光电检测技术总结

1、光电检测技术光电检测技术 n检测与测量 n光电传感器： q基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 q将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。 n光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被 测量转换成光通量,再将光通量转换成电量，并综合利用信息 传送技术和处理技术，完成在线和自动测量 n光电检测系统 q光学变换 q光电变换 q电路处理 光电检测系统的组成 n包括光信息获取、光电变换技术和光信息测量技术 以及信息的光电处理技术。 n光学变换与光电转换是光电测量的核心部分 光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 光 电 转 换 电 信 息 处 理 存储 控制 显

2、示 光信号获取 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点 n光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发 生变化 n光电子发射：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和 金属氧化物 n光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导 体中载流子数显著增加而电阻减少 n光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时， 会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。 光电检测器件的类型光电检测器件的类型 n光电检测器件是利用物质的光电效应把光 信号转换成电信号的器件. n光电检测器件分为两大类: q光子(光电子)检测器件 q热电检测器件 探测器件探测器件 热电探测元件热电探测元件光子

3、探测元件光子探测元件 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 非放大型非放大型放放 大大 型型 光电导探测器光电导探测器光磁电探测器光磁电探测器光生伏特探测器光生伏特探测器 本征型本征型掺杂型掺杂型非放大非放大 放大型放大型 真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管 光电倍增管光电倍增管 变像管变像管 摄像管摄像管 像增强器像增强器 光敏电阻光敏电阻红外探测器红外探测器 光电池光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管 光电场效应管光电场效应管 雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管 光电器件分类及特点 光子探测器光子探测器探测器探测器 响应波长有选择性，一般有截 止波长，超过该波长，

4、器件无 响应。 无波长选择性，对可见光到远 红外的各种波长的辐射同样敏 感 响应快，吸收辐射产生信号需 要的时间短， 一般为纳秒到 几百微秒 响应慢，一般为几毫秒 4.1 4.1 光电器件的性能参数光电器件的性能参数 n响应特性 n噪声特性 n量子效率 一、响应特性一、响应特性 响应度（或称灵敏度）：是光电探测器 输出电信号与输入光信号之间关系的度量。 描述的是光电探测器件的光电转换效率。 q响应度是随入射光波长变化而变化的 q响应度分电压响应率和电流响应率 响应时间：响应时间是描述光电探测器对 入射光响应快慢的一个参数（如图）。 脉冲响应特性 q上升时间tr：入射光照射到光电探测器后，光电探

5、测 器输出上升到稳定值所需要的时间。10%90% q下降时间tf ：入射光遮断后，光电探测器输出下降 到稳定值所需要的时间。 90%10% 、信噪比 n信噪比是判定噪声大小的参数。 n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比 n若用分贝（dB）表示，为 2 2 2 2 N S LN LS N S I I RI RI P P N S N S N S I I I I N S lg20lg10 2 2 、噪声等效功率(NEP) n定义：光电器件输出的信号电压有效值等与噪声方均根电 压值时的入射光功率 n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或 电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流） n一般一个

6、良好的探测器件的NEP约为10-11W。 nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。 () e NEPW SNR 第二节 光电发射器件 n光电发射效应：物体吸收了光能后转换为该物 体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光 电传感器的工作原理基于光电效应。分为外光 电效应和内光电效应。 一、光电效应及元件 n用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串 具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常 数h乘以光的频率，即E=h）的光子的轰击， 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电 效应的物理现象称为光电效应。 n分类： q外光电效应 q光导效应 q光生伏特效应 （一）外光电效应 n外光电效应：在光线的作

7、用下能使电子逸出物 体表面的现象称为外光电效应。 n元件：紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管 等。 E=h=m2/2 +A n1光电子能否产生，取决于光子的能量是否 大于该物体的表面逸出功。每种物体都有相对 应的光频阈值，称为红限频率，用0表示。 0=A/h q若入射光的频率小于红限频率，光子的能量不足以 使物体内的电子逸出，因此小于红限频率的入射光， 光再强也不会产生光电效应。反之，若入射光的频 率高于红限频率，即使光强微弱，也会使照射的物 体有光电子发射出来。 E=h=m2/2 +A n2当入射光的频谱成分不变时，产生的光电 流与光强度成正比。光愈强，意味着入射的光 子数目越多，逸出的光电

