光信息科学与技术生产实习讲义分解.ppt

光电接收器件的原理和应用,一、引言光电子技术是一门正在迅速发展的高科技技术，它在国防、国民经济、光通信等领域乃至人们的日常生活中，正得到越来越多的应用，扮演着越来越重要的角色。光电子技术的关键问题之一是光电子器件。它可以分为两大类别：光电转换器件以及电光转换器件。,光电转换器件的作用是将光辐射信号转变为电子学信号，主要分成光电探测器和作为能源转换用的太阳能电池等。而电光转换器件恰恰相反，它是将电子学信号转变成光信号输出。常用的电光转换器件有发光二极管与激光二极管等，而常用的光电转换器件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。,二、光电接收器件的基本知识2.1光电接收器件的定义及光谱范围光电接收器件是光电信息转换的器件，其输出光电信息量与入射光的强弱和性质有关。光电接收器件的光谱范围包括：,A、紫外光:0.01-0.38mB、可见光:0.38-0.78m红光0.78-0.622m橙光0.622-0.597m黄光0.597-0.577m绿光0.577-0.492m蓝光0.492-0.455m紫光0.455-0.38mC、红外光:0.78-1000m,2.2光的基本度量单位制光的基本度量有如下两种单位制1)辐射度量：包括整个光谱范围，其波长范围在0.01-1000m之间。2)光度量：它是针对可见光而言，与人眼的光谱范围一致，其波长范围在0.38-0.78m之间。,入射到光电器件光敏面上的光，其基本度量单位有通量和照度两种。对于辐射度量是辐射通量和幅照度，而对于光度量是光通量和光照度。辐射通量：用来表示光源的辐射本领。光源表面一个元面积dS的辐射通量，即在单位时间内通过该元面积dS的辐射能，亦即辐射功率。我们称此功率为该元面积dS的辐射通量。,若光源的辐射能Qe是时间t的函数，辐射通量Qe可表示为e=dQe/dt其中Qe的单位为焦耳，t的单位为秒，e的单位为瓦。,幅照度：用来表示光源辐射到物体表面的辐射通量强弱的量。辐射到元面积dS的辐射通量de与该元面积dS之比称为Ee，即Ee=de/dS在均匀辐射下，则Ee=e/S其中e的单位为瓦，S的单位为平方米，Ee的单位为瓦/平方米。,光通量：按人眼的感觉强度进行度量的辐射能大小称为光能，它和辐射能大小以及人眼的视觉灵敏度成正比。在单位时间内通过元面积dS的光能，称为该元面积dS的光通量。若光能Qv是时间t的函数，光通量v可表示为v=dQv/dt其中若Qv的单位为lm.s，t的单位为s，则光通量v的单位为lm（流明）。,光照度：表示物体表面被光源照明强弱的量。照射到元面积dS的光通量与该元面积之比称为光照度Ev，即Ev=dv/dS在均匀照明下，Ev=v/S其中v的单位为lm，S的单位为m2，Ev的单位为lx（勒克司）。,2.3光电接收器件的基本特性1、灵敏度光电接收器件的灵敏度是指光电接收器件输出电流（或电压）与入射通量（或照度）之比。分为单色灵敏度和积分灵敏度两种。,(1)单色灵敏度所谓单色是指单一波长。当某一波长为的光入射到光电器件时，光电器件输出的光电流与该波长的入射通量（或照度E）之比，称为该器件的绝对单色灵敏度，即S=I/或S=I/E,由于光电器件对某一波长最敏感，所以对此波长有最大灵敏度Smax。为了测试方便往往采用相对单色灵敏度Sr，它定义为某一波长的绝对单色灵敏度与最大灵敏度之比。,(2)积分灵敏度对于连续光谱的辐射光源，包含有各种波长的光，那么入射到光电器件的总通量等于所有波长的通量的积分，即总通量,光电器件输出的电流（或电压）与入射的总通量（或照度）之比，成为积分灵敏度。即S=I/或S=I/E积分灵敏度的单位同单色灵敏度。,2、光谱响应光电器件的单色灵敏度是入射光波长的函数，即单色灵敏度的大小随入射光的波长改变而改变，下图为2DU型半导体硅光电二极管的光谱响应曲线。,一般光电器件都有截止波长（短波限和长波限）和峰值波长（灵敏度最大的波长）。在截止波长内部都有灵敏度响应。2DU型的短波截止波长为0.4m左右，长波截止波长为1.1m左右，即光谱范围为0.4-1.1m，其峰值波长为0.9m。不同种类的光电器件的光谱范围和峰值波长是不同的。,3、频率响应如果入射到光电器件的光为交变光，光的变化频率为f，那么随着频率不断增加，光电器件输出的交变电流的幅值将随着减小。