第四章探测与解调.ppt

1 第四章光波的探测与解调 2 4 1光子探测方法4 1 1光子探测机理的分类 把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术 光探测过程可以形象地称为光频解调 光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件 1 光电探测技术 3 2 光探测器的发展历史 1873年 英国的Smith和May在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现 当光照射到用作电阻的se棒后 其电阻值约改变30 同年Simens将铂金绕在这种se棒上 制成了第一个光电池 1888年 德国的Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中 发现光照射到金属表面上会引起电子发射 1909年 Richtmeyer发现 封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比 奠定了光电管的基础 接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料 并制造出了光电倍增管 并于1933年发明了光电摄像管 1950年 美国的Weimer等人研制出光导摄像管 1970年 Boyle等人发明了CCD 电荷耦合器件 4 按光 电相互作用分类 3 探测机理及其分类 按响应区域分类 光子直接对电子产生扰动 温升使材料的某些特性发生变化 电磁场对材料的扰动所引起材料某些内特性发生变化 输出信号是敏感区域的平均值 对敏感区域的空间变化所产生的响应 5 4 光电效应 光照射到物体上使物体发射电子 或电导率发生变化 或产生电动势 这些因光照引起物体电学特性改变的现象 统称为光电效应 内光电效应光子激发的载流子 电子或空穴 将保留在材料内部 外光电效应将电子打离材料表面 外光电效应器件通常有多个阴极 以获得倍增效果 6 外光电效应 光电发射效应 当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时 光子的能量传给光电材料表面的电子 如果入射的光能使表面的电子获得足够的能量 电子就会克服正离子对它的吸引力 脱离金属表面而进入外界空间 这种现象称为外光电效应 外光电效应可用两条基本定律来描述 斯托列托夫定律当入射光的频率或频谱成分不变时 饱和光电流 单位时间内反射的光子数目 与入射光的强度成正比 斯托列托夫定律是光电管 光电倍增管的检测基础 7 外光电效应 光电发射效应 爱因斯坦定律如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功 则电子将以一定的速度从发射体表面发射 光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长 与入射光的强度无关 光电效应方程 入射光子能量 电子的动能 逸出功 该式表明 入射光子必须具有足够的能量 也就是说至少要等于逸出功 才能发生光电发射 0为产生光电发射的最低频率 即该频率与材料的属性有关 与入射光强无关 逸出功 8 密立根 美国 1868 1953 罗伯特密立根生于1868年 童年的大部分时间在农村度过 年仅14岁就开始赚取自己的面包 后于1886年进入奥柏林大学 两年后他才选修了物理课 并认为那是 一个彻底的失败 1908年 密立根40岁 还只是一个副教授 而当时美国物理学者获得教授职位的平均年纪只有32岁 他确定了两个人生目标 一是进入物理学的名人堂 留下的时间已经不多了 二是将余生奉献给自己钟爱的教育事业 从1909年到1917年 密立根完成了漫长而艰苦的油滴实验 最著名的物理实验之一 这一杰出工作以及光电效应的相关贡献为他赢得了1923年的诺贝尔物理学奖 成为有史以来第二位得奖的美国物理学家 9 爱因斯坦定律 入射光波长大于截止波长时 无论光强有多大 照射时间多长 都不会有光电子发射 光电发射大致可分为三个过程 光入射物体后 物体中的电子吸收光子能量 从基态跃迁到激发态 受激电子从受激处出发 向表面运动 其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量 到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚 逸出形成光电子 外光电效应 10 爱因斯坦定律 由此得到光电发射对阴极材料的要求 对光的吸收大 以便体内有较多的电子受激发射 电子受激发生在表面附近 以使碰撞损失尽量小 材料逸出功小 以使到达表面的电子容易逸出 电导率好 以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子 外光电效应 11 光电倍增管 今天我们使用的光电器件中 光电倍增管 PMT 是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件 典型的光电倍增管如图所示 在真空管中 包括光电发射阴极 光阴极 和聚焦电极 电子倍增极和电子收集极 阳极 的器件 当光照射光阴极 光阴极向真空中激发出光电子 这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统 通过进一步的二次发射得到倍增放大 放大后的电子被阳极收集作为信号输出 外光电效应 12 光电倍增管 1 光电倍增管利用外光电效应原理制成 2 结构 外光电效应 13 光电倍增管 外光电效应 14 光电倍增管的结构 一般端窗型 Head on 和侧窗型 Side on 结构的光电倍增管都有一个光阴极 侧窗型的光电倍增管 从玻璃壳的侧面接收入射光 而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光 通常情况下 侧窗型光电倍增管价格较便宜 