8、子数也就越多。 n3光电子逸出物体表面时的初动能决定于入 射光的频率。对于一定的物质，电子逸出功A 是一定的，所以光子的能量h越大，则电子 的初动能越大。 光电倍增管及其基本特性 由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半 导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯 材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子 l;k 入射光 光电阴极 第一倍增极 阳极 第三倍增极 的，收集到的电子数是阴极 发射电子数的105106倍。即 光电倍增管的放大倍数可达 几万倍到几百万倍。光电倍 增管的灵敏度就比普通光电 管高几万倍到几百万倍。因 此在很微弱的光照时，

9、它就 能产生很大的光电流。 光电倍增管光电倍增管(PMT) 光电倍增管是利用外光电效应制成的一种光电探光电倍增管是利用外光电效应制成的一种光电探 测器件。其光电转换分为测器件。其光电转换分为光电发射光电发射和和电子倍增电子倍增 两个过程。两个过程。 把微弱的光输入转化为光电子，并把微弱的光输入转化为光电子，并 使光电子使光电子获得倍增获得倍增的一种光电探测器件。的一种光电探测器件。 光电倍增管使用注意要点光电倍增管使用注意要点 n不宜用强光，容易引起疲劳不宜用强光，容易引起疲劳 n额定电压和电流内工作额定电压和电流内工作 n入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应入射光斑尺寸和管子的有效阴极面

10、尺寸向对应 n电场屏蔽和磁屏蔽电场屏蔽和磁屏蔽 n测交变光时，负载电阻不宜过大测交变光时，负载电阻不宜过大 光电导效应 n定义：光照变化引起半导体材料电导变化的现 象。 内光电效应 n内光电效应产生的自由电子停留在物体内部，内光电效应产生的自由电子停留在物体内部， 不发生电子逸出。不发生电子逸出。 器件：器件：光敏电阻光敏电阻、由光敏电阻制作的、由光敏电阻制作的光导管光导管。 分类：本征光电导效应与杂质光电导效应 光敏电阻 n利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导 器件，也称光敏电阻。 n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体， 例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。 工作机理：工

11、作机理： n当入射光子使半导体中的电子由价带跃当入射光子使半导体中的电子由价带跃 迁到导带时，导带中的电子和价带中的迁到导带时，导带中的电子和价带中的 空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电 导增加。导增加。 光敏电阻分类 价带 导带电子 空穴 Eg 价带 导带电子 空穴 施主 本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。 n本征型：当入射光子的能量等于 或大于半导体材料的禁带宽度Eg 时，激发一个电子空穴对，在 外电场的作用下，形成光电流。 n杂质型：对于型半导体，当入 射光子的能量等于或大于杂质电 离能时，将施主能级上的电 子激发到导带而成为导电电子， 在外电

12、场的作用下，形成光电流。 n7、暗电阻和暗电流：、暗电阻和暗电流： n光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一 般情况下，暗电阻都大于般情况下，暗电阻都大于10兆，受光照时兆，受光照时 的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可 作为衡量灵敏度的高低，比值越大，灵敏作为衡量灵敏度的高低，比值越大，灵敏 度越高。度越高。 n8、前历效应：、前历效应： 光敏电阻的应用 n基本功能：根据自然 光的情况决定是否开 灯。 n基本结构：整流滤波 电路；光敏电阻及继 电器控制；触电开关 执行电路 n基本原理：光暗时， 光敏电阻阻值很高， 继电器关

13、，灯亮；光 亮时，光敏电阻阻值 降低，继电器工作， 灯关。 照明灯自动控制电路 K 220V 灯 常闭 CdS 光伏效应 器件 4.6 4.6 热电探测器热电探测器 三种主要的热电效应 n温差电效应：温差产生电动势温差电效应：温差产生电动势 q热电偶和热电堆热电偶和热电堆 n电阻温度效应：辐射引起电阻率变化电阻温度效应：辐射引起电阻率变化 q测辐射热计测辐射热计(Bolometer)(Bolometer) n热释电效应热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化：辐射变化引起表面电荷变化 q热释电探测器热释电探测器 n原理：原理：基于光辐射与物质相互作用的热电效应制作的基于光辐射与物质相互作用的热电

