光电检测技术复习

1、光电检测技术复习1第一章 绪 论2光电检测技术光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。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，完成在线和自动测量光电检测系统光学变换光电变换电路处理3光电检测系统(三)光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换：光学扫描光学参量调制：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。光电变换光电/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

2、）。电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。41.3 光电检测系统的组成及特点一般电子检测系统传感器信号变换器输出环节传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的电参数信号变换电路：完成信号的转换、滤波和放大5一般光电系统光发射机光学通道光接收机光发射机：分为主动式和被动式 主动式：光源（或加调制器） 被动式：无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射光学通道：大气、空间、水下和光纤等光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信息6光接收机的基本结构接收到的光场接收透镜系统光电检测器后继检测处理器接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上光电检测器

3、：完成光电信号的转换检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。光接收机的分类功率检测接收机直接检测或非相干检测外差检测接收机相干检测（空间相干）7光接收机的分类图示透镜光电检测器接收到的光场空间滤波器频率滤波器直接检测接收机外差检测接收机合束镜光电检测器接收到的光场本地激光器本地光场聚焦光场透镜8光电系统框图光源光学系统被测对象光学变换光电转换电信号处理存储显示控制光学变换：通过各种光学元件和光学系统，如平面镜、狭缝、透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现 ，作用是将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化等）。光电转换：由各种光电器件来实现，如光电检测器件、光电摄像

4、器件、光电热敏器件等。9光电系统的分类1、光电系统的分类：广义的光电系统包括两个分支，即光电能量系统、光电信息系统 （1）光电能量系统：太阳能发电、激光加工、激光医疗、激光核聚变等。主要是解决有关大功率光辐射能量的产生、控制、利用及向其他能量形式的转换。（2）光电信息系统：以光辐射和电子流为信息载体，通过光电或电光相互转换，综合利用光学或电子学的方法进行信息的传输、采集、处理、存储或显示、以实现确定目标的混合系统，简称光电系统。101.4 光电检测方法及应用发展趋势光电传感器的类型根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，可分为：直射型：光电转换器对着光源放置，光轴重合，对于光源为发射光

5、通量最大方向，对于光电器件为灵敏度最高的方向。反射型：分为单向反射和漫反射辐射型：被测物体本身为一辐射源，光电检测器通过接收被测物体的辐射光能量实现测量。11光电检测的基本方法根据检测原理，基本方法： 直接作用法、差动测量法、补偿测量法和脉冲测量法I、直接作用法：受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量。被测物理量光通量光电传感器放大、定标直接读数光电系统的基本模型12II、差动测量法：利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反应被测量的大小，放大相敏检波器uACREUL调制盘被测物光楔反光镜21双光路差动测量法测量物体长度13III、补偿测量法：

6、原理：是用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出补偿量值，其大小反应被测量变化大小。例：由相敏检波器输出控制光楔上下移动，使1-2=0，光楔移动与读数机构相连，读数反映光通量的变化量，即被测值。放大相敏检波器uACREUL调制盘被测物光楔反光镜21移动控制及读数显示14IV、脉冲测量法： 原理：测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽，相位，频率，脉冲数量等）反映被测量的大小。 1、脉宽方法测长度：测量关系式： L=v*t=v*k*N=K*Nk-高频脉冲时间当量K-长度当量N-计数器值高频脉冲可取自电动机或转动轮上脉冲，消除不匀速带来的误差。

7、vnR1ER2高频脉冲N计数器15第二章 光电检测器件工作原理及特性16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。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10-6 10-3欧姆厘米范围内导体电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间半导体17波相互作用效应： 激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应。理和化学效应光电探测的物物理效应光化学效应光电效应光热效应内光电效应：光电导效应， 光伏效应， 光磁电效应外光电效应：光电发射效应182.1光电检测器件的物理基础 -光电效应和光热效应 光电导效

8、应、光生伏特效应和光热效应光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。 包括： 外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化192.1.1 光电导效应光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。 物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 属于内光电效应。 包括： 本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。202、光电导弛豫过程 光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的

9、弛豫现象，即光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。EtOi(%)tO1006337rf矩形光脉冲光电导对光强变化反应的惰性引起光电流变化的延迟 输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。213、光电导增益光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L的光电导体在两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。可表示为:M=/dr 为器件的时间响应 dr为载流子在两极间的渡越时间光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证

10、了较大的受光表面，又可减小电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即Mf=常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。222.1.3 光生伏特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，激光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

11、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。23注意：光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。24与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。2.1.4 光热效应可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应1、 热释电效应 介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。252、 辐射热计效应入射光照射材料由于

12、受热而造成电阻率变化的现象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化。阻值与温度变化关系：R=TRTT为电阻温度系数R为元件电阻当温度变化足够小时， T=1/R*dR/dT对金属材料，R=BT，则T=1/T，呈反比关系。对半导体材料，R与T具有指数关系，则T=-B/T2。说明温度越高，电阻温度系数越小。B为常数，典型值3000K。263、 温差电效应 由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。当有光照结点产生温度变化就会产生温差电现象。另外，如果在图中x，y处接一电动势，导体中产生电流，两个接点1和2处就会出现一个吸热

13、一个放热的现象。吸（放）热速率：dp/dt=I，称为帖耳帖系数xyT1T212导体a导体b27真空光电管探测器件光热探测器光电探测器光化学效应探测器外光电效应内光电效应非放大型放 大 型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器充气光电管光电倍增管像增强器摄像管本征型光敏电阻掺杂型红外探测器非放大放大型光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管热电偶和热电堆测热辐射计热释电探测器2.2 光电检测器件的特性参数一、分类28光子检测器件电真空或光电发射型检测器件固体或半导体光电检测器件光电管光电倍增管光导型：光敏电阻光伏型：光电池光电二、三极管光子检测器件（即通常意义上的光电检测器件）分类

14、：29二、特性参数1、响应度（或称灵敏度）S电压响应度：SV=Vo/Pi电流响应度：SI=Io/Pi 其中：Vo和Io分别为光电检测器输出电压和输出电流。P为入射光功率（或用通量表示）。2、光谱响应度S()光谱响应度：S()=Vo/() (V/W)S()=Io/() (A/W)()为入射的单色辐射通量或光通量。303、积分响应度S： 表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度，光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比。314、响应时间： 响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时

15、间。 当一个辐射脉冲照射光电检测器时，如果这个脉冲上升和下降时间很短，则光电检测器由于惰性而有延迟。上升时间r和下降时间f矩形光脉冲入射光tOrfI光tO10.10.9325、频率响应S(f)： 由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。 336、热噪声： 当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，无法肯定是否为入射辐射信号，这是检测器固有的噪声引起的。其时间平均值为零，但均方根不等于零，即存在瞬时电流扰动。这个均方根电压（或电流）即为噪声电压（流）。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。347、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。理论表明，在每个时间段内，穿越势垒区的载流子数或从阴