《光电信号处》PPT课件

光光 电电 信信 号号 处处 理理光电系统的构成光电系统的构成:光电系统：以光波作为信息或能量载体，光电系统：以光波作为信息或能量载体，实现传感、实现传感、传输、显示、控制等功能的系统。传输、显示、控制等功能的系统。按辐射源来分：主动光电系统和被动光电系统。按辐射源来分：主动光电系统和被动光电系统。一般地，一个光电系统（一般地，一个光电系统（被动）的构成如下：）的构成如下：一个典型的光电系统一般由五部分组成：一个典型的光电系统一般由五部分组成：光学镜头、光电探测器、光学镜头、光电探测器、前置放大器、前置放大器、信号处理电路、计算机。信号处理电路、计算机。光电探测器是光电系统的核心，光电探测器是光电系统的核心，其他部分都是围绕光电探测器来设计的。其他部分都是围绕光电探测器来设计的。光学镜头光学镜头光电图像传感器光电图像传感器CCD/CMOSCCD/CMOS信号处理信号处理显示显示存储存储总体：智能光电仪器研制总体：智能光电仪器研制 光电探测器选择光电探测器选择 光学系统设计光学系统设计 硬件电路设计硬件电路设计 嵌入式软件嵌入式软件 Linux软件软件 精密机械设计精密机械设计 电子线路等课程，电路和信号处理的知识电子线路等课程，电路和信号处理的知识;光电系统的特点：输出的电信号十分微弱光电系统的特点：输出的电信号十分微弱当探测器输出的信号十分微弱时，噪声和干扰当探测器输出的信号十分微弱时，噪声和干扰的影响就不能忽视。的影响就不能忽视。探测器的偏置电路、前置放大器都要进行特殊探测器的偏置电路、前置放大器都要进行特殊的考虑，的考虑，即：即：低噪声电子设计低噪声电子设计 当探测器输出的信号十分微弱，小到甚当探测器输出的信号十分微弱，小到甚至被噪声所淹没，这时要从噪声中分离至被噪声所淹没，这时要从噪声中分离出有用信号，就要采用特殊的方法，出有用信号，就要采用特殊的方法，即：即：微弱信号检测微弱信号检测 的方法。低噪声电子设计低噪声电子设计微弱信号检测微弱信号检测光电图像信号处理光电图像信号处理研究对象：研究对象：光电信号光电信号光电探测器输出的信号光电探测器输出的信号光电图像信号光电图像信号光电成像器件（图像传光电成像器件（图像传感器）输出的信号感器）输出的信号教材：教材：何兆湘 光电信号处理光电信号处理 华中科技大学出版社 叶嘉雄 常大定等 光电系统与信号处理光电系统与信号处理 科学出版社 汪文杰 曾学文 施建华 光电技术光电技术 科学出版社1.画出主动光电系统框图，说明各个部分的作画出主动光电系统框图，说明各个部分的作用，并举一例。用，并举一例。2.画出被动光电系统框图，说明各个部分的作画出被动光电系统框图，说明各个部分的作用，并举一例。用，并举一例。3.将光电探测器按探测的物理原理、响应波段、将光电探测器按探测的物理原理、响应波段、探测器的几何结构分别分类，并各举一例。探测器的几何结构分别分类，并各举一例。1.1 光电探测器概述光电探测器概述 1.2 噪声的基本知识噪声的基本知识 1.3 噪声的关联与相加噪声的关联与相加 1.4 含多个噪声源的电路及其计算法则含多个噪声源的电路及其计算法则 1.5 等效噪声带宽等效噪声带宽 1.6 噪声的基本属性噪声的基本属性l由于光电探测器的相关知识与本由于光电探测器的相关知识与本课程有重要关系，课程有重要关系，l所以，首先介绍有关探测器的基所以，首先介绍有关探测器的基本知识。本知识。光电探测器原理光电探测器原理 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数1.1.3 1.1.3 辐射度学与光度学基础辐射度学与光度学基础 光电探测器：光电探测器：光光 电电光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，光电系统的核心组成部分，作用：发现信号、测量信号，并为随后的应用提供作用：发现信号、测量信号，并为随后的应用提供必要的信息。必要的信息。光电探测器的分类光电探测器的分类 光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按按探测机理探测机理的物理效应可分为两大类：的物理效应可分为两大类：一类是：利用各种光子效应的一类是：利用各种光子效应的光子探测器光子探测器 另一类是：利用温度变化效应的另一类是：利用温度变化效应的热（电）探测器热（电）探测器 光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强器像增强器光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管（PIN、APD）光电三极管光电三极管位置传感器位置传感器PSD电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCMOS图像传感器图像传感器真空器件真空器件固体器件固体器件光子探测器光子探测器热探测器热探测器光光电电探探测测器器热电偶和热电堆热电偶和热电堆测辐射热计测辐射热计热释电探测器热释电探测器光电探测器的分类光电探测器的分类特点：特点：入射光子和材料中的电子发生各种直接相互入射光子和材料中的电子发生各种直接相互 作用，即光电子效应。作用，即光电子效应。所用的材料：大多数为半导体。所用的材料：大多数为半导体。光电效应光电效应器件：器件：外光电效应外光电效应器件：器件材料中的电子吸收了入射光的器件：器件材料中的电子吸收了入射光的光子能量以后逸出材料表面，产生了光电子发射，光子能量以后逸出材料表面，产生了光电子发射，这种器件称为这种器件称为外光电效应外光电效应器件。器件。内光电效应内光电效应器件：器件：光电导效应光电导效应、光生伏特效应的器件，、光生伏特效应的器件，吸收了吸收了入射光入射光的光子能量以后，器件材料中出现光生的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴。自由电子和空穴。光电子发射效应也称光电子发射效应也称外光电效应外光电效应。入射辐射的作。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，用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴 极的逸出功。因此，光电子发射存在长波限，极的逸出功。