生物光子学4-02

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

12、n amplifier，LIA） 是根据互相关检测原理制成的相关检测仪器。是根据互相关检测原理制成的相关检测仪器。采用相采用相敏检波器（敏检波器（phase Sensitive Detector，PSD）及积）及积分器来抑制噪声（或压缩等效带宽），并检测出周期分器来抑制噪声（或压缩等效带宽），并检测出周期信号的幅值和相位。通常又信号的幅值和相位。通常又称相敏检波交流电压表称相敏检波交流电压表。 一般的放大器，在放大信号的同时也将噪声放大，因一般的放大器，在放大信号的同时也将噪声放大，因而不能检出湮没在噪声中的信号，而而不能检出湮没在噪声中的信号，而锁定放大器则能锁定放大器则能在检测放大信号的同

13、时，将噪声抑制掉在检测放大信号的同时，将噪声抑制掉。124.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术4.3.2 锁相放大技术锁相放大技术12锁相放大器的组成方框图锁相放大器的组成方框图选频选频锁相环锁相环移相器移相器输入信输入信号号AC参考信参考信号号AC信号通道信号通道相敏检波相敏检波输出信输出信号号DC前放前放混频乘法器混频乘法器低通滤波器低通滤波器参考通道参考通道作用：放作用：放大、滤波。大、滤波。1 1、 锁定放大器的工作原理锁定放大器的工作原理锁定放大器是利用互相关检测原理设计的一种同步相干检测仪，锁定放大器是利用互相关检测原理设计的一种同步相干检测仪，利用利用参考信号与被测

14、信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号位的被测信号。13作用：输出作用：输出方波信号。方波信号。作用：完成被测作用：完成被测信号与参考信号信号与参考信号相关函数运算，相关函数运算，实现低通滤波。实现低通滤波。4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术132 2、相敏检波器原理、相敏检波器原理相敏检波器原理相敏检波器原理相敏检波器是锁相放大器的核心，通常由乘法器和积分器构成。相敏检波器是锁相放大器的核心，通常由乘法器和积分器构成。乘法器常采用方波作参考信号，而积分器通常由乘法器常采用方波作参考信号，而积分器

15、通常由RC低通滤波低通滤波器构成。器构成。144.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术14 设输入信号为：设输入信号为： 根据傅里叶变换，参考信号根据傅里叶变换，参考信号Vr(t)可用三角函数的形式表示。可用三角函数的形式表示。0( )cos()iV tVt1014( 1)( )cos(21)21nrnVtntn154.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术 式右边的第一项为差频项，第二项为和频项。式右边的第一项为差频项，第二项为和频项。1001110011( )( )( )4( 1)cos()cos(21)212( 1)2( 1)cos(22)cos22121pirnn

16、nnnnV tV tV tVtntnVVntntnnVr(t)与与Vi(t)相乘的结果为：相乘的结果为：和频项和频项差频项差频项164.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术 说明被测信号通过相敏检测器说明被测信号通过相敏检测器(PSD)和低通滤波器和低通滤波器(LPF)后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考信号后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，此时，输出最大，从与被测信号的相位差的余弦函数，此时，输出最大，从而实现而实现鉴幅和鉴相鉴幅和鉴相。 2( )cosoVVt 经过低通滤波器（经过低通滤波器（LPF），所有的和频项与所有），所

17、有的和频项与所有的差频项都被虑除，最后滤波器的输出为：的差频项都被虑除，最后滤波器的输出为： 174.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术3 3、锁定放大技术的四个基本环节、锁定放大技术的四个基本环节 通过调制或斩光，将通过调制或斩光，将被测信号被测信号由零频范围由零频范围转移到设定的转移到设定的高频范围内高频范围内检测系统变成交流系统；检测系统变成交流系统； 在在调制频率上调制频率上对对有用信号有用信号进行进行选频放大选频放大； 在相敏检波中对信号解调在相敏检波中对信号解调同步解调作用截断了非同同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；步噪声信号，使输

