光電檢測課件整理

1、1光電檢測技術(shù)：是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測。它將被測量的量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動測量。2光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件，將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出。3檢測的定義：確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作4光電探測器的種類：（1）PN結(jié)：PN光電二極管（Si,Ge, GaAs)，PIN光電二極管（Si），雪崩光電二極管(Si, Ge)，光電晶體管(Si)，集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)（2）非PN結(jié)：光電元件(CdS, CdSe, Se, PbS)，熱電元件(PZT, LiTaO3, PbTiO

2、3)（3）電子管類：光電管，攝像管，光電倍增管（4）其他類：色敏傳感器，固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型），位置檢測用元件（PSD）5光電檢測技術(shù)的檢測量：從原理上講可以檢測一切能夠影響光量或光特性的非電量。光量：光通量或光強(qiáng)度。光特性：光波的幅值、頻率、相位、偏振6光電檢測技術(shù)的主要內(nèi)容：光電檢測技術(shù)的主要內(nèi)容是通過光學(xué)系統(tǒng)把攜帶被測信息的非電量信息變換成便于接收的光學(xué)信息，然后用光電探測器將光學(xué)信息變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)電路放大、處理等，達(dá)到輸出的目的。7光電檢測系統(tǒng)的構(gòu)成框圖：其基本組成部分可分為：光源、被檢測對象及光信號的形成、光信號的匹配處理、光電轉(zhuǎn)換、電信號的放大與處

3、理、微機(jī)、控制系統(tǒng)和顯示等部分8光電檢測系統(tǒng)是指對待測光學(xué)量或由非光學(xué)待測物理量轉(zhuǎn)換成的光學(xué)量，通過光電變換和電路處理的方法進(jìn)行檢測的系統(tǒng)三要素：檢測對象、光、光電變換，光電檢測系統(tǒng)三者缺一不可9光是信息傳遞的媒介，它由光源產(chǎn)生。光源與照明光學(xué)系統(tǒng)一起獲得測量所需的光載波，光載波與被測對象同時(shí)作用在光學(xué)系統(tǒng)上而將被測量載荷到光載波上，稱為光學(xué)變換。光學(xué)變換是用各種調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的。光學(xué)變換后的光載波上載荷有各種被測信息，稱為光信息。光信息經(jīng)光電器件實(shí)現(xiàn)由光向電的信息轉(zhuǎn)換，稱為光電轉(zhuǎn)換。10光電檢測系統(tǒng)各部分的功能：（1）光源和照明光學(xué)系統(tǒng)（2）被測對象及光學(xué)變換：（3）光信號的匹配處理（4）

4、光電轉(zhuǎn)換：（5）電信號的放大與處理：主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)對微弱信號的檢測；實(shí)現(xiàn)光信號的穩(wěn)定化（6）存儲、顯示與控制系統(tǒng)：11基本結(jié)構(gòu)形式；1、輻射式：（1、被測物體 2、會聚透鏡 3、光電二極管）例：全輻射測溫：由斯忒藩玻爾茲曼（StefanBoltzman）定律可知，物體的全輻射出射度為：（11）式中：比輻射率，對于某一物體值為常數(shù)斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)；T絕對溫度。在近距離測量時(shí)，可不考慮大氣對輻射的吸收作用，則光電探測器輸出的電壓信號為：式中為光電變換系數(shù)。將（11）代入上式得：2、反射式：（1、光源 2、被測物 3、光電探測器）3、遮擋式（1、光源 2、待檢測物 3、光電探測器）4、透射

5、式：根據(jù)工作原理不同又分為；（1）模擬量信息變換方式（2）模/數(shù)信息變換方式5、干涉式（1光源 2透鏡 3分束器 4反射鏡 5待測物體 6光電探測器）6、衍射式12光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢：非接觸化、小型化、集成化、數(shù)字化、智能化13光電檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：1）非接觸式檢測2）響應(yīng)速度快3）測量精度高4）檢測對象范圍寬。5）遠(yuǎn)距離、大量程。6）具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力，可將復(fù)雜信息并行處理7）壽命長。光電檢測技術(shù)的缺點(diǎn)：(1)由于光電檢測系統(tǒng)中用到光學(xué)元件，容易被沾污，影響光信號的傳輸，必須采取措施，否則使用受限制。（2）外界干擾光影響大。背景光及外干擾光的影響使信噪比變差，但可采取措施減至最小