当电流值减小到原来幅值的0.707倍时，此时的光频率称为截止频率fh。fh=1/（2）其中为光电器件的时间常数。,由上式可知，光电器件的时间常数越小，光电器件的频率响应越好，说明光电器件能够检测变化很快的光信号。,三、常用光电接收器件介绍3.1光敏电阻1、光敏电阻的结构及种类光敏电阻的结构：光敏电阻是利用半导体光电导体材料制成的。最简单的光敏电阻的原理图和符号如下图所示。,它由一块涂在绝缘板上的光电导体薄膜和两个电极构成。当加上一定电压后，光生载流子在电场的作用下沿着一定方向运动，即在电路中产生电流，这就达到了光电转换的目的。,光敏电阻的分类：光敏电阻按照它的光谱特性及最佳工作波长范围，基本分为三类：1)对紫外光敏感的光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等；2)对可见光敏感的光敏电阻，如硒化镉、硫化铊和硫化镉等；3）对红外光敏感的光敏电阻，如硫化铅、硒化铅、碲化铅和锑化铟等。,2、光敏电阻的工作原理及参数1)光电流当光敏电阻无光照的时候，电路中有微小的电流通过，这种电流称为暗电流IDK。暗电流是在室温条件下热激发载流子而形成的电流。当有光照射的时候，又可以得到一个电流值，称为亮电流ILt。由于光照而产生的光电流应等于电流的增加值，即=ILt-IDK一般暗电流很小，有时可以忽略，那么I=ILt。,光电流与外加直流电压V和入射照度E的关系，可以用下式表示：I=SgVE式中Sg是光电导灵敏度，它与材料特性有关；是电压指数，与电压值大小有关，一般在工作电压范围内，近似为1；是照度指数，其值在弱光时为1，在强光时为0.5。,当所加电压一定时，光电流与照度曲线如下图所示。,2)时间常数光敏电阻的频率响应与其他光电器件比较起来低的多。其频率响应特性往往用时间常数的大小来表示。如下图所示。,对于弱光（-100lx）时间常数是这样确定的：光电流由t1时间上升到稳态值的63%时所花费的时间定义为上升时间常数r。光电流由t2时间下降到稳态值的37%时所花费的时间定义为下降时间常数f。一般下降时间常数比上升时间常数大些。另外时间常数与光照强弱有关，光照越强时间常数越小，反之则越大。,3)耗散功率加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的乘积称为光敏电阻的耗散功率。为了不使光敏电阻因过热而烧坏，要求光敏电阻的实际耗散功率小于或等于极限功率。,4)噪声在检测微弱信号（如红外探测）时，应当考虑器件的噪声。光敏电阻的固有噪声主要有三种：热噪声、产生-复合噪声及低频噪声。在频率低于100Hz以下时，以低频噪声为主；在100-1000Hz左右时以产生-复合噪声为主；频率在1000Hz左右之后以热噪声为主。,在红外探测中，为了减小噪声一般采取如下措施：A采取光调制技术，一般调制频率为800Hz或1000Hz，这样可以消除低频噪声和产生-复合噪声；B采用制冷装置来降低器件的温度，使热噪声减到最小；C设计合理的偏置电路，达到最佳运用状态，即选择最佳偏置电流使信噪比最大。,3.2半导体光电管1、光电二极管光电二极管的内部结构是做成PN结，在外加电场的作用下，形成二极管的反向电流即光电流，通过外加负载产生电压输出。光电二极管的结构、偏置电路及符号如下图所示。,2、光电三极管光电三极管有NPN和PNP两种结构。用硅材料制作的时候，NPN结构为3DU型，PNP结构为3CU型。下图为3DU型光电三极管的工作原理示意图和符号。,光电三极管的工作包括两个过程：一是光电转换。光电转换的过程是在基极-集电极结区内进行，与一般光电二极管相同。二是光电流放大。基极-集电极结区内产生的光电流被晶体管放大了倍（几十倍）。因此光电三极管的灵敏度比光电二极管的灵敏度高。,3、光电管的主要特性前面介绍的光电器件的基本特性，如灵敏度、光谱响应、频率响应等，是选择器件的主要依据。但是如果要正确使用光电管，必须了解它的外特性，即光电管的输出特性。,1）光电特性当光电管的工作偏压一定时，光电管输出光电流与入射光照度（通量）的关系，称为光电特性。在光强小于100毫瓦时，光电二极管和光电三极管输出的光电流与入射照度（或通量）为线性关系。如下图所示。,2）伏安特性当入射光的照度（或通量）一定时，光电管输出的光电流与偏压的关系称为伏安特性。下图为光电二极管和光电三极管的特性曲线。