光电探测技术

1、光电信息技术光电信息技术 通信工程学院通信工程学院 周雪芳周雪芳 4 4 光电探测技术光电探测技术 探测的基本概念：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作探测的基本概念：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体、被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体、 ） 被测信息：被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、） 化学量（化学量（PH、成份、成份、） 生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 全部操作：探测器、传感器、探测仪器、探测装置、探测系统全部操作：探测器、传感器、探测仪器、探测装置、探测系统 探测

2、过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出探测过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出 4.1 光电电探测测技术概术概述 以色列勒米特型材断面尺寸测量系统以色列勒米特型材断面尺寸测量系统 直接直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。 长长度：直尺、游标标卡尺、千分尺 电压电压：万用表 质质量：天平 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出 被测量。被测量。 电电功率：P = I V（电电流/电压电压） 重力加速度：单摆测单摆测量（L：摆摆的线

3、长线长，T：摆动摆动的周期） 光电探测技术光电探测技术 光电传感器：光电传感器： 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件。基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件。 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。 光电探测技术：利用光电传感器实现各类探测。它将被测量的量光电探测技术：利用光电传感器实现各类探测。它将被测量的量 转换成光通量，再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，转换成光通量，再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术， 完成在线和自动测量。完成在线和自动测量。 光电探测系统光电探测系统 光学变换光学变换 光电变换

4、光电变换 电路处理电路处理 类类 型型实实 例例 PNPN结结PNPN光电二极管（光电二极管（SiSi、GeGe、GaAsGaAs) ) PINPIN光电二极管（光电二极管（SiSi） 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Si(Si、GeGe) ) 光电晶体管光电晶体管(Si)(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管集成光电传感器和光电晶闸管(Si)(Si) 非非PNPN结结光电元件光电元件( (CdSCdS、CdSeCdSe、SeSe、PbSPbS) ) 热电元件热电元件(PZT(PZT、LiTaO3LiTaO3、PbTiOPbTiO3 3) ) 电子管类电子管类光电管，摄像管，光电倍增管光电管，摄像

5、管，光电倍增管 其他类其他类色敏传感器色敏传感器 固体图象传感器（固体图象传感器（SISI、CCD/MOS/CPDCCD/MOS/CPD型）型） 位置探测用元件（位置探测用元件（PSDPSD） 光电池光电池 光电探测系统光电探测系统 光电探测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通光电探测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通 过对载有被探测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、过对载有被探测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、 折射、透射等）进行探测，即通过光电探测器件接收光辐射并折射、透射等）进行探测，即通过光电探测器件接收光辐射并 转换为电信号。转换为电信号。 由

6、输入电路、放大滤波等探测电路提取有用的信息，再经过由输入电路、放大滤波等探测电路提取有用的信息，再经过 A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输 出所需探测物体的几何量或物理量。出所需探测物体的几何量或物理量。 变换电路变换电路 光电传感光电传感 光源光源 光学系统光学系统 被测对象被测对象 光学变换光学变换 电信号处理电信号处理 存存 储储 显显 示示 控控 制制 光学变换光学变换 电路处理电路处理 光学变换光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描空域变换：光学扫描

7、 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。 光电变换光电变换 光电光电/ /热电器件（传感器）、变换电路、前置放大热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。 电路处理电路处理 放大、滤波、调制、解调、放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。微机与接口、控制。 光电探测系统与人操作功能比较光电探测系统与人操作功能比较 被测

8、物体被测物体 感觉器官感觉器官 人脑人脑 手控手控 被测物体被测物体 光电探测光电探测 电脑电脑 执行机构执行机构 光电探测部分相当于人身的感觉器官光电探测部分相当于人身的感觉器官 光电探测系统的功能分类光电探测系统的功能分类 测量检查型测量检查型 几何量几何量：长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离：长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离 运动量运动量：速度、加速度、振动：速度、加速度、振动 表面形状表面形状：光洁度、庇病、伤痕：光洁度、庇病、伤痕 工作过程工作过程：湿度、流量、压力、物位、湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等值、浓度等 机械量机械量：重量、压力、应变、压强

