光电检测技术

1、光电检测技术绪论第1节光电技术一、概述a) 主要研究光与电之间的转换b) 接收器件 /发射器件 /光电探测器件二、光电技术的发展a) 半导体集成电路b) 光纤传感器和光波导第2节光电技术的特点及应用一、光电系统a) 光电能量系统、光电信息系统b) 光电系统的主要类型（1）光 -电型（应用最广泛）（2）光 -电-光型（3）电 -光-电型（4）光电混合型（5）电光混合型c) 光电系统基本模型i. 光电系统通常分为主动式和被动式两类。ii. 光接收机可以分为两种基本类型， 即功率探测接收机和外差接收机。二、光电检测所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和接收解调两个主要方面。光电检测系统中信息必须经

2、过两个基本的变换环节，调制与解调。光电检测系统分类（1）测量检查型（2）控制跟踪型（3）图像分析型三、光电器件凡能探测某种电磁辐射（自射线到红外线）的各种电子器件，都应归入光电探测器件。主要是固体的光电效应， 就是固体中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电学性质发生改变的现象。例如：光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应等。1、光电器件具有选择性的吸收2、光电器件器件通常具有灵敏度高，惰性小， 响应速度快四、光电技术的应用和发展(1)有广泛的适用范围(2)有较高的信号检测能力(3)有较强的信息运算能力第一章光电器件的物理基础1-1 光的概念与度量学中的参量一、电磁波谱与光子能

3、量公式二、辐射量与光度量三、辐射量与光度量的换算1、 光谱量与积分量2、 光谱光视效能 K( )与光谱光视效率V( )四、朗伯余弦定律1-2半导体基础知识一、半导体的能带理论1、原子能级与晶体能带2、本征半导体（ I 型）3、杂质半导体二、热平衡状态下的载流子三、光辐射与半导体的相互作用1、本征吸收2、非本征吸收 (杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收)四、非平衡状态下的载流子1、产生与复合2、复合与非平衡载流子寿命五、载流子的输运1-3 光电转换的物理基础光电效应一、光电效应辐射电子运动状态发生变化光电导效应、光生伏特效应、光电子发射二、光电效应分类a) 外光电效应b) 内光电效应

4、(光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应 ) 三、光电效应的物理现象（一）光电导效应a) 光电导率b) 本征半导体的光电导效应c) 杂质半导体的光电导效应d) 光电导体的灵敏度e) 光电导的弛豫f) 光电导的光谱分布（二）光生伏特效应 PN 结的光生伏特效应 异质结的光生伏特效应 肖特基结的光生伏特效应4、丹倍效应5、光磁电效应（三）光电发射效应1、光电发射原理2、光电发射的基本定律3、光电发射长波限上述探测器件所依据的物理效应的共同特性是（1）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率有关，与入射光的强度无关；光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波长、频率以及器件的能级结构（2）光电效应

5、的强弱既与入射光的强度有关，也与入射光的波长、频率有关。 入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度不同。1-4 光电器件的分类第二章光电探测器件2-1 光电器件的性能参数一、光电器件的探测灵敏度（响应度）二、响应时间和频率响应（1）脉冲响应特性法（2）频率响应特性三、噪声等效功率（ NEP） (最小可测功率 )四、探测度 D 与比探测度 D*五、量子效率2-2真空光电管和光电倍增管（PMT ）一、真空光电管二、光电倍增管 (Photomultiplier Tube)（一）光电倍增管工作原理及组成a) 光电倍增管工作原理b) 光电倍增管工作过程c) 光电倍增管组

6、成（二）光电倍增管具体结构a) 光电阴极 (Photo cathode)b) 电子光学系统c) 倍增系统（ Dynodes ）d) 阳极（三）光电倍增管分类（四）光电倍增管的主要参量与特性1、灵敏度 (阴极灵敏度 /阳极灵敏度 )2、电流放大倍数（增益）3、光电特性4、伏安特性5、暗电流 ID6、噪声与噪声等效功率（五）微变等效电路（六）光电倍增管的应用电路1、供电电路2、光电倍增管的接地方式3、信号输出（1）负载电阻输出（2）运放输出4、光电倍增管使用注意要点23 典型光电导器件光敏电阻一、光敏电阻原理与结构1、原理2、结构3、典型光敏电阻二、光敏电阻的基本特性1 . 光电导灵敏度 Sg2、

