§4.4光电探测器的特性 各种光子探测器、热探测器的作用机理虽然各有不同，但其基本特性都可用光照特性或 转换效率、信噪比特性、跟踪入射信号的能力、伏安特性、温度特性等五个方面的参数来描 述。 4.4.1 灵敏度或响应率 (1)光谱灵敏度S(入)与峰值波长 探测器对不同波长光（电磁辐射）的反应程度称为光谱响应或光谱灵敏度。 光谱灵敏度为光电器件对单色辐射通量的输出与入射的单色辐射通量之比，即 S)= U() (4.4-1) Φ(2) 式中，Φ()为入射的单色辐射通量；U()为光电器件的输出。光谱灵敏度最大时的波 长即峰值波长。 (2)相对光谱灵敏度S(入) 光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比称为相对光谱灵敏度，即 S,()= S() (4.4-2) S(m） 式中，S,()是一无量纲函数，也称光谱特性。 2022/10/7
2022/10/7 1 §4.4 光电探测器的特性
光谱特性是指相对光谱灵敏度与入射光波长之间的关系，不同敏感材料的光谱特性曲线 如图4.4-1所示。 ZnS CdS Si Ge PbS PbTe PbTe 100 80 60 40 20 0 0.3 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 Jum 图4.4-1不同敏感材料的光谱特性曲线 (3)积分灵敏度S 光电器件对连续辐射通量的反应程度称为积分灵敏度。定义为，输出电压U与入射到 光电器件上的辐射通量④之比，即 S=U/O (4.4-3) 当输出为光电流时，积分灵敏度即为辐射灵敏度。 2022/10/7
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(4)量子效率 量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。量子效 率是一个微观参数，愈高愈好。实际上，刀≤1。 量子效率与响应率存在如下关系 ()= 11g_s(Di (4.4-4) P/hy 9 式中，g:每秒产生的光子数；PhD: 每秒入射的光子数。 4.4.2信噪比特性 (1)等效噪声功率 将探测器输出信号等于探测器噪声时，入射到探测器上的辐射功率定义为等效噪声功 率，单位为瓦。由于信噪比为1时功率测量不太方便，可以在高信号电平下测量，再根据下 式计算： P NEP= (4.4-5) U,1U.U,1U网 式中，Φ：辐照度，单位W/cm2；Aa:探测器光敏面面积，单位cm2；U:信号电 压基波的均方根值，单位V;U:噪声电压均方根值，单位V。 2022/10/7
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(2)探测率 探测率被定义为等效噪声功率的倒数，即 1 D= (4.4-6) NEP 这样一来，较好的探测器有较高的探测率。 (3)比探测率D D'=D44yy2=442 单位：cmHz2.刚- (4.4-7) NEP D的物理意义可理解为1瓦辐射功率入射到光敏面积1厘米2的探测器上，并用带宽 为1赫电路测量所得的信噪比。 (4)背景噪声对探测率的限制 光子探测器和热探测器比探测率的最终极限将受背景噪声的限制。 对于光电导型探测器，D的理论极大值为： 1/2 1/2 D= =2.52×108元 (4.4-8) 2hc(2 式中：h为普朗克常数，c为光速，入为波长（微米），)为量子效率，2。为入射到探 测器上的半球背景光子辐射发射量。 对于光伏探测器，由于没有复合噪声，上式应乘√2 2022/10/7
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4.4.3 跟踪入射信号的能力 探测器跟踪入射信号的能力可以从两方面来描述，一是上升、下降时间；二是频率响应。 (1)上升（下降）时间 反映了光电探测器对阶跃函数型入射通量响应时间的快慢。 (2)光电器件的频率特性 光电器件相对光谱灵敏度随入射辐射通量的调制频率的变化关系称为光电器件的频率 特性。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为 S,(f)= (4.4-14) 1+4π2f2z2 式中，S,0为调频率f=0时的灵敏度，f为调制频率，t为响应时间。图4.43示出了 一些光电器件的频率特性。当f远小于1/2πx,响应率就与频率无关，f远大于1/2πx时， 响应率和频率成反比。 100 1疏化铅 80 60 2硫化铊 40 20 0 10 100 100010000 f/Hz 图4.43光电器件的频率特性 2022/10/7
2022/10/7 5 4.4.3 跟踪入射信号的能力
在设计光机扫描型系统时，探测器的时间常数应当选择得比探测器在 瞬时视场上的驻留时间为短，否则探测器的响应速度将跟不上扫描速 度。当对突发的辐射信号进行检测时，则应根据入射辐射的时频特性， 选择响应速度较快的探测器。如激光功率计在检测连续波激光时，探 头的探测器可以用响应较慢的热电堆，检测脉冲激光时则必须用响应 速度较快的热释电探测器，如果激光脉宽很窄，需要用光子探测器检 测。 2022/10/7 6
