《光電檢測技術(shù)》全

第一章

光電檢測技術(shù)概論光電檢測系統(tǒng)的基本組成：3）光學(xué)變換：光載波與被測對象相互作用而將被測量載荷到光載波上，稱為光學(xué)變換。1）光源：產(chǎn)生信息傳遞的媒介——光。2）光學(xué)系統(tǒng)：對光線傳播方向等作處理以適應(yīng)要求。光學(xué)變換是用各種調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的。使用各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，如平面鏡、光狹縫、光楔、透鏡等，實(shí)現(xiàn)將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等）。能源與動(dòng)力工程學(xué)院光電檢測系統(tǒng)的組成6）控制、存儲(chǔ)、顯示部分。7）被測對象與被控對象4）光電轉(zhuǎn)換：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。用各種光電變換器件來完成的，如光電檢測器件、光電攝像器件等。5）電信息處理：用各種電信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)解調(diào)、濾波、整形、判向、細(xì)分等，或送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算。光學(xué)變換與光電轉(zhuǎn)換是光電測量的核心部分。能源與動(dòng)力工程學(xué)院三、光電檢測系統(tǒng)的組成3）遠(yuǎn)距離、大量程。1）高精度。2）高速度。能源與動(dòng)力工程學(xué)院五、光電檢測技術(shù)特點(diǎn)4）非接觸測量。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。5）壽命長。光輻射的光度學(xué)基礎(chǔ)光電檢測系統(tǒng)中的常用光源光電檢測常用器件的工作原理和特性光電檢測電路設(shè)計(jì)光束的調(diào)制與掃描能源與動(dòng)力工程學(xué)院七、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容第二章

光輻射的光度學(xué)基礎(chǔ)二、與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度學(xué)參數(shù)：1、光能：光能：ＱV定義：也叫光量，光在可見光范圍內(nèi)輻射的光的能量。單位：流明·秒（lm·s）能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.1輻射量和光學(xué)量及其單位2、光通量：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量的多少，光通量：Φv公式：Φv=dQv/dt

單位：lm（流明）2.1輻射量和光學(xué)量及其單位面光源單位元表面內(nèi)向外所發(fā)射的光通量3、光出射度：光出射度:Mv公式：Mv=dΦV/dＡ發(fā)光均勻：Mv=Φv/Ａ單位：lm/m2（流明/平方米）＝勒克司lx能源與動(dòng)力工程學(xué)院4、輻射強(qiáng)度與發(fā)光強(qiáng)度：(1)立體角：

整個(gè)空間：▲單位：以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，如果錐面在圓球上所截出的面積為r2,則該立體角為1個(gè)球面度（sr）.

▲定義:一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含的空間。能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.1輻射量和光學(xué)量及其單位（sr）（3）發(fā)光強(qiáng)度：點(diǎn)光源①定義:點(diǎn)光源在給定方向上的立體角元內(nèi)發(fā)射的光通量③單位:坎德拉(cd),1cd=1lm/Sr②定義式:均勻輻射:能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.1輻射量和光學(xué)量及其單位光亮度ＬV：發(fā)光強(qiáng)度dIV與面元dA在垂直于發(fā)光強(qiáng)度方向平面上的投影面積之比。定義式:單位:cd/m2能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.1輻射量和光學(xué)量及其單位光照度Ev:被照物體單位元表面入射或獲得的光通量的多少照度流明面積(m2)單位:lx（勒克斯)定義式:光通量均勻分布:能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.1輻射量和光學(xué)量及其單位2.1輻射量和光學(xué)量及其單位2、輻照量與嚗光量：輻照量He:將照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時(shí)間t內(nèi)的積分單位:J/m2定義式:均勻輻射:嚗光量HV:將照射到物體表面某一面元的照度EV在時(shí)間t內(nèi)的積分定義式:均勻輻射:

單位:lx·s能源與動(dòng)力工程學(xué)院參數(shù)小結(jié)：1、光源有關(guān)：光能通量出射度強(qiáng)度亮度2、接收器有關(guān)：照度曝光量3、這些參數(shù)都與波長有關(guān)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.1輻射量和光學(xué)量及其單位一、余弦定律:1、照度的余弦定律

不隨傳播距離而變化

任意表面上照度隨該表面法線與輻射能傳播方向的夾角余弦而變化。能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.3光度學(xué)基本定律如果發(fā)光面或漫射面的亮度不隨方向而改變，則有:

在θ方向上：

2、光強(qiáng)余弦定律

朗伯表面在某方向輻射光強(qiáng)隨該方向和表面法線之間夾角余弦而變化。

在法線方向上：

能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.3光度學(xué)基本定律二、亮度守恒定律:能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.3光度學(xué)基本定律光束在同一種介質(zhì)中傳播時(shí)，若傳輸過程中無能量損失，則光能在傳輸?shù)娜我獗砻媪炼认嗟取?/p>

能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.3光度學(xué)基本定律面積為dA的照度E為:

在垂直dA

方向上的光強(qiáng)為:三、照度與距離平方反比定律:垂直于光線傳播方向的被照元表面的照度與光強(qiáng)成正比，而與光源到被照元表面的距離平方成反比能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.3光度學(xué)基本定律第三章