7、光电特性3、伏安特性4、温度特性5、时间响应6、噪声特性7、光谱响应8、暗电阻和暗电流三、光敏电阻的特点四、光敏电阻的电路1、基本偏置电路2、恒流电路3、恒压电路五、光敏电阻的应用2-4光生伏特器件一、光电池（一）结构原理（二）光电池的分类（三）符号及电路（四）特性 (光电特性 /伏安特性 /输出功率 /转换效率 /光谱特性 /温度特性 /)（五）应用 (1、光电池用作太阳能电池 2、光电池用作检测元件 3 、光电池零伏偏置电路 )（六）硅光电池组合件二、光电二极管1、与普通二极管相比 :2、与光电池相比：（一）基本结构与原理（二）性能参数 (伏安特性 /光照特性 /光谱特性 /暗电流与噪声

8、/频率特性 /等效电路 )（三）其他类型的光电二极管(肖特基结光电二极管 /扩散层 PN 结光电二极管 /耗尽层型 PN 结光电二极管 /PIN 型（ 2DUL 型）光电二极管 /雪崩型光电二极管 )（四）光电二极管的应用三、光电三极管1、伏安特性2、光电三极管的输出电路与微变等效电路四、特殊形式的结型光电器件（一）色敏光生伏特器件（二）线阵列光生伏特器件组合件（三）楔环探测器（四）光电位置敏感器件（ PSD）（ PSD 器件的工作原理、一维 PSD、二维PSD、PSD 的主要特性）第四章光电成像器件与应用第1节光电成像原理1、摄像机的基本原理2、图像的分割与扫描3、电视制式4、PAL 彩色电

9、视制式5、扫描方式第 2节摄像管1、氧化铅摄像管的结构2、摄像管的性能指标a) 光电转换特性b) 光谱响应特性c) 时间响应特性d) 输出信噪比e) 动态范围第3节电荷耦合器件（ CCD）1、电荷存储2、电荷耦合3、CCD 电极的结构4、电荷的注入和检测（光注入和电注入）5、CCD 的特性参数6、线阵 CCD 摄像器件7、面阵 CCD 图像传感器8、应用实例9、应用技术（1）视频信号的二值化处理（2）视频信号的二值化数据采集与接口（3）视频信号的量化处理与A /D 数据采集（4）照明系统（5）远心光路第 4节CMOS 图像传感器1、CMOS 成像器件组成2、CMOS 成像器件的像敏单元结构3、

10、典型 CMOS 图像传感器（ SXGA 型彩色面阵 CMOS 成像器件）a) 原理结构b) 特性第5节 其他成像器件像管包括变像器和图像增强器一、像增强器 /变像器a) 工作原理及典型结构b) 性能参数c) 像增强器的级联二、夜视技术与红外热像仪1、微光夜视仪， 2、微光电视， 3、热成像夜视仪第五章发光器件与光耦器件第一节半导体发光二极管（ LED ）1、发光二极管的发光机理（1）PN 结注入发光（ 2）异质结注入发光2、基本结构（1）面发光二极管（ 2）边发光二极管3、LED 的特性参数（1）发光光谱和发光效率（2）时间特性与温度特性（3）发光亮度与电流的关系（4）最大工作电流（5）伏安特

11、性（6）寿命（7）响应时间4、驱动电路5、发光二极管的应用（1）数字、文字及图像显示（2）指示、照明（ 3）光源第二节半导体激光器（ laser diode, LD)一、 LD 的发光原理1、受激辐射 2、粒子数反转 3、谐振腔二、半导体激光器的结构三、主要特性1、注入电流和输出功率的关系2、半导体激光的光谱线宽3、半导体激光的纵模4、半导体激光器的远场特性及偏振态5、半导体激光的调制特性6、温度对半导体激光器的影响第三节光电耦合器件一、光电耦合器件的结构与电路符号二、光电耦合器的特点（1）具有电隔离的功能（ 2）信号传输方式（ 3）具有抗干扰和噪声的能力（4）响应速度快（ 5）实用性强（ 6