9、：重量、压力、应变、压强 电学量电学量：电流、电压、电场、磁场：电流、电压、电场、磁场 光学量光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱 控制跟踪型控制跟踪型 跟踪控制：激光制导，红外制导跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制 图象分析型图象分析型 图形探测图形探测 图形分析图形分析 光电探测技术的特点光电探测技术的特点 高精度：从地球到月球激光测距的精度达到高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1 1米。米。 高速度：光速是最快的。高速度：光速是最快的。 远距离、大量程

10、：遥控、遥测和遥感。远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 非接触式探测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。非接触式探测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。 寿命长：光电探测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命寿命长：光电探测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命 长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。 光电探测方法：光电探测方法： 直接作用法直接作用法 差动测量法差动测量法 补偿测量法补偿测量法 脉冲测量法脉冲测量法 光的基本性质光的基本性

11、质 辐射与光度学量辐射与光度学量 半导体基础知识半导体基础知识 光电效应光电效应 4.2 光电电探测测技术术及应应用 4.2.1 光的基本性质光的基本性质 牛顿牛顿微粒说微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振 波动理论波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 光量子说光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论年普朗克在

12、研究黑体辐射时，提出辐射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性光具有波粒二象性 4.2.2 光度量的最基本单位光度量的最基本单位 发光强度发光强度Iv：发出波长为发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强的单色辐射，在给定方向上的发光强 度规定为度规定为1cd。单位：坎德拉（单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中它是国际单位制中 七个基本单位之一。七个基本单位之一。 光通量光通量v：光强度为光强度为1cd的均匀点光源在的均匀

13、点光源在1sr内发出的光通量。单位：内发出的光通量。单位： 流明流明lm。 光照度光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量，单位：勒克斯单位面积所接受的入射光的量，单位：勒克斯lx，相相 当于当于1平方米面积上接受到平方米面积上接受到1个流明的光通量。个流明的光通量。 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e， 例如例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv， Ev。 光度量只在可见光区（光度量只在可见光区（380780 nm）才有意义。）才有意义。 辐射度量和光度量都

14、是波长的函数。辐射度量和光度量都是波长的函数。 晴天阳光直射地面照度约为晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为晴天室内角落照度约为20lx 阴天室外阴天室外50500lx 阴天室内阴天室内550lx 月光（满月）月光（满月）2500lx 日光灯日光灯5000lx 电视机荧光屏电视机荧光屏100lx 阅读书刊时所需的照度阅读书刊时所需的照度5060lx 在在40W白炽灯下白炽灯下1m远处的照度约为远处的照度约

15、为30lx 晴朗月夜照度约为晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜黑夜0.001lx 4.2.3 半导体基础知识半导体基础知识 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。 电阻率电阻率10-6 10-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体 电阻率电阻率1012欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体 半导体的特性半导体的特性 半导体电阻温度

16、系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这 一特性，热电探测器件。一特性，热电探测器件。 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。纯净导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。纯净Si在室温下在室温下 电导率为电导率为510-6/（欧姆（欧姆厘米）。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，厘米）。掺入硅原子数百万分之一的杂质时， 电导率为电导率为2 /（欧姆（欧姆厘米）厘米） 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。 本征和杂质半导体本征和杂质半导体 本征半导体本征半导体就是没

17、有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的 量子态全部空着。量子态全部空着。 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导 电性质。电性质。 掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为施主杂质施主杂质和和受主杂质受主杂质。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带 提供电子，使半导体成为电子导电的提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。型

18、半导体。 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带 提供空穴，使半导体成为空穴导电的提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。型半导体。 平衡和非平衡载流子平衡和非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这 种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子平衡载流子浓度。浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外 界作用，破坏了热

19、平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相 偏离的状态，称为非平衡状态。偏离的状态，称为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓 度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为 非平衡载流子非平衡载流子。 非平衡载流子的产生：非平衡载流子的产生： 光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电

20、子激发到当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到 导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价 带比平衡时多出一部分空穴。带比平衡时多出一部分空穴。 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。 其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。：电注入、高能粒子辐照等。 载流子的输运过程：载流子的输运过程： 扩散扩散 漂移漂移 复合复合 半导体对光的吸收半导体对光的吸收 物

21、体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收， 其余的光透过物体其余的光透过物体 吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸 收、晶体吸收收、晶体吸收 本征吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带由于光子作用使电子由价带跃迁到导带 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征 激发激发 光电效应光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发