并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用 大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极 反射式光阴极 和环形聚焦型电子倍增极结构 这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度 端窗型 也称作顶窗型 光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极 透过式光阴极 使其具有优于侧窗型的均匀性 端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极 端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的 可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管 外光电效应 15 光电倍增管 外光电效应 16 光电倍增管 3 特点灵敏度高 适宜弱光信号 响应时间极短 频率特性较好 频率可达106赫或更高 4 缺点需高压直流电源 价贵体积大 经不起机械冲击等 外光电效应 17 北京滨松光子 外光电效应 18 光电倍增管应用领域1 外光电效应 19 光电倍增管应用领域2 外光电效应 20 光电倍增管应用领域3 外光电效应 21 光电倍增管应用领域4 外光电效应 22 内光电效应 光电导效应 光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象 当光照射到半导体材料时 材料吸收光子的能量 使得非传导态电子变为传导态电子 引起载流子浓度增大 从而导致材料电导率增大 这种变化可以通过测量负载电阻两端的电压来观察 该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象 23 内光电效应 光电导效应 利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器 20世纪又先后在氧化亚铜 硫化铊 硫化镉 硫化铅等材料中发现光电导效应 并由此发展了从紫外 可见到红外各个波段的辐射探测器 24 内光电效应 光电导效应 光子能量红限波长光电流 当光子波长大于 0时 本征型半导体器件将不会出现光电导现象 通常是多子起作用 少子由于其寿命相对短得多 故对光电流的贡献不大 25 内光电效应 光电导效应 光电导增益G由自由载流子寿命 和渡越时间T 的比值来决定 渡越时间T 是指多数载流子穿过器件电极的时间 它由下式决定 式中l为电极间的距离 为多数载流子的迁移率 VA为器件所加上的偏压 26 内光电效应 光电导效应 响应速度 由多数载流子的寿命决定 频率为时 的短路电流 频率为时 的开路电压 由上面两式可知 低频时光电器件的输出基本上与频率无关 高频时则与频率成反比 转折点定义在 为1的频率 直流短路电流 器件开路电压 27 内光电效应 光电导效应 光子在材料中激发出的载流子必须在外加电压 电场 作用下方能作空间流动 对外电路产生贡献 这种器件必须加上偏压才能正常工作 28 光敏电阻 1 结构 内光电效应 29 光敏电阻 2 优点光谱响应相当宽 光敏电阻的灵敏域可在紫外光区 可见光区 也可在红外区和远红外区 所测的光强范围宽 使用方便 成本低 稳定性高 寿命长 灵敏度高 工作电流大 可达数毫安 3 不足在强光照射下线性较差 频率特性也较差 内光电效应 30 光敏电阻 内光电效应 31 光电导摄像管 1 基本原理光电导摄像管的结构如图所示 它主要由光敏靶和电子枪两部分组成 光敏靶是由光敏半导体材料制成的 景物通过光学系统在摄像管光敏靶上成像 由于光像各部分的亮度不同 靶上各相应部分的电导率发生了相应变化 与亮像素对应的靶单元的电导较大 与暗像素对应的靶单元电导较小 于是将景物各像素亮度不同变成了靶面上各单元的电导不同 光像变成了 电像 内光电效应 32 光电导摄像管 2 组成 电子枪偏转线圈光电导靶面 内光电效应 33 电子枪电子枪的任务是发射电子束 它由灯丝J 阴极K 栅极G及加速聚焦阳极A1 A2等组成 电子束在聚焦线圈和偏转线圈产生的磁场的联合作用下 以聚焦状态按一定规律 即从左到右 从上到下一行一行 扫描靶上各点 当电子束接触到靶面某点时 使电子枪阴极与信号板 负载RL和电源E构成一个回路 在负载RL中就有电流流过 电流大小取决于光敏靶该点电导率的大小 因此 当电子束按一定规律在靶面上扫描时 便在负载上依次得到与景物各点亮度相对应的电信号 完成了将图像分解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程 光电导摄像管 内光电效应 34 光电导靶面是由无数个光电导像素单元组成 每个光电导像素单元可以等效为一个电阻和一个电容并联的电路 其电阻值和电容值为 光电导靶面 内光电效应 35 当阴极发射的电子接通某一像素时 该像素单元的电容C0就立即被充电到靶电源的电压 当电子束离开该像素单元时 电容便通过该单元的等效电阻R0放电 放电时电容两端电压为 光电导靶面的工作原理 内光电效应 36 第一种情况 无光照时 在一帧时间内电子束扫描完各个点 使这些点为低电位后 C0充满电 由于电容放电时间 R0C0 0 53秒 远大于一帧的扫描时间0 04秒 故电容几乎没有放电 当第二次扫描时 无充电电流流过RS B点电位 ET 这时无视频信号输出 37 第二种情况 有光照时 当有光照射在靶面上时 R0随光强的大小而变化 扫描后C0放电时间变化 光越强 R0越小 放电越快 在下一次电子束扫描该像素时所补充的电荷就越多 就会有较大的电流流过负载电阻RS而产生较大的信号电压输出 负极性视频信号反映了图像的明暗程度 38 第三种情况 光照均匀时 当光照均匀无起伏时 R0不变 输出为直流分量 直流量反映了平均照度 由此可见 只有电子束按全电视信号的要求对靶面进行扫描 