6、。（3）使用溫度范圍小，不能用在高溫。第一章 輻射度與光度學(xué)-1光度學(xué)與輻射度學(xué)：對光能進(jìn)行定量研究的科學(xué)。2在輻射度單位體系中，輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見光波段。3光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是以電磁波方式傳播的粒子4輻射度的基本物理量：一、輻射能：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻（射）能，用符號Qe表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。二、輻射通

7、量（功率）：輻（射）通量或輻（射）功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率三、輻（射）出（射）度Me Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米Wm2。面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為四、輻射強(qiáng)度：輻射強(qiáng)度是為描述點(diǎn)源輻射功率在空間不同方向上的分布情況而引入的， 對點(diǎn)光源在給定方向的立體角元d內(nèi)發(fā)射的輻通量de，與該方向立體角元d之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率。輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度 Wsr4五、輻（射）亮度：光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即§ ： 式中，

8、為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為 W（sr·m2 ）。5光度量 1. 光能：光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位為流明秒（lm·s）2. 光通量 v的計(jì)量單位為流(明)（lm）3. 光出(射)度 其計(jì)量單位為勒克司lx或lm/m24. 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎cd5.輻(射)亮度和亮度Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米cdm25與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)：1.輻照度與照度 Ee的計(jì)量單位是 Wm2。若輻通量是均勻地照射在物體表面上。對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dv除以該面元面積

9、dA稱為光照度EvEv的計(jì)量單位是勒（克司）lx6輻(射)效率與發(fā)光效率：光源所發(fā)射的總輻射通量e與外界提供給光源的功率P之比稱為光源的輻(射)效率e；光源發(fā)射的總光通量v與提供的功率P之比稱為發(fā)光效率v。它們分別為 輻效率e無量綱，發(fā)光效率v的計(jì)量單位是流明每瓦lm·W-1；對限定在波長12范圍內(nèi)的輻效率e稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量7光度的基本物理量：一、光譜光視覺效率：在引起相同視覺響應(yīng)的條件下，若在l附近所需要的光譜輻射功率為 dFl , 而對l=555nm所需的光譜輻射功率為dF555，則定義光譜視覺效率（視見函數(shù)）二、光視效能：光視效能Kl定義為同一波

10、長下測得的光通量與輻射通量的之比。單位：流明/瓦特（lm/W）通過對標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測定，在輻射頻率540´1012Hz（波長555nm）處，Kl有最大值，其數(shù)值為Km=683lm/W。單色光視效率是Kl用Km歸一化的結(jié)果，其定義為8人眼的視覺靈敏度 ：把波長0.555m的光譜輻射亮度Le,m被其它波長的光譜輻亮度Le,除得的商，定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率V（），即二，把 Le，507nm 與Le,的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率9色溫度是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度第二章 光電檢測用光源 1物體發(fā)光有兩種基本形式：熱輻射與發(fā)光輻射。

11、（一）熱輻射（溫度輻射）：任何高于絕對溫度0K的物體都具有熱輻射，溫度輻射的頻率與強(qiáng)度取決于熱平衡時(shí)的溫度，自然界中的任何物體都是熱輻射體，熱輻射光譜是連續(xù)光譜（二）發(fā)光輻射 ：發(fā)光輻射的產(chǎn)生方法 ：電致發(fā)光（如發(fā)光二極管）、光致發(fā)光（鈉光燈）、化學(xué)發(fā)光（磷氧化發(fā)光）、 熱發(fā)光（鈉在火焰中發(fā)鈉黃光）。 2光源的分類：按輻射來源:自然光源與人工光源. 相位特征:相干光源和非相干光源.發(fā)光機(jī)理:熱輻射光源，氣體發(fā)光光源，固體發(fā)光光源和激光器4光源的基本特性參數(shù)：一、輻射效率和發(fā)光效率 12波長范圍內(nèi) 發(fā)光效率5絕對黑體:若物體在任何溫度下,對任何波長的輻射能的吸收比都等于1,則稱該物體為絕對黑體,

