阴极：
  

二 指标

1. 光电导的灵敏度：光电增益，β为量子产额，为光生载流子寿命，为渡越时间

   如果光电导体中自由电子与空穴均参与导电，
   
   l为两级间距，μ为迁移率，U为外加电源电压

2. 弛豫

3. 光谱分布

光电导：有源器件

【公式】

• 电流大：散粒噪声误差源，求出电流多少，代入求出散粒噪声
• 热噪声：多
• 温度、产生复合噪声：极少数
• 噪声电压
• 信噪比=1的时候是探测器的探测极限

第五章 光伏探测器

一 原理

半导体受光照射产生电动势，通过内部势垒将正负载流子在空间上分离（通常通过PN结实现）。

二 分类

• 结型光伏探测器无偏压，光电二极管反偏压（探测光电流）

• 其余：

  • 雪崩光电二极管：利用在较高的反向偏置时，结区的电场使结区内产生载流子大量增加的雪崩现象。探测近红外辐射。
  • PN结光电二极管：在P型与N型之间加上本征区域，使电子-空穴对分开

• 光伏：无源器件

  • f求最佳源电阻：噪声最小
  • 阻抗匹配：输出功率最大

• 光伏响应率

第六章 热探测器

一 原理

光热效应：材料吸收了光辐射能量后温度升高，与波长无关，取决于如社工利率而与光谱成分无关

二 分类

• 热释电
  • 自发电极化特性，强度随着温度升高而下降
• 热电偶：在两个结点具有不同温度时，就会产生电动势，有温差热效应（塞贝克、珀尔贴、汤姆逊）
  • 为了增强信号电压，热电偶串联成热电堆

热探测器：热平衡条件下，必须进行调制

• 热释电探测器的基本原理：探测？交流？（重点）（至少会有一道题）

• 电阻的选择（重要）

  • 金属、半导体

• p163关于烧毁（？？）的计算很重要

  • ，则当时，不稳定烧毁

  • 温度系数
    

第七章

CCD基本原理与性能（重要）

第八章

调制盘：背景噪声的滤除、目标的定位

码盘（重要）：对被探测的信号进行调制，简单的调制可以得到复杂信号；代价是识别范围太小

• 首先可以发现目标（脉冲信号）
• 然后可以得知目标的位置（根据脉冲的相位）

第九章

• 光谱匹配：辐射、探测器接收，光学距离的增加

• 直接探测极限：一个电子（计算重要）

  相干探测极限：因为差分，探测极限提高

  • 直接探测系统的信噪比如何计算（重要）
  • 作用距离（特别重要）
  • 相干探测系统的原理、优点、要满足的几何条件（不满足得不到信号？）

十一章

取样采样方式、原理、信噪比如何表达