光電檢測系統(tǒng)中的常用光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院1、光源：一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，都稱為光源。（1）天然光源：自然界中存在的，如太陽、恒星等2、按照發(fā)光機(jī)理分類：熱輻射光源氣體放電光源金屬鹵化物燈電致發(fā)光光源激光器（2）人造光源：人為將各種形式的能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.1光源的基本參數(shù)1、發(fā)光效率：在給定的波長范圍內(nèi)，某一光源所發(fā)出的光通量ΦV與產(chǎn)生該光通量所需要的功率Pi之比.單位：流明每瓦可見輻射通量在輸入功率中所占比例：光源在可見光區(qū)光譜能量分布系數(shù)：能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、壽命：燈及其電源的無故障工作時(shí)間全壽命：到不能工作時(shí)間平均額定壽命：當(dāng)有一半的燈不能工作時(shí)有效壽命：光強(qiáng)下降到初始值的0.7時(shí)能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.1光源的基本參數(shù)3、光譜功率譜分布：光源輸出功率與光譜的波長關(guān)系常見的光譜功率分布有四種型式：線狀光譜：有若干條明顯分隔的細(xì)線組成；帶狀光譜：由分開的譜帶組成,譜帶又包含許多譜線；連續(xù)光譜：譜線連成一體；復(fù)合光譜：由以上三種光譜混合而成。能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.1光源的基本參數(shù)4、空間光強(qiáng)分布：（1）許多光源的發(fā)光強(qiáng)度在各個(gè)方向是不同的。（2）若在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強(qiáng)度相同的點(diǎn)連線，就得到該光源在該截面的發(fā)光強(qiáng)度曲線，稱為配光曲線；（3）HG500型發(fā)光二極管的配光曲線。（4）為提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.1光源的基本參數(shù)5、光源光輻射的穩(wěn)定性：光源出射光的功率或者頻率保持隨時(shí)間不變的能力直接檢測光功率：相干檢測：穩(wěn)頻光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.1光源的基本參數(shù)6、光源的色溫和顯色性：（1）輻射本領(lǐng)：a.溫度輻射：任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射；b.輻射本領(lǐng)：輻射體表面在單位面積表面單位波長間隔內(nèi)所輻射的通量c.吸收率：在波長λ到λ+dλ

間隔內(nèi)被物體吸收的通量與入射通量之比，即：能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.1光源的基本參數(shù)d.黑體：能夠完全吸收從任何角度入射的任意波長的輻射，并且在每一個(gè)方向上都能最大限度地發(fā)射任意波長輻射能的物體，α＝1，發(fā)射系數(shù)也為1。（2）光源色溫：a.色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫b.相關(guān)色溫：光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.1光源的基本參數(shù)3.2熱輻射光源1、太陽光：直徑約為1.392×109m的光球，到地球的年平均距離是1.496×1011m復(fù)色光——平行光源，隨大氣層、海平面不同而不同；太陽光的照度值在不同光譜區(qū)所占百分比是不同的，紫外區(qū)（λ<0.38微米）約占6.46%；可見光區(qū)（0.38微米<λ<0.78微米）占46.25%

紅外光區(qū)（λ>0.78微米）占47.29%。能源與動(dòng)力工程學(xué)院2.白熾燈——第一代光源：（1）原理：靠電能將燈絲加熱至白熾而發(fā)光。（熔點(diǎn)高、蒸發(fā)率小、可見光區(qū)發(fā)射效率高）（2）真空鎢絲燈：將玻璃燈泡抽成真空，鎢絲被加熱到2300～2800K時(shí)發(fā)出復(fù)色光，發(fā)光效率約為10lm/W（3）充氣燈泡：燈泡內(nèi)充氬、氮等惰性氣體，抑制鎢的蒸發(fā)，延長燈的壽命，工作溫度提高到2500～2800K，發(fā)光效率約為17lm/W。3.2熱輻射光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院（4）燈絲的尺寸：電壓燈絲長度電流燈絲直徑白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)（電流、功率、壽命和光通量）影響關(guān)系：能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.2熱輻射光源3.鹵素?zé)簦簾襞輧?nèi)充有鹵族元素（碘、溴、氯、氟等）溫度：2400-3250oC,發(fā)光效率：20-35流明每瓦3.2熱輻射光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院立式碘鎢燈復(fù)印機(jī)用鹵素?zé)艚Y(jié)構(gòu)示意圖能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.2熱輻射光源1、氣體放電原理：（1）將氫、氦、氘、氙、氪或者金屬蒸汽（汞、鈉、硫等）充入燈中，在電場等作用下激勵(lì)出電子。（2）當(dāng)電子向陽極運(yùn)動(dòng)，其已經(jīng)從電場中獲得能量，當(dāng)它們與氣體原子碰撞時(shí)，能量轉(zhuǎn)交給原子使其激發(fā)。（3）受激原子躍遷到高能級(jí)，高能級(jí)不穩(wěn)定，處于高能級(jí)的原子就會(huì)發(fā)出可見輻射（發(fā)光）而回到低能級(jí)，如此不斷地進(jìn)行，就實(shí)現(xiàn)了氣體持續(xù)放電、發(fā)光。能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.3氣體放電光源2、氣體放電燈的結(jié)構(gòu)：陰極、陽極、泡殼、氣體為防止輝光放電、弧光放電、采用鎮(zhèn)流器（電阻、電感或電容）能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.3氣體放電光源實(shí)例：熒光燈（汞）——第二代光源3、氣體放電光源的特點(diǎn)：1）發(fā)光效率高，比白熾燈高2～10倍。2）結(jié)構(gòu)尺寸較大。3）壽命長，大約是白熾燈的2～10倍。4）光色范圍寬。5）光源的功率穩(wěn)定性差。普通高壓汞燈發(fā)光波長大約為400～500nm低壓汞燈則為紫外燈鈉燈呈黃色（589nm）氙燈近日色而水銀熒光燈為復(fù)色能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.3氣體放電光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.4金屬鹵化物燈——第三代光源1、工作原理：（1）放電管內(nèi)金屬鹵化物蒸發(fā)，向電弧中心擴(kuò)散（2）電弧中心，金屬鹵化物分子分解為金屬原子和鹵原子（3）金屬原子處于高能級(jí)時(shí)產(chǎn)生輻射，并參與放電（4）金屬原子和鹵素原子向濃度低的管壁區(qū)域擴(kuò)散，并在低溫區(qū)重新復(fù)合為金屬鹵化物分子，依次循環(huán)3.4金屬鹵化物燈能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、結(jié)構(gòu)：鈉、鉈、鎢金屬鹵化物燈碘化鉈（黃綠色）碘化鈉（黃綠色）碘化銦（藍(lán)色）電極：氧化釷-鎢色溫：5500K,光效：75~80流明每瓦缺點(diǎn)：光色穩(wěn)定性差、電源電壓變化會(huì)影響特性、一般用于強(qiáng)光照明的場合。3.5電致發(fā)光光源一、分類：能源與動(dòng)力工程學(xué)院高電場激發(fā)電致發(fā)光光源半導(dǎo)體注入式電致發(fā)光光源粉末型無機(jī)薄膜型交流激勵(lì)型交直流激勵(lì)型◆高電場電致發(fā)光光源：將發(fā)光材料與介質(zhì)粉末的混合體或者薄膜夾于平板電極之間，直接加速初電子碰撞激發(fā)中心而發(fā)光。3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院1——玻璃2——導(dǎo)電SnO2膜(正)3——發(fā)光層，ZnS4——金屬背電極6——基板5——反射層，TiO2◆優(yōu)點(diǎn)：體積小、安裝方便；缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓高、老化快◆交流電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院二、半導(dǎo)體發(fā)光器件：◆半導(dǎo)體發(fā)光（注入式場致發(fā)光）器件：在電場的作用下，使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件，(LED)1、工作原理（發(fā)光二極管）：3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院（1）由某些半導(dǎo)體材料做成的二極管，在未加電壓時(shí)，由于半導(dǎo)體P-N結(jié)阻擋層的限制，使P區(qū)比較多的空穴與N區(qū)比較多的電子不能發(fā)生自然復(fù)合（2）當(dāng)給P-N結(jié)加正向電壓時(shí)，N區(qū)的電子越過P-N結(jié)而進(jìn)入P區(qū)，并與P區(qū)的空穴相復(fù)合（3）由于高能電子與空穴復(fù)合將釋放出一定能量，即場致激發(fā)使載流子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)（4）高能級(jí)的電子不穩(wěn)定，總要回到穩(wěn)定的低能級(jí)，這樣當(dāng)電子從高能級(jí)回到低能級(jí)時(shí)放出光子，即半導(dǎo)體發(fā)光。3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院輻射光的波長決定于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、主要參數(shù)和特性（1）伏安特性：3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院（2）光譜特性：譜線寬度、峰值波長發(fā)光二極管發(fā)出的光不是純單色光，其譜線寬度比激光寬，但比復(fù)色光源譜線窄。3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院（3）光出射度與電流密度的關(guān)系：大多數(shù)LED的光出射度與電流密度成正比，但隨著電流密度的增加，光出射度有趨于飽和的現(xiàn)象。3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院（4）溫度特性：3.5電致發(fā)光光源能源與動(dòng)力工程學(xué)院◆溫度升高，光譜峰值向長波方向飄移。◆溫度對LED電流有影響：PN結(jié)溫度升高到一定程度，電流變小，發(fā)光亮度減弱。（5）配光曲線：◆下降時(shí)間tf：切斷電源后，發(fā)光亮度從90％10％所經(jīng)歷的時(shí)間，一般4～（30－50）ns◆

