天津工业大学光电检测复习大纲

1、第二章 光电传感器技术基础光谱辐射量物理(客观)度量方法光谱光度量人眼生理(主观)上对辐射量进行计量光谱辐射量：给定波长处极小波长间隔d内的辐通量de称为单色辐通量。  或光谱光通量 给定波长单位时间内发射、传播或接收的辐射能，是辐射能的时间变化率流明(lm)光谱辐射出射度： 辐射源单位面积所辐射的通量 光谱光出射度 离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。 (lm· m-2)光谱辐射强度辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。 光谱发光强度 光度量中的基本量 cd光谱辐射亮度面辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。( )光谱亮度：表面一点处的面元在

2、给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。(cd· m-2)光谱辐照度： 单位受光面积上所接收的辐射通量 ( )光谱光照度 照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。勒克斯(lx)辐射效率：定义:面光源发出的总辐通量与它所消耗的电功 率之比称为光源的辐效率2.公式:=e/P电×100%无量纲光效： 定义:面光源发出的总光通量与它所消耗的电功 率之比称为光源的发光效率2.公式:=v/P电3.单位:lm/w3.斯忒藩-波尔兹曼定律维恩位移定律例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2

3、？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少m？峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,m又为多少？明视觉：锥体细胞的感光灵敏度低，在cd/m2的亮度条件下作用，能分辨物体的颜色和细节。暗视觉：杆体细胞只能在黑暗的环境下作用，不能分辨颜色。中间视觉：介于这两视觉之间的视觉光视效能：表征不同波长辐射下的响应能力，同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比:  色表: 光源发光时，人眼直接看光源时光源所呈现的颜色。 显色性:某光源与标准光源分别照射同一物体时,人眼所产生的颜色类别用显色指数来定量描述。色温:待测辐射源

4、在温度T时所呈现的颜色与某一温度Tc时的黑体颜色相同则称Tc为该辐射体光源的色温。内光电效应外光电效应光照射固体而从表面逸出电子的现象，称为外光电效应。受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。光电管、光电倍增管光敏电阻、反向工作的光敏二极管、光敏三极管光电阴极、光电倍增极、光电阳极。光线光电阴极加速并打在第一倍增极D1上,产生二次发射；D1的二次发射电子加速入射到电极D2上，这样逐级前进,一直到达阳极A为止。光电倍增管具有很高的灵敏度。光敏电阻灵敏度高,体积小,重量轻,光谱响应范围宽,机械强度高,耐冲击和振动,寿命长等优点。无光照电阻大(暗电阻)第三章：光源自然光源 太阳

5、月亮星光与天空 电光源 钨丝灯 气体放电灯 金属蒸汽灯 半导体发光二极管光源 激光光源激光激光的产生机理一般涉及到受激辐射，粒子数反转与谐振三个关键问题。 要产生激光，必须使总发射大于总吸收。获得激光输出的3个必要条件为： 必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵浦源； 要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗； 有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。典型激光器：氦-氖激光器 、半导体激光器LD第四章 光电导器件光电导效应：光照引起材料电导变化的现象称为光电效应。光敏电阻：利用具有光电导效应的材料可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器

6、件，这类器件称为光电导器件或简称PC。光敏电阻的特点：优点：光敏电阻光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小无极性使用方便。许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大、型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。光敏电阻的基本特性：暗电阻：光敏电阻在室温条件下全暗后经过一定时间测量的电阻值，在给定电压下流过的电流暗电流。亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，此时流过的电流亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。偏置电路基本偏置电路： 结论：输出电压信

7、号与弱辐射光入射辐射量成线性关系 恒流电路： 存在问题：难以满足电路输出阻抗的要求恒压电路： 存在问题：光敏电阻阻值变化范围较大结论：结合晶体管，进一步优化偏置电路恒流电压灵敏度：输出电压变化与光敏电阻入射光辐射量变化的关系：结论： 1. 电压灵敏度代表输出电压波动对辐射强度变化的敏感性2. 电压灵敏度与光敏电阻阻值的二次方成正比3. 采用较高阻值的光敏电阻可以获得更高的光电压灵敏度恒压：输出电压变化与光敏电阻入射光辐射量变化的关系结论：1.输出信号电压与光敏电阻的阻值无关 2.更换光敏电阻时只要光电导灵敏度不变即可保持输出电压不变例3-1 在如图3-15所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为1

