光电技术基础课件.ppt

一、光电技术基础,1、辐射度与光度量及转换,e,M,e,I,e,L,e,A,cos,v,M,v,I,v,L,v,A,cos,V,=KV()=683V(),m,e,Vw,=17.1,ew,He=Eet,Hv=Evt,e,（单位）,发光强度的单位及定义,2.基本概念,（1）量子流速率（为什么其计算公式中不能出现光度量）,光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长处,由+d到波长范围内发射的辐射通量de除以该波长的光子能量hv，得到光源在该波长处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,，即,光源在波长为0范围内发射的总量子流速率:,3.基本定律,(1)斯忒藩-波尔兹曼辐射定律,(2)维恩位移定律,Wcm-2m-1K-5,(m),4、半导体物理基础,1）半导体对光的吸收(5种)，哪几种吸收会引起光电效应？,对光吸收的一般规律,(1)本征吸收,(2)杂质吸收,2）光电效应,(1)内光电效应,a.光电导效应（非平衡多数载流子产生复合运动引起材料电导率的变化）,分为两种情况,微弱辐射作用,(3)激子吸收（4）自由载流子吸收（5）晶格吸收,强辐射的作用,室温300K时,b光生伏特效应(少数载流子的漂移运动),(2)光电发射效应(外光电效应）,外光电效应中光电能量转换的基本关系为,2光电导器件,（1)光电导器件的特性,光敏电阻的阻值计算,强辐射作用情况下的时间响应,弱辐射作用情况下的时间响应,（2)光敏电阻的主要噪声：热噪声、产生复合噪声、低频噪声,（3)光敏电阻的变换电路,1).基本偏置电路,2).恒流电路RLR(RL10R),dUo=RcdIc=RcdIe=RcSgUwd,3).恒压电路RLR（RLR/10）,3光生伏特器件,A.硅光电二极管：最高工作频率107Hz,光电二极管的全电流方程为,B.PIN型光电二极管特点,C.雪崩光电二极管特点,D.硅光电池,光生伏特器件的噪声：低频噪声、散粒噪声、热噪声,光生伏特器件的偏置电路,1)自偏置电路(光电池),Pm=ImUm=(0.60.7)UocIp,Um=(0.60.7)Uoc,硅光电池自偏置电路的特点：可得到最大的输出功率；输出电流（输出电压）与入射辐射线性关系差。,(2)零伏偏置(RL=0时的自偏置电路),(3)反向偏置,硅光电池反向偏置电路的特点：PN结势垒区加宽，线性范围和光电变换动态范围加宽。,(5)内光电器件特性比较,1、光电变换的线性：按线性由好到坏排列：光电二极管、光电池、光电三极管、复合光电三极管、光敏电阻,2、动态范围：线性动态范围，反偏光电二极管动态范围最好，其次是光电池、光电三极管，光敏电阻；光敏电阻的非线性动态范围宽。3、灵敏度：光敏电阻的灵敏度最高，其次是雪崩光电二极管、光电三极管，光电二极管的灵敏度最低。4、时间响应：PIN与APD响应时间最快，其次是光电三极管、复合光电三极管和光电池，光敏电阻的时间响应最慢。,(4)如何设计光伏器件的反向偏置电路（P69，图解法)选择负载电阻和偏置电压时应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求来决定,5、光谱响应：光敏电阻的光谱响应最宽（尤其是红外波段的光敏电阻）。6、供电电源与应用的灵活性光敏电阻无极性，可用于交、直流电源；光电池可不加偏压，但线性差；其它光伏器件要加反偏。7、暗电流与噪声：光电二极管的暗电流最小，光敏电阻及其它光伏器件的暗电流较大。具有高放大倍率的复合光电三极管与面积较大的光电池的噪声最大。,(5)内光电器件特性比较,4光电发射器件,2)PMT的特性参数,(1)灵敏度,(2)量子效率,(3)光谱响应（长、短波限）,(4)暗电流,(5)增益,(6)噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。,锑化铯（Cs3Sb）倍增极,氧化的银镁合金（AgMgOCs）,1)PMT的组成,它主要由光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。,(7)线性（造成非线性的原因（内因、外因，P87、P88）、疲劳与衰老。,2）光电倍增管的供电电路,(1)电阻链的设计:原则IR10Iamax,(2)电源电压,R=Ubb/IR,各分压电阻Ri（除第一级外）为：,而R1应为,R1=1.5Ri,实际中常先按均匀分压选定电流，计算出电阻链分压器的总阻值R,由,计算UDD与Ubb。,(3)电源电压的稳定度,对锑化铯倍增极,对银镁合金倍增极,由于光电倍增管的输出信号，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关,对锑化铯倍增极,对银镁合金倍增极,PMT后接的放大器常采用电压输入，因此要用负载电阻将输出电流变换为电压。