《微弱信号检测》课件：第6章微弱并行检测技术.ppt

1、本章主要内容：本章主要内容：6-1 概述概述6-2 多道探测器件多道探测器件6-3 光电并行探测器件的性能与特点光电并行探测器件的性能与特点6-4 OMA系统系统6-5 OMA系统的应用系统的应用 一、并行检测技术一、并行检测技术 在物理、化学、工程等学科的研究或测量中，有多种在物理、化学、工程等学科的研究或测量中，有多种谱检测，如光谱、能谱、质谱等。谱检测，如光谱、能谱、质谱等。 光谱光谱：是研究：是研究光源发光强度光源发光强度随随波长波长而变化的关系；而变化的关系； 能谱：能谱：是研究是研究一束粒子一束粒子中，中，粒子的能量分布粒子的能量分布； 质谱：质谱：是研究是研究一种物质一种物质中，

2、中，各种质量粒子数目的分布各种质量粒子数目的分布。一、并行检测技术一、并行检测技术 串行检测：串行检测：在谱研究中，若在谱研究中，若按自变量逐点检测对应因变量按自变量逐点检测对应因变量，称为称为单点检测单点检测。谱的单点检测，可称为。谱的单点检测，可称为串行检测串行检测。这种方法。这种方法检测的测量值，在检测的测量值，在时序上是有先后的时序上是有先后的。例如，在光谱研究中，。例如，在光谱研究中，利用单色仪检测就是逐个波长测量光源的发光强度。利用单色仪检测就是逐个波长测量光源的发光强度。 并行检测：并行检测：可可同时获取各自变量对应的因变量值同时获取各自变量对应的因变量值，这种方法，这种方法称为

3、称为并行检测并行检测。例如，用摄谱仪系统测量光谱，就是一种并。例如，用摄谱仪系统测量光谱，就是一种并行检测；又如，用照像乳胶法测宇宙射线能谱，也是一种并行检测；又如，用照像乳胶法测宇宙射线能谱，也是一种并行检测。行检测。 一、并行检测技术一、并行检测技术 从原理上讲，每种谱都可以做多点并行检测或单点串行从原理上讲，每种谱都可以做多点并行检测或单点串行检测。检测。并行检测并行检测特点特点：（1 1）获得的是同时谱获得的是同时谱，因此，测量结果受研究对象不稳定因素，因此，测量结果受研究对象不稳定因素影响较小；影响较小；（2 2）测量整谱的时间快测量整谱的时间快，为研究时间分辨谱创造了条件，使中、，

4、为研究时间分辨谱创造了条件，使中、快速动态过程的研究得以实现，使实时监控便于实现；快速动态过程的研究得以实现，使实时监控便于实现；（3 3）可研究瞬态现象可研究瞬态现象，这是单点串行检测绝对无法做到的；，这是单点串行检测绝对无法做到的；（4 4）检测灵敏度比单点检测低检测灵敏度比单点检测低。 串行检测串行检测，以光谱检测为例，以光谱检测为例，仅适用于一些较稳定光源的光仅适用于一些较稳定光源的光谱测量谱测量；而且，；而且，串行检测无法用于时间谱和瞬态光谱检测串行检测无法用于时间谱和瞬态光谱检测。但但由于单色仪可以使用光电倍增管，所以灵敏度非常高由于单色仪可以使用光电倍增管，所以灵敏度非常高。 一

5、、并行检测技术一、并行检测技术 实现并行检测，必须满足的实现并行检测，必须满足的基本条件基本条件：（1）要完成谱信号的分离要完成谱信号的分离。多数情况是按自变量作因变量的空。多数情况是按自变量作因变量的空间分离，有时也可能作其它类型的分离。例如，光谱是按波间分离，有时也可能作其它类型的分离。例如，光谱是按波长，将不同波长的光强沿一维空间方向分离。长，将不同波长的光强沿一维空间方向分离。（2）需要有多信号转换元的探测器需要有多信号转换元的探测器。例如，光信号的并行探测。例如，光信号的并行探测需要一维或二维探测器（感光乳胶或光电转换器）。为了提需要一维或二维探测器（感光乳胶或光电转换器）。为了提高

6、谱的分辨率，信号探测器的高谱的分辨率，信号探测器的探测元尺寸要小探测元尺寸要小、间隔要小间隔要小。（3）要有快速的信号传输和数据处理技术要有快速的信号传输和数据处理技术。只有这样，才能发。只有这样，才能发挥并行检测的优点。挥并行检测的优点。（4）探测器要有较高的灵敏度探测器要有较高的灵敏度。 一、并行检测技术一、并行检测技术 在微弱信号检测技术中，要在微弱信号检测技术中，要发展并行检测，关键是要提发展并行检测，关键是要提高检测灵敏度高检测灵敏度。这对。这对探测器探测器、信号处理系统信号处理系统、记录仪记录仪等提出等提出了新要求。就目前的计算机技术、光电技术、射线探测技术了新要求。就目前的计算机