開啟時(shí)間tr：接通電源后，發(fā)光亮度從10％90％所經(jīng)歷的時(shí)間，一般4～10ns（6）功率：：最大功率：額定功率，20攝氏度時(shí)的最大功率（7）響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間短，適合高頻場合能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.5電致發(fā)光光源3、發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.5電致發(fā)光光源◆

應(yīng)用：光源、數(shù)字文字顯示、指示照明等◆

優(yōu)點(diǎn)：（1）低電壓、小電流、低功耗器件；（2）發(fā)光響應(yīng)速度快；（3）性能穩(wěn)定，壽命長；（4）驅(qū)動(dòng)簡單，易于匹配；（5）單色性好；（6）重量輕、體積小。二、激光器的發(fā)光原理：受到一個(gè)入射光子激發(fā)，頻率為：（2）受激吸收：3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院1、光與原子兩能級(jí)系統(tǒng)相互作用的躍遷過程：（1）自發(fā)輻射：◆三種躍遷過程的概率（愛因斯坦，1971年）：（1）受激輻射與吸收幾率相同（2）常溫下，吸收大于發(fā)射（3）要產(chǎn)生激光必須使受激輻射占主導(dǎo)地位。當(dāng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)上述條件

受到1個(gè)入射光子激發(fā)，原子從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)，并發(fā)射2個(gè)頻率完全相同的光子。（3）受激輻射：——產(chǎn)生激光必要條件之一3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（分布反轉(zhuǎn)）：目的：將原子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)，并將能量注入原子系統(tǒng)，維持激光運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量。目的：處于激發(fā)態(tài)(高能態(tài))載流子數(shù)大于低能態(tài)載流子數(shù)，受激輻射占主導(dǎo)地位。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——產(chǎn)生激光發(fā)射必要條件之一。3、光泵：——產(chǎn)生激光發(fā)射必要條件之一。3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院4、諧振腔：（1）目的：產(chǎn)生“振蕩”，增益提高；（2）方法：平行反光鏡，其中一面是部分透射具有諧振腔————激光發(fā)射的必要條件之一。3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院法布里-珀羅諧振腔同心諧振腔共焦諧振腔廣義共焦式諧振腔◆幾種常用的諧振腔：3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院綜上：獲得激光輸出的三個(gè)必要條件：（1）有大量的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射占主導(dǎo)地位（2）需要光泵將處于低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到高能態(tài)上去；（3）有一個(gè)諧振腔為出射光子提供高增益，用以維持受激輻射時(shí)的持續(xù)振蕩。3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院三、激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程：一般由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源三個(gè)部分組成1、工作物質(zhì)：組成原子具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，且能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、可以是固、液、氣和半導(dǎo)體2、泵浦源：激光器的能量源泉，常用的物質(zhì)是輻射源和電源3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院3、工作過程：（1）當(dāng)高能態(tài)粒子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)而產(chǎn)生輻射，并通過受激原子時(shí)會(huì)感應(yīng)出同相位同頻率的輻射；（2）這些輻射在諧振腔的兩平面之間來回傳播形成振蕩時(shí)，沿軸線來回反射的次數(shù)越多，它會(huì)發(fā)出更多的輻射，從而使輻射能量放大；（3）受激和經(jīng)過放大的輻射通過部分透射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院按照工作物質(zhì)分類：四、激光器的類型：（一）氣體激光器：