22、生变化、或产生光电 动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应 外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化多发生于金属和金属氧化 物物 内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出 物体外部物体外部多发生在半导体。内光电效应又分为光电导效应和光生伏多发生在半导体。内光电效应又分为光电导效应和光生伏 特效应。特效应。 光电导

23、效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流 子数显著增加而电阻减少的现象子数显著增加而电阻减少的现象 光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体：光照在半导体PN结或金属结或金属半导体接触上时，会半导体接触上时，会 在在PN结或金属结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内结时，由于内 建场的作用（不加外电场），光生电子拉向建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p

24、 区，相当于区，相当于PN结上加结上加一个正电压。一个正电压。 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现结短路，则会出现 电流（光生电流）。电流（光生电流）。 光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧， 温度升高，材料的性质发生变化。温度升高，材料的性质发生变化。 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面 电荷变化的现象。电荷变化的现象。 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率

25、变化辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化 的现象。的现象。 温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生 电动势，回路中产生电流。电动势，回路中产生电流。 4.2.4 光电探测器件光电探测器件 半导体光电器件半导体光电器件 光电导器件光电导器件光敏电阻光敏电阻 光伏器件光伏器件 光电池光电池 光电二极管光电二极管/三极管三极管 真空光电器件真空光电器件 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 热电探测器件热电探测器件 热敏电阻热敏电阻 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热释电探测器件热释电探测器件 光子器件光子器件

26、热电器件热电器件 真空器件真空器件固体器件固体器件 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 真空摄像管真空摄像管 变像管变像管 像增强管像增强管 光敏电阻光敏电阻 光电池光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管 光纤传感器光纤传感器 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD 热电偶热电偶/热电堆热电堆 热辐射计热辐射计/热敏电阻热敏电阻 热释电探测器热释电探测器 光子器件光子器件热电器件热电器件 响应波长有选择性，一般有截止响应波长有选择性，一般有截止 波长，超波长，超 过该波长，器件无响应。过该波长，器件无响应。 响应波长无选择性，对可见光到响应波长无选择性，对可见光到 远红外的各种波长的辐射同

27、样敏远红外的各种波长的辐射同样敏 感感 响应快，吸收辐射产生信号需要响应快，吸收辐射产生信号需要 的时间短，的时间短， 一般为纳秒到几百微一般为纳秒到几百微 秒秒 响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒 光敏电阻是光电导型器件光敏电阻是光电导型器件 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉 （CdS），），锑化铟（锑化铟（InSb）等。等。 特点：特点： 光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大；偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱

28、光；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高；光电导增益大，灵敏度高； 无极性，使用方便；无极性，使用方便； 在强光照射下，光电线性度较差；在强光照射下，光电线性度较差； 光电驰豫时间较长，频率特性较差。光电驰豫时间较长，频率特性较差。 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理 光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、 云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带 有窗口的金属或塑料外壳内。有窗口的金属或塑料外壳内。 工作机

29、理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带 中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。 入射光入射光 返回 光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性 光电特性光电特性 伏安特性伏安特性 时间响应和频率特性时间响应和频率特性 温度特性温度特性 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测 物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器物体各部位提

30、供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器 件件。 光电三极管工作原理光电三极管工作原理 NPN光电三极管（光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的发射极接电源型），使用时光电二极管的发射极接电源 负极，集电极接电源正极。负极，集电极接电源正极。 光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电 结（基结（基集结）处于反向偏置，基极电流等于集结）处于反向偏置，基极电流等于0，因而集电极电因而集电极电 流很小，为光电三极管的暗电流。流很小，为光电三极管的暗电流。 当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子当光子入射到集电结时，就

31、会被吸收而产生电子空穴对，处于空穴对，处于 反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基 极，形成光生电压，基极电位升高极，形成光生电压，基极电位升高。 如同普通三极管的发射结（基如同普通三极管的发射结（基 -发结）加上了正向偏置，当发结）加上了正向偏置，当 基极没有引线时，集电极电流基极没有引线时，集电极电流 就等于发射极电流。就等于发射极电流。 这样晶体三极管起到电流放大这样晶体三极管起到电流放大 的作用的作用。 由于光敏三极管基极电流是由由于光敏三极管基极电流是由 光电流供给，因此一般基极不光电流供给，因此一般基极不 需