7、技术、光电技术、射线探测技术的发展水平，已对光谱和核物理中的辐射探测，发展了较好的发展水平，已对光谱和核物理中的辐射探测，发展了较好的微弱并行检测仪器。的微弱并行检测仪器。 例如，对例如，对光谱测量光谱测量，有，有光学多道分析仪光学多道分析仪，简称，简称OMA，它具有能获同时谱、灵敏度高、获谱快速、集光谱信息采集、它具有能获同时谱、灵敏度高、获谱快速、集光谱信息采集、分析、处理、显示、存储于一身的许多特点。分析、处理、显示、存储于一身的许多特点。因此，它因此，它能进能进行多谱线同时测定行多谱线同时测定、进行单次闪光脉冲光谱测定进行单次闪光脉冲光谱测定、进行时间进行时间分布光谱测量分布光谱测量、

8、进行微弱光谱测量进行微弱光谱测量等。等。一、并行检测技术一、并行检测技术 OMA应用非常广泛应用非常广泛。例如，在核爆炸中、导弹和反导弹。例如，在核爆炸中、导弹和反导弹系统、军事遥感、化学、生物医学等研究领域，都有广泛应系统、军事遥感、化学、生物医学等研究领域，都有广泛应用。另外，在环境污染、营养研究、法医诊断、燃烧分析、用。另外，在环境污染、营养研究、法医诊断、燃烧分析、微微秒动力学、天文与天体物理等方面，也成为不可缺少的微微秒动力学、天文与天体物理等方面，也成为不可缺少的工具。工具。 核多道探测系统核多道探测系统，现已大量取代了原来低效率、低灵敏，现已大量取代了原来低效率、低灵敏度的核辐射

9、探测设备。度的核辐射探测设备。二、光学多道分析技术的发展与特点二、光学多道分析技术的发展与特点 1. 光学多道分析技术的发展光学多道分析技术的发展 光学多道分析的概念，是由光学多道分析的概念，是由Margoshes于于1970年提出的；年提出的； 1972年年，美国，美国PARC公司推出公司推出OMA-系统；系统； 1976年年，TRACOR公司提供了一种固体光学多道系统公司提供了一种固体光学多道系统（TN1710分析系统），首先在紫外和可见光区获得无滞后、分析系统），首先在紫外和可见光区获得无滞后、无光晕的光谱；无光晕的光谱；1977年，又推出了二极管阵列快速扫描谱仪年，又推出了二极管阵列快

10、速扫描谱仪（DARSS）；）； 1977年年，PARC推出了推出了PMA-，其动态范围增加到，其动态范围增加到104，软，软件大有改进；件大有改进；1979年，又推出增强型二极管阵列探测器；年，又推出增强型二极管阵列探测器；二、光学多道分析技术的发展与特点二、光学多道分析技术的发展与特点 1. 光学多道分析技术的发展光学多道分析技术的发展 1982年后年后，PARC与与TRACOR又分别提供了性能更优越的又分别提供了性能更优越的OMA-和和TN6500。 总之，随着计算机和固态检测器的发展和应用，并行检总之，随着计算机和固态检测器的发展和应用，并行检测也随之进步，应用面也大为扩展。测也随之进步

11、，应用面也大为扩展。 2. OMA系统的特点系统的特点（1）由于）由于OMA系统是在多个通道中同时采集信号系统是在多个通道中同时采集信号，因此是单，因此是单通道检测无法比拟的。如果用通道检测无法比拟的。如果用N个通道同时接收一个光信号，个通道同时接收一个光信号，则平均结果是使则平均结果是使SNIR提高提高N倍或倍或N1/2倍（视不同照度而异）。倍（视不同照度而异）。如如SNIR不变，则可使时间降低不变，则可使时间降低N倍或倍或N1/2倍。倍。SNIR定义：定义：二、光学多道分析技术的发展与特点二、光学多道分析技术的发展与特点2. OMA系统的特点系统的特点 （6-1） （2）OMA可对单次闪光

12、作研究可对单次闪光作研究。单次闪光，如电弧等，因每。单次闪光，如电弧等，因每次闪光时的强度起伏造成谱线之间强度变化，因此单通道次闪光时的强度起伏造成谱线之间强度变化，因此单通道对各次闪光的取样平均不仅所需时间很长，而且引入误差。对各次闪光的取样平均不仅所需时间很长，而且引入误差。另一方面，每次闪光的电弧本身是一个强辐射噪声源，多另一方面，每次闪光的电弧本身是一个强辐射噪声源，多道检测不仅可记录单次闪光，无需重复，每一道记录一个道检测不仅可记录单次闪光，无需重复，每一道记录一个波长范围，一次完成；同时，可将记录与读出过程分阶段波长范围，一次完成；同时，可将记录与读出过程分阶段进行，避免干扰的进入

13、。进行，避免干扰的进入。单道多道)()(SNRSNRSNIR 二、光学多道分析技术的发展与特点二、光学多道分析技术的发展与特点2. OMA系统的特点系统的特点（3）OMA可用作光谱时间谱测量可用作光谱时间谱测量。对单脉冲、多谱线、整。对单脉冲、多谱线、整谱段，可作到时间采样间隔为谱段，可作到时间采样间隔为0.010.001s，特别适用于中，特别适用于中速化学反应的光谱时间谱研究及对诸如闪光灯照度的增强速化学反应的光谱时间谱研究及对诸如闪光灯照度的增强和衰减过程等进行研究。和衰减过程等进行研究。（4）OMA都是由微机支持的都是由微机支持的。由于微机的使用，使数据处。由于微机的使用，使数据处理快速