激勵(lì)方式多樣、發(fā)射波長范圍最寬——氦氖激光器氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院氦氖激光器CO2激光器1、氦氖激光器結(jié)構(gòu)：內(nèi)腔式A陽極（鎢或鉬棒）K陰極（小鋁片）T毛細(xì)管L放電管M1

、M2

反射鏡ALTKM1M23.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院ALTKM1M2ATKM1M2外腔式:3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院半內(nèi)腔式:2、氦氖激光器的工作原理：

陰極陽極加高壓，放電管內(nèi)放電，電子從K向A加速運(yùn)動(dòng)，與He、Ne原子相撞，He、Ne原子受激吸收ALTKM1M23.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院a、氦原子激發(fā)到低的能態(tài)，He比Ne的的能級(jí)度低；b、He原子壽命長，比Ne大三個(gè)數(shù)量級(jí)；c、與氖原子相撞，使氖原子躍遷到高能態(tài),He原子回到基態(tài)。綜上：激光譜線都是由Ne原子產(chǎn)生，He原子不產(chǎn)生激光，但是它們促使Ne原子能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院3、氦氖激光器的性能（常用于精密計(jì)量）：（1）輸出三種波長的譜線：632.8納米、1.5微米、3.39微米；（2）輸出功率在nmw到十幾nmw之間；（3）引起光強(qiáng)變化的因素：微小幾何變形、熱變形、應(yīng)力應(yīng)變、工作電流不穩(wěn)定、外界磁場等；3.6激光光源——激光器能源與動(dòng)力工程學(xué)院4、氦氖激光器的模式：橫模、縱模2、方向性：用發(fā)散角描述，氦氖激光器的發(fā)散角可以達(dá)到1、單色性：發(fā)射光的波長范圍（譜線范圍）越窄單色性越好；五、激光的特性：3、亮度：發(fā)散角小、立體角小，亮度高4、相干性：發(fā)出的是相干光束。激光發(fā)散角：激光傳播方向與光束邊緣線夾角能源與動(dòng)力工程學(xué)院3.6激光光源——激光器第四章

光電檢測常用器件能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、能級(jí)(EnergyLevel)：原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有確定的分立能量值，也就是電子按能級(jí)分布。在電子能級(jí)圖上用高低不同的水平線表示電子的能級(jí)。電子能量電子只能在一些分離開的、特定的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)。電子的不同內(nèi)能值形成不同的能級(jí)。4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)能源與動(dòng)力工程學(xué)院遵守能量最低和泡利不相容原理4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)3、電子的共有化運(yùn)動(dòng)：（1）孤立原子中，電子有規(guī)則的排列，電子按照能級(jí)分布（2）固體中大量原子結(jié)合在一起，原子距離很小，以使原子的各個(gè)殼層之間有不同程度的交疊；（3）交疊使外層電子不再局限于某個(gè)原子，可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去。晶體中電子的這種運(yùn)動(dòng)形式稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。4、能帶的形成：

電子的共有化運(yùn)動(dòng)使本來處于同一能量狀態(tài)的電子發(fā)生能量的微小差異，因?yàn)樗麄儾粌H受到本身原子勢場的作用，還受到周圍其他原子的作用。例如：一個(gè)晶體，N個(gè)原子，N個(gè)原子中每一個(gè)相同的能級(jí)都分裂成N個(gè)新能級(jí)，他們之間能量差異小，N個(gè)新能級(jí)形成有一定寬度的能帶。能帶能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)5、能帶結(jié)構(gòu)：

（1）允帶：允許被電子占據(jù)的能帶—遵守能量最低和泡利不相容原理；（2）禁帶：允帶之間范圍，不允許被電子占據(jù)；（3）滿帶：被電子占滿的允帶；（4）價(jià)帶：原子中最外層電子（價(jià)電子）所在這一殼層分裂所形成的能帶，可以滿也可以未滿；（5）導(dǎo)帶：比價(jià)帶能量更高的能帶，電子躍遷到導(dǎo)帶，有電子、空穴，可以導(dǎo)電。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、光電器件的探測靈敏度（響應(yīng)度）1、意義：定量描述光電器件輸出的電信號(hào)和輸入的光信號(hào)之間的關(guān)系