32、外接点，需外接点，所以通常只有集电所以通常只有集电 极和发射极两个引脚线。极和发射极两个引脚线。 CCD：电荷耦合器件（：电荷耦合器件（Charge Coupled Device） CCD以以电荷电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为 信号。信号。 CCD的基本功能是的基本功能是电荷的存储和电荷的转移电荷的存储和电荷的转移。 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和探测。工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和探测。 CCD的特点：的特点： 体积小，功耗低，可靠性高，寿命长体积小，功耗低，可靠性高，寿命长

33、空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度 光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 高速扫描，基本上不保留残象（电子束摄象管有高速扫描，基本上不保留残象（电子束摄象管有1520的残象）的残象） 集成度高集成度高 可用于非接触精密尺寸测量系统可用于非接触精密尺寸测量系统 无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰 有数字扫描能力，象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结有数字扫描能力，象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结 合接口合接口 CCD的特性参数：像素数量，

34、的特性参数：像素数量， CCD尺寸，最低照度，信噪比尺寸，最低照度，信噪比 等等 像素数是指像素数是指CCD上感光元件的上感光元件的 数量。数量。44万（万（768576）、）、100 万（万（10241024）、）、200万万 （16001200）、）、600万万 （28322128） 信噪比：典型值为信噪比：典型值为46dB 感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外 CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型：按电荷存储的位置分有两种基本类型： 1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道表面沟道CCD（简称（简称SCC

35、D）。）。 2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定 方向传输方向传输 体沟道或埋沟道器件体沟道或埋沟道器件（简称（简称BCCD）。）。 线阵线阵CCD：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至位至5000位以位以 至至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的 器件可供选用。器件可供选用。 面阵面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合

36、。 目前达到实用阶段的象元数由目前达到实用阶段的象元数由25万至上千万不等，按照片子的尺寸不万至上千万不等，按照片子的尺寸不 同有同有13英寸、英寸、l2英寸、英寸、23英寸以至英寸以至1英寸之分。英寸之分。 线阵线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低一行，扫描；体积小，价格低 面阵面阵CCD：整幅图像；直观；价格高，体积大：整幅图像；直观；价格高，体积大 面阵面阵CCD芯片芯片 光电探测系统分类光电探测系统分类 主动系统主动系统/被动系统（按信息光源分）被动系统（按信息光源分） 红外系统红外系统/可见光系统（按光源波长分）可见光系统（按光源波长分） 红外系统多用于军事红外系统多用于军事,有大

37、气窗口有大气窗口,需要特种探测器需要特种探测器 可见光系统多用于民用可见光系统多用于民用 点探测点探测/面探测系统（按接受系统分）面探测系统（按接受系统分） 用单元探测器接受目标的总辐射功率用单元探测器接受目标的总辐射功率 用面接受元件测量目标的光强分布用面接受元件测量目标的光强分布 模拟系统模拟系统/数字系统（按调制和信号处理方式分）数字系统（按调制和信号处理方式分） 直接探测直接探测/相干探测系统（按光波对信号的携带方式分）相干探测系统（按光波对信号的携带方式分） 4.2.5 4.2.5 光电探测系统光电探测系统 直接探测：直接探测： 无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息

38、。光无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光 电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后， 用解调电路检出所携带的信息。用解调电路检出所携带的信息。 相干探测：相干探测： 利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波 的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶探测，故又称光外的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶探测，故又称光外 差探测。差探测。 Ls ff 光外差探测：光外差探测： fS为信号光波，为信号光波，fL为本机振荡光为

39、本机振荡光 波，这两束相干光入射到探测器波，这两束相干光入射到探测器 表面进行混频，形成相干光场。表面进行混频，形成相干光场。 经探测器变换后，输出信号中包经探测器变换后，输出信号中包 含含 的差频信号，故又的差频信号，故又 称相干探测。称相干探测。 光外差探测的特性光外差探测的特性 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等；光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等； 转换效率高，转换效率高，探测灵敏度高（比直接探测高数量级），探测灵敏度高（比直接探测高数量级），对微弱对微弱 信号的探测有利（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）信号的探测有利（尽管信号光功率小，