就可在输出端得到视频信号 将视频信号加上消隐信号和同步信号 就形成了全电视信号 就可送入电视机进行逆过程变换 形成一幅幅电视图像 也可送入录像机用磁带保存全电视信号 39 内光电效应 光伏效应 光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象 产生这种电位差的机理有多种 主要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应 短路光电流 开路光电压 反向饱和电流 暗电流 40 内光电效应 光伏效应 光伏效应载流子的激发 光子载流子的分离 内建电场光电流 Id暗电流 Is为无光照射时的反向饱和电流 V为施加在器件上的电压 正向为正 反向为负 k为波耳兹曼常数 为近似为1的常数 T为绝对温度 41 内光电效应 光伏效应 光伏器件的电流电压特性 5 5 对应的工作模式 开路 短路 反偏 光电导工作模式 正偏 42 内光电效应 光伏效应光伏器件工作模式 光电导效应和光伏效应的区别前者必须在外加偏压下才能正常工作光伏效应则可以不加偏压 其开路电压就反映了光辐射的信号 但光伏效应器件通常工作在反偏状态 即给器件加上反向电压 其反向电流即为光电流 此时可以说器件工作在光电导模式下 43 光伏器件 光电池光敏二极管光敏三极管 内光电效应 44 光电池 1 原理与结构 内光电效应 45 光电池 2 特性 波长范围 硅光电池为400 1100nm 峰值波长在850nm附近 灵敏度 硅光电池为6 8毫安 流明 可靠性好 寿命也较长 体积小 内光电效应 46 硅光电池 内光电效应 47 光敏二极管 1 结构 内光电效应 48 光敏二极管 光敏二极管是利用硅 结受光照后产生光电流的一种光电器件 光敏二极管的电路符号 外形见图所示 其封装有金封和塑封两种 即圆柱形和扁方形 有的光敏二极管为了提高其稳定性 还外加了一个屏蔽接地脚 外形似光敏三极管 光敏二极管工作于反向偏压 其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质浓度所决定 同一型号的光敏二极管在一定的反偏电压 相同强度和不同波长的入射光照射下 产生的光电流并不相同 但有一最大值 不同型号的光敏二极管在同一反偏电压 同一强度的入射光照射下 所产生的光电流最大值也不相同 且光电流最大值所对应的入射光的波长也不相同 内光电效应 49 光敏二极管 图 的曲线 分别是光敏二极管 的光谱响应特性曲线 由图可看出 它们的光电流的最大值分别在可见光区和红外线区 其中二极管 的光谱响应值最大 由于光敏二极管的基本结构也是一个 结 故其检测方法也与普通二极管相同 其测得的正 反向电阻也类似于普通二极管 但在测反向电阻遇光照时 阻值会明显减小 否则说明管子已损坏 内光电效应 50 光敏二极管 图是用光敏二极管构成的路灯自动控制电路 其原理是 白天受光照时光敏二极管反向电阻减小 足以使三级管 BG2 饱和导通的电流注入复合管基极 于是BG 饱和导通 继电器J1得电 常闭触头J1被吸下 路灯供电回路被切断 灯泡熄灭 天黑时因光照很小 光敏二极管SR反向电阻大增 BG2退出饱和而截止 J1失电 常闭触头复位 电灯供电回路接通 路灯点亮 内光电效应 51 复习 外光电效应 光电发射效应相应器件 光电倍增管 内光电效应 光电导效应相应器件 光敏电阻 光电导摄像管 内光电效应 光伏效应相应器件 光电池 光敏二极管 光敏三极管 52 PIN光敏二极管 特点1 最大的特点是频带宽 在P型半导体和N型半导体之间夹着一层 相对 很厚的本征半导体 I层 这样 P N结的内电场就基本上全集中于I层中 从而使P N结空间电荷层的间距加宽 因此结电容变小 相应时间变短 频带变宽 2 管子的线性输出范围很宽 因为I层 相对 很厚 在反偏压下运用可承受较高的反向电压 不足 I层电阻很大 管子的输出电流小 一般为零点几 A至数 A 53 PIN光敏二极管的光电转换原理 54 雪崩光敏二极管 APD 雪崩光敏二极管是利用P N结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种光伏器件 它具有响应度高 响应速度快的特点 通常工作在很高的反偏状态100 200V 接近于反向击穿电压 当电压等于反向击穿电压时 电流增益可达106 即产生所谓的自持雪崩 频率响应很高 带宽可达100GHz 是目前响应最快的一种光敏二极管 适用于光纤通信 激光测距及其他微弱光的探测等 原理 根据光电效应 当光入射到PN结时 光子被吸收而产生电子 空穴对 如果电压增加到使电场达到200kV cm以上 初始电子 一次电子 在高电场区获得足够能量而加速运动 高速运动的电子和晶格原子相碰撞 使晶格原子电离 产生新的电子 空穴对 新产生的二次电子再次和原子碰撞 如此多次碰撞 产生连锁反应 致使载流子雪崩式倍增 见图 55 雪崩光敏二极管 APD 雪崩光敏二极管频率响应很高 带宽可达100GHz 是目前响应最快的一种光敏二极管 适用于光纤通信 激光测距及其他微弱光的探测等 光敏二极管阵列将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起 用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息 并将这些信息转换为电信号的器件 56 光敏二极管的特点 体积小 稳定性好 灵敏度高 响应速度快 易于获得定向性 光谱响应在可见和红外区 57 光敏三极管 58 光敏三极管 灵敏度比光敏二极管高 是光敏二极管的数十倍 故输出电流要比光敏二极管大得多 一般为毫安级 但其它特性不如光敏二极管好 在较强的光照下 光电流与照度不成线性关系 频率特性和温度特性也变差 故光敏三极管多用作光电开关或光电逻辑元件 59 象限探测器 象限探测器有二象限和四象限探测器 又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器 