定義為光電器件輸出的方均根電壓Us（或電流Is）與入射光通量Φ之比——電壓靈敏度和電流靈敏度

單位：伏每流明單位：安每流明能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.2光電器件的性能參數(shù)2、分類：根據(jù)使用光波波長的不同可分為：（1）單色靈敏度：又叫光譜靈敏度、光譜響應(yīng)度，使用波長為的單色輻射源，它描述光電器件對單色輻射的響應(yīng)能力（2）積分靈敏度：使用復(fù)色輻射源，表示探測器對連續(xù)入射光輻射的反應(yīng)靈敏程度。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.2光電器件的性能參數(shù)分別為光電器件對應(yīng)的長波限和短波限；電流積分靈敏度：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.2光電器件的性能參數(shù)3、光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)度（單色靈敏度）S（λ）隨波長的變化關(guān)系，常使用相對光譜響應(yīng)來表示；光譜響應(yīng)寬度：峰值響應(yīng)的50%之間的波長范圍；光譜響應(yīng)寬度能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.2光電器件的性能參數(shù)2、脈沖響應(yīng)特性：（1）上升時(shí)間tr：10%90％（2）下降時(shí)間tf：90％10％二、響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng)1、惰性：光電器件的電信號(hào)輸出相對于輸入的光信號(hào)要發(fā)生沿時(shí)間軸擴(kuò)展的特性——由響應(yīng)時(shí)間描述（脈沖響應(yīng)特性法、頻率響應(yīng)特性法）能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.2光電器件的性能參數(shù)3、頻率響應(yīng)特性：光電器件的響應(yīng)靈敏度隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性（1）響應(yīng)度與頻率關(guān)系：頻率升高、響應(yīng)度降低。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.2光電器件的性能參數(shù)（2）上限截止頻率fc：當(dāng)輸出信號(hào)功率降為0頻率功率一半時(shí)的頻率。 當(dāng)調(diào)制頻率大于fc時(shí)，響應(yīng)度變差能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.2光電器件的性能參數(shù)一、噪聲定義：1、定義：這種隨即的、在平均值上瞬間的幅度不能預(yù)先知道的起伏，稱為噪聲。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

2、噪聲功率譜S(f)：把噪聲隨機(jī)時(shí)間函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換，得到一系列頻譜（頻譜分析），就得到噪聲功率隨頻率變化關(guān)系S(f)數(shù)值為頻率f的噪聲在1Ω電阻上所產(chǎn)生的功率S(f)與f關(guān)系有：白噪聲

1/f噪聲能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

二、光電器件噪聲：1、熱噪聲：由于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之中、載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的電流起伏和電壓起伏。熱噪聲均方電流熱噪聲均方電壓影響因素：（1）溫度一定時(shí)，熱噪聲只與電阻和頻段有關(guān)，與頻率無關(guān)——白噪聲（2）溫度升高，熱噪聲有增加趨勢能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

2、散粒噪聲：散粒無規(guī)則落在某一表面，隨即起伏所形成的噪聲，常發(fā)生于光電管、PN結(jié)、光電器件表面熱噪聲、散粒噪聲都與頻帶有關(guān)、與頻率無關(guān)，所以為白噪聲能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

3、產(chǎn)生—復(fù)合噪聲：瞬間載流子產(chǎn)生和復(fù)合是有起伏.載流子濃度的起伏電導(dǎo)率的變化輸出電流有噪聲能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

4、噪聲：功率譜近似與頻率成反比

噪聲主要與器件表面狀態(tài)有關(guān)們，主要在低頻段起作用，所以也叫低頻噪聲5、溫度噪聲：由本身溫度變化引起的噪聲，影響相對較小能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

2、探測度D：越大越好單位：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

四、量子效率：在某一特定波長下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比.1、入射光子數(shù)：單位時(shí)間內(nèi),波長為λ

的光輻射,光通量為Φ，單個(gè)光子能量2、出射光子數(shù)：相應(yīng)的光電流為IS3、量子效率(微觀靈敏度、理論上等于1，實(shí)際小于1)：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.3光電器件的噪聲等效功率

光電發(fā)射器件中的光陰極為光敏面，當(dāng)照射的入射頻率或頻譜成分不變時(shí)，U一定，光電流Ik（單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與發(fā)射光通量φ成正比。光電特性：4.4

光電發(fā)射器件

能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4.1

光電發(fā)射效應(yīng)

閾值頻率：（1）光子最大初始動(dòng)能：愛因斯坦方程，1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);密立根根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線，求出普朗克常數(shù)h，1923年獲獎(jiǎng)。電子逸出功，電子從材料表面逸出時(shí)所需要的最低能量，單位eV，與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)——功函數(shù)4.4

光電發(fā)射器件

能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4.1

光電發(fā)射效應(yīng)

（2）閾值頻率（最小頻率）：只有滿足上式大于零，才能發(fā)生光電子發(fā)射。求出產(chǎn)生光電發(fā)射的最低頻率——閾值頻率求出產(chǎn)生光電發(fā)射的最大波長4.4

光電發(fā)射器件

能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4.1

光電發(fā)射效應(yīng)

五、半導(dǎo)體的光電發(fā)射1、電子親合勢EA：

導(dǎo)帶底上的電子向真空逸出時(shí)所需的最低能量它表征半導(dǎo)體材料在發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電子逸出材料的難易程度。電子親和勢越小，光電子就越容易逸出。數(shù)值上等于真空能級(jí)（真空中靜止電子能量E0）與導(dǎo)帶底能級(jí)Ec

之差，即EA=E0-Ec4.4

光電發(fā)射器件

能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4.1

光電發(fā)射效應(yīng)

4、負(fù)電子親和勢光電陰極：（1）電子親合勢：等于真空能級(jí)（真空中靜止電子能量E0）與導(dǎo)帶底能級(jí)Ec

之差，即EA=E0-Ec正電子親和勢：通常導(dǎo)體無邊界、平直時(shí)負(fù)電子親和勢：有界表面破壞局部晶格排列，氧化、被雜質(zhì)污染——能帶彎曲4.4

光電發(fā)射器件

能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4.1

光電發(fā)射效應(yīng)

特別指出：負(fù)電子親和勢是指內(nèi)襯底材料的有效電子親和勢，而不是指表面材料的電子親和勢。負(fù)電子親和勢材料：量子效率高、光譜響應(yīng)延伸到紅外區(qū)、響應(yīng)均勻、光電子能量集中。二、光電倍增管（PMT）：增加光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增極——靈敏度高響應(yīng)快。1、結(jié)構(gòu)：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4

光電發(fā)射器件

4.4.2

光電真空器件及其特性2、工作原理：光光電陰極進(jìn)入倍增系統(tǒng)二次發(fā)射倍增放大陽極采集信號(hào)輸出光電效應(yīng)，發(fā)出光子聚焦極電場作用能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4