14、，使光谱数据的存储、显示有多种方式，因此非常理快速，使光谱数据的存储、显示有多种方式，因此非常方便与灵活。方便与灵活。（5）单点串行光谱检测作一维光谱空间分布是不可能的，而）单点串行光谱检测作一维光谱空间分布是不可能的，而若用具有二维象元探头的若用具有二维象元探头的OMA可非常容易的可非常容易的作一维光谱空作一维光谱空间分布间分布。这对研究各种光源的空间性质是十分有用的。这对研究各种光源的空间性质是十分有用的。 一、一、OMA探测器的种类探测器的种类 并行检测，首先要有多道探测传感器并行检测，首先要有多道探测传感器，即要有多个、，即要有多个、各自独立的信息转换或接收单元，以便将它们各自所采信各

15、自独立的信息转换或接收单元，以便将它们各自所采信息转换成电信号，然后输入后继系统进行处理、存储、记息转换成电信号，然后输入后继系统进行处理、存储、记录。显然，录。显然，OMA的独立探测元，越多越好、越灵敏越好的独立探测元，越多越好、越灵敏越好。 各探测元要能方便的对准各采样点，而且要能方便的各探测元要能方便的对准各采样点，而且要能方便的将转换信息输出将转换信息输出。对于光谱并行检测，要求各探测元相互。对于光谱并行检测，要求各探测元相互紧紧靠拢，以便将相邻很近的谱线分别采样，即紧紧靠拢，以便将相邻很近的谱线分别采样，即为保证光为保证光谱采集的分辨率谱采集的分辨率，必须，必须要有尺寸很小、相隔很近

16、的探测元要有尺寸很小、相隔很近的探测元组成的探测器组成的探测器。 一、一、OMA探测器的种类探测器的种类 由于探测元小，各探测由于探测元小，各探测元获取的光能少，因此，元获取的光能少，因此，要要获得较高的灵敏度，要求传获得较高的灵敏度，要求传感器转换效率高、信噪比高感器转换效率高、信噪比高。 由于是作光强测量，转由于是作光强测量，转换时需要换时需要探测元有好的线性探测元有好的线性和宽的动态范围和宽的动态范围。 表表6-1是现有主要并行探是现有主要并行探测器件的特点表。测器件的特点表。一、一、OMA探测器的种类探测器的种类 表表6-2是光电并行探是光电并行探测器件分类。测器件分类。 二、SV、S

17、IT、ISIT管 在电子束图象管中，主要介绍在电子束图象管中，主要介绍SV（硅靶摄像管）、（硅靶摄像管）、SIT（硅（硅增强靶摄像管）和增强靶摄像管）和ISIT（二级增强硅靶摄像管）三类管子的（二级增强硅靶摄像管）三类管子的结构和性能。结构和性能。 1. SV（硅靶摄像管）（硅靶摄像管） 结构结构：SV管的核管的核心是一块硅单晶薄片，心是一块硅单晶薄片，它上面生长了近百万它上面生长了近百万个二极管个二极管PN结的微阵结的微阵列，如图列，如图6-1所示。所示。 二、SV、SIT、ISIT管1. SV（硅靶摄像管）（硅靶摄像管） 所有二极管的阴极连接在一起，形成一个所有二极管的阴极连接在一起，形成

18、一个公共阴极公共阴极。每。每个二极管的功能相当于一个个二极管的功能相当于一个光电二极管光电二极管，直径直径约约8m。两个。两个二极管之间的距离二极管之间的距离为为25m。若阵列的面积为。若阵列的面积为12.510mm2，则可获得则可获得500400=2105个象元。这个阵列由硅材料构成，个象元。这个阵列由硅材料构成，装在摄像管内，称装在摄像管内，称硅靶硅靶。 二、SV、SIT、ISIT管1. SV（硅靶摄像管）（硅靶摄像管） 工作原理工作原理：硅二极管：硅二极管平时处于反偏压状态平时处于反偏压状态。当。当有光入射时有光入射时，阵列中的象元产生电子空穴对，空穴在电场的作用下向阵列中的象元产生电子

19、空穴对，空穴在电场的作用下向P P区区移动，造成移动，造成P P区负电荷（电子）减少。减少的负电荷与入射区负电荷（电子）减少。减少的负电荷与入射到该象元的光子数成比例，形成正电荷象存贮在该象元上。到该象元的光子数成比例，形成正电荷象存贮在该象元上。读出是用扫描电子束通过访问每一个象元来实现读出是用扫描电子束通过访问每一个象元来实现。电子束。电子束把这些因光照而放电的二极管重新充电到阴极电位，由于把这些因光照而放电的二极管重新充电到阴极电位，由于每一个象元因不同光照强度而损失不同量的电子，从而充每一个象元因不同光照强度而损失不同量的电子，从而充电电流对每一个被访问的象元也不同。充电电电电流对每一