象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器 中间有沟道将它们隔开 因而这两或四个探测器有完全相同性能参数 当被测体位置发生变化时 来自目标的辐射量使象限间产生差异 这种差异会引起象限间信号输出变化 从而确定目标方位 同时可起制导 跟踪 搜索 定位等作用 60 5 热释电效应 热释电效应指的是某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷 基于该效应制成的光电转换器件有红外探测器 热电激光量热计 夜视仪以及各种光谱仪接收器等 61 热释电探测器 结构 62 热释电探测器工作原理 器件吸收入射辐射功率产生温升 温升引起材料某种有赖于温度的参量的变化 检测该变化 可以探知辐射的存在和强弱 这一过程比较缓慢 因此一般热电探测器件的响应时间多为ms量级 热释电器件相当于一个以热电晶体为电介质的平板电容器 入射辐射可引起电容器电容的变化 因此 可利用这一特性来探测变化的辐射 对光辐射的转换过程 第一步按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高 第二步探测器件因温升引起器件物理特性的变化而输出各种电信号 63 热释电探测器的优缺点 优点 光谱响应范围特别宽 从紫外到红外几乎都有相同的响应 光谱特性曲线近似为一条平线 工作时无需制冷 缺点 灵敏度低 响应时间较长 64 热释电探测器使用注意 1 比较理想的热探测器 其机械强度 响应灵敏度 响应速度都很高 2 只能测量变化的辐射 辐射恒定时无输出 3 输出是背景与热辐射体的温差 而不是热辐射体的实际温度 测温时 需先用辅助探测器测出背景温度 4 各种热释电材料都存在一个居里温度 使用范围小于居里温度 65 居里温度 居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度 低于居里温度时该物质成为铁磁体 此时和材料有关的磁场很难改变 当温度高于居里温度时 该物质成为顺磁体 磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变 这时的磁敏感度约为10的负6次方 如铁的居里温度是770 铁硅合金的居里温度是690 等 利用这个特点 人们开发出了很多控制元件 例如 我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性 在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料 当锅里的水分干了以后 食品的温度将从100度上升 当温度到达大约105度时 由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失 磁铁就对它失去了吸力 这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开 同时带动电源开关被断开 停止加热 66 居里温度 67 热释电探测器 光谱范围 一般热释电在0 2 20 m 用途 主要用于防盗报警和安全报警装置 自动门 自动照明装置 火灾报警等一些自动控制系统中 特点 光谱响应范围宽 对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应 与测辐射计 温差热电堆等比较 频率特性好 室温下工作 无需致冷 体积小 重量轻 坚固 68 被动式热释电红外探测器应用 被动式热释电红外探头的工作原理及特性 在自然界 任何高于绝对温度 273度 时物体都将产生红外光谱 不同温度的物体 其释放的红外能量的波长是不一样的 因此红外波长与温度的高低是相关的 在被动红外探测器中有两个关键性的元件 一个是热释电红外传感器 PIR 它能将波长为8 12um之间的红外信号变化转变为电信号 并能对自然界中的白光信号具有抑制作用 因此在被动红外探测器的警戒区内 当无人体移动时 热释电红外感应器感应到的只是背景温度 当人体进人警戒区 通过菲涅尔透镜 热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号 因此 红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异 另外一个器件就是菲涅尔透镜 菲涅尔透镜有两种形式 即折射式和反射式 菲涅尔透镜作用有两个 一是聚焦作用 即将热释的红外信号折射 反射 在PIR上 第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区 使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号 这样PIR就能产生变化的电信号 69 被动式热释电红外探测器应用 人体都有恒定的体温 一般在37度 所以会发出特定波长10微米左右的红外线 被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的 人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上 红外感应源通常采用热释电元件 这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡 向外释放电荷 后续电路经检测处理后就能产生报警信号 1 这种探头是以探测人体辐射为目标的 所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感 2 为了仅仅对人体的红外辐射敏感 在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片 使环境的干扰受到明显的控制作用 3 被动红外探头 其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元 而且制成的两个电极化方向正好相反 