12、簡稱黑體。熱力學(xué)穩(wěn)度T時(shí)，黑體的光譜輻射出射度：稱為普朗克公式h普朗克常數(shù)6.626×10-34 (J·s，k波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23 (J/K)T絕對溫度(K)。（1） 斯特藩-玻耳茲曼公式：黑體的全輻射出射度與黑體的絕對溫度四次方成正比：（2） 維恩位移定律：對于給定溫度T ，黑體的單色輻出度 有一最大值,其對應(yīng)波長為 （3） 黑體最大輻射波長處的輻射出射度6光源的光譜功率分布：線狀光譜，帶狀光譜，連續(xù)光譜，混合光譜7光電檢測常用光源：熱輻射光源（太陽）、氣體放電光源和場致發(fā)光光源。1）白熾燈：白熾燈發(fā)射的是可見光連續(xù)光譜，它是在電源供電下，依靠電能加

13、熱金屬絲使它在真空或惰性氣體中達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)光的器件，因此稱為白熾燈。（熔點(diǎn)高蒸發(fā)率小對可見光的輻射效率高2） 氣體放電光源：定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的光源（熒光燈：具有結(jié)構(gòu)簡單、光效高、發(fā)光柔和、壽命長等優(yōu)點(diǎn)：）。分為：開放式氣體放電光源，封閉式電弧放電光源。3）場致發(fā)光；場致發(fā)光三種形態(tài)：粉末、薄膜和結(jié)型。8LD & LED：LED是 Light Emitting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫，LD是激光二極管的英文縮寫。區(qū)別：1.在工作原理上的差別：LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合發(fā)光，而LD是受激輻射復(fù)合發(fā)光。2.在架構(gòu)

14、上的差別：LD有光學(xué)諧振腔，使產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)振蕩放大，LED沒有諧振腔。  3.效能上的差別 ：LED沒有臨界值特徴，光譜密度比LD低幾個(gè)數(shù)量級，LED匯出光功率小，發(fā)散角大。  相比對LD而言，LED具有其自身特點(diǎn)：不存在臨界值特徴 、不存在型態(tài)配置雜訊 、工作穩(wěn)定且無需溫控 、工作壽命長 、成品率高，價(jià)格便宜。LED發(fā)光機(jī)理及發(fā)光光譜：當(dāng)給發(fā)光二極管的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，外加電場將削弱內(nèi)建電場，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)。由于電子遷移率總是遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此電子由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動的主體。

15、 當(dāng)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，由高能級躍遷到低能級 ，多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象9電子和空穴復(fù)合時(shí)放出能量的大小，即光子的能量，取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg(Eg=E1-E0)，放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長就越短，即例如：GaAs材料的禁帶寬度Eg=1.43eV, 則光輻射波長為普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用于可見光區(qū)。10LED特點(diǎn)：1、工作電壓低，耗電少。2、可通過調(diào)節(jié)電流(或電壓)來對發(fā)光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且響應(yīng)速度快，并可直流驅(qū)動；3、普通光源相比，單色性好4、發(fā)光亮度和發(fā)光效率均較

16、高5、容易與集成電路配合使用,且驅(qū)動簡單6、體積小、重量輕、抗沖擊、耐振動7性能穩(wěn)定11（1）激光器的三要素：1）工作物質(zhì) ：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2) 激勵(lì)源：使原子被激發(fā) 3) 諧振腔：光放大作用 （2）激光的形成方法：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，光學(xué)諧振腔的共振作用，激光形成的閾值條件 （3）激光的特性 ：方向性好，單色性好，相干性好，能量密度大（4）半導(dǎo)體激光器的基本特性：1）激光工作物質(zhì)：直接帶隙半導(dǎo)體材料-砷化稼(GaAs)、砷化銦(InAs)、鋁稼砷(A1xGaAs)、銦磷砷 (InPxAs)等等2) 諧振腔：半導(dǎo)體介質(zhì)的自然解理面構(gòu)成平行平面腔3) 泵浦源：通常采用電壓很低的直流電源 （5）光學(xué)諧振腔

17、的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）3.使激光具有極好的單色性（選頻） 第三章：光電檢測器 1能帶結(jié)構(gòu)：禁帶：允帶之間禁止被電子占據(jù)的范圍。允帶：允許被電子占據(jù)的能帶。滿帶：被電子占滿的內(nèi)層允帶。價(jià)帶：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子。滿帶不導(dǎo)電，未被填滿的價(jià)帶導(dǎo)電。2半導(dǎo)體有關(guān)概念： 1、 半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴。載流子有兩種運(yùn)動方式：擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動：多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動，擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移運(yùn)動：少子向?qū)Ψ狡?稱漂移運(yùn)動，漂移運(yùn)動產(chǎn)生漂移電流。動態(tài)平衡：擴(kuò)散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流=0。PN