18、出信号的带宽限制在极窄的范围内； 通过通过低通滤波器低通滤波器对检波信号进行对检波信号进行低通滤波低通滤波。184.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术18因为因为PSD的积分器是一的积分器是一RC滤波器，其传递函数为滤波器，其传递函数为4 4、 锁定放大器的主要参数锁定放大器的主要参数1 1）等效噪声带宽）等效噪声带宽若取若取RC=300s，则，则fn=8.3 10-4Hz。194.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术19其等效噪声带宽为其等效噪声带宽为211 ()KRC22001141 ()nfK dfdfRCRC 锁定放大器输出信号与待测信号的幅值成正比，且与待锁

19、定放大器输出信号与待测信号的幅值成正比，且与待测信号和参考信号的频差有关。测信号和参考信号的频差有关。 因此，等效带通滤波器带宽可以做的很窄，也就是可以因此，等效带通滤波器带宽可以做的很窄，也就是可以用一个用一个RC滤波器来压缩带宽。对于滤波器来压缩带宽。对于PSD的的RC低通滤波低通滤波器，其等效信号带宽为器，其等效信号带宽为2 2）等效信号带宽）等效信号带宽若仍取若仍取RC=300s，则，则fs=5.3 10-4Hz。204.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术2012sfRC如此高如此高Q的带通滤波器是一般常规滤波器不能达到的。的带通滤波器是一般常规滤波器不能达到的。相关器等

20、效于一个带通滤波器，相当于一个跟踪滤波器。由于待相关器等效于一个带通滤波器，相当于一个跟踪滤波器。由于待测信号与参考信号严格同步，就能保证在很窄的测信号与参考信号严格同步，就能保证在很窄的fs下输出信号并下输出信号并抑制噪声。抑制噪声。根据线性电路分析，已知信号频率根据线性电路分析，已知信号频率fs，所用带通滤波器等效带宽，所用带通滤波器等效带宽为为fs，则相应的带通放大器，则相应的带通放大器品质因数品质因数Q为为由于等效噪声带宽由于等效噪声带宽fs与与fn有一定关系，若有一定关系，若fs越窄，则越窄，则fn越窄，对噪越窄，对噪声抑制越好。因此，声抑制越好。因此，品质因数品质因数Q也表征了带通

21、放大器对噪声的抑制能也表征了带通放大器对噪声的抑制能力。力。例如当例如当fs=100 kHz ，则，则fs=5.3 10-4Hz或或fn=8.3 10-4Hz 时，时，Q=1.88108。214.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术21 相关检测是将信号进行积累使噪声得到抑制，因此相关检测是将信号进行积累使噪声得到抑制，因此SNRo必定优于必定优于SNRi，信噪改善比定义为，信噪改善比定义为3 3）信噪比改善）信噪比改善若设若设fni=200 kHz，fno=8.3 10-4Hz，则，则SNIR=6104。表明：锁定放大器可使信噪比改善表明：锁定放大器可使信噪比改善10,000多倍

22、，具有很强的抑制噪多倍，具有很强的抑制噪声能力。声能力。信噪改善比与噪声带宽被压缩的程度有关，又可写作信噪改善比与噪声带宽被压缩的程度有关，又可写作224.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术225 5、锁定放大器的特点、锁定放大器的特点 要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；信号的检测； 交流直流信号变换器；交流直流信号变换器； 极窄带高增益放大器，增益可达极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到，带宽窄到0.0004Hz； 可以补偿光检测中的背景辐射噪声前置放大器的固可以补偿光检测中的背景辐射噪声前置放大器

23、的固有噪声；信噪比改善可达有噪声；信噪比改善可达104倍。倍。234.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术23 取样积分器（也称信号平均器或取样积分器（也称信号平均器或BOXCAR）是用于处理是用于处理脉冲信号脉冲信号的仪的仪器，是一种微弱信号检测系统。它利用器，是一种微弱信号检测系统。它利用周期性信号周期性信号的重复特性，在每的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为

24、信号提取为信号提取(取样取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。244.3.3 取样积分器取样积分器4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术24对一个携带有噪声的输入脉冲信号可记为对一个携带有噪声的输入脉冲信号可记为 f(t)=S(t)+N(t) 其中，具有重复频率的脉冲信号其中，具有重复频率的脉冲信号S(t) 可以表达为可以表达为S(t)=S(t+nT)，式中，式中n=1,2,3, 为整数，为整数，T为脉冲的重复为脉冲的