光電發(fā)射器件

4.4.2

光電真空器件及其特性4、光電倍增管的主要特性參數(shù)：基本參數(shù)（靜態(tài)參數(shù)）應(yīng)用參數(shù)（動(dòng)態(tài)參數(shù)）運(yùn)行特性（例行特性）基本參數(shù)與管子工作原理、結(jié)構(gòu)特征、材料性質(zhì)、制造工藝有關(guān)。包括靈敏度、量子效率、增益、暗電流、光譜響應(yīng)等。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.4

光電發(fā)射器件

4.4.2

光電真空器件及其特性4.5光電導(dǎo)器件能源與動(dòng)力工程學(xué)院（1）光電導(dǎo)效應(yīng)？（2）光電導(dǎo)效應(yīng)定量計(jì)算？（3）常用光電導(dǎo)器件——光敏電阻的特性參數(shù)？一、光電導(dǎo)效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)1、定義：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。2、原理：光照晶格原子和雜質(zhì)原子的束縛電子激發(fā)為自由電子載流子濃度增大電導(dǎo)率增大4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1、本征光電導(dǎo)現(xiàn)象：只有光電子能量大于材料的禁帶寬度的入射光才能激發(fā)出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)現(xiàn)象。二、本征光電導(dǎo)：4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)2、穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)：（均勻光照入射到樣品表面，且入射光通量恒定）入射光4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院（1）無光照時(shí)（暗態(tài)）：具有一定熱激發(fā)載流子濃度——暗電導(dǎo)率4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院（2）有光照時(shí)（亮態(tài)）：（3）光電導(dǎo)：從暗態(tài)到亮態(tài)變化主要由于光照作用光電導(dǎo)：光電流：影響因素：4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院3、光電導(dǎo)馳豫過程：（惰性）（1）意義：從光照到獲得穩(wěn)定的光電流，或從光照停止到電流消失，都需要一定的時(shí)間（2）描述方法：矩形光脈沖、以電流為研究對象——反映光電導(dǎo)對光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度上升時(shí)間tr:063％下降時(shí)間tf:100％37％4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院（3）光電導(dǎo)器件的帶寬（上限截至頻率）：臨界值不能保持原有調(diào)制信號(hào)特征能保持原有調(diào)制信號(hào)特征4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院4、光電導(dǎo)增益：長度L半導(dǎo)體，兩端加U電壓4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院5、增大光電導(dǎo)器件光電流、提高靈敏度方法：減小兩極距離，常做成梳狀結(jié)構(gòu)4.5光電導(dǎo)器件4.5.1光電導(dǎo)效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院一、光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)1、原理：利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)制成，電導(dǎo)率變化引起電阻變化。工作進(jìn)程：2、結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體材料兩端加上電極、接上引線能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性3、常用材料：本征型、摻雜型二、光敏電阻的特性光敏電阻的特點(diǎn)：（1）光譜響應(yīng)范圍寬（2）所測光強(qiáng)范圍寬（3）工作電流大（4）靈敏度高（5）偏置電壓低，無極性之分能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性1、光電導(dǎo)靈敏度和光電特性：(1)光電導(dǎo)靈敏度：(2)光電特性：當(dāng)R為常數(shù)，由歐姆定律：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性實(shí)際R變化，引入電壓、光照指數(shù)，進(jìn)行修正：只有歐姆接觸且弱光照射時(shí)：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性能源與動(dòng)力工程學(xué)院4、伏安特性：照度一定、U與Ip關(guān)系，可由實(shí)驗(yàn)方法得到5、溫度特性：（1）溫度對光譜響應(yīng)的影響：Eg很小，當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體熱激發(fā)使自由載流子濃度增加，復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性6、前歷效應(yīng)：測試前光敏電阻所處狀態(tài)（有光照或無光照時(shí)）對光敏電阻特性的影響能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性（1）暗態(tài)前歷效應(yīng)：（2）亮態(tài)前歷效應(yīng)：當(dāng)光照與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象亮電阻由高照度——低照度，時(shí)間短亮電阻由低照度——高照度，時(shí)間長能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.5光電導(dǎo)器件4.5.2光敏電阻及其特性4.6光伏器件能源與動(dòng)力工程學(xué)院（1）光伏效應(yīng)？（2）光伏效應(yīng)下電流方程計(jì)算？（3）常用光伏器件——光電池、光敏二極管、PSD的工作原理、特性參數(shù)？1、光伏效應(yīng)：光照某些固體（半導(dǎo)體），使不均勻半導(dǎo)體或者半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。機(jī)理：勢壘型光伏效應(yīng)2、光伏器件：光電池、光敏二(三)極管、位置敏感器件等。4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院一、熱平衡態(tài)下的半導(dǎo)體PN結(jié)：1、PN結(jié)內(nèi)電場的形成：N型P型（1）形成原因：載流子向濃度梯度減小的方向擴(kuò)展（2）方向：NP（3）作用：對多子擴(kuò)散抑制、對少子漂移幫助，當(dāng)兩者相等，達(dá)到熱平衡。4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院PN結(jié)2、光照下PN結(jié)電流方程：（1）兩端施加電壓U時(shí)：光生電場內(nèi)建電場4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院反向且U很大（2）外電路開路時(shí)：開路電壓4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院（3）外電路短路時(shí)：短路電流4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院（4）外電路接一負(fù)載時(shí)：4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院3、光照時(shí)PN結(jié)伏安特性：E=0時(shí)，伏安特性與普通二極管類似。（1）整體情況（2）開路電壓Uoc

短路電流IscE>0時(shí)，曲線下移反偏電壓很大時(shí)，電流飽和4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院第一象限，PN結(jié)加正向電壓，光電流小于暗電流第三象限，PN結(jié)加反向電壓—光導(dǎo)模式（恒流）（3）幾種工作模式第四象限，PN結(jié)加零電壓，外接負(fù)載—光伏模式