环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用 使其产生释电效应相互抵消 于是探测器无信号输出 4 人一旦侵入探测区域内 人体红外辐射通过部分镜面聚焦 并被热释电元接收 但是两片热释电元接收到的热量不同 热释电也不同 不能抵消 经信号处理而报警 5 菲涅尔滤光片根据性能要求不同 具有不同的焦距 感应距离 从而产生不同的监控视场 视场越多 控制越严密 70 被动式热释电红外探测器 71 热释电摄像管 热释电摄像管热释电也可制成探测器阵列 已有320 240像敏元的热释电热成象系统上市 主要用于红外摄像机 碲镉汞 CMT 器件可以单元使用 也可以线阵或面阵使用 具有极高的灵敏度 已成功的应用在我国风云一号和风云二号卫星上 但碲镉汞 CMT 器件使用时一定要制冷 一般采用半导体制冷 72 6 光电信息转换集成器件 1 位置传感器 PSD 2 电荷耦合器 CCD 73 1 位置传感器 PSD 光电位置器件 PSD PositionSensitiveDetectors 是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件 即当入射光点落在器件感光面的不同位置时 PSD将对应输出不同的电信号 通过对此输出电信号的处理 即可确定入射光点在PSD的位置 入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关 PSD的位置输出只与入射光点的 重心 位置有关 74 1 1 一维PSD工作原理 75 1 2 二维PSD工作原理 76 2 电荷耦合器 CCD 随着集成电路技术的发展 二十年前贝尔实验室的W S Doyle和G Smith发明了电荷耦合器件 Charge Coupled Devices 缩写或简称CCD 由于它具有结构简单 制造工序少 功耗低 信噪比好等优点 因而日益受到人们的重视 它的用途广泛 包括工业检测 数码相机 电视摄像等 77 2 电荷耦合器 CCD 组成 MOS光敏元移位寄存器电荷转移栅 78 CCD 目前 CCD的种类有很多 其中面阵型CCD是主要应用在数码相机中 它是由许多单个感光二极管组成的阵列 整体呈正方形 然后像砌砖一样将这些感光二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的CCD传感器 79 CCD CCD和传统底片相比 CCD更接近于人眼对视觉的工作方式 只不过 人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞 分工合作组成视觉感应 CCD经过长达35年的发展 大致的形状和运作方式都已经定型 CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格 聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成 目前有能力生产CCD的公司分别为 SONY Phillips Kodak Matsushita Fuji SANYO和Sharp 多半是日本厂商 80 CCD成像原理 成像原理是使用感光二极管将光线转换为电荷 当数位相机的快门开启 来自影像的光线穿过这些马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电子 负电 与空穴 正电 经由外部加入电压 这些电子和空穴会被转移到不同极性的另一个硅层暂存起来 电子数的多寡和曝光过程光点所接收的光量成正比 在一个影像最明亮的部位 可能有超过10万个电子被积存起来 81 CCD成像原理 以市面上常见的IL型CCD为例 曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位暂存器中 并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来 这些强弱不一的讯号 会被送入一个DSP也就是数字图像处理单元 在这个单元之中有一个A D类似数字信号转换器 这个转换器能将信号的连续范围配合色块码赛克的分布 转换成一个2D的平面表示系列 它让每个画素都有一个色调值 应用这个方法 再由点组成网格 每一个点 画素 现在都有用以表示它所接受的光量的二进位数据 可以显示强弱大小 最终再整合影像输出 82 电荷耦合器 CCD 固体摄像传感器应用几何量测量优点 A 扫描时无运动部分 因而可高速扫描 B 体积小 重量轻 可靠性好 C 电压低 功耗小 D 漂移小 信噪比好 光电转换效率高 E 光敏单元每一位 bit 的形状小 13 15微米 集成度高 每一位的几何位置精度较高 83 电荷耦合器 CCD 固体摄像传感器应用 2 光谱测量优点 A 体积小 B 快速 C 分辨率高 与光敏二极管列阵比较 84 CCD 85 7 光电信息转换组合器件 1 光电耦合器 2 光电编码器 3 光纤陀螺 86 1 光电耦合器 光电耦合器是将LED和光敏三极管紧密的组装在一起 密封在一个对外隔光的封装之内 这样LED的光线能够落到光敏三极管的表面上 可避免其它杂散光的干扰 87 1 光电耦合器 光电耦合器的应用用于电平转换用于逻辑门电路起隔离作用应用在测量仪器 精密仪器 工业和医用电子仪器 自动控制 遥控和遥测 各种通信装置 计算机系统及农业电子设备等广阔领域 88 2 光电编码器 原理 光栅的莫尔条纹 形成莫尔条纹必须由两块栅距相等的光栅组成 w1 w2 光电编码器能将角位移或线位移信息经过光电转换变成数字量 具有分辨率高 可靠性好 抗干扰能力强 应用范围广等优点 89 光电编码器 90 3 光纤陀螺 惯性技术与光电子技术紧密结合的产物 光纤陀螺是近十多年发展起来的一种组合光电器件 它可以满足动载器从智能式制导导航与控制系统发展为分布式制导 导航和控制系统的要求 目前光纤陀螺正进一步从军用向军民两用方向发展 光纤陀螺本质上是由光电子器件组成的光干涉仪系统 