12、）既具有耦合特性又具有隔离特性三、光电耦合器件的特性参数（1）电流传输比 （2）输入输出间的寄生电容（ 3）最高工作频率 fm（4）脉冲上升时间 tr 和下降时间 tf（ 5）输入与输出间隔离电压 BV CFO（ 6）输入与输出间的绝缘电阻 RFC四、光电耦合器件的应用举例（1）电平转换（ 2）逻辑门电路（ 3）隔离（ 4）可控硅控制电路中的应用第六章光电检测电路的设计第 1节 光电检测电路的静态设计一、光电检测器件的选择二、光电检测电路的设计任务1、恒流源型光电器件输入电路的静态计算（1）图解计算法（ 2）解析计算法2、光伏型光电器件输入电路的静态计算3、可变电阻型光电器件输入电路的静态计算

13、三、检测器件和放大电路的连接1、电流放大型 2、电压放大型 3、阻抗变换型第2节 光电检测电路的动态设计一、输入电路动态工作状态的计算1、光电二极管交流检测电路2、光电池交流检测电路二、光电检测电路的频率特性第3节光电系统的噪声1、热噪声2、散粒噪声3、产生复合噪声4、1/f 噪声5、温度噪声第 7 章非相干光光电信号变换方法第1节时变光信号的直接测量一、光通量的幅度测量（一）单通道测量系统（二）双通道测量系统（差动法，补偿法，比较法和交替法）二、光通量的频率测量（一）波数测量：干涉条纹计数、莫尔条纹计数（二）频率测量：测量物体的速度、用于转数的测量三、光通量的相位和时间测量（一）相位测量：光

14、电光波的测距（二）时间测量：激光测距第 2节时变光信号的调制和解调一、调制的基本原理二、光学调制的分类三、典型的调制方法1、连续波调制： 1）光信号的振幅调制、2）光信号的频率调制2、脉冲调制：四、调制信号的解调1、直线律检波和调幅信号的解调2、相敏检波和调相信号的解调3、相敏检波原理第 3 节简单光学目标的空间定位一、几何中心检测法1、单通道像空间分析器（以静态光电显微镜为例）2、扫描调制式像分析器与静态光电显微镜3、差动式像分析器与动态光电显微镜4、极值检测：激光lamb 凹陷稳频二、亮度中心检测法第 4 节几何参量的光电检测一、激光扫描技术二、轴向位移信息的光电变换1、光焦点法 2、非点

15、像差法（像散法）3、像点轴外偏移的像偏移法第八章相干光光电信号变换方法第 1节 相干光信息及相干探测一、光学干涉和相干光信息分类1、光学干涉和干涉测量2、干涉测量中的调制和解调、迈克尔逊干涉仪（多普勒效应）3、相干光信息分类二、非相干探测和相干探测1、非相干探测的原理和特性2、外差探测的原理和特点（ （ 1）外差探测原理，（2）突出的特点（ 3）匹配条件（ 4）外差信号的检测 ）第 2节相干信号的相位调制与检测一、单频光的相位调制（光学干涉仪）二、干涉条纹的检测方法1、条纹光强检测法2、干涉条纹比较法3、干涉条纹跟踪法三、二次相位调制与干涉图分析1、条纹扫描干涉法2、正弦相位时间调制干涉法第3节相干光的频率调制和检测（ 1）参量调频法（ 2）固定频移法（ 3）直接调频法一、运动参量的频率调制和零差检测1、光学多普勒效应和运动差频检测（1）光学多普勒频移分析（2）差动 Doppler 技术2、激光 Doppler 测速原理3、 Sagnac效应和转动差频二、固定频移的频率调制和外差检测1、