,3）温度特性光电二极管的暗电流和光电流随温度的变化均有变化。对于硅光电二极管来说，在偏压和光强不变的情况下，一般在零度以上时温度改变25-30度，暗电流可以增大10倍。,下图为光电二极管的温度特性。,光电三极管因有电流放大作用，所以光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大的多，变化规律与光电二极管类似。锗光电管的温度特性比硅光电管差。在弱信号检测时要考虑温度的影响，一般采取的措施是恒温和电路补偿。,四、光电器件探测信号的形式了解了光电器件的基本原理和特性后，我们就可以利用光电接收器件进行一些实际物理量的测量，从而制作出很实用的器件。下图是光电器件探测信号的几种形式。,4.1被测对象为辐射源：物体辐射通量被光电器件探测，从而确定辐射物体的存在。火警报警、侦察、武器制导等就属于这种形式。,4.2光透过式：光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为=0e-d其中0为入射介质表面的通量，为介质吸收系数，d为介质的厚度。利用这种形式可以测量液体或者气体的浓度、透明度或浑浊度，检测透明薄膜的厚度和质量，检测透明容器的疵病，测量胶片的密度以及胶片图象的判读等等。,4.3光由被测量对象反射：光反射有镜面反射和漫反射两种，它们反射的物理性质是不同的。根据它们的特点可以有不同的应用：利用镜面反射可以判断光信号的有无；而利用漫反射可以检测物体表面的外观质量等。另外比如激光测距、激光制导、文字判读等都属于这种形式。,4.4光由被测量对象遮挡：利用这种形式可以进行产品的光电计数、光控开关、防盗报警等。,4.5被测量对象经光信息量化：上述的四种形式都是模拟量的变换。而随着数字技术的不断发展，要求对被测量对象进行光信息量化处理。所谓量化就是将一个连续变量经过分级，用有限个离散量来表示（模数转换过程）。用这种形式可以进行精密测量长度、测量角度、工件尺寸检测和自动控制等。,4.6光信息传输：信息（调制器）-探测器-信息（解调器）,五、声光控制电路的设计和制作用途：通过接收外部的声音和光信号来给出光信号，达到监视报警或者照明的目的。,组成：印刷电路板1块（裸板），5V电源盒（四节1.5V电池），集成电路LM324、7404各1片，发光二极管1个，二极管IN41481个（NPN），光敏电阻1个（5-30K），拾音器1个电阻:300K3个，20K、10K各2个，62K1个电容:电解电容220、3.3F各1个,瓷片电容104（0.1F）1个,5.1电路原理图声光控制电路的电路结构及原理图如下图所示。,5.2工作原理本电路利用声音信号和光敏电阻的特性来达到控制灯的亮灭，从而达到监视报警或者照明的目的。光敏电阻的特点为：当有一定强度的光信号照射到接收面时，光敏电阻的电阻很小，大约为几K；而当接收面被遮住（也就是光信号很弱的时候），光敏电阻的电阻很大，大约为几十K乃至到上百K以上。,1）当光信号很强时：这时无论拾音器（喇叭）是否接收到声音信号，由于光敏电阻在强光照射下呈现的电阻很小，所以通过D3反相器输出的是高电平，发光二极管不亮。2）当光信号很弱时：此时光敏电阻的电阻较大。当没有声音信号时，光敏电阻上的压降很小，通过D3反相器输出的是高电平，发光二极管不亮。当接收到足够强度的声音信号时，光敏电阻上的压降很大，通过D3反相器输出的是低电平，发光二极管亮。,通过如上所述的方法，我们利用光敏电阻的特性，加上一些非常简单的器件，就达到了给出监视光信号强弱的报警信号或者照明信号的目的。,5.3声光控制电路的安装和使用集成电路采用LM324运算放大器和74系列的7404反相器。指示灯LED选用圆形红色发光二极管，给出醒目的光信号。利用拾音器（喇叭）来接收外部的声音信号。电源使用三或者四节1.5V电池。,首先按照电路原理图自行设计元件安装图。需要考虑的实际问题：1）拾音器和光敏电阻的位置：从实用的角度出发，要将它们安装在便于接收外部声光信号的位置。2）发光二极管的位置：由于要给出光信号，所以它应该安装在电路板的边缘。,3）节点多少的考虑：结合电路中接点的多少，根据电路板提供的资源，合理安排元件之间的相对位置。尽量少用跳线！4）焊接集成电路芯片时要避免长时间加热，以免损坏内部的PN结！5）电源和地线的合理设置。在考虑了各种因素之后，就可以按照设计好的电路安