8、2V，Rb为820，Re为3.3k，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4 V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为8V。（设光敏电阻在30到100lx之间的g值不变）1）输出电压为7伏的照度为多少？2）该电路的电压灵敏度多少？ 例3-2 在如图3-16所示的恒压偏置电路中，已知DW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6V，设Rb=1k，RC=510, 三极管的电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V,照度为450lx时输出电压为8V。输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在100500

9、lx间的值不变）为多少lx？ 照度到500lx时的输出电压为多少？光照强：曝光时间短光照弱：曝光时间长光电特性和值：光敏电阻的光电特性是指在一定电压作用下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光通量的关系。电导随光照量变化越大的光敏电阻越灵敏照度指数弱光 0.51强光 电压指数1 比例系数Sg 弱光线性（测量）强光非线性（控制） 伏安特性：一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线光谱特性峰值波长在515600nm，接近555nm，可用于与人眼有关的仪器，频率特性响应时间：光敏电阻的时间响应比其他光电器件要

10、差些，频率响应要低些弱光，强光则小于。光电导探测器的频率特性差，不适于接收高频光信号。 1. 光电载流子平均寿命(较大，ms) 2. 外接电路的时间常数(可忽略)3. 时间响应(惯性)比其他光电器件差温度特性随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。光电响应特性随着温度的变化较大。前历效应：是指光敏电阻的时间特性和工作前“历史”有关的一种现象具体表现在稳定光照下阻值的明显漂移。光敏电阻的暗电阻跟检测前是否有曝光有关。噪声特性主要包括热噪声、复合噪声和低频噪声第五章 光生伏特器件光生伏特效应：基于两种材料相接触形成内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫

11、向势垒的两边，从而形成了光生电动势。光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。硅光电二极管的电流方程：无光照时伏安特性曲线与普通PN结二极管的特性一样， 光电二极管必须工作在0.7v以下，否则不会产生光电效应。硅光电二极管与光电池结构区别：（3）光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作（4）硅光电二极管的光电流小得多。雪崩二极管光电二极管的p-n结加一相当高的反向偏压，使结区产生一个很强的电场。当光激发的光生载流子进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对在向电

12、极运动过程中，又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生新的电子-空穴对，这一过程不断重复，使p-n结内电流成倍急剧增加，这种现象称为雪崩倍增。APD利用这种效应而具有电流的放大作用。硅光电二极管PIN光电二极管雪崩二极管灵敏度：电流变化dI与辐射量变化之比增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度。光谱响应： 电流灵敏度与波长的关系曲线。时间响应：光电二极管的时间响应主要由载流子的渡越时间和RC时间常数决定。载流子的渡越时间：扩散时间、漂移时间 延迟时间：RC时间常数主要因素是扩散时间反向偏压，提高了PIN光电二极管的频率响应。耗时间响应加快。其电流倍增系数M定义为 噪声：低频噪声、散粒噪声和热噪

13、声。散粒噪声是主要噪声 反偏工作，线性输出范围变宽。量子效率提高。噪声主要为散粒噪声。噪声电流比信号电流增加得更快。 硅光电池光敏三极管光照中p-n结开路状态时的物理过程，在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号，最佳负载电阻时，输出电压 输出电流 电流放大作用只是它的集电极电流不只受基极电流控制，还受光的控制。工作时要保证集电极反偏，发射极正偏。当基极没有引线时，集电极电流为光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换 部分是在集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。伏安特性输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。某一光照下，不同的负载电

14、阻测得的输出电流和电压画成的曲线。 硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管在微安量级；在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重； 光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线；短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线；负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。光电转换效率光电池的输出功率与入射辐射通量之比最大m ：当负载电阻为最佳负载电阻Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比 。频率特性输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高

15、的频率响应;而硒光电池较差。硅光电三极管响应时间比光敏二极管长。光谱特性硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，适宜测可见光。硅光电池应用范围更宽硅光敏二极管与硅光敏晶体管具有相同的光谱响应。温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。光电位置敏感器件光电位置传感器PSD是一种横向光电效应器件，也是光点位置敏感，输出信号与光点在光敏面上的位置有关。一维PSD及等效电路 一维PSD主要用来测量光点在一维坐标（X）方向上的位置PSD; Cj 结电容、Rsh 结电阻 等效电路中：IP 光电流、VD理想二极管、RD 定位电阻、 二维PSD及等效电路 二维PSD主

