光電檢測技術(shù)概述

1、光電檢測技術(shù)概述第1頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一講座內(nèi)容 什么是光電檢測 光電檢測的基本原理及特點 典型的光電轉(zhuǎn)換器件 光敏器件的基本特性參數(shù) 光電檢測技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢第2頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一什么是光電檢測光不僅傳輸能量，也是信息的載體光通信光纖傳感光譜生物發(fā)光第3頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一什么是光電檢測光電轉(zhuǎn)換電信號處理信息獲取利用光電傳感器實現(xiàn)各類檢測。將被測量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電信號，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成信息獲取。信號光電信號被測物探測光光調(diào)制（波長、幅度、相位）采集

2、、放大、濾波、解調(diào)、A/D、接口等光敏器件光電效應(yīng)信號分析第4頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光電檢測的基本原理及特點光電效應(yīng)光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光生電動勢等。這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)第5頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時，會

3、在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。光電檢測的基本原理及特點第6頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一高精度：從地球到月球激光測距的精度達到1米。高速度：以光速傳播。遠距離、大量程：遙控、遙測和遙感。非接觸式檢測：不改變被測物體性質(zhì)的條件下進行測量。壽命長：光電檢測中通常無機械運動部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準確度高，對被測物無形狀和大小要求。光電檢測的基本原理及特點光電檢測技術(shù)的特點第7頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件 光敏電阻 光電二極管 光電倍增管 電荷耦合器件第8頁，共46頁，2022年，5月20日，17點

4、41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件一、光敏電阻光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。 黑暗條件下，阻值1M100M歐強光條件下，阻值幾百到數(shù)千歐光敏電阻實物圖第9頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一入射光典型的光電轉(zhuǎn)換器件光敏電阻的結(jié)構(gòu)在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。工作原理黑暗環(huán)境里，電阻值很高。當受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電的空穴，形成電子空穴對。

5、半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目增加，使其電阻率變小，從而造成阻值下降。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，阻值也恢復(fù)原值。 第10頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件光敏電阻的特點 光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）； 偏置電壓低，工作電流大； 動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光； 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高； 無極性，既可加直流電壓，也可加交流電壓； 在強光照射下，光電響應(yīng)線性度較差 光電馳豫時間較長，頻率響應(yīng)較差。第11頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏電阻可廣泛應(yīng)用于照相機，驗鈔機，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你

6、小夜燈，光控開關(guān)，路燈自動開關(guān)以及各種光控玩具，光控燈飾，燈具等光自動開關(guān)控制領(lǐng)域。 照明燈自動控制電路K220V燈常閉CdS典型的光電轉(zhuǎn)換器件光敏電阻的應(yīng)用光暗時，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮時，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。例：照明燈自動開關(guān)控制第12頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件 光電二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。 與普通二極管一樣有一個PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。結(jié)構(gòu)不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通

7、二極管大得多，電極面積則盡量小。 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺一般小于1微米。二、光電二極管光電二極管實物圖第13頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管工作原理 光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。 當有光照時，光子進入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對，稱為光生載流子。 光生載流子在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大，從而實現(xiàn)電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。第14頁，共46頁，

8、2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管的特點 大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子空穴在耗盡層復(fù)合機會少，提高了光敏二極管的靈敏度。 大反偏壓的施加，結(jié)電容減小，提高了器件的頻響特性。因此，光敏二極管具有體積小，靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點，同時光譜響應(yīng)覆蓋可見到近紅外區(qū)，被廣泛應(yīng)用于光電檢測。第15頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件三、光電倍增管光電倍增管是將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件。由光陰極、倍增極和陽極構(gòu)成。 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖光電倍增管實物圖 K為光陰極，由光敏材料制成，如鎵砷化物、銦砷

9、化鉀等； D1，D2，Dn為倍增級（打拿級），打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等 ； A為陽極；R為分壓電阻；-VH為偏置負高壓。 第16頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件待測光照射由光陰極K，光陰極以一定的概率（量子效率）釋放電子。光陰極釋放的電子在負高壓驅(qū)動下加速撞擊第一倍增級D1（打拿級），濺射出數(shù)量更多的二次電子。依此類推，前一個倍增級發(fā)出的次級電子在電壓驅(qū)動下加速撞擊下一個倍增級，產(chǎn)生更多的次級電子，實現(xiàn)信號的放大。陽極A接收最后一個倍增級發(fā)出的電子，轉(zhuǎn)換為電流或電壓。通常情況下，電流或電壓的大小與光信號的強弱成正比，從而實

10、現(xiàn)弱光的探測。 光電倍增管的工作原理示意圖第17頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件對于不同強度的光信號，光電倍增管輸出的電信號的形式可分為以下兩種情況： 一般光照下光電倍增管輸出信號示意圖 弱光條件下光電倍增管輸出信號示意圖 電平測量光子計數(shù)測量第18頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件光電倍增管的特點 增益高，增益可達104108； 暗噪聲低，小于20電脈沖/秒； 響應(yīng)快，一般為120ns； 光譜覆蓋范圍廣，200nm1200nm。光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高得多，可實現(xiàn)微弱光信號的檢測，被廣泛應(yīng)用于冶金