20、个被访问的象元也不同。充电电二、SV、SIT、ISIT管1. SV（硅靶摄像管）（硅靶摄像管） 流经过电流流经过电流/ /电压电压转换后给出视频信号。转换后给出视频信号。电子束扫描不仅能电子束扫描不仅能检出光的辐射强度，而且再充电使硅靶处于起始状态而接受检出光的辐射强度，而且再充电使硅靶处于起始状态而接受新的曝光，硅靶又成为一张新的干版新的曝光，硅靶又成为一张新的干版。 性能性能：这种未经增强的硅靶：这种未经增强的硅靶SVSV管具有管具有中等灵敏度中等灵敏度，照度约为，照度约为0.50.5勒克斯。每一个象元是一个可以保存信息的积分存贮器勒克斯。每一个象元是一个可以保存信息的积分存贮器件，件，象

21、元的泄漏限制了积分时间象元的泄漏限制了积分时间，在室温下约为，在室温下约为1s1s。冷却可。冷却可降低泄漏，在干冰温度时，可延长积分时间至数小时。降低泄漏，在干冰温度时，可延长积分时间至数小时。二、SV、SIT、ISIT管1. SV（硅靶摄像管）（硅靶摄像管） 电子束扫描细节电子束扫描细节：硅靶是硅靶是=16mm的圆的圆靶，靶，能利用的部分是能利用的部分是比圆靶面更小的矩形比圆靶面更小的矩形，面积大约为面积大约为12.5mm5mm（或（或10mm）。）。因此矩形面积的长边因此矩形面积的长边具有具有12.5mm/25m=500个通道，自左至右为个通道，自左至右为0-499通道。通道。 二、SV、

22、SIT、ISIT管1. SV（硅靶摄像管）（硅靶摄像管） 在许多应用中，例如作为线列检测时，把在许多应用中，例如作为线列检测时，把矩形分成上、矩形分成上、下两半下两半，上半部被遮挡，保持黑暗，即禁止入射光辐射上半部被遮挡，保持黑暗，即禁止入射光辐射；下下半部用来接受曝光半部用来接受曝光。扫描电子束读出时，它交替地通过靶的。扫描电子束读出时，它交替地通过靶的暗部与亮部，从靶亮部得到的放电电流减去从暗部得到的放暗部与亮部，从靶亮部得到的放电电流减去从暗部得到的放电电流，即电电流，即可实现背景噪声扣除可实现背景噪声扣除。若如图（。若如图（b b）所示的分离）所示的分离扫描，则可获得二维显示。扫描，则

23、可获得二维显示。 存在不足存在不足：（1 1）读出时，不能使硅靶出现二次电子发射读出时，不能使硅靶出现二次电子发射，故扫描电子束在，故扫描电子束在到达硅靶时，必须是到达硅靶时，必须是慢速电子慢速电子；又由于目前电子束聚焦技术；又由于目前电子束聚焦技术二、SV、SIT、ISIT管 1. SV（硅靶摄像管）（硅靶摄像管） 的限制，使的限制，使扫描电子束流不能太大扫描电子束流不能太大。而读出速度又要求快，。而读出速度又要求快，因此，因此，对每一个象元的充电时间不能太长对每一个象元的充电时间不能太长。这样造成。这样造成在强光在强光照射下，很难在一次读出扫描时间内对该象元的二极管彻底照射下，很难在一次读

24、出扫描时间内对该象元的二极管彻底再充电再充电。因此，会出现所谓。因此，会出现所谓滞后（惰性）滞后（惰性）问题。问题。 （2）SV管电子束的扫描位置的重复精度不可能很高管电子束的扫描位置的重复精度不可能很高，先后两，先后两次读出的位置和计数位置会有偏差，即会出现次读出的位置和计数位置会有偏差，即会出现串道现象串道现象，这，这使光谱的分辨率降低。使光谱的分辨率降低。（3）SV管不便于冷却管不便于冷却，故，故噪声相对较大、信噪比较低噪声相对较大、信噪比较低。 这些不足，对要求高的光谱研究，会带来很大影响。这些不足，对要求高的光谱研究，会带来很大影响。二、SV、SIT、ISIT管2.SIT（硅增强靶摄

25、像管）（硅增强靶摄像管）（1）图象倍增器图象倍增器 当光进入当光进入光阴极光阴极，光阴极将发射光电子，光阴极将发射光电子，光电子光电子经聚焦和加速，经聚焦和加速，又打在荧光物上，产又打在荧光物上，产生生荧光荧光。由于加速电。由于加速电子能量很高，因此子能量很高，因此激激发的荧光将大于入射光强发的荧光将大于入射光强。这样，完成了光电和电光的转换过。这样，完成了光电和电光的转换过程。有时，程。有时，可省略荧光物涂层，使经聚焦和加速后的光电子高可省略荧光物涂层，使经聚焦和加速后的光电子高速地轰击硅二极管阵列速地轰击硅二极管阵列，以产生更大量的电子空穴对，使靶的，以产生更大量的电子空穴对，使靶的电子增