25、重复周期。周期。N(t)为随机噪声，可用它的有效值来表征：为随机噪声，可用它的有效值来表征：2( )( )N tN t1 1、 取样积分器的工作原理取样积分器的工作原理254.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术25信噪比定义为信号峰值与噪声的有效值之比。信噪比定义为信号峰值与噪声的有效值之比。如果对输入脉冲信号进行多次取样累加，其输出信号如果对输入脉冲信号进行多次取样累加，其输出信号22()()()111( )()(2 )( )( )ommmff tnTS tnTN tnTnnnmS tNtTNtTmS tmN t264.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术26信噪比

26、的改善度信噪比的改善度 (signal to noise improved ratio，指输出信噪，指输出信噪比与输入信噪比之比，简写为比与输入信噪比之比，简写为SNIR) ()( )( )()( )( )SNIRSNRmS tN toutSNRS tmN timn即经过即经过 m 次采样后，信噪比的改善度与采样次数次采样后，信噪比的改善度与采样次数m的平方根的平方根成正比。这就是取样积分技术的基本原理成正比。这就是取样积分技术的基本原理 法则法则。m4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术2727 信号平均技术信号平均技术信噪比改善与采样次数信噪比改善与采样次数m 的关系的关系V

27、S，VnVSmVnm1/2采样次数采样次数m28信号与信号与采样次数采样次数m成正比，成正比，噪声与噪声与 成正比，成正比，因此信噪因此信噪比改善度与比改善度与 成正。成正。采样次数越多，信号恢复越采样次数越多，信号恢复越精确，但需要的平均积累时精确，但需要的平均积累时间也越长。间也越长。m法则：法则：mm4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术28取样积分器通常有取样积分器通常有两种工作模式两种工作模式，即，即定点式和扫描式定点式和扫描式: : 定点式取样积分器定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；是测量周期信号的某一瞬态平均值； 扫描式取样积分器扫描式取样积分器则可以

28、恢复和记录被测信号的波形。则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式：下面分别讨论这两种模式：294.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术292、定点式取样积分器、定点式取样积分器30 定点式是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以定点式是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经过经过m次取样平均后，信噪比改善次取样平均后，信噪比改善mSNIR4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术30触发信号触发信号VB经过延时电经过延时电路，以保持对信号路，以保持对信号VA固固定部位取样，并产生脉定部位取样，并产生脉宽可调的取样脉冲以控宽可调的取样脉冲以控制取样

29、门开断。制取样门开断。待测信号待测信号VA经放大，经放大，然后经过取样门积分器然后经过取样门积分器进行积累平均。进行积累平均。信号的累加是靠采样保持电路的功能来实现信号的累加是靠采样保持电路的功能来实现，即采用取样脉冲控制，即采用取样脉冲控制RC积分器，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果积分器，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果( (输出输出) )保持到下一次取样。保持到下一次取样。t tg gADAD门脉冲门脉冲发生器发生器前放前放输入信号输入信号触发信号触发信号门脉冲门脉冲R RC C积分器积分器采样门采样门31取样积分器的核心组件是取样积分器的核心

30、组件是取样门和积分器；取样门和积分器；4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术31 指数累加过程是在一个指数累加过程是在一个RC积分器中按下式对电容进行充电：积分器中按下式对电容进行充电：累加过程：累加过程：)1 (CTtioeVV 但是由于充电过程是脉冲式的，门脉冲的周期为但是由于充电过程是脉冲式的，门脉冲的周期为tp（也即输（也即输入信号的周期），而每个脉冲充电时间只有入信号的周期），而每个脉冲充电时间只有tg，因此要考虑，因此要考虑到脉冲的占空比到脉冲的占空比（t=n tg ）。TC=RC为时间常数，当为时间常数，当t=TC时，时，Vo=0.632Vi 。324.3 微弱光信