因此，光电子发射存在长波限，光子能量光子能量hc低于阴极材料逸出功就不能产生低于阴极材料逸出功就不能产生光电子发射。光电子发射。阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。正比于入射辐射的功率。利用光电子发射效应的探测器：利用光电子发射效应的探测器：光电子发射探测器光电子发射探测器 典型器件：典型器件：光电管光电管 光电倍增管光电倍增管PMT真空光电管真空光电管 由光电阴极和阳极构成，由光电阴极和阳极构成，用于响应要求极快的场合。用于响应要求极快的场合。光电倍增管光电倍增管 它的内部有电子倍增系统，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。能检测极微弱的光辐射信号。光电倍增管（光电倍增管（PMT）光电倍增管由光电倍增管由五个主要部分组成五个主要部分组成光窗光窗光电阴极光电阴极电子光学系统电子光学系统电子倍增系统电子倍增系统阳极阳极l光电子发射探测器主要是可见光探测器，光电子发射探测器主要是可见光探测器，因为对红外辐射响应的光电阴极只有银因为对红外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲和势光电阴极，和势光电阴极，l它们的响应波长也只扩展到它们的响应波长也只扩展到125m，只适用于近红外的探测，只适用于近红外的探测，l因此在红外系统中应用不多。因此在红外系统中应用不多。光电导是应用最广泛的光电子效应光电导是应用最广泛的光电子效应原理：原理：入射光子与晶格原子或杂质原子的入射光子与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对(本征光电导本征光电导)、自由电子或空穴、自由电子或空穴(非本征光非本征光电导电导)，从而使半导体材料的电导增加。，从而使半导体材料的电导增加。特征：特征：光子所激发的载流子仍保留在材料光子所激发的载流子仍保留在材料 内部，是一种内光电效应。内部，是一种内光电效应。利用光电导效应的探测器：利用光电导效应的探测器：光电导探测器光电导探测器 典型器件：典型器件：光敏电阻光敏电阻光电导体光电导体电极电极电极电极光电流光电流Ip符号 在均匀的光电导体两端加上电极后构成为光在均匀的光电导体两端加上电极后构成为光敏电阻，两电极加上一定电压，当光照射到光电敏电阻，两电极加上一定电压，当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中电流会发生变化，用下沿一定方向运动，在电路中电流会发生变化，电流变化的大小与光照射的强度有关。电流变化的大小与光照射的强度有关。光敏电阻的工作原理：光敏电阻的工作原理：光电导探测器响应范围根据器件材料不同可从光电导探测器响应范围根据器件材料不同可从可见光、近红外延伸至远红外；可见光、近红外延伸至远红外；与工作温度有关，冷却可以使光谱响应曲线的与工作温度有关，冷却可以使光谱响应曲线的峰值和长波限向长波方向移动，同时可提高器峰值和长波限向长波方向移动，同时可提高器件的灵敏度；件的灵敏度；光电导探测器是均质型器件，没有极性之分，光电导探测器是均质型器件，没有极性之分，工作时必须外加偏压工作时必须外加偏压(偏流偏流)，并应注意选择正，并应注意选择正确工作温度和最佳偏压确工作温度和最佳偏压(或偏流或偏流)，以便充分发，以便充分发挥器件性能。挥器件性能。光敏电阻的特点：光敏电阻的特点：光伏（光生伏特）效应：光伏（光生伏特）效应：是半导体受光照射产生电动势的现象。是半导体受光照射产生电动势的现象。是另一种应用广泛的内光电效应，是另一种应用广泛的内光电效应，光光 -电压电压(伏特）伏特）与光电导效应不同之处：与光电导效应不同之处：存在内部势垒，将正、负载流子在空间上分离存在内部势垒，将正、负载流子在空间上分离有光照射时，有光照射时，若若PN结电路接负载电阻结电路接负载电阻RL，在在PN结内出现两种相反的电流：结内出现两种相反的电流：光激发产生的电子空穴对，光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，在内建电场作用下，形成光生电流大小形成光生电流大小Ip与光照有关，与光照有关，方向与方向与PN结反向。结反向。RLIpID通常用通常用PN结来实现这种效应结来实现这种效应NP当入射光子在当入射光子在PN结及其附近产生电子结及其附近产生电子空空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到子漂移到N区，空穴漂移到区，空穴漂移到P P区。区。如果在外电路中把如果在外电路中把P区和区和N区短接，就产生区短接，就产生反向的短路信号电流。反向的短路信号电流。假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在在N区和区和P区积累，两端便产生电动势，这称区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。为光生伏特效应，简称光伏效应。结型光伏探测器工作时可以不加偏置电压，结型光伏探测器工作时可以不加偏置电压，不加偏置电压光伏探测器不加偏置电压光伏探测器光电池。光电池。如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的光伏探测器加偏压工作的光伏探测器光电二极管。光电二极管。常用的常用的光伏探测器光伏探测器有：有：光电池、光电二极管光电池、光电二极管 光电三极管光电三极管 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD管管)PINPIN光电二极管光电二极管(PINPIN 管管)光子探测器的特点：光子探测器的特点：是一种波长选择性探测器，是一种波长选择性探测器，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即光子的波长要短于长波限。的值，即光子的波长要短于长波限。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因而也就不能被探测出来。子效应，因而也就不能被探测出来。另一方面波长短于长波限的入射辐射，另一方面波长短于长波限的入射辐射，当功率一定时，波长愈短，光子数就愈少。因此当功率一定时，波长愈短，光子数就愈少。