16、要用来测量平面光点的（X、Y）坐标，感光的 方型面比一维多一对电极 光生伏特器件的偏置电路反向偏置电路 流过负载电阻RL的电流IL为 输出电压为零伏偏置电路：电流放大型硅光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗是硅光电二极管的负载电阻，即 当 时可以认为硅光电二极管处于短路状态，能输出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压与输入短路电流成正比，即电压放大型4.8 已知2CR21型硅光电池(光敏面积为5mm×5mm)在室温300K时，在辐照度为100W/cm2时的开路电压Uoc500mV，短路电流Isc=6mA试求： (1)室温

17、情况下，辐照度降低到50mW/cm2时的开路电压Uoc与短路电流Isc为多少？ (2)当该硅光电池安装在图中的电流偏置电路中时，若测得输出电压U0=1V，问此时光敏面上的照度为多少？ 4.9 已知2CR44型硅光电池的光敏面积为10mm×10mm，在室温300K时，在辐照度为100mW/cm2时的开路电压Uoc550mV，短路电流Isc=28mA。试求辐照度为200mW/cm2时的开路电压Uoc、短路电流Isc、获得最大功率的最佳负载电阻RL、最大输出功率Pm和转换效率。 第六章 光电发射器件1、光电发射器件是基于外光电效应的器件2、真空光电器件：光电管，光电倍增管，像增强管。3、光

18、电发射阴极的主要参数主要参数灵敏度输出电流对光照的敏感程度 光谱灵敏度：单一波长辐射时，光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量e,之比。积分灵敏度：光电阴极输出电流Ik与某波长范围内入射辐射通量e之比。色灵敏度： 光电阴极输出电流Ik与可见光波长范围内入射辐射通量e之比。量子效率照射光子数与发射电子数关系 在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极单位时间发射出去的光电子数Ne,与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率。量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。光谱响应灵敏度等与入射辐射波长的关系 光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱响应。 暗电流光照时由热电子发射产生

19、的电流光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。一般暗电流极低，其强度相当于10-1610-18Acm-2的电流密度。光电倍增管伏安特性阴极伏安特性：阴极光电流Ik和阴极和第一倍增极之间的电压Uk（阴极电压）的关系。阳极伏安特性：阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(阳极电压Ua)的关系。阳极电流Ia只与入射到阴极面上的光通量成线性关系增益 G=n 对于锑化铯 对银镁合金 灵敏度阴极灵敏度: 阳极灵敏度噪声散粒噪声、负载电阻、热噪声。在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声 暗电流所有光电探测器件中暗电流最低的器件线性线性不仅与

20、光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。时间响应上升时间整个光电阴极在函数的光脉冲照射下，阳极电流从脉冲峰值的10上升到90所需的时间。疲劳与衰老疲劳:灵敏度可逆变化。使用后，灵敏度有所下降的倍增管在黑暗中放置几小时，灵敏度又可恢复到原来状态。 老化：灵敏度不可逆下降。4、光电倍增管PMT工作原理是一种基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件，由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。工作原理：（1）光子透过入射窗口入射在光电阴极上;（2）光电阴极上的电子受光子激发

21、，离开表面发射到真空中;（3）光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次； （4）经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。结构形式与特点：入射光窗口侧窗型较低的工作电压下具有较高的灵敏度价格便宜端窗型具有优于侧窗型的均匀性价格贵倍增极材料锑化铯较低的电压下产生较高的发射系数氧化的银镁合金二次电子发射能力稍差些，工作在较强电流和较高的温度铜-铍合金具有二次电子发射功能，发射系数比银镁合金更低些负电子亲和势材料具有更高的二次电子发射功能倍增极结构非聚焦型只加速百叶窗型倍增极大，输出一致性较

22、好，宜作微弱光信号探测盒栅式体积小，均匀性、稳定性较好不宜于快速探测或要求线性电流大的探测。 聚焦型加速聚焦瓦片式时间响应快。圆形鼠笼式紧凑的结构和快速时间响应特性。6、电阻链分压型供电电路IR10Ia 电阻链分压器的总阻值R R=Ubb/IR 对于锑化铯 对银镁合金例6-1 设入射到PMT上的最大光通量为v=12×10-6lm左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能

23、做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？选择阳极电阻Ra=82K。(1) 首先计算供电电源的电压 (2) 计算偏置电路电阻链的阻值(3) 计算偏置输出信号电压的最高稳定度例6-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？ 例6-3 设入射到PMT上的最大光通量为v=16×10-6lm左右，当采用GDB-239型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为11级，阴极为AgOCs材料，倍增极也为AgMg材料，SK=10A/lm，若要求入射光通量在8×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.15V，试设计该PM

