光電檢測復習

1、鄧小青光電檢測技術與應用總復習光電檢測技術與應用總復習內容 第一章：緒論第一章：緒論 第二章：光電檢測器件工作原理及特性第二章：光電檢測器件工作原理及特性 第三章：半導體光電檢測器件及應用第三章：半導體光電檢測器件及應用 第四章：光電信號檢測電路第四章：光電信號檢測電路 第五章：光電直接檢測系統(tǒng)第五章：光電直接檢測系統(tǒng) 第六章：光外差檢測系統(tǒng)第六章：光外差檢測系統(tǒng) 第七章：光纖傳感檢測技術第七章：光纖傳感檢測技術 第九章：光電檢測技術的典型應用第九章：光電檢測技術的典型應用光源光源光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)被測對象被測對象光學變換光學變換光電轉換光電轉換電信號處理電信號處理存存儲儲顯顯示示控控制制光電系

2、統(tǒng)框圖光電系統(tǒng)框圖第一章 緒論緒論根據光源、光學系統(tǒng)和光電轉換器件放置位置的不同，光電傳感器可以分為：直射型直射型反射型反射型輻射型輻射型光電檢測方法按檢光電檢測方法按檢測原理分為：測原理分為：1.直接作用法直接作用法2.差動測量法差動測量法4.脈沖測量法脈沖測量法3.補償測量法補償測量法 一、光電效應 1 .外光電效應(光電發(fā)射效應) 2 . 內光電效應 2.1本征光電導效應 2.2光伏效應 二、光熱效應 1.熱釋電效應 2.輻射熱計效應 3.溫差效應第二章光電效應光電效應光電效應：物質受光照射后，材料：物質受光照射后，材料電學性質電學性質發(fā)生了變發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導率的改變、產生感生

3、電動勢）化（發(fā)射電子、電導率的改變、產生感生電動勢）現(xiàn)象?，F(xiàn)象。光電效應包括：光電效應包括： 外光電效應外光電效應：產生電子發(fā)射：產生電子發(fā)射多發(fā)生于金屬多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。和金屬氧化物。 內光電效應內光電效應：物質：物質內部電子能量狀態(tài)內部電子能量狀態(tài)發(fā)生變發(fā)生變化化多發(fā)生在半導體和絕緣體。多發(fā)生在半導體和絕緣體。光電導弛豫過程 u光電導效應是光電導效應是非平衡載流子效應非平衡載流子效應，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電即光電導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間。電流需要一定的時間。同樣光電流同樣光電流的消失也是逐漸的。弛

4、豫現(xiàn)象說明的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導體對光強變化的反應快慢了光電導體對光強變化的反應快慢程度，稱為惰性。程度，稱為惰性。u當輸入功率按照正弦規(guī)律變化時當輸入功率按照正弦規(guī)律變化時,輸出光電流與光功率調制頻率變輸出光電流與光功率調制頻率變化關系是一化關系是一低通特性低通特性。EtOi(%)O1006337rf矩形光矩形光脈沖脈沖光電導的增益 光電增益與帶寬之積為一常數， Mf =(/tdr) f =(/tdr) (1/2) =常數 ，M為增益，t為兩極間的渡越時間，tdr為載流子在兩極間杜越時間（蛇形設計提高M）。 表明：材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的。材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材

5、料帶寬寬，則光電靈敏度低。 此結論對光電效應現(xiàn)象有普遍性。 在微弱輻射作用下，光電導材料的光電靈敏度有什么特點？為什么要把光敏電阻造成蛇形？ 光伏效應達到內部動態(tài)平衡的半導體PN結，在光照的作用下，在PN結的兩端產生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應。也稱光伏效應。物理本質：PN結內建電場使得載流子（電子和空穴）的擴散和漂移運動達到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激發(fā)出的電子空穴對，打破原有平衡，靠近結區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流，同時形成載流子的積累，內建電場減小，相當于在PN加了一個正向電壓，即光生電動勢。光熱效應 光熱效應：材料受光照射后（光子