因此理论上光子探测器的响应率应与波长成正比理论上光子探测器的响应率应与波长成正比。速度高速度高热探测器对光辐射的响应和光热探测器对光辐射的响应和光子子探测器不探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能量以后温同。它基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现象，即光热效应。度升高的现象，即光热效应。光热效应的特点：光热效应的特点：入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这又引起格因吸收光能而增加振动能量，这又引起物质的温度上升，从而导致与温度有关的物质的温度上升，从而导致与温度有关的材料的某些物理性质的变化。材料的某些物理性质的变化。热电探测器的简单模型：热电探测器的简单模型：与光电效应有本质的不同，光热效应与入与光电效应有本质的不同，光热效应与入射辐射的单个光子的能量没有直接关系。射辐射的单个光子的能量没有直接关系。因此，热效应一般与波长无关，即光电因此，热效应一般与波长无关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成份无关，光谱成份无关，即热探测器对光辐射的响应无波长选择性即热探测器对光辐射的响应无波长选择性光热效应可以产生：光热效应可以产生：温差电效应温差电效应 电阻率变化效应电阻率变化效应 自发极化强度的变化效应等自发极化强度的变化效应等利用这些效应可制作各种热探测器。利用这些效应可制作各种热探测器。当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过这两点的闭合回路该两点间就有电动势产生，通过这两点的闭合回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。温差电效应包括塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊温差电效应包括塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊效应。效应。l当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同温度(两结点间的温差为T)时在两点之间就产生一个电动势；l这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应。l其中产生的电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，l上述回路称为热电偶。l产生塞贝克电动势的原因：是由于受热不均匀的两结点的接触电位差不同所致。l热电偶和热电堆的原理性结构如图所示 多个热电偶串联起来即成为热电堆。接收辐射一端称为热端，另一端称为冷端。测辐射热电堆：测辐射热电堆：l测辐射热电堆：为了增加信号电压l工艺：在衬底上蒸上一层金属膜，然后再蒸上第二种材科与第一层膜部分重叠，从而形成若干接触点。l缺点：输出电信号比许多光子探测器弱l优点：不需要电偏置和致冷，l 应用广泛。(Bolometer)原理：当吸收光辐射而温度升高时，原理：当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，金属的电阻会增加，半导体材料的电阻会降低。半导体材料的电阻会降低。电阻温度效应电阻温度效应从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率，从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率，利用材料的电阻变化制成的热探测器利用材料的电阻变化制成的热探测器 测辐射热计测辐射热计测辐射热计结构示意图：测辐射热计结构示意图：红外成像红外热像仪可见光成像热红外成像材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数T来表征。实验研究发现：材料温度从T改变到了T+T，材料的阻值改变量R只与材料的阻值R及温度改变量T 成正比，即：R=TRT 当T足够小时，则有：dR=T RdT 由此得到：T=dTdRR1电阻温度系数电阻温度系数T与材料的种类和温度有关，与材料的种类和温度有关，是描述测辐射热器材料的电阻值对温度变化是描述测辐射热器材料的电阻值对温度变化灵敏程度的基本参数。灵敏程度的基本参数。当温度变化时，当温度变化时，T值越大，其电阻阻值变化就越大；值越大，其电阻阻值变化就越大；T值越小，其电阻阻值变化就越小值越小，其电阻阻值变化就越小在室温下，金属材料的在室温下，金属材料的T约为约为，半导体材料的半导体材料的T值约为值约为-；比金属材料的比金属材料的T值大一个数量级。值大一个数量级。3 热释电探测器热释电探测器某些晶体某些晶体(如硫酸三甘肽如硫酸三甘肽TGSTGS、铌酸锂、铌酸锂LiNbOLiNbO3 3等等)受光照射时温度升高，从而在晶体的特定方向上由受光照射时温度升高，从而在晶体的特定方向上由于自发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。于自发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。这种现象称为这种现象称为热释电效应热释电效应。热释电探测器由热释电晶体制成。热释电探测器由热释电晶体制成。当当强度调制强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可测定所吸收的光辐射功率。电压，由此可测定所吸收的光辐射功率。l由于结型场效应晶体管(JFET)的输入阻抗高，噪声又小，所以常用JFET作热释电探测器的前置放大器。所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的响应，因而是非选择性探测器热探测器一般无需致冷热探测器的响应时间比光子探测器长（取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢）光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的，探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征。