没有任何活动部件 这就决定了光纤陀螺具有一系列独特的优点 不怕冲击振动 可以在恶劣的力学环境下应用 对角速率的反应极快 角速率测量灵敏度高 测量速率范围高达 潜在的成本低 加工简单 这些优点是其它陀螺不能比拟的 91 3 光纤陀螺 Sagnac效应指在任意几何形状的闭合光路中 从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时 这对光波的相位 或它们经历的光程 将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同 其相位差 光程差 的大小与闭合光路的转速速率成正比 92 3 光纤陀螺原理及构成 光纤陀螺由两部分组成 光学部分和信号处理电路部分 光学部分包含光电子器件和光纤器件 有时这两种器件都被纳入光电子技术 按照光纤陀螺光学系统的构成 目前进入实用的光纤陀螺主要有两类 全光纤陀螺和使用了集成光学器件的 集成光学器件光纤陀螺 全光纤陀螺可采用开环或闭环的信号处理电路 这种陀螺的成本较低 但实现高精度的技术难度较大 因此大多用于精度要求不高和低成本的场合 93 3 光纤陀螺原理及构成 集成光器件光纤陀螺由于波导相位调制器的调制带宽可高达几个GHz 在信号处理中可以采用数字闭环技术 易于实现高精度和高稳定性 是目前最常用的光纤陀螺构成模式 94 3 光纤陀螺 光纤陀螺涉及到的技术问题很多 从以上简单介绍中可以知道 光纤陀螺的研究 制造和发展都与光电子技术紧密联系 可以罗列出与光纤陀螺相关的光电子器件的项目有 光纤 单模光纤 保偏光纤 细经光纤 匹配型保偏光纤 有源器件 超辐射二极管 SLD 低噪声PIN 宽带PIN FET 光耦合器件 保偏光纤耦合器 1 3 1 4 光纤耦合器 小型化耦合器 光集成器件 多功能集成光器件 EDFA 泵浦光源 掺饵光纤 光纤光栅 隔离器 消偏 光纤消偏器 偏振控制 微小型光纤偏振控制器 光波导器件 波导型无源器件 波导敏感环路 95 光电器件 1 外光电效应及其器件 外光电效应 特点 速度快 从光照射到释放电子时间不超过10 9秒 需足够光能 光子能量 表面溢出功 原理 光 阴极 光电子 阳极 空间电子流 外接电阻 压降U f I 原理 光 物体表面 光电子发射 光电管 应用 足够的光强 高速 光电开关 特点 简单 灵敏度低 充入惰性气体 气体轰击 自由电子 96 光电倍增管 原理 光 阴极 光电倍增极 阳极 电流 应用 开关测量 光电开关 计数 2 内光电效应 原理 光电导效应 器件 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 原理 光 电子 空穴对 导电性 电阻 光生伏特效应 原理 光 PN结 无偏置 电子 N 空穴 P 电动势 器件 光电池 硅 锗 特点 光电流大 灵敏度高倍增率 n 单极倍增率n 倍增极数 光 半导体 电子吸收能量 跃迁 电子 空穴对 97 光敏电阻 原理 电阻器件 加直流偏压 无极性无光照 电子 空穴对很少 电阻大 暗电阻 有光照 电子 空穴对增多 导电性增强 特点 灵敏度高 体积小 重量轻 性能稳定批量生产 价格便宜 应用 工业自动化 开关元件 快速响应家电 感应式节能灯 判断照度 特性 光照特性为非线性 光谱特性存在单峰 动态特性好 光照特性 结构 金属封装 防潮 光谱特性 动态特性 98 光敏二极管 光电二极管 PD Photo Diode 原理 半导体PN结 无光时 高阻特性 微弱电流 暗电流 A 光照时 电子 N 空穴 P 光电流光照愈强 光电流愈大 光照特性 光敏三极管 光电三极管 PT Photo Triode 原理 光敏二极管 bc结 三极管 应用 线性转换元件 开关元件 特点 灵敏度高于光敏二极管 特性 光照特性 灵敏度和线性好 光谱特性 单峰性 光谱特性 99 特性 光照特性 灵敏度高于光敏二极管 线性好光谱特性 单峰性动态特性 响应速度低于光敏二极管 应用 线性转换元件 开关元件 高速光电二极管 PIN结光电二极管 PIN PD I 高电阻率的本征半导体响应速度快 灵敏度高 线性好 用于光通讯 光测量 光谱特性 动态特性 雪崩光电二极管 PN P APD响应速度快 灵敏度高 线性差 用于光通讯脉冲编码 100 连接方式 开路电压输出 a 短路电流输出 b 特性 光照特性 开路电压输出 非线性 电压 光强 灵敏度高短路电流输出 线性好 电流 光强 灵敏度低光谱特性 硅电池 0 5 1 2 m 红 红外 峰值0 8 m 近红外 锗电池 0 3 0 7 m 紫 红 峰值0 5 m 绿 光电池 原理 光 PN结 电子 N 空穴 P 电动势光 电能 光电池 硅电池 单晶硅 特点 有源器件 轻便 简单 无污染 动态特性好 硅 工作于可见光波段 太阳能电池 应用 宇航飞行仪器 仪表电源 便携仪表 计算器 开关测量 开路电压输出 线性检测 短路电流输出 101 四象限光电池 位置敏感器件 PSD PositionalSensingDevice 原理 光 光电二极管 空穴由N向P移动空穴 1端 I1空穴 2端 I2 说明 对于各种光电元件 1 暗电流 无光照时输出电流 热噪声 2 温度特性 温度 灵敏度 光谱特性 降温 恒温 温度补偿 3 器件材料 硅好于锗 原理 集成4光电池 四象限光斑 4分量 I1 I2 I3 I4 应用 二维位置检测 准直 固态摄像器件 电荷耦合器件 ChargeCoupledDevice CCD 比值 应用 位置检测 一维 二维 比值 102 光电探测器 103 4 2光子探测方法4 2 1光电探测器中的噪声 104 4 2光子探测方法4 2 1光电探测器中的噪声 依据噪声产生的物理原因 光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声 产生 复合噪声 热噪声和低频噪声 上述噪声是光电转换物理过程中固有的 是一种不可能人为消除的输出信号的起伏 是与器件密切相关的一个参量 因为在光电转换过程中 半导体中的电子从价带跃迁到导带 