18、 結(jié)：穩(wěn)定的空間電荷區(qū)又稱高阻區(qū)也稱耗盡層3光電效應(yīng)：光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類1）內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特（光伏）效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等2）而被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。3）外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為 4雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓增高時(shí)少子獲得能量高速運(yùn)動，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離形成連鎖反應(yīng)象雪崩一樣，使反向電流激增5半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱

19、為本征吸收。61）發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg發(fā)生本征吸收的光波長波限2）雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)吸收的長波限7半導(dǎo)體對光的吸收：1本征吸收，2.雜質(zhì)吸收3. 激子吸收4. 自由載流子吸收5. 晶格吸收。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)8內(nèi)光電效應(yīng)1. 光電導(dǎo)效應(yīng)(多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)) ：在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。1. 光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料吸收光輻射而產(chǎn)生光生載流子從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 光電導(dǎo)弛豫過程：光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定

20、時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。1)光敏層單位時(shí)間所吸收的量子數(shù)密度Ne,應(yīng)為 2）半導(dǎo)體材料在弱輻射作用下的光電導(dǎo)靈敏度Sg9光電發(fā)射效應(yīng)：對于價(jià)帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為 光電發(fā)射長波限為 10光檢測器件的分類：根據(jù)工作機(jī)理不同分為：光電探測器和熱電探測器11光檢測器件的特點(diǎn)：光電器件：響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)。響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時(shí)間短。熱電器件：響應(yīng)波長無選擇性，對可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)慢，一般為幾毫秒12光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材

21、料的性質(zhì)發(fā)生變化熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起介質(zhì)表面電荷變化的現(xiàn)象。輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流（熱敏電阻，熱電偶和熱釋電探測器）13光電轉(zhuǎn)換定律：光子入射到光電探測器上所產(chǎn)生的光電流，如果光子能量大于探測器材料的禁帶寬度，在觀察時(shí)間Dt內(nèi)，它產(chǎn)生的平均光電子數(shù)為N，則根據(jù)量子理論分析的結(jié)果，N 與入射的平均光輻射能量成正比，即而入射的瞬時(shí)光輻射能量為：式中，P(t)是光輻射的瞬時(shí)功率。光電探測器輸出的平均光電流表達(dá)式：14光電探測器的主要特性參數(shù)：判斷光電探測器

22、的優(yōu)劣的指標(biāo)，以及根據(jù)特定的要求恰當(dāng)?shù)剡x擇探測器的依據(jù)： 在工作波長上具有高的響應(yīng)度 具有快的響應(yīng)速度 具有低的噪聲 具有良好的線性關(guān)系 具有體積小、工作壽命長等15光電探測器的量子效率，即單位時(shí)間內(nèi)探測器傳輸出的光電子數(shù)與入射到探測器表面的光子數(shù)之比；1量子效率（2）光譜靈敏度：如果把光功率P換成波長可變的光功率譜密度Pl ，則由于光電探測器的光譜選擇性，在其他條件不變的情況下，光電流（或光電壓）將是光波長的函數(shù)，記為Il（或Ul），于是光譜靈敏度定義為：SI ()Il /dPl SU()Ul /dPl （3）頻率靈敏度Sf：如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，則在其他條件不變的情況下，光電流If將隨調(diào)

23、制頻率f的升高而下降。這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度Sf ，定義為：4 響應(yīng)時(shí)間5等效噪聲功率和探測率：如果入射到探測器上的光功率或輻通量按某一頻率變化，當(dāng)探測器輸出信號電流Is (或電壓Vs)等于噪聲的均方根電流(或電壓)時(shí)，所對應(yīng)的入射光功率P或輻通量e稱為等效噪聲功率NEP。探測率D=1/NEP 6線性度 16光電檢測系統(tǒng)的噪聲來源：（1）光子噪聲包括：A.信號輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲2）電子噪聲：（探測器）包括：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生復(fù)合噪聲；1/f 噪聲；溫度噪聲（3）電路噪聲：信號放大及處理17（1）熱噪聲(又稱電阻噪聲或白噪聲)：凡有功耗電阻的元件都有熱噪聲，它來源于電