11、、電子、機械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。 第19頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件四、電荷耦合器件（CCD） CCD一般作為圖像傳感器應(yīng)用，可方便地將光學(xué)影像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。 CCD的突出特點：是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。 CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。 CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。第20頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件CCD的基本結(jié)構(gòu)CCD的受光面上整齊排列（一維

12、或二維）著大量微小的光敏元件，元件之間彼此獨立，每個光敏元件稱為一個像素。對應(yīng)于每一個光敏元件（像素），都存在一個獨立的電荷存儲、轉(zhuǎn)移和輸出通道，其結(jié)構(gòu)如下圖：光敏元件第21頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件CCD的工作原理CCD的工作包括電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出四個部分。1、電荷的產(chǎn)生當光照射CCD時，通過光敏元件的光電效應(yīng)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，電荷產(chǎn)生。第22頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一2、電荷的存儲 在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。 加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗

13、盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。 當UG Uth時，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。 反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。典型的光電轉(zhuǎn)換器件第23頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件 第一個電極保持10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。 若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的

14、勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。電荷轉(zhuǎn)移示意圖3、電荷的轉(zhuǎn)移第24頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件在CCD轉(zhuǎn)移柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚瑢崿F(xiàn)電荷的定向傳輸。3、電荷的轉(zhuǎn)移4、電荷輸出利用輸出二極管和外接電路，將電荷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵?。?5頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件 體積小，重量輕，功耗低，啟動快，可靠性高，壽命長。 空間分辨率高，可以獲得很高的定位精

15、度和測量精度。 光電靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)范圍寬，紅外敏感性強，信噪比高。 高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有1520的殘象) 集成度高 可用于非接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。 有抗過度曝光性能。 有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計算機結(jié)合接口。CCD的特點第26頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一典型的光電轉(zhuǎn)換器件CCD的應(yīng)用線陣CCD面陣CCDCCD在工業(yè)、軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如在方位測量、遙感遙測、圖像制導(dǎo)、圖像識別等方面更呈現(xiàn)出其高分辨力、高準確度、高可靠性等突出優(yōu)點。用于掃描儀用于數(shù)碼相機第27頁，共46頁，2022年，5月20日，17點

16、41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù) 響應(yīng)特性 噪聲特性 量子效率 線性度 工作溫度第28頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)一、響應(yīng)特性1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率電壓響應(yīng)率 光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率 光電探測器件輸出電流與入射光功率之比第29頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)一、響應(yīng)特性2、光譜響應(yīng)度：響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的。探測器在波長為的單色光照射下，輸出

17、電壓或電流與入射的單色光功率之比。3、響應(yīng)時間：響應(yīng)時間是描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。 上升時間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。 下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。第30頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)一、響應(yīng)特性4、頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。光電探測器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系其中，S(f)是調(diào)制頻率為f 時的響應(yīng)率； S0是調(diào)制頻率為零時的響應(yīng)率； t = RC是時間常數(shù)。當調(diào)制頻率增大， S(f)下降到0.707 S0

18、時，對應(yīng)的頻率為上限截止頻率。由于光電探測器信號產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對光電探測器的響應(yīng)會有較大的影響。第31頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)二、噪聲特性1、光電探測器常見噪聲(1) 熱噪聲：即載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲。熱噪聲是白噪聲，存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無關(guān)。(2) 散粒噪聲：由隨機入射到光探測器表面的光子，隨機逸出光陰極表面的光電子，隨機通過PN結(jié)區(qū)的載流子所引起。散粒噪聲也具有白噪聲特性，在大多數(shù)光電探測器中具有支配地位。 第32頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光

19、敏器件的基本特性參數(shù)(3) 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：在平衡狀態(tài)時，載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)存在起伏，這引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，形成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。(4) 1/f 噪聲或低頻噪聲：低頻噪聲的功率近似與頻率成反比，多數(shù)器件的1/f 噪聲在200300Hz以上已衰減到可忽略不計。二、噪聲特性1、光電探測器常見噪聲第33頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)二、噪聲特性2、信噪比信噪比是判定噪聲大小的重要參數(shù)，是負載電阻上信號功率與噪聲功率之比：若用分貝（db）表示，為第34頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分

20、，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)二、噪聲特性3、噪聲等效功率(NEP)信噪比為1（SNR=1）時，入射到探測器件上的輻射通量（單位為瓦）。一般一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。第35頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)二、噪聲特性4、探測率與歸一化探測率探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)由于NEP與檢測元件的面積Ad和放大器帶寬f 乘積的平方根成正比，為排除這個因素，定義歸一化探測率D*D*與探測器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。第36頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特

21、性參數(shù)三、量子效率()量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子（=1），但實際上， 1。量子效率與光譜響應(yīng)度S(f)和光子能量成正比，是一個微觀參數(shù)，其值愈高愈好。第37頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)四、線性度線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個范圍為線性區(qū)。在光電檢測中，需確保輸入的信號強度處于探測器的線性區(qū)，以保證測量的準確度。第38頁，共46頁，2022年，5月20日，17點41分，星期一光敏器件的基本特性參數(shù)五、工作溫度工作溫度就是指光電探測器最佳工作狀態(tài)時的溫度。光電探測器在不同溫度下，性能會有變化。例如，半導(dǎo)體光電器件的長波限和峰值波長會隨溫度而變化；熱噪聲會隨溫度的