6、能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高）材料的性質發(fā)生變化。 據溫升引起變化的性質分為3類： 1.熱釋電效應-介質的極化強度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象居里溫度下工作。 2.輻射熱計效應-入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象 3.溫差效應-由兩種材料制成的結點出現(xiàn)溫差而在兩結點間產生電動勢，回路中產生電流。光電檢測器件的特征參數與性能光電器件光電器件光子檢光子檢測器件測器件熱電檢熱電檢測器件測器件光電光電發(fā)射型發(fā)射型光電導型光電導型光伏型光伏型熱釋電熱釋電檢測器檢測器熱敏電阻熱敏電阻熱電堆熱電堆u響應波長無選擇性；u響應速度慢。n響應波長有選擇性；n響應速度快。一、

7、特征參數：一、特征參數：響應度（靈敏度）；響應度（靈敏度）；光譜響應度；光譜響應度；積分響應度積分響應度；響應時間（響應速度）；響應時間（響應速度）；頻率響應；頻率響應；噪聲和信噪比噪聲和信噪比線性度；線性度；工作溫度。工作溫度。響應度（靈敏度）響應度（靈敏度）是光電檢測器輸出信號與是光電檢測器輸出信號與輸入輻射功率之間關系的度量。描述的是光電輸入輻射功率之間關系的度量。描述的是光電檢測器的光檢測器的光-電轉換效能。電轉換效能。ioVPVSioIPIS電壓響應度：電壓響應度：電流響應度：電流響應度：光譜響應度光譜響應度是光電探測器的輸出電壓或輸出是光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到檢測器上

8、的單色輻射通量之比。電流與入射到檢測器上的單色輻射通量之比。)()(oVS)()(oIS光譜響應度是表述入射的單色通量或光通量所光譜響應度是表述入射的單色通量或光通量所產生的檢測器的輸出電壓（電流），它的值愈產生的檢測器的輸出電壓（電流），它的值愈大意味著檢測器愈靈敏。大意味著檢測器愈靈敏。熱噪聲熱噪聲 熱噪聲是由載流子無規(guī)則運動造成的。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無關，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。散粒噪聲 散粒噪聲或稱散彈噪聲，即穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。散粒噪聲也屬于白噪聲。信噪比（S/N） 用分貝（用分貝（dBdB）表示：）表示

9、： S/N S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關，入射輻射強，接收面積大，則關，入射輻射強，接收面積大，則S/NS/N就大。但性就大。但性能不一定就好，對兩種光電器件只有在相同信號輻能不一定就好，對兩種光電器件只有在相同信號輻射功率相同情況下才能比較。射功率相同情況下才能比較。 信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數。它是在負載電阻RL上產生的信號功率與噪聲功率比。線性度線性度是描述光電探測器的光電特性或光照特是描述光電探測器的光電特性或光照特性輸出信號與輸入信號保持線性關系的程度。性輸出信號與輸入信號保持線性關系的程度。即在規(guī)定的范圍內，光電探測器的輸

10、出電量正即在規(guī)定的范圍內，光電探測器的輸出電量正比于輸入光量的性能。比于輸入光量的性能。光電探測器線性區(qū)的大小與檢測器后的電子線路光電探測器線性區(qū)的大小與檢測器后的電子線路有很大關系。有很大關系。下限下限一般由光電器件的暗電流和噪聲因素決定，一般由光電器件的暗電流和噪聲因素決定，上限上限由飽和效應或過載決定。由飽和效應或過載決定。工作溫度工作溫度是光電探測器最佳工作狀態(tài)下的溫度。是光電探測器最佳工作狀態(tài)下的溫度。例：例：InSb器件器件工作溫度在工作溫度在300K時，長波限為時，長波限為7.5m，峰，峰值波長為值波長為6m，工作溫度在工作溫度在77K時，長波限為時，長波限為5.5m，峰，峰值波