14、效应制作的 器件。器件。 q入射辐射入射辐射- -器件温升器件温升- -材料参量变化。材料参量变化。 n优点：优点：大部分大部分不需制冷不需制冷、在很宽的光谱波段有平坦的、在很宽的光谱波段有平坦的 响应两大持点。响应两大持点。 n缺点：缺点：探测率较低和时间常数较大。要同时获得灵敏探测率较低和时间常数较大。要同时获得灵敏 度高、响应快的性能是困难的。新型热电探测器度高、响应快的性能是困难的。新型热电探测器 热释电探测器热释电探测器的出现及其近年来的发展，逐步解决了的出现及其近年来的发展，逐步解决了 这一矛盾。这一矛盾。 二、热电探测器的特点二、热电探测器的特点 4.6.2 温差电偶温差电偶 （

15、thermocouples & thermopile） n起源：起源：18261826年年 红外探测器件。红外探测器件。 n应用：高、低温的温度探测领域。应用：高、低温的温度探测领域。 n基本原理：基于温差电第一效应基本原理：基于温差电第一效应塞贝克效应。两塞贝克效应。两 种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们 构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就 会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差 电动势将得到保持。电动势将得到保持。 n许多

16、个热电偶串联起来即成为热电堆。许多个热电偶串联起来即成为热电堆。 4.6.2 温差电偶温差电偶 三、热电偶的基本参数三、热电偶的基本参数 1. 温差电势率温差电势率M n当冷端开路时，开路电压当冷端开路时，开路电压 UOC与入射辐射产生的温升与入射辐射产生的温升 T的关系为的关系为 TMU oc 3.4.3 （热敏电阻）测辐射热计热敏电阻）测辐射热计 (Bolometer) u原理：原理：吸收辐射吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻，产生温升，从而引起材料电阻 的变化。的变化。 u主要材料类型：金属、半导体和超导体。主要材料类型：金属、半导体和超导体。 u共同点：都敏感于辐射，共同点：都敏感于

17、辐射，光谱响应基本上与入射光谱响应基本上与入射 辐射的波长无关辐射的波长无关。 吸收辐射吸收辐射温升温升-电阻变化电阻变化 热敏电阻热敏电阻 在电子电路中的符号在电子电路中的符号 3.4. .4 热释电探测器热释电探测器 (Pyroelectric infrared detector) 一、热释电探测器的工作原理一、热释电探测器的工作原理 1. 热释电效应热释电效应 热电晶体材料因热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升吸收光辐射能量、产生温升，导致，导致 晶体晶体表面电荷发生表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。变化的现象，称为热释电效应。 热电晶体热电晶体：具有：具有非中心对称非中心对称的

18、极性晶体的极性晶体 当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时，当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时， 引起温度升高，表面电荷减少，相当于热引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放释放” 了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐 射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放 电荷，也不再有电信号输出。电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不因此，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同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出 的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信的电信号

19、为零；只有在交变辐射的作用下才会有信 号输出。号输出。 3. 热释电探测器的工作原理热释电探测器的工作原理 n热释电晶体吸收交变频率为热释电晶体吸收交变频率为的入射辐射后，的入射辐射后， 其温度和自发极化强度也随频率其温度和自发极化强度也随频率而变化，而变化， 从而导致晶体表面电荷密度也发生变化。从而导致晶体表面电荷密度也发生变化。 n在晶体的相对两面敷上电极，如果接上负载在晶体的相对两面敷上电极，如果接上负载 就有电流流过。就有电流流过。 热释电红外探测器模块热释电红外探测器模块 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 4.7 光电成像器件 光电成像器件光电成像器件 （Photoelectronic Imag

20、ing Devices） n定义：一类能够输出图像信息（图像或视频信号）的 功能器件，也称为光电图像传感器 。 n分类：直视型、摄像型。 q直视型光电成像器件直视型光电成像器件 具有图像的转换、增强、显示等功能部 件和高真空管壳，通常简称为像管。 q摄像型光电成像器件摄像型光电成像器件 将二维空间的光强分布（光学图像）转 换为一维时序电信号，不直接输出图像（只有对时序电信号 进行再处理后才可获得目标图像）。 光电成像器件的分类 n 变像管 n 直视型： 像管 n 像增强器 n 光电发射型 n光电成像器件 电真空摄像管 光电导式 n 热释电摄像guan n 摄像型： n 电荷耦合器件 n 固体摄