26、益可达电子增益可达10103。 二、SV、SIT、ISIT管2.2.SIT（硅增强靶摄像管）（硅增强靶摄像管）（2）SIT（硅增强靶摄像管）（硅增强靶摄像管） SIT是由是由一个一个摄象摄象管管和前置和前置的一个的一个图图象倍增器象倍增器组成。组成。二、SV、SIT、ISIT管2.SIT（硅增强靶摄像管）（硅增强靶摄像管）（2）SIT（硅增强靶摄像管）（硅增强靶摄像管） 输入光子输入光子通过纤维光学面板打在光阴极上，如同光电倍通过纤维光学面板打在光阴极上，如同光电倍增管一样，根据量子效率，大量的增管一样，根据量子效率，大量的光电子光电子从光阴极飞出来。从光阴极飞出来。由于由于图象加强级很高的阳

27、极电压图象加强级很高的阳极电压，这些光电子飞向摄像管的，这些光电子飞向摄像管的硅靶。当这些高能的电子束到达硅靶时，如同光子入射一样，硅靶。当这些高能的电子束到达硅靶时，如同光子入射一样，使靶上的光电二极管放电。使靶上的光电二极管放电。由于电子的高能量，每一个电子由于电子的高能量，每一个电子等效于许多光子，所以图象增强器具有很高的增益等效于许多光子，所以图象增强器具有很高的增益。 SIT增强器的增益常选在增强器的增益常选在103，故其，故其灵敏度可从灵敏度可从SV的的2000光子光子/计数提高到计数提高到1020光子光子/计数计数。虽然增益的大小，可通过。虽然增益的大小，可通过调节加速电压而改变

28、，但因改变加速电压会影响聚焦成像，调节加速电压而改变，但因改变加速电压会影响聚焦成像，故变化范围不大。故变化范围不大。 二、SV、SIT、ISIT管3. ISIT（二级增强硅靶摄像管）（二级增强硅靶摄像管） ISIT是在是在SIT前又加一前又加一个图象增强个图象增强器，即其器，即其具有具有两个图象增强两个图象增强器器。入射光到。入射光到达达光阴极光阴极，使光阴极产生，使光阴极产生光电子光电子，光电子加速飞向，光电子加速飞向P20磷光体磷光体。当当P20磷光体被这些电子激发时，发射光子，这些光子被磷光体被这些电子激发时，发射光子，这些光子被S20光光二、SV、SIT、ISIT管3. ISIT（二

29、级增强硅靶摄像管）（二级增强硅靶摄像管） 阴极阴极“看到看到”。S20光阴极又发射光阴极又发射电子电子，这些电子被加速后，这些电子被加速后飞向飞向硅靶硅靶。由于。由于ISIT具有两个图象增强器，所以具有更高的具有两个图象增强器，所以具有更高的增益增益。由于第一和第二图象增强级中都具有聚焦电极，所以由于第一和第二图象增强级中都具有聚焦电极，所以SIT和和ISIT二者都能被选通，这意味着二者都能被选通，这意味着SIT和和ISIT能工作于脉能工作于脉冲方式冲方式。选通如同快门，能够拍摄输入光的快象。所谓选通，。选通如同快门，能够拍摄输入光的快象。所谓选通，即由电位变化来控制光阴极所发射的光电子通过与

30、禁止。以即由电位变化来控制光阴极所发射的光电子通过与禁止。以外脉冲控制方式选通曝光时间，门脉冲的宽度最小为外脉冲控制方式选通曝光时间，门脉冲的宽度最小为10ns。这样，对于瞬态信号及需同步检测的信号都可方便地实现，这样，对于瞬态信号及需同步检测的信号都可方便地实现，这就是时间分辨谱。这就是时间分辨谱。 三、三、SPA管管 由于由于电子束管的体积大、易破损、控制和电源的要求高电子束管的体积大、易破损、控制和电源的要求高，此外，它的一些性能（如此外，它的一些性能（如惰性惰性）不能满足进一步的要求，为）不能满足进一步的要求，为此，研究了新的固体光电并行探测器件。此，研究了新的固体光电并行探测器件。固

31、体光电并行探测固体光电并行探测器件器件中，目前适用于光谱测量用的，主要有中，目前适用于光谱测量用的，主要有自扫描光二极管自扫描光二极管阵列阵列（Self-Scanned-Photodiode Array，简称，简称SPA）和）和电荷耦电荷耦合器件合器件（Charge Coupled Devices，简称，简称CCD）。）。 结构结构：SPA（自扫描光二极管阵列）是利用自扫描光二极管阵列）是利用MOS技术技术制造的制造的硅半导体器件硅半导体器件，它在，它在N型硅衬底上扩散条形型硅衬底上扩散条形P型硅或在型硅或在P型硅型硅衬底上扩散条形衬底上扩散条形N型硅型硅，以前者为例介绍。其结构尺寸、剖，以前