31、号的电探测技术微弱光信号的电探测技术32 指数累加过程及指数累加过程及OTC（观察时间常数）（观察时间常数）的概念的概念V0/Vi10.632TCOTCttPtg33/(1)Ct ToiVVe门脉冲宽度门脉冲宽度tg越小越小输出信号的时间输出信号的时间分辨率越高，分辨率越高，当当tg =tp时，信号时，信号开始无法分辨。开始无法分辨。4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术33CppgtOTCntTtgCtntTRC当当Vo/Vi =0.632用定点模式测量光谱用定点模式测量光谱样品样品分束片分束片激光束激光束PMTPMT触发触发BoxcarBoxcar记录仪记录仪激光波长激光波长

32、荧光强度荧光强度344.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术34YAGYAG激光泵浦激光泵浦染料激光器染料激光器扫描扫描单色仪单色仪PMTPMT光探测器光探测器取样积分器取样积分器(Boxcar)(Boxcar)触发信号触发信号输入信号输入信号聚焦透镜聚焦透镜荧光样品池荧光样品池分束片分束片准直透镜组准直透镜组记录仪记录仪 采用采用BoxcarBoxcar测量发射荧光光谱测量发射荧光光谱( (定点模式定点模式) )354.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术35 Boxcar的扫描方式用于微弱脉冲信号的时域（的扫描方式用于微弱脉冲信号的时域（time domain）测量

33、，）测量，即测量光脉冲信号幅度随时间的演变过即测量光脉冲信号幅度随时间的演变过程，亦称为时间谱（可以短到程，亦称为时间谱（可以短到ns级的时间测量）。级的时间测量）。例如测量发射荧光随时间的衰减，这个过程可以是例如测量发射荧光随时间的衰减，这个过程可以是s或或者者ns数量级，一般的机械记录仪无法对这种快速信号进数量级，一般的机械记录仪无法对这种快速信号进行记录。行记录。Boxcar的扫描方式可以把这个快速变化过程进的扫描方式可以把这个快速变化过程进行记录。行记录。3、扫描式取样积分器、扫描式取样积分器364.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术36 扫描式取样积分器扫描式取样积分器

34、利用取样脉冲在信号波形上延时利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下做同步积累取样脉冲和在取样脉冲控制下做同步积累这两个过程。这两个过程。 扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。374.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术37384.3 微弱光信号的电探测技术微

35、弱光信号的电探测技术38通过产生一个通过产生一个慢扫描斜坡电慢扫描斜坡电压来连续改变压来连续改变门脉冲延时。门脉冲延时。394.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术39参考信号经整形电路变参考信号经整形电路变成触发脉冲；成触发脉冲；触发脉冲同时触发时基触发脉冲同时触发时基电路和触发慢扫描电压电路和触发慢扫描电压发生器分别产生时基电发生器分别产生时基电压和慢扫描电压；压和慢扫描电压；时基电压与慢扫描电压同时基电压与慢扫描电压同时输入到比较器进行幅度时输入到比较器进行幅度比较，在两者交点即为比比较，在两者交点即为比较器的输出较器的输出矩形脉冲；矩形脉冲；矩形脉冲的后沿形成负尖矩形脉冲的

36、后沿形成负尖脉冲；脉冲；负尖脉冲触发整形电路，负尖脉冲触发整形电路，得到可变时延的取样脉冲。得到可变时延的取样脉冲。404.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术40逐点重复取样，输出与输入形状相同，而在时间上大大放慢。逐点重复取样，输出与输入形状相同，而在时间上大大放慢。因此，扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。因此，扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。扫描模式中采样门脉冲移动扫描模式中采样门脉冲移动采样门脉冲采样门脉冲被测脉冲信号被测脉冲信号tg t慢扫描波的周期远大于时慢扫描波的周期远大于时基波的周期。通常一个慢基波的周期。通常一个慢扫描波的时间内有扫描波的

37、时间内有103105个时基波。个时基波。414.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术41取样积分器特点：取样积分器特点：适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。的幅度测量。需要有与光脉冲同步的激励信号；需要有与光脉冲同步的激励信号；取样积分器在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值，可以对输入取样积分器在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值，可以对输入波形的确定位置做重复测量或通过扫描再现输入信号的整个波形；波形的确定位置做重复测量或通过扫描再现输入信号的整个波形；在多次取样过程中，门积分器对

