生物光子学4-02

《生物光子学4-02》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物光子学4-02（71页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、主讲人：刘立新西安电子科技大学第第 4 章章生物光子学中的测量技术生物光子学中的测量技术24.1 光源光源4.2 光电探测器光电探测器4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术本本 章章 内内 容容3 生物光子学探测的生物光子学探测的应用对象应用对象为生物组织，其探测具有特为生物组织，其探测具有特殊性：主要特点为殊性：主要特点为信噪比和组织的混沌性信噪比和组织的混沌性导致的光子行导致的光子行进路径的分散性，造成探测信号的微弱，主要原因：进路径的分散性，造成探测信号的微弱，主要原因： 尽管大功率激光器容易获得，尽管大功率激光器容易获得，可用于生物医学探测尤其是活体可用于生物医学探测尤其

2、是活体探测的光能量是有限制的探测的光能量是有限制的； 生物组织体是高散射体，需要探测吸收变化产生的微弱信号，生物组织体是高散射体，需要探测吸收变化产生的微弱信号，而散射和吸收都会造成光的损失，问题是而散射和吸收都会造成光的损失，问题是如何从一个大的散射如何从一个大的散射背景内提取微弱的吸收变化信息背景内提取微弱的吸收变化信息； 待测信号淹没在噪声中待测信号淹没在噪声中，该噪声一方面来自探测系统，一方面，该噪声一方面来自探测系统，一方面来自生物体其他生理参数的变化对所感兴趣的信号的干扰。来自生物体其他生理参数的变化对所感兴趣的信号的干扰。 为了进行稳定和精确测量，需要从噪声中为了进行稳定和精确测

3、量，需要从噪声中提取、恢复和提取、恢复和增强增强被测信号的技术。被测信号的技术。4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术44.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术4.3.1 4.3.1 探测器的噪声探测器的噪声噪声噪声 外部原因外部原因 内部原因内部原因 人为噪声人为噪声 自然噪声自然噪声散粒噪声散粒噪声 产生复合噪声产生复合噪声 光子噪声光子噪声 热噪声热噪声 低频噪声低频噪声 温度噪声温度噪声 放大器噪声放大器噪声 5研究如何从噪声中提取信号研究如何从噪声中提取信号 ？探测器噪声探测器噪声 1、散粒噪声：、散粒噪声：无光照下，由于无光照下，由于热激发热激发作用，而作

4、用，而随机随机地产生电子所造成地产生电子所造成的的起伏起伏（以光电子发射为例）。（以光电子发射为例）。散粒噪声是白噪声，与频率无关；散粒噪声是白噪声，与频率无关；存在于所有光电探测器中；存在于所有光电探测器中；热激发散粒方均噪声电流为：热激发散粒方均噪声电流为：其有效值为其有效值为：相应的噪声电压为：相应的噪声电压为：如果探测器具有内增益如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以，则上式还应乘以M。 feiidn 22feiIdn222fReiVdn4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术6id：暗电流平均值；：暗电流平均值；f：测试或工作频率；：测试或工作频率；f：频谱宽度：频谱宽度

5、.2、产生复合噪声、产生复合噪声 半导体受光照，载流子不断产生半导体受光照，载流子不断产生复合。复合。不仅有载流不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生个因素，取名为产生复合散粒噪声，简称为产生复合散粒噪声，简称为产生复合复合噪声，记为噪声，记为Ig-r和和Vg-r即即M是光电导的内增益。是光电导的内增益。24g rdIei MffMReiVdrg2244.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术73

6、.光子噪声光子噪声 以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流热激发直流电流id为零。为零。 由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。 因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为粒噪声。因为这里强调光子起伏

7、，故称为光子噪声光子噪声。 它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。于是我们只要把于是我们只要把id用用ib和和is代替，即可得到光子噪声的表达式。代替，即可得到光子噪声的表达式。4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术8即即光子散粒噪声光子散粒噪声电流电流这适用于光电发射和光伏情况，如果有内增益，再乘以这适用于光电发射和光伏情况，如果有内增益，再乘以M。 而而光电子产生光电子产生复合噪声复合噪声 考虑到考虑到id、ib和和is

8、的共同作用，的共同作用，光电探测器的总散粒噪声光电探测器的总散粒噪声可统可统一表示为一表示为feiIbnb2feiIsns2fMeiIbrbg24fMeiIsrsg2421/2()ndbsISe iii MfS =2 (光电发射和光伏光电发射和光伏)或或S=4 (光电导光电导)M内增益系数内增益系数(无内增益无内增益=1) 4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术94、热噪声、热噪声 电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的

9、起伏电动势。尽管其平均尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。噪声电压。 这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声热噪声，或称，或称为为约翰逊（约翰逊（Johnson）噪声）噪声。 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。热噪声存在于任何电阻热噪声存在于任何电阻中中，热噪声与温度成正比，与频率

10、无关，热噪声又称为，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声白噪声。有效热噪声电压和电流有效热噪声电压和电流分别为分别为fKTRuVnn4224/nnIiKT fR4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术10K：玻耳兹曼常数；：玻耳兹曼常数；T：热力学温度：热力学温度. 5、1/f 噪声噪声 几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1kHz以以下下的低频频域，而且与光辐射的调制频率的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声（成反比，故称为低频噪声（闪烁噪声）或闪烁噪声）或1/f 噪声。噪声。1/f

11、 噪声的经验规律为噪声的经验规律为 ： 实验发现，探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀等）对这种噪声的实验发现，探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀等）对这种噪声的影响很大；但一般来说，只要限制低频端的调制频率不低于影响很大；但一般来说，只要限制低频端的调制频率不低于1kHz，这，这种噪声就可以防止。种噪声就可以防止。2(/)nfiKIff实验测得，实验测得，2； 在在0.81.5之间；之间； Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；表面状态等有关的比例系数；4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术11 锁相放大器（锁相放大器（lock-i