32、者为例介绍。其结构尺寸、剖面尺寸和电荷响应如图面尺寸和电荷响应如图6-6所示。所示。 三、三、SPA管管 每个二极管宽每个二极管宽13m，长长2.5mm，两个二极管之，两个二极管之间的中心距为间的中心距为25m。N型硅和型硅和P型硅的表面都是型硅的表面都是光敏的光敏的，所以当光照射时，所以当光照射时，所产生的电荷分别被相邻所产生的电荷分别被相邻两个二极管的结电容收集两个二极管的结电容收集并存贮。在衬底（并存贮。在衬底（N型硅）型硅）上的电荷被两个上的电荷被两个P型硅所型硅所平分，形成如图（平分，形成如图（c）所示）所示的的梯形响应梯形响应。因此，不会。因此，不会出现光辐射两个二极管的衬底处而导

33、致信号的不连续。出现光辐射两个二极管的衬底处而导致信号的不连续。 三、三、SPA管管 实例实例：图：图6-7是是PARC生产的生产的RL1024G型的型的SPA。它是线列它是线列1024象元，灵敏象元，灵敏度为度为2.5pA/W/cm2，饱，饱和曝光为和曝光为1.8W/ cm2，最高时钟为最高时钟为1MHz，最高，最高积分时间为积分时间为40ms。 三、三、SPA管管 工作原理工作原理：以以一维线列一维线列为例进行讨论。为例进行讨论。每一个象元每一个象元包括包括光电二极光电二极管管Dn、FET开关管开关管Kn和和存存贮电容贮电容Cn。 三、三、SPA管管 工作前工作前，为使光电二极管，为使光电

34、二极管Dn反向偏置（约反向偏置（约5V），让），让FET开开关管关管Kn在移位寄存器的控制下，逐个打开一次，使每个电容在移位寄存器的控制下，逐个打开一次，使每个电容都充足电，这一过程称为都充足电，这一过程称为清除扫描过程清除扫描过程。当。当光照到光照到Dn时时，电，电容电荷减少，减少的量比例于光强与曝光时间的乘积。然后，容电荷减少，减少的量比例于光强与曝光时间的乘积。然后，让移位寄存器顺序开启每一个开关让移位寄存器顺序开启每一个开关Kn，电荷被取样输出，经，电荷被取样输出，经电荷放大器放大，获得信号电压电荷放大器放大，获得信号电压V=Q/CF。同时每一象元再。同时每一象元再次重新充电，以准备下

35、一次曝光，这一过程称为次重新充电，以准备下一次曝光，这一过程称为读出扫描过读出扫描过程程。由于两次扫描的顺序和时间是相同的，故各象元的积分由于两次扫描的顺序和时间是相同的，故各象元的积分时间是相同的时间是相同的。各象元工作的时序，如图。各象元工作的时序，如图6-8（b）所示。）所示。三、三、SPA管管 从上述工作原理可以看出，从上述工作原理可以看出，输入移位寄存器的时钟频率输入移位寄存器的时钟频率如果可调，则可以控制清除和读出速率如果可调，则可以控制清除和读出速率；如果控制启动脉冲如果控制启动脉冲的输入，则可控制读出扫描的开始时间，即可控制曝光积分的输入，则可控制读出扫描的开始时间，即可控制曝

36、光积分时间的长短时间的长短。如果启动脉冲是。如果启动脉冲是周期性周期性的，则曝光读数是连续的，则曝光读数是连续循环进行的；如果启动脉冲是循环进行的；如果启动脉冲是逐个控制输入逐个控制输入，则每一次都有，则每一次都有一个一个清除、曝光采样、读出的过程。由于二极管有漏电的问清除、曝光采样、读出的过程。由于二极管有漏电的问题，故清除后应很快进入曝光阶段，即若上次读出扫描后，题，故清除后应很快进入曝光阶段，即若上次读出扫描后，如果不马上曝光，则下次曝光前应重新清除扫描。如果不马上曝光，则下次曝光前应重新清除扫描。三、三、SPA管管 补偿补偿：在：在EC&G Reticon的的SPA产品中，产品中，为了

37、降低噪声与干为了降低噪声与干扰扰，采取类似，采取类似SIT管的暗区和亮区的补偿方法，即在管的暗区和亮区的补偿方法，即在SPA中，中，每一个象元附加一组补偿二极管，让其工作于不曝光状态每一个象元附加一组补偿二极管，让其工作于不曝光状态，它的结构、性能、它的结构、性能、工作过程与时序，与曝工作过程与时序，与曝光的一组完全相同。具光的一组完全相同。具体电路如图体电路如图6-9所示。这所示。这些补偿二极管通过些补偿二极管通过FET开关管与各自的充电线开关管与各自的充电线相连接，相连接，FET开关管开关管三、三、SPA管管 通过移位寄存器顺序开启，然后给相应电容充电。扫描电路通过移位寄存器顺序开启，然后