24、阻內(nèi)部自由電子或電荷載流子的不規(guī)則的熱運(yùn)動。熱噪聲與溫度T成正比；與測量儀器的電子帶寬f成正比，與頻率無關(guān)。熱噪聲均方電流In2和熱噪聲均方電壓Vn2分別由下式?jīng)Q定：In24KTf/R Vn24KTf.R （2）散粒噪聲：一種由電子或光生載流子的粒子性所引起的噪聲。散粒噪聲由下式?jīng)Q定：In22eif 式中：i為器件輸出平均電流（3）產(chǎn)生復(fù)合(G-R)噪聲（4）1/f噪聲（電流噪聲）因?qū)щ娫?nèi)微粒的不均勻性和不必要的微量雜質(zhì)存在，當(dāng)電流流過時(shí)，在元件微粒間發(fā)生微火化放電而引起的微電爆脈沖就是1/f噪聲的起源。1/f噪聲的經(jīng)驗(yàn)公式為: (=0.8-1.3）18光導(dǎo)型檢測器：（4）雜質(zhì)型：雜質(zhì)型光

25、電導(dǎo)效應(yīng)則是能量足夠大的光子使施主能級中的電子或受主能級中的空穴躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶，從而使電導(dǎo)增加。此時(shí)長波限由雜質(zhì)的電離能Ei決定，因?yàn)镋i <<Eg，所以雜質(zhì)型光電導(dǎo)的長波限比本征型光電導(dǎo)的要長得多。工作性能特點(diǎn)：1）光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢姽?、紅外、遠(yuǎn)紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安2所測光電強(qiáng)度范圍寬，既可測弱光，也可測強(qiáng)光3）靈敏度高，光電增益可以大于1。4）無選擇極性之分，使用方便。缺點(diǎn)：強(qiáng)光下光電線性度較差，弛豫時(shí)間過長，頻率特性差。需要外部電源，有電流時(shí)會發(fā)熱。19光敏電阻：光敏電阻在弱光輻射下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比 ，在強(qiáng)輻射作用下

26、Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。2) 光敏電阻的光電特性和光照指數(shù)式中，Sg是光電導(dǎo)靈敏度，與光敏電阻材料有關(guān)；U為外加電源電壓；為入射光通量；E為入射光照度。g為0.51之間的系數(shù)，弱光照射時(shí)，g 1，Ip與有良好的線性關(guān)系，即線性光電導(dǎo)；強(qiáng)光照射時(shí)，g 0.5，即拋物線性光電導(dǎo)。20光敏電阻的主要特性：1）光電導(dǎo)增益：一個(gè)自由載流子的壽命與該載流子在光敏電阻兩極間的有效渡越時(shí)間之比，即A=t /tdr式中，A為光電導(dǎo)增益；為器件的時(shí)間響應(yīng)；tdr為載流子在兩極間的渡越時(shí)間（1載流子的平均壽命大于有效渡越時(shí)間，增益就可大于1。2提高載流子壽

27、命，減小電極間的間距L，適當(dāng)提高工作電壓Ub，對提高A值和響應(yīng)度有利3如果L減得太小，使受光面太小，也是不利的，一般A值可達(dá)103數(shù)量級。4電極做成梳狀，既增大面積，又減小電極間距，從而減小渡越時(shí)間。）2）光譜響應(yīng)率：光譜響應(yīng)率表示在某一特定波長下，輸出光電流（或電壓）與入射輻射能量之比，輸出光電流I：響應(yīng)率S：光敏電阻的時(shí)間特性與頻率特性：在忽略外電路時(shí)間常數(shù)的影響時(shí)，響應(yīng)時(shí)間等于光生載流子的平均壽命。增大可提高器件的響應(yīng)率，但器件的響應(yīng)時(shí)間卻增加，影響器件的高頻性能21基本偏置電路；(一）基本偏置電路：(a)原理電路( b)交流變換微變等效電路(c)伏安特性曲線（電路圖解）曲線. 恒流偏置