21、像器件 CMOS图像传感器 n 红外焦平面阵列器件 像管 变像管像增强管 一、典型结构与工作原理 物镜 目镜 阴极 阳极 荧光屏 目标物所发出某波长 范围的辐射通过物镜 在半透明光电阴极上 形成目标的像，引起 光电发射。阴极面每 一点发射的电子束密 度正比于该点的辐照 度。这样，光阴极将 光学图像转变成电子 束密度图像。通过阳 极的电子透镜作用， 使阴极发出的光电子 聚焦成像在荧光屏上。 荧光屏在一定速度的 电子轰击下发出可见 的荧光，最终，在荧 光屏上便可得到目标 物的可见图像。 变像管：光阴极面上的材料红 外或紫外光线敏感； 像增强管光阴极面上的材料微弱 可见光敏感。 像管成像物理过程 n

22、1.辐射图像的光电转换: 利用外光电效应.光敏面采用光电发射型材料.发射的 电子流分布正比于人射的辐射通量分布.由此完成辐射 图像转换为电子图像的过程. n2.电子图像增强: 电场加速 或微通道板中二次电子发射. n3电子图像的发光显示 高能电子轰击荧光屏,发出可见光. 摄像管 n电视摄像过程是将两维空间分布的光学图像转电视摄像过程是将两维空间分布的光学图像转 换为一维时间变化的视频电信号。换为一维时间变化的视频电信号。 n步骤：步骤： q摄像管的光敏元件接受输入图像的辐照进行光电转换，将两维空间 分布的光强转变为两维空间分布的电量； q摄像管的电荷存贮元件在一帧的周期内连续积累由光敏元件产生

23、的 电量，并保持电荷量在空间的分布。这一存贮电荷的元件称之为靶； q摄像管的电子枪产生空间两维扫描的电子束，在一帧的周期内完成 全靶面的扫描。逐点扫描的电子束到达靶面的电荷量与靶面贮存的 电荷量相关，因此扫描电子束的电流被靶面电荷量所制，从而在输 出电路上即可得到视频信号。 一般摄像管一般摄像管 应具有的结应具有的结 构构 它主要由两它主要由两 大部分组成大部分组成 光电变换与光电变换与 存贮部分存贮部分 信号阅读部信号阅读部 分。分。 1光电变换与存贮部分光电变换与存贮部分 (1) 光电变换部分 构成：光敏元件。 根据材料分类： 光电发射体 光电导体视像管。 (2)电荷存贮与积累部分 帧周期

24、内要求信号不能漏走存贮元件具有足够 的绝缘能力。 n2信号阅读部分信号阅读部分 阅读部分扫描电子枪系统 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） 分类： q表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导 体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输； q体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导 体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定 方向传输。 工作过程：电荷的产生、存储、传输检测。 n4.8 原理 直接检测系统视场角 D u f d 检测器 物镜 视场角表征系统能“观察”到的空间范围 半视场角为： 或视场角立体角为： fd 2/ 2 / fAd 5.2 直接检查系统的基本特性 视场角 在系统设计时，

25、在检测到信号的基础上尽可能 减小系统视场角。 在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能 减小系统视场角。 从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，但： 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声 功率和面积的平方根成正比。 减小焦距使系统的相对孔径加大；引入系统背景辐射噪声，使系统 灵敏下降。 n外差探测不仅可探测振幅和强度调制的外差探测不仅可探测振幅和强度调制的 光信号，还可探测频率调制及相位调制光信号，还可探测频率调制及相位调制 的光信号。这是外差探测的的光信号。这是外差探测的第一个优点。第一个优点。 二、光外差探测特性二、光外差探测特性 1、转换增益、转换增益 光探测器输出电流

26、振幅为光探测器输出电流振幅为 在直接探测中，输出信号电流的振幅在直接探测中，输出信号电流的振幅 外差转换增益外差转换增益 由于在外差探测中，本机振荡光功率由于在外差探测中，本机振荡光功率PL比信号光功率大几比信号光功率大几 个数量级，所以，外差转换增益可以高达个数量级，所以，外差转换增益可以高达107 10 8 。由。由 此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高107 10 8 倍。这是外差探测的倍。这是外差探测的第二个优点。第二个优点。 2光谱滤波性能光谱滤波性能 如果取差频信号宽度如果取差频信号宽度c / 2 =L-s /2为信息处理为信息处理 器的通频带器的通频带f，那么只有与本机振荡光束混频后在，那么只有与本机振荡光束混频后在 此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的 噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差探测系统中噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差探测系统中 不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光片的直不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光片的直 接探测系统还好得多。接探测系统还好得多。 外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差探测的外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差探测的 第三个优点第三个优点。 3外差探测信噪比外差探测信噪比 如果入