40、但是本振光功率大） 良好的滤波性能良好的滤波性能 信噪比损失小信噪比损失小 探测灵敏度高探测灵敏度高 探测距离远探测距离远 对探测器的要求比直接探测高对探测器的要求比直接探测高 直接探测系统（光强调制）直接探测系统（光强调制） 莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 激光测距仪激光测距仪 激光准直激光准直 环境污染探测系统环境污染探测系统 光外差探测系统光外差探测系统 激光干涉测长仪（相位调制）激光干涉测长仪（相位调制） 多普勒测速（频率调制）多普勒测速（频率调制） 光外差通信光外差通信 激光多普勒测速激光多普勒测速 频率调制：频率调制：运动物体的反射或散射光发生多普勒频移而改变光的运动物体的反射或散射

41、光发生多普勒频移而改变光的 频率。频率。 光外差探测：光外差探测：可见光的频率很高（可见光的频率很高（1014Hz），一般光电器件不能），一般光电器件不能 响应，也就无法直接探测多普勒频移。需要光外差的方法，同一响应，也就无法直接探测多普勒频移。需要光外差的方法，同一 光源的两束相干光以一定的条件投射到光电探测器表面进行混频，光源的两束相干光以一定的条件投射到光电探测器表面进行混频， 就能在输出的电信号中得到两束光的差频。就能在输出的电信号中得到两束光的差频。 光电探测技术发展趋势：光电探测技术发展趋势： 纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 小型、快速的微

42、型光、机、电探测系统。小型、快速的微型光、机、电探测系统。 非接触、快速在线测量。非接触、快速在线测量。 微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。 闭环控制的光电探测系统，实现光电测量与光电控制一体化。闭环控制的光电探测系统，实现光电测量与光电控制一体化。 向人们无法触及的领域发展。向人们无法触及的领域发展。 光电跟踪与光电扫描测量技术。光电跟踪与光电扫描测量技术。 探测技术在军事上的应用探测技术在军事上的应用 美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器 夜夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精

43、确的定位目标。激光测距仪：可精确的定位目标。 美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD1、地基拦截器、地基拦截器 2、早期预警系统、早期预警系统 3、前沿部署、前沿部署(如雷达）如雷达） 4、管理与控制系统、管理与控制系统 5、卫星红外线监测系统、卫星红外线监测系统 监测系统：监测系统： 探测和发现敌人导弹的发射并探测和发现敌人导弹的发射并 追踪导弹的飞行轨道；追踪导弹的飞行轨道； 拦截器：拦截器： 能识别真假弹头，敌友方能识别真假弹头，敌友方 “阿波罗阿波罗10”： 火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器 飞船部分飞船部分-1218个传感器个传感器 神州飞船：神州飞船：185台（

44、套）台（套） 仪器装置仪器装置 探测参数探测参数-加速度、温度、加速度、温度、 压力、压力、 振动、流量、应变、振动、流量、应变、 声学声学 探测技术在航天领域的应用探测技术在航天领域的应用 4.3 光伏技术术 光伏发电是指光光伏发电是指光电转换，主要是以半导体材料为基础，利用光电转换，主要是以半导体材料为基础，利用光 照产生电子照产生电子-空穴对，在空穴对，在PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光结上可以产生光电流和光电压的现象（光 伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。 太阳能电池的工作原理是光电效应。太阳能电池的工作原理是光电效应。 光电池光电

45、池 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建电结时，由于内建电 场的作用（不加外电场），光生电子拉向场的作用（不加外电场），光生电子拉向N区，光生空穴区，光生空穴拉拉向向P区，相区，相 当于当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流结短路，则会出现电流 （光生电流）。（光生电流）。 光电池核心部分是一个光电池核心部分是

46、一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收结，一般作成面积大的薄片状，来接收 更多的入射光。更多的入射光。 在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面型杂质（如硼），受光面是是P型层型层 或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面型杂质（如磷），受光面是是N型层型层 受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用 上电极做成栅状，为了更多的光入射上电极做成栅状，为了更多的光入射 由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池结上，实际使用的光电池 制成薄制成薄P型或薄型或薄

47、N型。型。 光电电池的应应用 光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化 等特点。等特点。 将太阳能转化为电能将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。 硅太阳能电池硅太阳能电池 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅 太阳能电池。太阳能电池。 单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为为23%，而规模生产，而规模生产