2022/10/7 6 在设计光机扫描型系统时，探测器的时间常数应当选择得比探测器在 瞬时视场上的驻留时间为短，否则探测器的响应速度将跟不上扫描速 度。当对突发的辐射信号进行检测时，则应根据入射辐射的时频特性， 选择响应速度较快的探测器。如激光功率计在检测连续波激光时，探 头的探测器可以用响应较慢的热电堆，检测脉冲激光时则必须用响应 速度较快的热释电探测器，如果激光脉宽很窄，需要用光子探测器检 测
4.4.4伏安特性 在保持入射光频谱成分不变的条件下，光电器件所加电压与光电流之间的关系称为光电 器件的伏安特性。伏安特性与光电探测器的驱动能力有关，它是传感器设计时选择电参数的 依据。 4.4.5 温度特性 光电器件的灵敏度、暗电流或光电流与温度的关系称为温度特性，通常由曲线表示或由 温度系数给出。温度系数表示在给定的温度区间，温度变化1℃时，光电流的相对平均增量 或灵敏度的变化或光敏电阻阻值的平均变化。 温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有较大的影响。 由于光电探测器在不同温度下，性能有变化。工作温度就是指光电探测器最佳工作状态 时的温度。在高精度检测时，要进行温度补偿或要求在恒温条件下工作。 2022/10/7
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S4.5 光电直接检测系统和相干检测系统 4.5.1 光电直接检测系统 在直接检测系统中，信息被调制在来自光源的光束强度上，经过光电转换环节解调出来 信息即可。在光电直接检测系统中，待测光信号入射到光检测器光敏面上时，光检测器输出 与光辐射强度（幅度）相对应的电流或电压。可以类比于通信系统中的幅度调制解调系统。 4.5.1.1直接检测系统的输入输出 假定入射光信号的电场强度为E.(t)=Acosa,式中A,分别为信号光电场振幅和信 号光的频率，则平均光功率为P=E2()=A2/2,光检测器输出的电流为 I,=ap (4.5-1) 式中，E?()表示E()的时间平均；a=en/(hv)为光电转换比例系数。 在可见光到中红外波段，光子振动周期为5×1014~1.3×1015s,而检测器最快的响应时 间为1010s,故只能响应其平均能量或平均功率。 2022/10/7 8
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若光检测器的负载电阻为R,则光检测器输出功率为 =R,=0R, (4.5-2) 式(4.5-2)表明，光检测器输出的电功率正比于入射光功率的平方；换言之，电输出 功率正比于入射光功率的平方。 对于形如E,(t)=A[1+d(t]coswt的调幅波，光检测器的输出电流为 三，(t)0.5aA2+a4d(t) (4.5-3) 式(4.5-3)中，第一项为直流项；第二项为信号光强项，当中的t)为调制信号。 4.5.1.2直接检测系统的信噪比 设入射到光检测器的信号光功率为P,噪声光功率为P,光电检测器输出信号电功率 为P。,噪声电功率Po,又式(4.5-2)可知 P+Po=a'R:(P+P)2=a2R:P2+a2R:(2PP+P2) (4.5-4) 于是，输出功率的信噪比为 (SNR)p= P。 P2 (P)2 (4.5-5) Bo 2P.B+B2 1+2(P/B.) 对于式(4.5-5)，当PPn1时，(SR)0.5（P/Pn),此时输出信噪 比只是输入信噪比的一半。 2022/10/7
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4.5.1.3直接检测系统的检测极限及趋近方法 如果考虑一个直接检测系统所存在的所有噪声，则输出噪声的总功率可表示为 。=s++i场D+i)R (4.5-6) 式中，、环、分别为信号光、背景光、暗电流引起的噪声，负载电阻和放 大电路热噪声之和，则输出信号噪声之比为 (Rp== (en/h/v)2 p2 (4.5-7) no +汤裙+加+ 当热噪声是主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，称系统是受热噪声限制的：与之相类 比，系统也可能是受散粒噪声限制的、或受背景噪声限制的。 当入射的信号光所引起的散粒噪声是直接检测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略 时，则可以说直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为 (SRe= ”P (4.5-8) 2hv Af 该式为直接检测系统在理论上的极限信噪比，也称为量子极限。若用等效噪声功率EP 值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为 (EP童= 2hvAf (4.5-9) 2022/10/7 10
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