或者电子逸出材料表面等过程 都是一系列独立事件 是一种随机的过程 每一瞬间出现多少载流子是不确定的 所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现 尤其在信号较弱时 光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性 105 无光照下 由于热激发作用 而随机地产生电子所造成的起伏 以光电子发射为例 由于起伏单元是电子电荷量e 故称为散粒噪声 这种噪声存在于所有光电探测器中 热激发散粒均方噪声电流为其有效值为相应的噪声电压为如果探测器具有内增益M 则上式还应乘以M 光电探测器是依靠内场把电子 空穴对分开 空穴对电流贡献不大 主要是电子贡献 上两式也适用于光伏探测器 1光电探测器中的噪声 散粒噪声 106 热噪声 电阻材料 即使在恒定的温度下 其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的 由此而构成无偏压下的起伏电动势 这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声 或称为约翰逊 Johnson 噪声 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的 其大小与电阻的阻值 温度及工作带宽有关 107 热噪声 光电探测器本质上可用一个电流源来等价 这就意味着探测器有一个等效电阻R 电阻中自由电子的随机热运动将引起电阻器R两端随机起伏的电压 电阻R的热噪声电流为 相应的热噪声电压为 108 G R噪声 对于光电导探测器 载流子热激发是电子 空穴对 电子和空穴在运动中 与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程 而复合过程本身也是随机的 因此 不仅有载流子产生的起伏 而且还有载流子复合的起伏 这样就使起伏加倍 虽然本质也是散粒噪声 但为强调产生和复合两个因素 取名为产生 复合散粒噪声 简称为产生 复合噪声 109 1 f噪声 1 f噪声又称为闪烁或低频噪声 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在 当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲 几乎在所有探测器中都存在这种噪声 它主要出现在大约1KHz以下的低频频域 而且与光辐射的调制频率f成反比 故称为低频噪声或1 f噪声 实验发现 探测器表面的工艺状态 缺陷或不均匀等 对这种噪声的影响很大 所以有时也称为表面噪声或过剩噪声 一般说 只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹 这种噪声就可以防止 110 光电探测器中的噪声分布 1 f低频噪声 产生 复合噪声 热噪声 拐点 1KHz 拐点 1MHz 111 其他噪声 续 发射噪声 只要有电流通过 便会产生发射噪声 这是由电子电荷的离散性所决定的 这种离散性将造成电流的微小起伏 暗电流噪声 即使没有光信号照到光电倍增管中 由于热电子发射也会形成暗电流噪声 这种暗电流噪声系基于外光电效应器件的主要噪声 倍增噪声 由于倍增极二次电子发射过程的随机性产生的 它使得倍增极的增益在附近有一定的起伏 热噪声 由阳极负载电阻所产生 112 2 光电探测器的特性指标 1 响应度R定量描述光电器件输出电信号与输入的光信号之间的关系 探测器输出信号电压Vs与输入光功率P的比值 单位一般为 V W或 A W 该值是直流状态下的测试值 探测器面积 光源的辐射度 113 2 光谱响应 光电探测器最基本的参数 通常用相对光谱响应来描 表征R随波长 变化的特性参数 由于许多光探测器是基于光电效应而工作的 因而存在一个最低频率 0 只有入射光频率大于 0才能有响应信号输出 相应存在一个探测波长极限 c 在 c时探测器对于某一频率 波长 光的响应与探测器对该波长的吸收速率 即单位时间内入射的光子数密度成正比 因而 c时 其响应随着波长的增加而呈线性上升 而 c时 光谱响应曲线迅速下降到零 随波长线性增长区 峰值区 急剧下降区 114 3 能量阈Pth 从响应度R的定义式可见 如果P 0 应有Is 0实际情况是 当P 0时 光电探测器的输出电流并不为零 这个电流称为暗电流或噪声电流 记为它是瞬时噪声电流的有效值 显然 这时响应度R巳失去意义 我们必须定义一个新参量来描述光电探测器的这种特性 115 考虑到这个因素之后 一个光电探测器完成光电转换过程的模型如图所示 图中的光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率 可见 即使Ps和Pb都为零 也会有噪声输出 噪声的存在 限制了探测微弱信号的能力 通常认为 如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in 那么就认为刚刚能探测到光信号存在 116 依照这一判据 定义探测器的能量阈Pth为 若Ri 10 A W in 0 01 A 则能量阈Pth 0 001 W 也就是说 小于0 001微瓦的信号光功率不能被探测器所得知 所以 能量阈是探测器所能探测的最小光信号功率 3 能量阈Pth 117 4 等效噪声功率 NEP 同一个问题 还有另一种更通用的表述方法 这就是等效噪声功率NEP 它定义为单位信噪比时的信号光功率 信噪比SNR定义为 电压信噪比 电流信噪比 显然 NEP越小 表明探测器探测微弱信号的能力越强 所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数 118 4 等效噪声功率 NEP 产生单位信噪比所需的入射功率给出了探测器能够探测的最小光功率 表征探测器的探测能力 NEP越小 探测能力越强 由于噪声频谱很窄 为减小噪声影响 一般将探测器后面的放大器做成窄带通的 