光电检测复习

1、邓小青光电检测技术与应用总复习光电检测技术与应用总复习内容 第一章：绪论第一章：绪论 第二章：光电检测器件工作原理及特性第二章：光电检测器件工作原理及特性 第三章：半导体光电检测器件及应用第三章：半导体光电检测器件及应用 第四章：光电信号检测电路第四章：光电信号检测电路 第五章：光电直接检测系统第五章：光电直接检测系统 第六章：光外差检测系统第六章：光外差检测系统 第七章：光纤传感检测技术第七章：光纤传感检测技术 第九章：光电检测技术的典型应用第九章：光电检测技术的典型应用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光电转换光电转换电信号处理电信号处理存存储储显显示示控控制制光电系

2、统框图光电系统框图第一章 绪论绪论根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，光电传感器可以分为：直射型直射型反射型反射型辐射型辐射型光电检测方法按检光电检测方法按检测原理分为：测原理分为：1.直接作用法直接作用法2.差动测量法差动测量法4.脉冲测量法脉冲测量法3.补偿测量法补偿测量法 一、光电效应 1 .外光电效应(光电发射效应) 2 . 内光电效应 2.1本征光电导效应 2.2光伏效应 二、光热效应 1.热释电效应 2.辐射热计效应 3.温差效应第二章光电效应光电效应光电效应：物质受光照射后，材料：物质受光照射后，材料电学性质电学性质发生了变发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生

3、电动势）化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。现象。光电效应包括：光电效应包括： 外光电效应外光电效应：产生电子发射：产生电子发射多发生于金属多发生于金属和金属氧化物。和金属氧化物。 内光电效应内光电效应：物质：物质内部电子能量状态内部电子能量状态发生变发生变化化多发生在半导体和绝缘体。多发生在半导体和绝缘体。光电导弛豫过程 u光电导效应是光电导效应是非平衡载流子效应非平衡载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，因此存在一定的弛豫现象，即光电即光电导材料从光照开始到获得稳定的光导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。电流需要一定的时间。同样光电流同样光电流的消失也是逐渐的。弛

4、豫现象说明的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的反应快慢了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。程度，称为惰性。u当输入功率按照正弦规律变化时当输入功率按照正弦规律变化时,输出光电流与光功率调制频率变输出光电流与光功率调制频率变化关系是一化关系是一低通特性低通特性。EtOi(%)O1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲光电导的增益 光电增益与带宽之积为一常数， Mf =(/tdr) f =(/tdr) (1/2) =常数 ，M为增益，t为两极间的渡越时间，tdr为载流子在两极间杜越时间（蛇形设计提高M）。 表明：材料的光电灵敏度与带宽是矛盾的。材料光电灵敏度高，则带宽窄；材

5、料带宽宽，则光电灵敏度低。 此结论对光电效应现象有普遍性。 在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻造成蛇形？ 光伏效应达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应。也称光伏效应。物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激发出的电子空穴对，打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压，即光生电动势。光热效应 光热效应：材料受光照射后（光子

6、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。 据温升引起变化的性质分为3类： 1.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居里温度下工作。 2.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 3.温差效应-由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流。光电检测器件的特征参数与性能光电器件光电器件光子检光子检测器件测器件热电检热电检测器件测器件光电光电发射型发射型光电导型光电导型光伏型光伏型热释电热释电检测器检测器热敏电阻热敏电阻热电堆热电堆u响应波长无选择性；u响应速度慢。n响应波长有选择性；n响应速度快。一、

7、特征参数：一、特征参数：响应度（灵敏度）；响应度（灵敏度）；光谱响应度；光谱响应度；积分响应度积分响应度；响应时间（响应速度）；响应时间（响应速度）；频率响应；频率响应；噪声和信噪比噪声和信噪比线性度；线性度；工作温度。工作温度。响应度（灵敏度）响应度（灵敏度）是光电检测器输出信号与是光电检测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光电输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光电检测器的光检测器的光-电转换效能。电转换效能。ioVPVSioIPIS电压响应度：电压响应度：电流响应度：电流响应度：光谱响应度光谱响应度是光电探测器的输出电压或输出是光电探测器的输出电压或输出电流与入射到检测器上

8、的单色辐射通量之比。电流与入射到检测器上的单色辐射通量之比。)()(oVS)()(oIS光谱响应度是表述入射的单色通量或光通量所光谱响应度是表述入射的单色通量或光通量所产生的检测器的输出电压（电流），它的值愈产生的检测器的输出电压（电流），它的值愈大意味着检测器愈灵敏。大意味着检测器愈灵敏。热噪声热噪声 热噪声是由载流子无规则运动造成的。热噪声存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说明热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。散粒噪声 散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。散粒噪声也属于白噪声。信噪比（S/N） 用分贝（用分贝（dBdB）表示：）表示

9、： S/N S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收面积大，则关，入射辐射强，接收面积大，则S/NS/N就大。但性就大。但性能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐射功率相同情况下才能比较。射功率相同情况下才能比较。 信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。线性度线性度是描述光电探测器的光电特性或光照特是描述光电探测器的光电特性或光照特性输出信号与输入信号保持线性关系的程度。性输出信号与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围内，光电探测器的输

10、出电量正即在规定的范围内，光电探测器的输出电量正比于输入光量的性能。比于输入光量的性能。光电探测器线性区的大小与检测器后的电子线路光电探测器线性区的大小与检测器后的电子线路有很大关系。有很大关系。下限下限一般由光电器件的暗电流和噪声因素决定，一般由光电器件的暗电流和噪声因素决定，上限上限由饱和效应或过载决定。由饱和效应或过载决定。工作温度工作温度是光电探测器最佳工作状态下的温度。是光电探测器最佳工作状态下的温度。例：例：InSb器件器件工作温度在工作温度在300K时，长波限为时，长波限为7.5m，峰，峰值波长为值波长为6m，工作温度在工作温度在77K时，长波限为时，长波限为5.5m，峰，峰值波