38、在多次取样过程中，门积分器对被测信号被测信号的多次取样值进行的多次取样值进行线性叠加线性叠加，而对，而对随机噪声随机噪声是是矢量叠加矢量叠加，所以，对信号有恢复提取作用；，所以，对信号有恢复提取作用；在测量占空比小于在测量占空比小于50的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；用扫描方式测量信号波形时能得到用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨率。的时间分辨率。424.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术42434.3.4 光子计数技术光子计数技术4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术4344 光子计数技术只适合于极弱

39、光测量（大约每秒发射光子计数技术只适合于极弱光测量（大约每秒发射108个以个以内分立光子），不能测量包含许多光子的短脉冲强度。内分立光子），不能测量包含许多光子的短脉冲强度。4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术4445 光子计数器的光电器件：光子计数器的光电器件：光电倍增管（光电倍增管（PMT）雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）增强型光电二极管（增强型光电二极管（IPD）微通道板（微通道板（MCP）微球板（微球板（MSP）真空光电二极管（真空光电二极管（VAPD） 光子计数器的应用：光子计数器的应用：荧光测量、磷光测量、漫射光测量、拉曼散射测量等领域。荧光测量、磷光测量、

40、漫射光测量、拉曼散射测量等领域。4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术45基本概念基本概念：在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，：在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来，光的量子特征开始突出起来，光电倍增管的输出呈现出脉光电倍增管的输出呈现出脉冲序列的特点冲序列的特点。光子计数器就是利用这种特性，以及。光子计数器就是利用这种特性，以及信号信号脉冲和噪声脉冲之间的差异脉冲和噪声脉冲之间的差异，通过一定的鉴别手段对信号，通过一定的鉴别手段对信号进行甄别，并且对被测光子进行计数来达到提高信噪比的进行甄别，并且对被测光子进行计数来达到提高信噪比的目的。目

41、的。光子计数方法是目前测量连续的微弱光信号最灵敏的方光子计数方法是目前测量连续的微弱光信号最灵敏的方法。法。 灵敏度达到物理极限灵敏度达到物理极限 1、 光子计数的原理光子计数的原理464.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术46 波长为波长为632.8nm的的He-Ne激光光源，每个光子的能量为激光光源，每个光子的能量为3.1910-19焦耳，当光功率小于焦耳，当光功率小于10-11瓦以下时，相当于光子瓦以下时，相当于光子的发射率为的发射率为108光子数光子数/秒，即光子的发射周期约为秒，即光子的发射周期约为10-8秒，秒，刚好是光电倍增管输出脉冲可分辨的极限宽度（即为刚好是光电

42、倍增管输出脉冲可分辨的极限宽度（即为PMT的响应时间）。这样，光电倍增管的输出呈现出脉冲序列的响应时间）。这样，光电倍增管的输出呈现出脉冲序列的特点。的特点。 举例：举例：474.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术47481 1）光子计数器）光子计数器(photon counter)的组成的组成模拟输出模拟输出PMT前置前置放大器放大器幅度幅度鉴别器鉴别器计数器计数器D/A数字输出数字输出 光子计数器主要由光电倍增管、放大器、鉴别器和计数器组成。光子计数器主要由光电倍增管、放大器、鉴别器和计数器组成。光电倍增管检测到的弱光信号，经前置放大器放大后，由鉴别器对幅度光电倍增管检测到的

43、弱光信号，经前置放大器放大后，由鉴别器对幅度进行鉴别，鉴别后的信号经整形后计数输出，数字信号可直接送计算机进行鉴别，鉴别后的信号经整形后计数输出，数字信号可直接送计算机处理，也可以通过处理，也可以通过D/AD/A转换成模拟信号输出。转换成模拟信号输出。 4.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术48光子计数器工作的基本过程：光子计数器工作的基本过程：用用光电倍增管光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；冲；利用利用脉冲幅度鉴别器脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲多光子脉冲，只允许单光子脉冲鉴别噪声脉冲多光子脉冲，只允许单光