11、長為值波長為5m。光敏電阻光敏電阻 使用中應注意： 1)當用于模擬量測量時，因光照指數與光照強弱有關，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關系。 2)用于光度量測試儀器時，必須對光譜特性曲線進行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。第三章3)光敏電阻的光譜特性與溫度有關，溫度低時，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。 4)光敏電阻的溫度特性很復雜，電阻溫度系數有正有負，一般說，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時輸出將明顯減小，甚至無輸出。 5)光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數品種能超過1000Hz，而且光電增益與帶寬之積

12、為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為代價。 6)設計負載電阻時，應考慮到光敏電阻的額定功耗，負載電阻值不能很小。 7)進行動態(tài)設計時，應意識到光敏電阻的前歷效應。光敏電阻做成梳狀的原因?光 伏 器 件 利用半導體PN結光伏效應制成的器件稱為光伏器件。 有：光電池、光電二極管、光電三極管、光電場效應管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器(PSD)、光電耦合器等。 光電二極管接法 即用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負載相接。另一種是加反向電壓。 實際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向導電性，而表現(xiàn)不出它的

13、光電效應。a) 不加外電源不加外電源 b) 加反向外電源加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法環(huán)極接法光電晶體管 原理：只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制，和普通晶體管類似，也有電流放大作用。當光照到集電結上時，集電結即產生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產生了一個被放大的電流IcIe(1)Ip，為電流放大倍數。 接法：正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結為反偏置，發(fā)射結為正偏置，集電結為光電結。光電倍增管 光電倍增管由陰極、聚焦極、電子倍增系統(tǒng)(許多倍增極 ，二次電子倍增材材料)和陽極組成。 建立在外光電效應、二次電子發(fā)射效應和電子學建立在外光電效應、二次

14、電子發(fā)射效應和電子學理論基礎上理論基礎上。 發(fā)光二極管加正向偏壓 光電耦合器件-耦合、隔離 光電檢測器件中常用的鹵鎢燈是什么光源？光熱器件 原理：器件吸收入射輻射功率產生溫升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參量的變化，監(jiān)測其中一種性能的變化，來探知輻射的存在和強弱。 熱敏電阻熱敏電阻負溫度系數，負溫度系數，T升高，升高，R下降，靈下降，靈敏度也下降。敏度也下降。測輻射熱計 熱電偶（堆）熱電偶（堆）-物質溫差產生電動勢物質溫差產生電動勢 熱釋電熱釋電-以熱電晶體為電介質的平板電容器。因熱電晶體具有自發(fā)極化性質，自發(fā)極化矢量能夠隨著溫度變化(3)熱敏電阻分類 按材料分：金屬(如金、鎳、鉍等薄膜 )的

15、和半導體(如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等 )的兩種。 金屬的熱敏電阻，電阻溫度系數多為正的，絕對值比半導體的小，它的電阻與溫度的關系基本上是線性的，耐高溫能力較強，所以多用于溫度的模擬測量。 半導體的熱敏電阻，電阻溫度系數多為負的，絕對值比金屬的大十多倍，它的電阻與溫度的關系是非線性的，耐高溫能力較差，所以多用于輻射探測，例如，防盜報警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。 第四章 光電信號檢測電路 靜態(tài)計算-圖解法、解析法 動態(tài)計算 偏置電路和噪聲 前置放大器非線性電路圖解法的分析依據輸出特性（伏安特性）來確定靜態(tài)工作點。而光電器件的伏安特性可分為（1）恒流源型，（2）光伏型，（3）可變電阻型。光電