11、长为值波长为5m。光敏电阻光敏电阻 使用中应注意： 1)当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。 2)用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。第三章3)光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。 4)光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。 5)光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽之积

12、为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。 6)设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。 7)进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。光敏电阻做成梳状的原因?光 伏 器 件 利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件。 有：光电池、光电二极管、光电三极管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器(PSD)、光电耦合器等。 光电二极管接法 即用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压。 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的

13、光电效应。a) 不加外电源不加外电源 b) 加反向外电源加反向外电源 c) 2DU环极接法环极接法光电晶体管 原理：只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制，和普通晶体管类似，也有电流放大作用。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流IcIe(1)Ip，为电流放大倍数。 接法：正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。光电倍增管 光电倍增管由阴极、聚焦极、电子倍增系统(许多倍增极 ，二次电子倍增材材料)和阳极组成。 建立在外光电效应、二次电子发射效应和电子学建立在外光电效应、二次

14、电子发射效应和电子学理论基础上理论基础上。 发光二极管加正向偏压 光电耦合器件-耦合、隔离 光电检测器件中常用的卤钨灯是什么光源？光热器件 原理：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。 热敏电阻热敏电阻负温度系数，负温度系数，T升高，升高，R下降，灵下降，灵敏度也下降。敏度也下降。测辐射热计 热电偶（堆）热电偶（堆）-物质温差产生电动势物质温差产生电动势 热释电热释电-以热电晶体为电介质的平板电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自发极化矢量能够随着温度变化(3)热敏电阻分类 按材料分：金属(如金、镍、铋等薄膜 )的

15、和半导体(如氧化锰、氧化镍、氧化钴等 )的两种。 金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。 半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差，所以多用于辐射探测，例如，防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。 第四章 光电信号检测电路 静态计算-图解法、解析法 动态计算 偏置电路和噪声 前置放大器非线性电路图解法的分析依据输出特性（伏安特性）来确定静态工作点。而光电器件的伏安特性可分为（1）恒流源型，（2）光伏型，（3）可变电阻型。光电

16、探测器的光电探测器的直流检测直流检测偏置电路偏置电路PMT、PD、光电三极管、光电三极管光电池、工作于光电池下的光电池、工作于光电池下的PD光敏电阻、热敏电阻光敏电阻、热敏电阻偏置电路的目的：“探测器的偏置”在探测器上加一定的偏流和偏压使探测器能在电状态正常工作，输出光电信号。恒流源型光电器件输入电路的静态计算图解计算法 UbU(I)+IRL或 U(I)Ub-IRL 在伏安特性上划出负载线在伏安特性上划出负载线Ub-IRL， 由于串联回路中流过各回路元件的电流相等，负载线和对应于由于串联回路中流过各回路元件的电流相等，负载线和对应于输入光通量为输入光通量为o时的器件伏安特性曲线的时的器件伏安特

17、性曲线的交点交点Q即为输入电路即为输入电路的的静态工作点静态工作点。当输入光通量由。当输入光通量由o改变改变+（或（或-）时，在）时，在负载电阻负载电阻RL上会产生上会产生-U（或（或+U）的电压信号输出和）的电压信号输出和+I（或（或-I）的电流信号输出。）的电流信号输出。 光电导探测器工作电路三种特殊偏置方式光电导探测器工作电路三种特殊偏置方式1）恒流偏置）恒流偏置ssLoLoLoLUURRIRRRR当选定，则与无关。即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流。2）恒压偏置）恒压偏置探测器上的偏置电压与Ro无关，但流过的偏流随Ro变化。3）恒功率偏置（匹配偏置）恒功率偏置（匹配偏置）LoR

18、R当选定，探测器上的功率基本恒定。稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片、电气屏蔽、电干扰滤波等措施改善或消除。光电信号检测电路的噪声来源系统噪声系统噪声外部噪声外部噪声内部噪声内部噪声辐射源的辐射源的随机波动随机波动附加的附加的光调制光调制光路传输光路传输介质湍流介质湍流背景噪声背景噪声光电检测光电检测器件器件固有噪声固有噪声检测电路检测电路固有噪声固有噪声内部噪声随机性大，覆盖很宽的频谱范围。限制提取微弱信号。光电直接检测系统与光外差检测系统直接检测系统通过什么携带信息？相干检测呢？NEP是什么？莫尔测长仪原理激光测长仪原理激光测长仪原理由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标

19、反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来测算目标的距离。2/tL c 光外差检测的基本原理 利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。 两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场,又称相干检测。只有激光才能进行相干检测。Lsff LLscRPPSP22输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。输出信号中包含 的差频信号,因此称光外差检测光外差检测的空间和频率条件 空间条件：:两束光的夹角，l=d：检测器光敏面线度波长越短或口径越大，要求相位差角越小，越难满足要求 频率条件：要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。l

20、Lsin信号光与本振光并非平行信号光与本振光并非平行而成一夹角而成一夹角干涉测量基本原理干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的调制调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量的信息的信息。干涉信号的方向判别与计数原理干涉信号的方向判别与计数原理激光多普勒测速原理是：是通过测量激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。第7章 光纤传感器传光原理传光原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。当1c时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。NAnnnc222101sin“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2c张角内的