44、子脉冲通过；通过；利用利用光子脉冲计数器光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量双通道测量方法。方法。PMT比例计计数器A/D放大器光子参考电压光子脉冲噪声计数脉冲鉴别器模拟输出数字输出模拟输出494.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术49光子计数器光子计数器SR400 SR400 门控光子计数器（双通道）门控光子计数器（双通道）504.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术50光电倍增管光电倍增管是一种噪声小，高增益的光传感器。当

45、弱光信号照射到是一种噪声小，高增益的光传感器。当弱光信号照射到光阴极光阴极K上，上，每个入射光子以一定的概率使光阴极发射一个光电子，这个光电子经倍增系统的每个入射光子以一定的概率使光阴极发射一个光电子，这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路上形成一个电流脉冲，即建立一个电压脉冲，称为倍增，在阳极回路上形成一个电流脉冲，即建立一个电压脉冲，称为“单光子脉单光子脉冲冲”。如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在。如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在阳极上得到一系列分立的脉冲信号。即光电倍增管输出的光电信号是分立的尖脉阳极上得到一系列分立的脉冲信号

46、。即光电倍增管输出的光电信号是分立的尖脉冲，这些冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。 PMT需接高压电源以正常工作；需接高压电源以正常工作；PMT必须配备制冷器以减少阴极的必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。热电子发射。2 2）光电倍增管中的光电流）光电倍增管中的光电流514.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术51光子计数原理光子计数原理 通常情况下，光电倍增管受到通常情况下，光电倍增管受到10-13W以上较强光辐射以上较强光辐射作用时作用时光电子流堆积光电子流堆积（光电倍增管的（光电倍增管的多光子事件多光子事件工作工作条件）。条件

47、）。524.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术52输入光较微弱（光输入光较微弱（光子速率子速率109/s)时，时，光电流不连续；光电流不连续；输入光强时，输出输入光强时，输出为幅度有涨落的直为幅度有涨落的直流量；流量；光功率非常微弱时（光功率非常微弱时（光辐射减小到光辐射减小到10-1510-16W），形成），形成单单光子发射光子发射，此时光电倍增管输出的脉冲数正比于入射光子，此时光电倍增管输出的脉冲数正比于入射光子流强度流强度（光电倍增管的（光电倍增管的单光子事件单光子事件工作条件）工作条件） 。534.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术53输入光极微弱时输入光极

48、微弱时PMT输出离散的脉冲输出离散的脉冲544.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术54 光子计数方法是目前测量连续的微弱光信号最灵敏的方法，通光子计数方法是目前测量连续的微弱光信号最灵敏的方法，通常可以用于对常可以用于对10-14瓦的弱光进行探测，相当于光子发射率为瓦的弱光进行探测，相当于光子发射率为104光子光子数数/秒，达到单光子探测的水平。秒，达到单光子探测的水平。灵敏的光探测方法灵敏的光探测方法 光子计数方法提高信噪比的原因是因为由光电倍增管探测到的信光子计数方法提高信噪比的原因是因为由光电倍增管探测到的信号脉冲号脉冲（注意：这里的信号脉冲是由于光强处于非常微弱的状态，光

49、（注意：这里的信号脉冲是由于光强处于非常微弱的状态，光的量子特性变得明显而产生的光子脉冲，实际上光子计数器是用于连的量子特性变得明显而产生的光子脉冲，实际上光子计数器是用于连续的微弱光信号检测）续的微弱光信号检测）和噪声脉冲，在幅度统计分布上是不同的和噪声脉冲，在幅度统计分布上是不同的。信。信号脉冲由于增益相近，其幅度相当好地集中在一个特定的范围内，而号脉冲由于增益相近，其幅度相当好地集中在一个特定的范围内，而噪声脉冲则随机分散。噪声脉冲则随机分散。 554.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术55如图，光电倍增管典型输出脉冲分布。如图，光电倍增管典型输出脉冲分布。超过第二阈值电压