(恒壓)4.6光伏器件4.6.1光伏效應(yīng)能源與動(dòng)力工程學(xué)院一、光電池的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：（2）按照結(jié)構(gòu)分：同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)1、分類：（1）按照用途分：太陽能光電池，測量光電池（3）按照PN結(jié)材料分：硒光電池、硅光電池、鍺電池等能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.2光電池2、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)：（1）同質(zhì)結(jié)硅光電池按照襯底材料分：

2CR系列：以N型硅為襯底，P型硅為受光面

2DR系列：以P型硅為襯底，N型硅為受光面上電極能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.2光電池（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

a、受光面電極做成梳狀——減小遮光b、受光面涂有SiO2,MgF2,Si3N4等材料，作用：減少反射光，增加透射光，同時(shí)起到防潮、防腐蝕的保護(hù)作用能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.2光電池3光敏二極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）按照襯底材料分：2CU系列：以N型硅為襯底,加P型硅構(gòu)成PN結(jié),2個(gè)引線2DU系列：以P型硅為襯底,加N型硅構(gòu)成PN結(jié),3個(gè)引線受光面涂有SiO2防反射膜能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.3光敏二極管（2）2DU系列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——增加環(huán)極：①防反射膜內(nèi)有少量鈉、鉀離子，與P型硅內(nèi)帶負(fù)電受主離子產(chǎn)生感應(yīng)電子層，該層與N型硅類似，可以使P表面與N型硅連通，產(chǎn)生漏電流。②設(shè)置偏置電壓后，從前極流出的電流包括2部分——PN結(jié)、P型硅表面感應(yīng)電子層，增大流過負(fù)載電阻的暗電流和噪聲。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.3光敏二極管③設(shè)置N+—Si環(huán)，把受光面包圍，接比前極更高電位，為表面漏電流提供達(dá)到電源通路.達(dá)到減小流過負(fù)載的電阻，減小噪聲的目的。2CU二極管不需要。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.3光敏二極管一、概述：1、機(jī)理：連續(xù)的模擬式光斑位置檢測器件，利用光照情況下，光敏二極管表面阻抗的變化來檢測光斑位置(PSD輸出與光能量中心位置有關(guān))——一維、二維。2、特點(diǎn)：（1）對光斑無嚴(yán)格要求；（2）可連續(xù)測量光斑位置；（3）可同時(shí)檢測出位置和光強(qiáng)。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）二、結(jié)構(gòu)及工作原理：1、結(jié)構(gòu)：(PIN型)P:光敏面、均勻電阻層I:半導(dǎo)體層能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）2、原理：光照到光敏層上產(chǎn)生與光能正比的電荷作為光電流流過電阻層輸出I1,I2作與光點(diǎn)到電極距離反比I3=I1+I2計(jì)算出xA能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）3、推導(dǎo)過程：由于電阻均勻，與長度成正比，設(shè)：則：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）三、一維PSD:1、結(jié)構(gòu)原理：細(xì)長矩形能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）2、轉(zhuǎn)換電路能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）四、二維PSD:測光點(diǎn)在平面上坐標(biāo)（x,y）1、結(jié)構(gòu)：二維感光面為方形，比一維的多一對電極表面分離型（單面型）兩面分離型（雙面型）能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）2、表面分離型能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件k：與探測器靈敏度、電流放大系數(shù)、器件幾何尺寸有關(guān)的比例系數(shù)4.6.7光電位置器件（PSD）3、兩面分離型：兩面都是均勻電阻層能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件反偏電壓加在正面電極與背面電極之間k：與探測器靈敏度、電流放大系數(shù)、器件幾何尺寸有關(guān)的比例系數(shù)4.6.7光電位置器件（PSD）兩種類型PSD特點(diǎn)表面分離型：施加偏壓容易、暗電流小、響應(yīng)速度快。兩面分離型：電流分路少、靈敏度高、有較高的位置線性度和空間分辨率、彼此間干擾小。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件4.6.7光電位置器件（PSD）改進(jìn)結(jié)構(gòu)的二維PSD能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.6光伏器件PSD非線性影響因素：光敏面上電阻率不均勻、電極大小及形狀不一致、結(jié)電容分布不均勻、溫度漂移4.6.7光電位置器件（PSD）1、光電轉(zhuǎn)換部分，即光電陰極，它可以使不可見光圖像或亮度很低的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)換成光電子發(fā)射圖像；A、能量為ｈν的輻射量子入射到光電發(fā)射體內(nèi)，電子被激發(fā)到受激態(tài)。B、電子在到達(dá)真空界面時(shí)仍有克服電子親和勢的能量，就可以發(fā)射到真空中而成為光電發(fā)射電子。C、入射輻射分布所構(gòu)成的圖像可以通過光電陰極轉(zhuǎn)換成由電子流分布所構(gòu)成的圖像，這一圖像稱為電子圖像。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.1像管一、像管結(jié)構(gòu)及工作原理：2、電子光學(xué)部分，它可以使光電陰極發(fā)射出來的光電子圖像，在保持相對分布不變的情況下獲得能量或數(shù)量增強(qiáng)，并聚焦成像；A、在剛離開光陰極面時(shí)是低速運(yùn)動(dòng)的電子流，其初速度由愛因斯坦方程式所決定。B、低能量的電子圖像在靜電場或者電磁復(fù)合場的作用下得到加速并聚焦到熒光屏上。C、在到達(dá)像面時(shí)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，能量很大，完成了電子圖像的能量增強(qiáng)。也稱為電子透鏡，有靜電場或電磁復(fù)合場、微通道板。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.1像管3、電光變換部分，即熒光屏，它的功能是使發(fā)射到它上面的電子圖像變成可見的光學(xué)圖像。A、結(jié)構(gòu)：熒光屏是由發(fā)光材料的微晶顆粒沉積而成的薄層。在對著光敏面的內(nèi)側(cè)蒸鍍一層鋁膜，引走積累的負(fù)電荷，從而增加熒光面的光輸出，同時(shí)可防止光反饋到光陰極。B、當(dāng)像管中電子圖像的加速電壓一定時(shí)，熒光屏的發(fā)光亮度正比于入射電子流的密度。因此，像管的熒光屏可以將電子圖像轉(zhuǎn)化為可見的光學(xué)圖像。一般１個(gè)入射的光電子，可使熒光屏產(chǎn)生多個(gè)光子。例如，用１個(gè)１０ｋｅＶ的電子去轟擊Ｐ２０熒光體時(shí)，可產(chǎn)生３００個(gè)光子；１個(gè)２０ｋｅＶ的電子，可產(chǎn)生１千多個(gè)光子。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.1像管2、攝像三個(gè)步驟：