38、给相应电容充电。扫描电路把每个象元存贮的电荷读出。此电路除把每个象元存贮的电荷读出。此电路除光强信号补偿光强信号补偿外，多外，多路开关的影响也将降低。路开关的影响也将降低。 提高灵敏度的方法提高灵敏度的方法：要进：要进一步提高探测器的灵敏度，一步提高探测器的灵敏度，可加象增强器。为了不失固可加象增强器。为了不失固体器件的特点，附加的象增体器件的特点，附加的象增强器为固体象增强器强器为固体象增强器微微通道板（通道板（MCP）。图）。图6-10为为增强型增强型1420型探测器结构示型探测器结构示意图。意图。 三、三、SPA管管 工作原理工作原理：光进入光进入SiO2窗，成像于窗，成像于光阴极光阴极

39、，其发射的，其发射的光电子光电子数，被数，被微通道板微通道板MCP按比例增值后射出。其后的按比例增值后射出。其后的加速电场加速电场，把光电子动能提高，打到荧光屏上，使把光电子动能提高，打到荧光屏上，使荧光屏的图象比光阴荧光屏的图象比光阴极出增强极出增强2104倍倍。然后，通过。然后，通过光纤维面板光纤维面板耦合到耦合到SPA芯片芯片上，作光电转换输出。上，作光电转换输出。 1420探测器的探测器的MCP尺寸为尺寸为=18mm，而，而1420探测器的探测器的SPA芯片受光尺寸为芯片受光尺寸为=25mm，故实际能增强的通道数，只，故实际能增强的通道数，只有有1024（18/25）=730道左右。这

40、种道左右。这种探测器的灵敏度可达探测器的灵敏度可达25光子光子/计数计数。三、三、SPA管管 在光阴极和在光阴极和MCP间，可决定光电子能否到达间，可决定光电子能否到达MCP，故，故可用其作为一个可用其作为一个快速电光开光快速电光开光。其。其开关脉冲电压约为开关脉冲电压约为200400V，故，故开关速度可达到纳秒量级开关速度可达到纳秒量级。这类探测器除。这类探测器除灵灵敏度高敏度高外，还特别外，还特别适用于瞬态光谱采集适用于瞬态光谱采集。但它比非增强型。但它比非增强型探测器在线性响应指标上要差一些。探测器在线性响应指标上要差一些。四、光电耦合器件（四、光电耦合器件（CCD） CCD是把是把“光

41、生电荷光生电荷”存贮在存贮在MOS电容电容中，然后读出的中，然后读出的并行光电探测器件并行光电探测器件。目前可做成数十万象元的二维阵列，其。目前可做成数十万象元的二维阵列，其性能也很优越，是新型的优良器件。性能也很优越，是新型的优良器件。 CCD存贮电荷原理存贮电荷原理：MOS电容电容是在一片硅片上，先镀一层是在一片硅片上，先镀一层SiO2，然后利用集成技术，镀上二维排列的小导电元及所需，然后利用集成技术，镀上二维排列的小导电元及所需的导线，如图的导线，如图6-11（a）所示。图）所示。图6-11（b）是）是电荷存贮原理电荷存贮原理示意图。当电源给各示意图。当电源给各小导电元小导电元（简称（简

42、称铝岛铝岛）加上电压后，）加上电压后，P型型硅中的多数载流子被迫离开铝岛附硅中的多数载流子被迫离开铝岛附近地区，如果硅半导体中出现电子，近地区，如果硅半导体中出现电子，则将被吸引到铝岛附近。则将被吸引到铝岛附近。四、光电耦合器件（四、光电耦合器件（CCD） 即，即，在在CCD加上电压后，可认为在铝岛附近出现了一个电加上电压后，可认为在铝岛附近出现了一个电子势阱子势阱。电压越大，势阱越深，可存贮的负电荷越多电压越大，势阱越深，可存贮的负电荷越多。故。故称为称为MOS电容电容。 当当有光入射有光入射时，时，P型硅中会出现电子型硅中会出现电子-孔穴对，其中电孔穴对，其中电子进入势阱，孔穴被排斥走，使

43、其不易再复合，这就子进入势阱，孔穴被排斥走，使其不易再复合，这就形成形成了对光生电荷的存贮了对光生电荷的存贮。某岛元处光照强，该处产生的电子某岛元处光照强，该处产生的电子-孔穴对就多，该岛存贮的光电荷就多孔穴对就多，该岛存贮的光电荷就多。光照时间长光照时间长(在一定在一定限度内限度内)，存贮电荷量也多，存贮电荷量也多。这样，就形成了一个。这样，就形成了一个并行光电并行光电转换器件转换器件。四、光电耦合器件（四、光电耦合器件（CCD） CCD是一个固体器件，其存贮的光信息的输出需是一个固体器件，其存贮的光信息的输出需靠硬线靠硬线传送传送。要数十万个元，每元都做一条传输线，显然不现实。要数十万个元

44、，每元都做一条传输线，显然不现实。图图6-12是一种硬线少，简单易理解的信息输出方法，称为是一种硬线少，简单易理解的信息输出方法，称为三三相相N沟道法沟道法。 三相三相N沟道法沟道法：将每行将每行MOS 电容，按电容，按1、4、7、；2、5、8、；3、6、9方方式，分别连到三条信号传输线式，分别连到三条信号传输线上，如图上，如图6-12（b）所示。）所示。四、光电耦合器件（四、光电耦合器件（CCD） 曝光时曝光时，在线，在线1上加正电位，使上加正电位，使1、4、7、诸象元存贮，诸象元存贮，比例于各处曝光量的光生电荷。比例于各处曝光量的光生电荷。曝光结束后曝光结束后，首先从线，首先从线1输输入时