50、超过第二阈值电压V2高度的脉冲计数率明显下降，有时还出现较低的计数高度的脉冲计数率明显下降，有时还出现较低的计数率峰，称为率峰，称为双光子响应峰双光子响应峰。由图可看出，低脉冲对应由图可看出，低脉冲对应有高的脉冲计数率，相当有高的脉冲计数率，相当于光电倍增管和放大器于光电倍增管和放大器噪噪声声引起的脉冲输出，与光引起的脉冲输出，与光子流无关；子流无关；在两阈值电压在两阈值电压V1与与V2之间之间的脉冲对应有一较高脉冲的脉冲对应有一较高脉冲计数率峰，是计数率峰，是单光子响应单光子响应峰峰，其脉冲计数率正比于，其脉冲计数率正比于光照强度；光照强度；564.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探

51、测技术563 3）光子计数器中的放大器）光子计数器中的放大器574.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术574 4）甄别器的工作方式）甄别器的工作方式甄别器的功能是鉴别输出光电子脉冲，弃除热发射噪声脉冲。甄别器的功能是鉴别输出光电子脉冲，弃除热发射噪声脉冲。（弃（弃除低幅度和高幅度噪声脉冲，降低光子计数器的背景计数率，提高除低幅度和高幅度噪声脉冲，降低光子计数器的背景计数率，提高检测结果的信噪比检测结果的信噪比 ）通过选择甄别器的第一甄别电平通过选择甄别器的第一甄别电平V1和第二甄别电平和第二甄别电平V2，可实现只将，可实现只将阴极发射而形成的单光子脉冲和热电子脉冲转换为标准脉冲参

52、加计阴极发射而形成的单光子脉冲和热电子脉冲转换为标准脉冲参加计数，而扣除掉其他噪声脉冲。数，而扣除掉其他噪声脉冲。584.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术58通过幅度甄别和单光子记数方法提高测量信噪比通过幅度甄别和单光子记数方法提高测量信噪比594.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术595 5）计数方法）计数方法对于高性能的光子计数系统，计数器的计数率均在对于高性能的光子计数系统，计数器的计数率均在100MHz以上，以上，一般的系统也要求一般的系统也要求在在10MHz以上以上。604.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术60（1 1）直接计数）直接计数

53、 计数器累计来自甄别器的脉冲计数器累计来自甄别器的脉冲数数NA。 计数时间间隔计数时间间隔T用时钟脉冲的用时钟脉冲的速率速率RC和预置钟脉冲个数和预置钟脉冲个数N来表示，来表示，即即T=N/RC。 若光电子脉冲速率为若光电子脉冲速率为RA，则在，则在时间间隔时间间隔T内，累计的脉冲数内，累计的脉冲数NA为为AAAACNNRTRRR常数614.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术61（2 2）比例计数）比例计数 比例计数方式常用于双光路系比例计数方式常用于双光路系统。统。如在光谱测量中，为消除光源如在光谱测量中，为消除光源起伏造成的信号涨落，常用双光路起伏造成的信号涨落，常用双光路测

54、量。在测量。在设定计数设定计数N的情况下的情况下，计计数器数器A测得的计数测得的计数NA为为AAAACCRNNRTRNRR比值 常数当光源光强起伏时，当光源光强起伏时， RA/RC不变，因不变，因此测量结果不变，实现源补偿功能。此测量结果不变，实现源补偿功能。624.3 微弱光信号的电探测技术微弱光信号的电探测技术62（3 3）反比例计数）反比例计数 在极微弱光信号测量中，在极微弱光信号测量中，在预在预置计数时间内可能只得到微小的计置计数时间内可能只得到微小的计数，测量结果的信噪比很低。数，测量结果的信噪比很低。 若若按预定的信噪比要求预置数，按预定的信噪比要求预置数，再测量达到这个计数所需要的时间再测量达到这个计数所需要的时间，即为反比例计数，即为反比例计数，计数器计数器A测得的测得的结果结果为为11ACCAANRTR NRR常数该计数方式在给定的预置数条件下对不同该计数方式在给定的预置数条件下对不同强度的信号测量结果的信噪比相同。强度的信号测量结果的信噪比相同。634.3 微弱光信号的电