光电探测器的性能参数与其工作条件密切光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，所以在给出性能参数时，要注明有相关，所以在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。主要工作条件有：关的工作条件。主要工作条件有：1辐射源的光谱分布辐射源的光谱分布 2电路的通频带和带宽电路的通频带和带宽 3工作温度工作温度 4光敏面尺寸光敏面尺寸 5偏置情况偏置情况1响应率(或称响应度)Rv或RI2单色灵敏度3积分响应度4响应时间 5频率响应 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。定义：光电探测器的输出均方根电压Vs或电流Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比，即：RvVsP (VW)RIIsP (Aw)Rv和RI称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。使用波长为的单色辐射源，则称为单色响应率R在可见光波段，光电探测器的响应率又称为光电探测器的灵敏度，并分为单色灵敏度和积分灵敏度。单色灵敏度又叫光谱响应度，用R表示，是光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上单色辐射通量(光通量)之比。即 Rv=(VW)RI=(A/W)式中，()为入射的单色辐射通量或光通量。如果()为光通量，则Rv的单位为Vlm。)(Vs)(sI积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。d)(0由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：可得积分响应度为：式中，、分别为光电探测器的长波限和短波限。由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。dRdIIss)()(01010101)()(ddRR01响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。常用时间常数的大小来表示。当用一个辐射脉冲辐射脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方被，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10上升到90峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从90下降到10处所需的时间称为下降时间。光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的。如果对这些随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。判定噪声大小通常使用信噪比这个参数。在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即：若用分贝(dB)表示，则为：利用SN评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。对单个光电探测器，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面积大S/N就大，但性能不一定就好。因此用S/N评价器件有一定的局限性。2222NsLNLsNsIIRIRIPPNSNSNSdBIIIINSlg20lg10)(22定义：探测器在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时辐射源的输入通量，此时，其他参数，如频率温度等应加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的探测极限(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。定义为信号功率与噪声功率之比为1，即SN1时，入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦)。即：NEP在ENI单位为瓦时与之等效。一个良好的探测器件的NEP约为1011W。NEP越小，噪声越小器件的性能越好。NSNEPe/只用NEP无法比较两个不同来源的光探测器的优劣。为此引入两个新的性能参数探测率D和比探测率D*探测率D定义为NEP的倒数，即：（W-1）显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。探测率D所提供的信息与NEP一样，也是一项特征参数。PVVsNEPDN/1显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。它描述的特性是：光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领，即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。但是仅根据探测率D还不能比较不同的光探测器的优劣，这是因为如果两只由相同材料制成的光电探测器，尽管内部结构完全相同，但光敏面积Ad不同，测量带宽不同，则D值也不相同。为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，需要把探测率D标准化(归一化)到测量带宽为1Hz、光电探测器光敏面积为1cm2。这样就能方便地比较不同测量带宽、对不同光敏面积的光电探测器测量得到的探测率。实验测量和理论分析表明，对于许多类型的光电探测器来说，其噪声电压VN与光电探测器光敏面积Ad的平方根成正比，与测量带宽的平方根成正比。因此将VN除以 ，则D就与Ad和带宽无关了。也就是归一化到测量带宽为1Hz、光探测器光敏面积为1cm2。这种归一化的探测率一般称为比探测率，通常用D*记之。根据定义，D*的表达式为:fAdfAPVVNEPfAfANEPDdNSdd/1*)(121WHzcm