负载电阻的选择应考虑它的压降不能过大，否则将影响阳极的接收特性，使管字偏离线性工作范围。同时还要考虑负载电阻的热噪声。,(4)负载电阻,(5)接地方式(分别适用于哪种情况)*1）阳极接地（阴极负高压供电）)阳极输出方便，既可接交流放大器，也可接直流放大器。但阴极处于负高压，因屏蔽罩都是与机壳相连接地的，所以光、磁、电的屏蔽罩不能与阴极太近，至少要间隔12cm，因此PMT的外形尺寸就大，同时暗电流和噪声也较高。2）阴极接地（阳极正高压供电）光、磁、电的屏蔽罩跟阴极靠得很近，屏蔽效果好，暗电流小，噪声电平低。但由于阳极处于正高压会导致寄生电容增大，匹配电缆连接复杂。若后面需接直流放大器时，整个放大器就处于高电压，这样会产生不便；若后面接交流放大器，就必须有一个耐压很高的隔直电容器。,5热辐射探测器,热辐射探测器的两个阶段（哪个阶段能产生热电效应）；热敏电阻、热电偶尤其是热释电探测器的工作原理及特性,1）热辐射的一般规律,2）热敏电阻（半导体）,特点：阻值与温度的变化非线性关系；必须加偏压，RT=RTaTT,RT为热敏电阻在某个温度下的电阻值，常称为冷阻，如果功率为的辐射入射到热敏电阻上，设其吸收系数为a，则热敏电阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起的温升，即,交流灵敏度SS为,直流灵敏度S0为,热敏电阻的电压灵敏度（响应率）,单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的输出信号电压称为灵敏度或响应率。,2）热电偶,热电偶是基于温差热电效应的一种热探测器，响应时间较长，约为几毫秒到几十毫秒，常用于探测直流或低频辐射；可不加偏压。,UOC=M12T,3）热释电探测器,热释电器件必须工作在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数，且热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零，只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。,Q=Ad(Ps/T)T=AdT,问题：如何理解热释电效应？热释电探测器为什么只能检测交变辐射信号？,几种探测器比较,1、光谱响应范围光子探测器是对波长响应有选择性的探测器，其响应范围由材料自身特性决定；热探测器的光谱响应范围最宽，其光谱响应范围主要取决于器件的窗口材料。2、响应频率均由探测器的工作机制决定。一般规律：热探测器（热释电除外）响应频率最低（几千Hz），其中热电偶响应频率在100Hz范围内；光电导探测器响应频率次之，一般在几MHz范围内；光伏探测器响应频率比光电导探测器高，可达几百MHz，其中PIN管响应频率最高，可达GHz。3、光电特性直线性光电导探测器的光电特性直线性最差，光伏探测器较好，光电倍增管最好。4、入射光功率范围一般在0.1uw到几百mw.特殊情况,在探测极微弱的可见光信号时多采用PMT，其入射光功率范围在10-910-3W，APD在10-710-5W；探测高能量激光功率时多采用热电偶。,几种探测器比较,5、外加偏置电压除热电偶、光电池外，大部分光辐射探测器都要外加偏置电压。一般偏置电压在几伏到几十伏，并可由光电系统的供电电路统一供电，但PMT（6003000V）和APD（100-200V）必须单独供电.6、归一化探测率D*大小热探测器的D*最低，光电导探测器次之，光伏探测器的D*高，PMT在紫外和可见光波段的D*最高。7、工作环境及稳定性探测可见光波段的硅光电探测器、CdS,CdSe及热电偶对环境无特殊要求，体积小，稳定性好；在红外波段的光子探测器一般在低温下工作，需要致冷；若对所探测的红外波段信号的灵敏度要求不高时可采用常温工作的热探测器。PMT对杂散光、电磁干扰敏感，器件体积大，要防震、防潮，对环境要求苛刻。8、价格硅、CdS、CdSe和热敏电阻便宜，红外波段的光子探测器要加红外透镜，价格贵一些；PMT最贵。另外带前置放大器的一体化探测器较贵。,6发光器件与光电耦合器件,1、注入式半导体发光器件LED发光二极管的基本工作原理与特性少数载流子的注入与复合而产生发光PN结(同质结)注入发光(发生在p区)异质结注入发光(发生在n区)2、半导体激光器（LD）光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：1）、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁，要有粒子数反转；2）、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；3）、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大，发出激光。