45、钟脉冲；入时钟脉冲；1/3周期后，再在线周期后，再在线2输入时钟脉冲；再过输入时钟脉冲；再过1/3周周期，从线期，从线3输入时钟脉冲，即输入时钟脉冲，即在三条线上，分别加上位相相在三条线上，分别加上位相相差差2/3的时钟脉冲（占空比为的时钟脉冲（占空比为1）。在最初。在最初1/3周期内，光生周期内，光生电荷仍然存贮在原电容内；但在电荷仍然存贮在原电容内；但在1/31/2周期阶段，元周期阶段，元1和和2，元元4和和5，等都出现势阱，两者相距又较近，故势阱相连，等都出现势阱，两者相距又较近，故势阱相连，此时，光生电荷将会分布于元此时，光生电荷将会分布于元1，2；4，5；7，8；等内，等内，如图（如

46、图（c）所示；在）所示；在1/22/3周期内，只有线周期内，只有线2所连各元存在势所连各元存在势阱，这样光生电荷就从阱，这样光生电荷就从1、4、7、诸元，转移到诸元，转移到2、5、8、诸元，完成了光生电荷各向右转移诸元，完成了光生电荷各向右转移1单元的过程。如单元的过程。如此，随时钟脉冲此，随时钟脉冲的输入，光生电荷将不断从左向右的输入，光生电荷将不断从左向右四、光电耦合器件（四、光电耦合器件（CCD） 移位。在每行的最后，有一个三极管放大单元，首先是该行移位。在每行的最后，有一个三极管放大单元，首先是该行最后最后第第N-2元元处收集的光生电荷流入基极，经放大后输出；处收集的光生电荷流入基极，

47、经放大后输出；随后，是随后，是N-5元元处的光生电荷输出；最后经若干周期，可把处的光生电荷输出；最后经若干周期，可把第一单元的光生电荷输出。完成了读出任务。之后，可进行第一单元的光生电荷输出。完成了读出任务。之后，可进行第二次曝光取样。第二次曝光取样。 目前，时钟频率可达目前，时钟频率可达10MHz。电荷在转移中的损耗电荷在转移中的损耗小于小于10-3，因此，一行中即使有数千个元，信息传输损失仍然可，因此，一行中即使有数千个元，信息传输损失仍然可以接受。假设每行有以接受。假设每行有400个象素点（需个象素点（需MOS电容电容1200个），个），按按10MHz的时钟计算，的时钟计算，读出时间读出

48、时间只需要只需要40s，不算太慢。，不算太慢。但如果逐行读出，假设有但如果逐行读出，假设有500行，则需要行，则需要20ms，即读，即读20万象万象四、光电耦合器件（四、光电耦合器件（CCD） 元，需要至少元，需要至少20ms，这对象元数要求，这对象元数要求50万以上，每帧图像万以上，每帧图像 输出需小于输出需小于20ms的电视来说，者中读出速度不能满足要求。的电视来说，者中读出速度不能满足要求。为了加快速度，可采用各行同时读出为了加快速度，可采用各行同时读出，将信息各存于一个将信息各存于一个寄存器寄存器中，然后从寄存器中调出使用。这些寄存器是一并中，然后从寄存器中调出使用。这些寄存器是一并制

49、造在制造在CCD中的。中的。 CCD探测器优点探测器优点：具有体积小、重量轻、耗电低、寿：具有体积小、重量轻、耗电低、寿命长、工作电压低、信噪比高、结构牢靠、光谱响应曲线命长、工作电压低、信噪比高、结构牢靠、光谱响应曲线平坦等特点，是目前较好的光电并行探测器件。平坦等特点，是目前较好的光电并行探测器件。 一、各类探测器性能比较一、各类探测器性能比较 表表63是美国是美国PARC公司生产的各类并行光电探测器件公司生产的各类并行光电探测器件的性能比较表，从表中可看出各类探测器的性能优劣。的性能比较表，从表中可看出各类探测器的性能优劣。一、各类探测器性能比较一、各类探测器性能比较一、各类探测器性能比

50、较一、各类探测器性能比较1. 灵敏度灵敏度 注意注意：此处的：此处的灵敏度是指要使探测器增加一个计数所需要入灵敏度是指要使探测器增加一个计数所需要入射的光子数射的光子数，而不是指所能探测的最低光强。，而不是指所能探测的最低光强。 实验检测装置如图实验检测装置如图6 61313。 光源经滤色片，获得一单色光，其波长为光源经滤色片，获得一单色光，其波长为，通过准直管作，通过准直管作为照射探测器的入射光。首先，将探测器用标准的光电二极为照射探测器的入射光。首先，将探测器用标准的光电二极管代替，测得入射光的光强，例如为管代替，测得入射光的光强，例如为3.31011光子光子/cm2s；然；然后，安装被测