48、的单晶硅太阳能电池，其效率为的单晶硅太阳能电池，其效率为15%。 多晶硅半导体材料的价格比较低廉，但是由于它存在着较多的晶粒多晶硅半导体材料的价格比较低廉，但是由于它存在着较多的晶粒 间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为为 18%，工业规模生产的转换效率，工业规模生产的转换效率为为10%。 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺，具有较多的优非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺，具有较多的优 点，例如：沉积温度低、衬底材料价格较低廉，能够实现大面积点，例如：沉积温度低、衬底

49、材料价格较低廉，能够实现大面积 沉积。沉积。 非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅的的40倍，倍，1微米微米 厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约90%有用的太阳光能。有用的太阳光能。 非晶硅太阳能电池的稳定性较差，从而影响了它的迅速发展。非晶硅太阳能电池的稳定性较差，从而影响了它的迅速发展。 据预测，据预测，2050年世界人口将增至年世界人口将增至90亿，届时的能源需求将是目前亿，届时的能源需求将是目前 的的3-4倍，而可再生能源要占倍，而可再生能源要占50%。中国能源界的权威人士预测，到。中国能源界的权威人士预测，到 20

50、50年，中国能源消费中煤只能提供总能耗电的年，中国能源消费中煤只能提供总能耗电的3050%，其余，其余 5070%将靠石油、天然气、水电、核电、生物质能和其他可再生能将靠石油、天然气、水电、核电、生物质能和其他可再生能 源。由于中国自己的油气资源、核电和水力资源都十分有限，直接地源。由于中国自己的油气资源、核电和水力资源都十分有限，直接地 大量燃烧生物质能也将逐渐淘汰。大量燃烧生物质能也将逐渐淘汰。 全球太阳能资源分布全球太阳能资源分布 2005年世界光伏系统装机总容量达年世界光伏系统装机总容量达1460MW，年增长，年增长34%。太阳能电。太阳能电 池产量由池产量由2004年年1146MW上

51、升到上升到1656MW。 NEW HAVEN的大型太阳阳能发电发电装置 在建的中国国最大的太阳阳能发电发电装置 太阳阳能与与民用建筑的结结合 Illinois的地方高校Capital Area Career Center安装的 10KW的光伏发电组发电组 麻省一高校7.3KW的发电发电装置 太阳阳能电车电车 德国瓦克多晶硅光伏发电德国瓦克多晶硅光伏发电 发展光伏发电产业的困难发展光伏发电产业的困难 技术上的不足亟待改进技术上的不足亟待改进 目前目前光伏发电经济性不强光伏发电经济性不强 光伏发电装置与建筑融合问题光伏发电装置与建筑融合问题 技术上存在的不足技术上存在的不足 太阳能转换效率低太阳能

52、转换效率低. 我国实验室光伏电池的效率为我国实验室光伏电池的效率为21 % ，可商业化光伏组件效率达，可商业化光伏组件效率达1415 % ，一般商业电池效率，一般商业电池效率10 13 %。 选材上存在的矛盾选材上存在的矛盾:晶体硅电池光转换率高（晶体硅电池光转换率高（15 17 %），但是生产成），但是生产成 本高，原料不易取得本高，原料不易取得;合金薄膜电池生产成本低，但光转换率低下（合金薄膜电池生产成本低，但光转换率低下（13 14%）。）。 而太阳能光伏发电系统成本中，电池片成本约占总成本而太阳能光伏发电系统成本中，电池片成本约占总成本70 %。 世界各国对此作的努力：世界各国对此作的努力： 澳大利亚新南威尔士大学已研制出效率达澳大利亚新南威尔士大学已研制出效率达22的的 太阳电池组件。太阳电池组件。 美国、日本、德国和英国等都建立了该电池的中美国、日本、德国和英国等都建立了该电池的中 试生产线，其电池效率达到试生产线，其电池效率达到17-18，生产规模，生产规模 正在迅速扩大。正在迅速扩大。 目前，世界上转化效率最高的太阳能电池是由士目前，世界上转化效率最高的太阳能电池是由士 联邦工学院联邦工学院M格雷策尔研制出的一种二氧化钛格雷策尔研制出的一种二氧化钛 太阳能电池，其