第一章 绪论(光电检测研究生课)

1、 现代光电测试技术现代光电测试技术参考书目参考书目：光电检测技术光电检测技术曾光宇等编著曾光宇等编著 清华清华大学出版社大学出版社激光光电检测激光光电检测吕海宝等编著吕海宝等编著 国防科技大学出国防科技大学出版社版社 光电检测技术光电检测技术雷玉堂等编著雷玉堂等编著 中国计量出版社中国计量出版社光电检测技术与系统光电检测技术与系统 高岳等编著高岳等编著 电子工业出版电子工业出版社社绪论绪论光电检测是信息时代的关键技术光电检测是信息时代的关键技术信息技术信息技术: 微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。 感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。

2、信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。 光电信息技术光电信息技术 以光电子学为基础以光电子学为基础,以光电子器件为主体以光电子器件为主体,研究和发展光电研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络、光通信和综合信息网络3、光频微电子、光频微电子4、光电方法用于瞬态光学观测、光电方法用于瞬态光学观测5、光电传感、光纤传感和图象传感、光电传感、光纤传感和图象传感6、激光、红外、微光探测，定

3、向和制导、激光、红外、微光探测，定向和制导 本课程研究内容本课程研究内容7、光电精密测试，在线检测和控制技术、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析、混合光电信息处理、识别和图象分析9、光电人工智能和机器视觉、光电人工智能和机器视觉10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储11、生物光子学、生物光子学 光电检测基本原理光电检测基本原理光电检测的基本概念：光电检测的基本概念：定义：定义：通过光电技术确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作通过光电技术确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作被测对象：被测对象

4、：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）被测信息：被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、） 化学量（化学量（PH、成份、成份） 生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 全部操作：全部操作：检测器具检测器具 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 检测过程检测过程 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出 光电检测系统光电检测系统 光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号

5、的光辐射（为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发发射、反射、散射、衍射、折射、透射射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。量。变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理

6、 光电检测技术基础光电检测技术基础光的基本性质光的基本性质辐射与光度学量辐射与光度学量半导体基础知识半导体基础知识光电效应光电效应 光的基本性质光的基本性质粒子说：光子（粒子说：光子（photonic)波动说：光波 (optical wave) 解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波hE 光波的表示法：光波的表示法：光波的折射光波的折射（refraction）：）：Snells law:n1sin1= n2sin2全反射：全反射：使折射角为使折射角为90度的入射角成为临界角，度的入射角成为临界角，当入射角大于临界角时，当入

7、射角大于临界角时，光将发生全反射。（光纤光将发生全反射。（光纤技术技术技术技术: total reflection）n1n212n1n2n1n2n1n2abc光波的干涉：光波的干涉：两束或多束光波波动重合两束或多束光波波动重合时合成波光强随着各个光时合成波光强随着各个光波相位变换而出现增强或波相位变换而出现增强或减弱的现象。减弱的现象。三个条件：频率相同；三个条件：频率相同；振动方向一致；振动方向一致；初始相位恒定。初始相位恒定。光波的衍射：光波的衍射：光波并不全部直进而光波并不全部直进而是有一部分能量绕行是有一部分能量绕行到物体背后的现象。到物体背后的现象。散射与吸收：散射与吸收：瑞利散射瑞

8、利散射 （Rayleigh scattering）：）：散射大小与光波频率的四次方成正比。散射大小与光波频率的四次方成正比。光吸收：光被物质吸收而转化成物质热能的现象。光吸收：光被物质吸收而转化成物质热能的现象。衍射光栅：衍射光栅：当入射波长（频率）不同时，其衍射当入射波长（频率）不同时，其衍射角度也不同。可形成很多光学波长滤波器角度也不同。可形成很多光学波长滤波器偏振光：偏振光：右旋橢圓極化右旋圓極化垂直線極化xyxyxy距離(遠離光源)辐射度：辐射度：辐射能辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳或接受的能量。单位：焦耳J辐射通量辐射

9、通量e：单位时间内通过一定面积发射、：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐，是辐射能的时间变化率。单位：瓦射能的时间变化率。单位：瓦辐射强度辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr辐射照度辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。：投射在单位面积上的辐射通量。单位：单位：W/m2 辐射出射度辐射出射度e ：扩展辐射源单位面积所辐：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2辐射亮度辐射亮度e ：