１）攝像管的光敏元件接收輸入圖像的輻照度進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將二維空間分布的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S空間分布的電量：

２）攝像管的電荷存儲(chǔ)元件在一幀的周期內(nèi)連續(xù)積累由光敏元件產(chǎn)生的電量，并保持電荷量在空間的分布，這一存儲(chǔ)電荷的元件稱之為靶。一、攝像管的基本原理：1、攝像是將二維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的一維電信號(hào)的器件。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.2攝像管３）攝像管的電子槍產(chǎn)生空間二維掃描的電子束，在一幀的周期內(nèi)完成全靶面的掃描。逐點(diǎn)掃描的電子束將靶面存儲(chǔ)的電荷與負(fù)載回路接通，因此在輸出回路中即可得到視頻信號(hào)。能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.2攝像管二、攝像管的基本結(jié)構(gòu)：光電變換電荷積累信號(hào)讀取能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.2攝像管（１）光電發(fā)射體光電陰極在光照下產(chǎn)生與光通量成正比的光電子流。

（２）光電導(dǎo)體基于光電導(dǎo)效應(yīng)工作的。它的光敏面和靶面合二為一稱之為靶，其既有光電變換的功能，又具有存儲(chǔ)和積累電荷的作用。光電導(dǎo)攝像管又稱為視像管。

（3）電荷積累元件在整個(gè)幀周期內(nèi)對圖像上的任一像元不斷地積累電荷信號(hào)，要達(dá)到積累和存儲(chǔ)的目的，在幀周期內(nèi)要求信號(hào)不能漏走。1、光電變換與電荷積累部分：能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.2攝像管2、信號(hào)讀取部分：電子束發(fā)射源電子束的聚焦系統(tǒng)電子束的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)掃描電子槍能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.2攝像管二、電荷耦合器件工作原理：（一）MOS電容的平衡態(tài)特性：1、MOS電容的構(gòu)成（金屬－氧化物－半導(dǎo)體）4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、MOS電容的平衡態(tài)特性：（1）平面狀態(tài)：UG=0,電中性，能帶平坦，不存在表面空間電荷區(qū)。4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院（2）耗盡狀態(tài)：UG>0,值不大，P型襯底空穴被排斥遠(yuǎn)離柵極，留下帶負(fù)電受主離子，多數(shù)載流子（空穴）耗盡。表面處能帶向下彎曲，耗盡區(qū)寬度W與UG成正比4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院（3）反型狀態(tài)：4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院UG值進(jìn)一步增大，耗盡層擴(kuò)展，能帶進(jìn)一步彎曲。當(dāng)UG超過某個(gè)閾值時(shí)，表面處電子濃度超過空穴濃度，P型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成N型半導(dǎo)體——反型狀態(tài)。P—Si襯底，反型層電荷是負(fù)——N型溝道CCDN—Si襯底，反型層電荷是正——P型溝道CCD4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院（二）MOS電容的非平衡態(tài)特性：1、CCD工作狀態(tài)：UG達(dá)到閾值瞬間，熱激發(fā)載流子經(jīng)過一段時(shí)間才能形成反型層，形成空的電子勢阱，表面仍處于載流子耗盡狀態(tài)，耗盡區(qū)進(jìn)一步延伸——深度耗盡狀態(tài)。4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、勢阱中電荷儲(chǔ)量:能源與動(dòng)力工程學(xué)院4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理注入電子空穴對，光生空穴被驅(qū)趕到耗盡區(qū)以外（襯底），電子以電荷包形式在勢阱中存貯起來。CCD電荷傳輸條件：（1）勢阱（耗盡層）耦合；（2）有確定的方向；（3）電位脈沖滿足時(shí)序要求；4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院4、保證CCD轉(zhuǎn)移功能，對時(shí)鐘脈沖要求：（1）三相時(shí)鐘脈沖有一定交疊，保證充分轉(zhuǎn)移；（2）時(shí)鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)（3）時(shí)鐘脈沖幅度選擇得當(dāng)。4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院2、單邊傳輸CCID工作原理：（1）結(jié)構(gòu)：光敏區(qū)通過其一側(cè)轉(zhuǎn)移柵與CCD移位寄存器相連，光敏單元被溝阻分隔，光敏元與CCD轉(zhuǎn)移單元一一對應(yīng)，兩者之間設(shè)有轉(zhuǎn)移柵，移位寄存器上有鋁遮光4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院①高電平，低電平，光敏二極管反向偏置——光信號(hào)積分，產(chǎn)生的自由電子存入勢阱、空穴進(jìn)入襯底；②高電平,低電平，光敏區(qū)光生電荷流入CCD通道③

驅(qū)動(dòng)脈沖作用，電荷包轉(zhuǎn)移（2）工作原理：4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件工作原理能源與動(dòng)力工程學(xué)院（二）時(shí)鐘頻率的上下限：勢阱工作于非平衡狀態(tài)，考慮驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率：過低，周期長，熱生載流子進(jìn)入電荷包，引起失真過高，周期短，電荷包來不及轉(zhuǎn)移，勢阱就變了，殘留多1、下限fL：非平衡載流子平均壽命τ，相鄰兩電極之間轉(zhuǎn)移時(shí)間為t4.8光電成像器件4.8.3

電荷耦合器件