28、：若負(fù)載電阻RL比光敏電阻RP大得多，即RL>>RP，則負(fù)載電流IL為IL=Ub/RL這表明負(fù)載電流與光敏電阻值無關(guān)，并且近似保持常數(shù)，這種電路稱為恒流偏置電路。隨輸入光通量的變化，負(fù)載電流的變化IL變?yōu)镈IL=SgUb(RP/RL)2D. 恒壓偏置: 當(dāng)負(fù)載電阻RL比光敏電阻RP小得多，即RL<<RP時(shí)，負(fù)載電阻兩端的電壓為UL 0此時(shí)，光敏電阻上的電壓近似與電源電壓相等。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱為恒壓偏置，信號電壓變?yōu)镈UL=SgUbRLD 式中，SgG是光敏電阻的電導(dǎo)變化量，是引起信號輸出的原因。（4）電橋式偏置電路: 當(dāng)有光照射到光敏電阻RT1上時(shí)，

29、光通量變化引起電阻的改變?yōu)? RT1=R01+DR 式中，R01為光敏電阻RT1的暗電阻 此時(shí)電橋平衡破壞，開路電壓U0為: 在弱光作用下有R<<R01R1，取R1R2R，R01R02R0，則有：輸出電壓U0與光敏電阻的變化量R成比例，并與補(bǔ)償臂負(fù)載電阻R有關(guān)，令dU0/dR0，可計(jì)算出當(dāng)RR0時(shí)，U0取最大值為光生伏特效應(yīng)1半導(dǎo)體P-N結(jié)：無光照P-N結(jié)無光照流過PN結(jié)的電流方程：有光照無偏壓流過PN結(jié)的電流方程流過p-n結(jié)的總電流是兩者之差： 有光照反偏壓流過PN結(jié)電流方程I=Is0(eqU/KT-1)- Ip2光電池：光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，即太陽

30、能電池結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。原理：當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢?？僧a(chǎn)生0.2V0.6V電壓50mA電流。3光電池的特性參數(shù)：光照特性：包括伏安特性、照度-電流電壓特性和照度-負(fù)載特性光譜特性：取決于材料，硒光電池峰值在500nm附近，硅光電池800nm附近頻率特性：（1）要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻（2）光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。溫度特性：開路電壓與短路電流隨

31、溫度變化的關(guān)系4光電二極管和光電三極管：（1）二極管1）硅光電二極管通常工作在反偏置條件下，即光電導(dǎo)工作模式2）硅光電二極管也可工作在零偏置狀態(tài)，即光伏工作模式。光電二極管的類型：硅、鍺、PIN、APD。工作原理：光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，有光照時(shí)，PN結(jié)處產(chǎn)生光生電子空穴對，在電場作用下形成光電流，光照越強(qiáng)光電流越大，光電流方向與反向電流一致。（2）雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管（100200V）（3）光電三極管：光電三極管的工作原理：工作過程：一、光電轉(zhuǎn)換；二、光電流放大。5（1）CCD的分類：（

32、Charge Coupled Device ，感光耦合組件簡稱）從信號傳輸方式上分：全幀傳輸CCD、隔行傳輸CCD兩種。從濾鏡類型來分：原色CCD和補(bǔ)色CCD。從感光單元形狀和排列方式來分：普通CCD和 超級CCD。（1）CCD的組成結(jié)構(gòu)：CCD 的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。（2）彩色CCD的原色原理：CCD有兩種分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一個(gè)則是 CMYG補(bǔ)色分色法（3）CCD的工作原理：新的CCD一般都是逐行掃描的（4）CCD ISO 感光能力電極暗電流定義：暗電流是指在沒有入射光的情況下CCD所仍具有之電荷量，理想的CCD其

33、暗電流應(yīng)該是零，但部分游離電荷會殘存在電極之間（5）CCD的漏光排斥比的物理含義是什么？：由于CCD傳感器的缺陷，進(jìn)入CCD傳感器的強(qiáng)光 將會穿透抵抗層產(chǎn)生過度的影像， CCD攝像機(jī)抵抗強(qiáng)光的能力稱為漏光排斥比6光電子發(fā)射探測器：（1）光子探測器，輸出光電流M光電增益 （2）PMT：常用的光電陰極材料。金屬：反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適應(yīng)對紫外靈敏的光電探測器。半導(dǎo)體：光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多光譜響應(yīng)：可見光和近紅外波段。常規(guī)光陰極EA>0 二次電子發(fā)射系數(shù): 隨Ep增大而增大Epmax約為1001800eV 工作原理: 1）.光子透過