10、辐射表面定向发射的辐射强度。：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：单位：W/m2Sr光谱辐射通量光谱辐射通量e（）：辐射通量的光谱密度，：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。即单位波长间隔内的辐射通量。 名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/光度量的最基本单位：光度量的最基本单位：发光强度发光强度Iv：发出波长为：发

11、出波长为555nm的单色辐射，且在给定方的单色辐射，且在给定方向上的辐射强度为向上的辐射强度为1/683瓦特瓦特每球面度，则在此方向上每球面度，则在此方向上的发光强度规定为的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。，它是国际单位制中七个基本单位之一。光通量光通量v：光强度为：光强度为1cd的均匀点光源在的均匀点光源在1sr(球面度球面度)内发内发出的光通量。单位：流明出的光通量。单位：流明lm。光照度光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量：单位面积所接受的入射光的量 ，单位：勒克斯，单位：勒克斯lx，相当于，相当于 1平方米面

12、积上接受到平方米面积上接受到1个流明的光通量。个流明的光通量。 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为对应的。辐射度量下标为e，例如，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（光度量只在可见光区（nm)nm)才有意义。才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。辐射度量和光度量都是波长的函数。 晴天阳光直射地面照度约为晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为晴天室内北窗附近照度约为2000l

13、x晴天室内中央照度约为晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为晴天室内角落照度约为20lx阴天室外阴天室外50500lx阴天室内阴天室内550lx月光（满月）月光（满月）2500lx日光灯日光灯5000lx电视机荧光屏电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度阅读书刊时所需的照度5060lx在在40W白炽灯下白炽灯下1m远处的照度约为远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜黑夜0.001lx 半导体基础知识半导体基础知识导体、半导体和绝缘体：导体、半导体和绝缘体：自然存在的各种物质，分为气体、液体、固自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。体。固体按导电

14、能力可分为：导体、绝缘体和介固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。于两者之间的半导体。电阻率电阻率10-6 10-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体电阻率电阻率1012欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体半导体的特性：半导体的特性：半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。化。（纯净（纯净Si在室温下

15、电导率为在室温下电导率为5*10-6/(欧姆欧姆厘米厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧欧姆姆厘米厘米)半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。响。本征和杂质本征和杂质半导体：半导体：本征半导体本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。体的导电性质。掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为施主杂质施主杂质和和受主杂质受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的

16、带正电的施主离子，同时施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。型半导体。PN结：结：将将P型和型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导型半导体采用特殊工艺制造成半导体，半导体内有一物理界面，界面附近形体，半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为成一个极薄的特殊区域，称为PN结。结。是二极管

17、、三极管、集成电路和其它结型光是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。电器件最基本的结构单元。电子空穴价带导带pnEf未加偏压时的半导体P-N结能带分布图，P区电子电位比n区高，此时为一热平衡系统半导体的光辐射半导体的光辐射价带导帶pnEfnEfp外加正向偏压，此时P区的空穴与n区的电子大量结合，形成光子并辐射。此为半导体激光器的基本工作原理。hv=Eg半导体对光的吸收：半导体对光的吸收：物体受光照射，一部分光被物体反射，一部物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。分光被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流吸收

18、包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃由于光子作用使电子由价带跃迁到导带迁到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征吸收才能发生本征吸收0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的长波限光电效应光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称因光照而引起物体电学特性发生

19、改变统称为光电效应为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子：物体受光照后向外发射电子多发生多发生于金属和金属氧化物于金属和金属氧化物内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，：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的现

20、象使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体：光照在半导体PN结或金属结或金属半半导体接触上时，会在导体接触上时，会在PN结或金属结或金属半导体接半导体接触的两侧产生光生电动势。触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将P

21、N结短路，则会出现电流（光生电流）。结短路，则会出现电流（光生电流）。光热效应：光热效应： 材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化动加剧，温度升高，材料的性质发生变化 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象 温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流 光电检测器件光电检测器件光电检测器的要求：光电检测器的要求：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光电检测器件是利

22、用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件.- 能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换- 足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流- 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响- 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真- 具有较小的体积、较长的工作寿命等光电检测器件的类型：光电检测器件的类型：光电检测器件分为两大类光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件热电检测器件光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器