其中心频率为调制频率 这样 信号将不受损失而噪声可以被滤去 从而使NEP减小 这种情况下的NEP定义为 119 NEP越小 探测器探测能力越高 不符合人们 越大越好 的习惯 于是取NEP的倒数并定义为探测度D 即这样 D值大的探测器就表明其探测力高 5 归一化探测度D 读作D星 120 实际使用中 经常需要在同类型的不同探测器之间进行比较 发现 D值大的探测器其探测能力一定好 的结论并不充分 究其原因 主要是探测器光敏面积A和测量带宽 f对D值影响甚大 探测器的噪声功率N f 所以于是由D的定义知 另一方面 探测器的噪声功率N A所以 又有 121 把两种因素一并考虑 为了消除这一影响 定义并称为归一化探测度 这时就可以说 D 大的探测器其探测能力一定好 考虑到光谱的响应特性 一般给出D 值时注明响应波长 光辐射调制频率f及测量带宽 f 即D f f 如D 500K 900 1 表示是用500K黑体作光源 调制频率为900Hz 测量带宽为1Hz 122 6 频率响应 是描述光探测器响应度在入射光波长不变时 随入射光调制频率f变化的特性参数 是表征光探测器频率特性的重要参数 当器件的输出信号功率降到零频时的一半 即信号幅度下降到零频的0 707时 可得到器件的上限截止频率fc 123 7 其它参数 暗电流 指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流 工作温度 对于非冷却型探测器指环境温度 对于冷却型探测器指冷却源标称温度 响应时间 指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的驰豫时间 光敏面积 指灵敏元的几何面积 124 7 其它参数 光电探测器还有其它一些特性参数 在使用时必须注意到 例如光敏面积 探测器电阻 电容等 特别是极限工作条件 正常使用时都不允许超过这些指标 否则会影响探测器的正常工作 甚至使探测器损坏 通常规定了工作电压 电流 温度以及光照功率允许范围 使用时要特别加以注意 125 3 各种光子探测器件的性能比较和应用选择 1 接收光信号的方式2 各种光子探测器件的性能比较3 应用选择 126 1 接收光信号的方式 判断信号的有无如光电开关 光电报警等 这类光电系统检测由被测对象造成的投射到光电器件上的光信号的通过或者截断 这时不关心光电器件的线性 而是关注其灵敏度 127 1 接收光信号的方式 系统中的光信号按一定调制频率交替变化这种光电系统中的光强度信号被调制在一定的频带内或某一调制频率下 所选光电器件的截止频率 光信号的调制频率 128 1 接收光信号的方式 检测光信号的幅度大小被测对象本身光辐射的强度发生变化 被测对象因对光的反射率 透过率发生变化 光电器件接收到的光照度亦随之变化 为准确检测出这种变化 选择器件需注意 灵敏度适当 线性好 响应快 动态范围合适 如光敏二极管 光电倍增管 129 1 接收光信号的方式 检测光信号的色度差异被测对象造成光电器件接受到的色温发生变化 被测对象本身的表面颜色发生变化 选择光谱特性合适的光电器件 130 2 各种光子探测器件的性能比较 在时间响应和频率特性 即动态特性方面 光电倍增管和光敏二极管较好 PIN光敏二极管和雪崩光敏二极管最好 光电特性方面 光电倍增管 光敏二极管和光电池的线性都较好 131 2 各种光子探测器件的性能比较 灵敏度方面 光电倍增管 雪崩光敏二极管最好 光敏电阻和光敏晶体管较好 需要说明的是 灵敏度高不一定就是输出电流大 输出电流大的器件有大面积光电池 光敏电阻 雪崩光敏二极管和光敏晶体管 132 2 各种光子探测器件的性能比较 外加偏压 外加偏压最低的是光敏二极管和光敏晶体管 光电池不需加电源便可工作 暗电流 光电倍增管和光敏二极管最小 光电池不加电源时无暗电流 加反向偏压后暗电流比光电倍增管和光敏二极管要大 133 2 各种光子探测器件的性能比较 长期工作的稳定性方面 光敏二极管和光电池最好 其次是光电倍增管和光敏晶体管 光谱响应方面 光电倍增管和光敏电阻最宽 光电倍增管的响应偏在紫外方面 光敏电阻的响应偏向红外方面 134 2 各种光子探测器件的性能比较 135 3 应用选择 a光电器件必须和辐射信号以及光学系统在光谱特性上相匹配 如测量波长在紫外波段 则可选光电倍增管或专门的紫外半导体光电器件 如果信号是可见光 则可选光敏电阻 硅光电器件或光电倍增管 对于红外信号 可选光敏电阻 近红外波段可选硅材料光电器件或光电倍增管 136 3 应用选择 b光电器件与入射辐射能量在空间上对准 a 光电器件的光敏面要与入射辐射在空间上匹配好 太阳能电池光敏面大 用于杂散光或没有达到聚集状态的光束的接收 光敏电阻 光调可变电阻 通过光路和机械设计控制光照在全部电阻体上 有效利用全部光敏面 光敏二极管和光敏晶体管的感光面只是结附近的一个极小的面积 用透镜把光聚焦到感光的光敏点上 137 3 应用选择 c光电器件的光电转换特性要与入射辐射相匹配 通常使入射辐射通量的变化中心处于光电器件的线性范围内 以确保获得良好的线性检测 d对于微弱光信号 器件要有高的灵敏度 以保证一定的信噪比和足够强的输出电信号 138 3 应用选择 e光电器件的响应特性要与光信号的信号频率 调制形式和波形相匹配 以保证输出波形没有频率失真和良好的时间响应 f这种情况主要是选择响应时间短或者上限频率高的器件 同时在电路上也要注意匹配好动态参数 139 3 应用选择 g光电器件还应和后继电路在电特性上相互匹配 以保证最大的转换系数 线性范围 信噪比以及快速的动态响应等 140 3 应用选择 h注意选好器件的规格和使用的环境条件 以使器件具有长期工作的可靠性 i当工作条件超过最大限额时 器件的特性会急剧恶化 特别是超过电流容限值后 其损坏往往是永久性的 使用的环境温度和电流容限一样 当超过温度的容限值后 往往会引起缓慢的特性恶化 141 4 光电检测电路 大多数的光电器件都需要经过检测与转换电路才能实现光电信号的变换 通常的光电检测电路由光电检测器件 输入电路和前置放大器组成