,L=m,半导体激光器基本结构,驱动电源,工作物质,谐振腔,注入式,光子激励,电子束激励,PN结（同质结）,异质结,单异质结,双异质结（DH）,解理面,布拉格反馈,分布反馈式DFB,分布布拉格反射式DBR,LD和LED的主要区别LD发射的是受激辐射光LED发射的是自发辐射光LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。,三、光电耦合器件1、光电耦合器件的特点：电隔离、信号传输方向、具有抗干扰和噪声的能力、响应速度快、实用性强、既具有耦合特性又具有隔离特性。2、光电耦合器件的主要特性参数：传输特性、隔离特性3、光电耦合器件的应用:如：构成逻辑门电路,7、光电信息变换,1、光电信息变换的分类(6种基本形式，两种光电变换电路的特点)*2、光电变换电路的分类（差分变换电路、光外差检测电路的特点；激光干涉测位移（L=n/2）、莫尔条纹测位移（，L=nqnd）3、光电信号的变换方法：几何光学、物理光学（干涉条纹跟踪法、双频激光干涉系统、衍射方法的光电信息变换）4、光电信号的时域调制变换：调制：调幅、调相和调频（特点、调制后的频谱、带宽），内调制和外调制解调：直线律检波和相敏检波(特点),8图像信息的光电变换,图像传感器,真空成像图像传感器如变像管，像增强器（直视型）摄像管：光电型、热释电型,固体成像图像传感器,CCD图像传感器（自扫描型）,（扫描型）,二、组成、功能及工作原理,1、像管的工作原理及典型结构,像管成像物理过程：（三个环节）（1）、微弱的光或不可见的输入辐射图像转换成电子图像（光电阴极完成）（2）、电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像（电子光学系统即电子透镜）（3）、将增强的电子图像转换成可见光的图像（荧光屏）,CMOS图像传感器（自扫描型）,2、摄像管（1）光电摄像管的作用，基本功能：光电变换、光电信息的积累、储存及扫描输出。具体分为以下四个过程：1.光学图像转变成电荷（电位）图像；2.对电荷图像进行存贮和积累；3.对电信号进行放大和增强；4.对存贮电荷图像的各个像素进行扫描，输出与输入信息成比例的一维电信号。1）内光电变换型（视像管）：由光电导靶、电子枪及信号输出三部分组成。光电导型（如硫化锑摄像管；pn结型氧化铅摄像管等）。没有移像区，光电变换部分和光信息存储全由一个靶来完成。,2）、外光电变换型（光电发射型）：超正析管、分流管、二次电子导电摄像管和硅靶电子倍增管等。有移像区，它的光电变换部分和光信息存储部分是由两部分来完成的，彼此分离，总称为移像区。,3、CCD图像传感器CCD的特点：CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。以电荷作为信号,通过电荷的存贮和转移，来实现信号的存储和转移。CCD的基本功能：电荷的存储和电荷的转移,CCD基本工作原理,信号电荷的产生：光注入、电注入,信号电荷的存贮：关键是势阱的形成,信号电荷的传输：势阱变化（因素）,驱动脉冲,信号电荷的检测：浮置扩散放大器电压输出：特点，复位脉冲信号的作用P212，P213,CCD摄像器件的基本特性参数,1）电荷转移效率2）驱动频率3）噪声：散粒噪声、转移噪声、热噪声,引起转移损失的原因：界面态效应（表面态对电荷的浮获）；时钟频率选择不当。如何较少转移损失？,线阵CCD摄像器件的两种基本形式MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅、输出放大器等部分组成,(1)单沟道线阵CCD：组成及工作过程,(2)双沟道线阵CCD：组成及工作过程,光积分过程电荷转移电荷传输,光积分过程电荷转移电荷传输,面阵CCD摄像器件的两种基本形式、组成及工作过程,由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。帧转移面阵CCD（适合于三相器件）：它由成像区(像敏区)、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。隔列转移型面阵CCD（适合于二相器件）,(3)线转移型面阵CCD,CMOS图像传感器,CMOS图像传感器的组成、像敏单元结构、信号读出方式等；CCD与CMOS图像传感器的主要区别:1、信息读取方式2、速度3、电源及耗电量4、制作工艺5、成像质量,9光电信号的数据采集与计算机接口技术,一、光电信号的二值化处理1、单元光电信