34、入射窗口入射在光電陰極上; 2).光電陰極上的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中3).光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增極倍增后，光電子就放大N次；經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極收集，形成陽極光電流。高壓供電電路分壓電阻的確定：說明：i. 第一級對陰極電流形成影響最大,高出2030Vii. 中間級均勻分配iii. 最后一級,要高,克服空間電荷區(qū)的影響.高壓供電電路并聯(lián)電容的確定：探測光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn)最后幾級并聯(lián)旁路電容C1、C2、C3。 PMT使用注意事項(xiàng)：1)使用前應(yīng)了解器件的特性&#

35、160;  2)使用時(shí)不宜用強(qiáng)光照3)工作電流不宜過大。4)用來測量交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜很大5）用運(yùn)算放大器作倍增管輸出的電流-電壓轉(zhuǎn)換，可以獲得較好的頻率響應(yīng)和線性。第四章1光學(xué)系統(tǒng)的焦深和景深（1）成像面相對于理想像面前后移動，像仍比較清晰的范圍。把這段距離叫作焦深，表示為式中 n 像方折射率；F 光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)；l 探測光輻射的波長與焦深相對應(yīng)的物空間中。物移動某一距離x，只要其像面移動不超過 焦深7角反射器與極性分析器。1. 角反射器（1）三種角反射器的結(jié)構(gòu)：正方形側(cè)，45度直角三角形側(cè)面，半徑為r的圓形孔徑2. 極性分析器：極性分析器在某些使用場合有時(shí)叫做輻射通

36、量分離器，用于確定離軸量。類型：四錐面輻射分離器，光纖輻射分離器第五章1 光信號調(diào)制的概述1.光載波的特征參數(shù) 人眼和探測器起作用的是光波的電場強(qiáng)度 特征參數(shù)：光強(qiáng)、振幅、頻率、相位，偏振方向、傳播方向。將信息直接加載到光載波上的調(diào)制，稱為一次調(diào)制 人為地按確定的規(guī)律變換載波信號，稱為二次調(diào)制 2光信號調(diào)制的概述：1. 調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制 例：利用調(diào)制光測量液體濃度 一次調(diào)制：液體濃度（信息）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制二次調(diào)制：調(diào)制盤（確定時(shí)間規(guī)律）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制為3光信號調(diào)制的基本原理：以光信號的強(qiáng)度（輻通量）調(diào)制為例討論，適用于光波的振幅、相位和頻率等參數(shù)的調(diào)制 （1）模擬調(diào)制又稱為連續(xù)波調(diào)

37、制振幅調(diào)制(AM) ，頻率調(diào)制(FM) 相位調(diào)制(PM) 1.振幅調(diào)制(AM) 2.頻率調(diào)制(FM) -頻率調(diào)制指數(shù) mf >1 寬帶調(diào)頻，mf <<1窄帶調(diào)頻 。（1）mf <<1窄帶調(diào)頻 調(diào)頻波帶寬B=2(f + F )=2(mf+1)F 4光信號強(qiáng)度的調(diào)制：可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制典型的方法：1. 輻射源調(diào)制 2. 機(jī)電調(diào)制3. 光電子調(diào)制。1.輻射源調(diào)制 ：改變輸入電流來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)制。1)半導(dǎo)體激光器調(diào)制調(diào)制頻率40GHz 2發(fā)光二極管調(diào)制調(diào)制頻率100MHz 。半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制：2. 機(jī)電調(diào)制：1)調(diào)制盤調(diào)制：最基本的作用：恒定的輻通量周期性輻通量a 用調(diào)制盤抑制背景噪聲b 用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波c 用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位2)光柵調(diào)制：光柵是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反射率等）的光學(xué)元件計(jì)量光柵：空間周期P>>衍射光柵：空間周期P光柵莫爾條紋：原理：兩光柵移動，莫爾條紋移動，光通量明暗交替變化，光柵位移信息光強(qiáng)信號3光電子調(diào)制：(1) 電光效應(yīng)：是指某些晶體在電場作用下具有的雙折射效應(yīng)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場強(qiáng)度有關(guān)。泡克