24、T的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？选择阳极电阻Ra=75K。第七章：电荷耦合器件CCD1、结构：1、电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元 3、光敏元按线阵或面阵有规则地排列。 4、相同面积上的光敏元不同时分辨率不同 CCD基本结构分两部分： 1、MOS光敏元阵列 2、读出移位寄存器 2、电荷转移原理（读出移位寄存器）1、CCD电荷耦合器件是以电荷为信号，光敏元上的电荷需经输出电路输出，这个输出过程由读出移位寄存器完成. 2、读出移位寄存器也是MOS结构，金属电极、氧化物、半导体三部分组成。 3、由三个十分邻近的电

25、极组成一个耦合单元； 4、在三个电极上分别施加脉冲波123，称三相时钟脉冲。5、三相时钟脉冲频率相同，相位差120°； t = t1 时刻，1 电极下出现势阱存入光电荷 t = t2 时刻，12下两个势阱形成大势阱存入电荷 t = t3 时刻，2 中电荷向3势阱转移6、不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下，电荷从寄存器的一端转移到另一端。3、线阵CCD与面阵CCD区别CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD： 线阵CCD面阵CCD线阵CCD传感器由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，加转移控制信号 T 。线阵CCD又分

26、为单通道、双通道双通道可以加速转换时间，提高分辨率。根据传输的读出结构有不同类型，基本构成有： ·线转移方式·帧转送方式 ·行间转送方式线阵CCD传感器只有一排光敏元，只能进行线宽测量。线型CCD传感器主要用于几何尺寸测试、传真、光学 文字识别技术等。面型CCD结构上是把光敏元件排列成二维矩阵形式，主要用于图像采集，摄象机及测量技术。 4、利用CCD测量几何量 例：玻璃管的平均外径12mm 壁厚1.2mm 要求测量精度为外径±0.1mm壁厚±0.05mm实际尺寸：上壁厚d1、下壁厚d2、外径D 为成像物镜的放大倍率 t为CCD像元尺寸上壁、下壁

27、、外径的像元个数（即脉冲数）分别为： n1、 n2、 N 上壁厚 ：d1 = n1t / b 下壁厚： d2 = n2t / b 外径 ：D = N × t / b 解：根据已知条件（玻璃管外径12mm），选择光学系统 的放大率为0.8倍，玻璃管的像大小为9.6mm； 产品的测量精度要求反映在像面上的外径（0.1mm ）为 ±0.08mm，壁厚（±0.05mm ）为0.04mm；根据CCD测量精度要求，最小尺寸0.04mm，必须要大 于两个CCD光敏元空间尺寸。 给定线阵TCD132D（1024位）光敏元间距尺寸为14m, 器件像元总宽度为1024 ×0

28、.14mm=14.3mm，大于成像外径。 最小尺寸为0.04mm > 0.014mm×2=0.028mm，满足要求。第八章：光纤传感器1、光纤结构及传光原理（全反射条件，折射率关系）结构：中心纤芯； 外层包层； 护套尼龙塑料。 折射率关系：纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1N2）全反射条件 光纤端面入射角 c（临界入射角 ） 光密介质（n1）到 光疏介质（n2）（N1N2） 传光原理：光纤的传播基于光的全反射原理。光线在光纤端面入射角减小到某一角度c 时，光线全部反射。光线全部被反射时的最大入射角c 称临界角;只要满足全反射条件c 光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传

29、播，最后从另一端面射出。2、光纤的数值孔径及意义：当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射角为光纤波导的孔径角。定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），NA为表示光纤的集光能力大小。 数值孔径意义：从物理上看：光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强。从增加进入光纤的光功率的观点看：NA越大对于光纤的对接越有利。但是NA太大时，光纤的模畸便加大，会影响光纤的带宽。3、光纤的色散特性光纤的色散：是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散的大小常用时延差表示色散的种类模式色散：不同模式，同

30、一波长，传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。材料色散：光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。波导色散和材料色散都是模内色散。多模光纤既有模式色散又有模内色散，但主要以模式色散为主。单模光纤只有材料色散和波导色散，波导色散比材料色散小很多通常可以忽略。4、光波调制技术将光波的特征参数以光强和颜色两个可以测量的量表现出来。 光的强度调制利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测 量被测信息。透射式强度调制 光纤端面为平面，入射光纤不动； 出射光纤可移动。通过测量两圆的交叠面积测出光强。透射式开关调制 入射、接