16、探測器的光電探測器的直流檢測直流檢測偏置電路偏置電路PMT、PD、光電三極管、光電三極管光電池、工作于光電池下的光電池、工作于光電池下的PD光敏電阻、熱敏電阻光敏電阻、熱敏電阻偏置電路的目的：“探測器的偏置”在探測器上加一定的偏流和偏壓使探測器能在電狀態(tài)正常工作，輸出光電信號。恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算圖解計算法 UbU(I)+IRL或 U(I)Ub-IRL 在伏安特性上劃出負載線在伏安特性上劃出負載線Ub-IRL， 由于串聯(lián)回路中流過各回路元件的電流相等，負載線和對應于由于串聯(lián)回路中流過各回路元件的電流相等，負載線和對應于輸入光通量為輸入光通量為o時的器件伏安特性曲線的時的器件伏安特

17、性曲線的交點交點Q即為輸入電路即為輸入電路的的靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點。當輸入光通量由。當輸入光通量由o改變改變+（或（或-）時，在）時，在負載電阻負載電阻RL上會產生上會產生-U（或（或+U）的電壓信號輸出和）的電壓信號輸出和+I（或（或-I）的電流信號輸出。）的電流信號輸出。 光電導探測器工作電路三種特殊偏置方式光電導探測器工作電路三種特殊偏置方式1）恒流偏置）恒流偏置ssLoLoLoLUURRIRRRR當選定，則與無關。即在工作過程中流過探測器的電流是一恒定電流。2）恒壓偏置）恒壓偏置探測器上的偏置電壓與Ro無關，但流過的偏流隨Ro變化。3）恒功率偏置（匹配偏置）恒功率偏置（匹配偏置）LoR

18、R當選定，探測器上的功率基本恒定。穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色光片、電氣屏蔽、電干擾濾波等措施改善或消除。光電信號檢測電路的噪聲來源系統(tǒng)噪聲系統(tǒng)噪聲外部噪聲外部噪聲內部噪聲內部噪聲輻射源的輻射源的隨機波動隨機波動附加的附加的光調制光調制光路傳輸光路傳輸介質湍流介質湍流背景噪聲背景噪聲光電檢測光電檢測器件器件固有噪聲固有噪聲檢測電路檢測電路固有噪聲固有噪聲內部噪聲隨機性大，覆蓋很寬的頻譜范圍。限制提取微弱信號。光電直接檢測系統(tǒng)與光外差檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng)通過什么攜帶信息？相干檢測呢？NEP是什么？莫爾測長儀原理激光測長儀原理激光測長儀原理由激光器對被測目標發(fā)射一個光脈沖，然后接收目標

19、反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經過的時間來測算目標的距離。2/tL c 光外差檢測的基本原理 利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強。 兩束相干光入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場,又稱相干檢測。只有激光才能進行相干檢測。Lsff LLscRPPSP22輸出的中頻功率正比于信號光和本振光功率的乘積。輸出的中頻功率正比于信號光和本振光功率的乘積。輸出信號中包含 的差頻信號,因此稱光外差檢測光外差檢測的空間和頻率條件 空間條件：:兩束光的夾角，l=d：檢測器光敏面線度波長越短或口徑越大，要求相位差角越小，越難滿足要求 頻率條件：要求信號光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。l

20、Lsin信號光與本振光并非平行信號光與本振光并非平行而成一夾角而成一夾角干涉測量基本原理干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的相位調制，從而表現(xiàn)為光強的程而引起對光的相位調制，從而表現(xiàn)為光強的調制調制。測量干涉條紋的變化即可得到被測參量。測量干涉條紋的變化即可得到被測參量的信息的信息。干涉信號的方向判別與計數原理干涉信號的方向判別與計數原理激光多普勒測速原理是：是通過測量激光束的示蹤粒子的多普勒信號，再根據速度與多普勒頻率的關系得到粒子速度。測得了粒子的速度，也就是流動的速度。第7章 光纖傳感器傳光原理傳光原理 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎。當1c時，光線將不再折射入介質2，而在介質(纖芯)內產生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎。NAnnnc222101sin“數值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數。它表示：無論光源發(fā)射功率多大，只有2c張角內的