光电探测器第一组资料

1、光电系统(xtng)设计1光电探测器成员(chngyun)：共八十页2光电探测器光电探测器原理介绍光电探测器参数(cnsh)特性光电探测器分类几种常见的光电探测器光电探测器应用共八十页3定义(dngy)光电探测： 光辐射流照射到物体表面(biomin)，将被测信息转换为光信号变化，再转化为电信号进行处理分析的技术。光信号电信息，检测共八十页4光电探测器外光电效应(un din xio yng)器件内光电效应(un din xio yng)器件真空光电管光电倍增管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管几种常见光电器件光纤传感器光栅传感器电荷耦合器件共八十页1 光电效应(un din xio yng)

2、5光电效应(un din xio yng)包括外光电效应和内光电效应。共八十页1 光电效应(un din xio yng)6外光电效应(un din xio yng)：材料受到光照后，向外发射电子的现象。 1. 光电管 由光电阴极K和阳极A组成。K接电源负极，A通过负载电阻RL接电源正极。 2. 光电倍增管 由光电阴极K、倍增极D和阳极A组成。经过倍增极放大的电子被阳极收集，形成阳极电流 ，在负载电阻RL上产生信号电压Uo。( 二次发射系数)共八十页71 光电效应(un din xio yng)共八十页81 光电效应(un din xio yng)光电导效应：材料受光照后，电阻减小、导电性增加

3、(zngji)的现象。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。共八十页91 光电效应(un din xio yng) RG2用遮光罩覆盖，起温度补偿的作用。当带材位于中间位置时，调节Rp使电桥平衡，输出电压(diny)Uo为零。如果带材在运动的过程中跑偏，则RG1的阻值发生变化，电桥失去平衡，Uo的大小和正负分别反映了带材跑偏的程度和方向。 带材跑偏检测 共八十页101 光电效应(un din xio yng) 光生伏特效应(xioyng)：材料受光照后，光生载流子(电子-空穴对)在空间分开而产生电位差的现象。1. 光敏二极管：一个PN结，单向导电 无光照时光敏二极管的反向电阻很大，反向电

4、流很小，此时的电流称为暗电流。有光照射时PN结附近产生光生电子-空穴对，并在反向电压作用下参与导电，形成光电流Ip，且光电流的大小与光照强度成正比。工作在反偏状态。 共八十页111 光电效应(un din xio yng) 晚上无光照时，流过VD的电流很小，A点电位升高(shn o)，V1和V2都导通，继电器K通电，常开触点K1吸合，路灯点亮。 白天有光照时，流过VD的电流增加，A点电位降低，V1和V2均截止，继电器K断电，常开触点K1断开，路灯熄灭。 光电二极管控制路灯 共八十页121 光电效应(un din xio yng)2. 光敏三极管：两个PN结，具有电流放大(fngd)作用 光敏三

5、极管基极电流不仅受基极电压控制，还受光照控制。当有光照射时，在集电结附近产生光生电子-空穴对，在内建电场作用下，电子流向集电极，空穴流向基极，相当于外界向基极注入了控制电流。而基极、集电极、发射极又构成一个具有放大作用的三极管，完成光电流的放大。共八十页131 光电效应(un din xio yng)产品(chnpn)计数 当被测对象位于发光二极管LED和光敏三极管V1之间时，V1无法接收LED发出的光(截止)，三极管V2截止，Uo为高电平。当被测对象离开后，V1接收LED的光(导通)，V2导通，Uo为低电平。Uo经整形后接入计数电路，实现计数的目的。 共八十页141 光电效应(un din

6、xio yng)3. 光电池：比光敏二极管的PN结面积(min j)大+-PN 当光照射PN结时，结区附近产生光生电子-空穴对，结果在PN结两端产生电位差。用可见光作光源。 共八十页151 光电效应(un din xio yng) 有光照时光电池组发电，为负载供电，并对蓄电池充电(chng din)。无光照时，蓄电池向负载供电。二极管的作用是防止无光照时，蓄电池通过光电池组放电。 应用共八十页响应特性噪声(zoshng)特性量子效率线性度工作温度2 光电探测器件特性(txng)参数16共八十页 灵敏度：也称响应度，是光电检测器件输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换

7、效率。灵敏度随入射光波长(bchng)变化而变化灵敏度分电压灵敏度和电流灵敏度172.1 响应(xingyng)特性共八十页 光谱灵敏度：探测器在波长为 的单色光照射(zhosh)下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比。182.1 响应(xingyng)特性 积分灵敏度：探测器输出电压或电流与入射总光通量之比。共八十页 响应时间：描述光电探测器对入射光响应快慢的参数(cnsh)。上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：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。192.1响应(xingyng)特性时间常数共八十页 频率响应：光电探测器的

8、响应随入射光的调制(tiozh)频率而变化的特性称为频率响应。202.1 响应(xingyng)特性 为频率为f 时的灵敏度； 为频率为零时的灵敏度； 为时间常数（等于RC）。 时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。共八十页在一定波长(bchng)的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。用均方噪声(zoshng)来表示噪声(zoshng)值大小212.2 噪声特性共八十页噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而(yn r)影响对信号特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测

9、能力往往受探测系统的噪声所限制。所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小消除噪声是十分重要的问题。222.2 噪声(zoshng)特性共八十页光电探测器常见(chn jin)的噪声热噪声散粒噪声产生(chnshng)-复合噪声1/f噪声暗电流噪声232.2 噪声特性共八十页散粒噪声(zoshng)入射到光探测器表面的光子是随机(su j)的，光电子从光电阴极表面逸出也是随机(su j)的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的，由此产生的噪声。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪

10、声的主要原因。242.2 噪声特性共八十页 信噪比SNR信噪比是判定噪声大小的参数，是负载电阻上信号功率(gngl)与噪声功率(gngl)之比。若用分贝（dB）表示，为252.2 噪声(zoshng)特性 噪声的评价共八十页量子效率（）：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。对理想(lxing)的探测器，入射一个光量子发射一个电子或产生一对电子空穴对， 即=1；但实际上，一般光电元件 n2) 。 2. 光纤的种类 阶跃型渐变型共八十页323 光纤传感器 3. 光纤的传光原理(yunl) （全反射现象(xinxing)）全反射条件：NA 数值孔径，与n1和n2有关，与光纤的

11、几何尺寸无关。共八十页333 光纤传感器 光纤的损耗(snho)当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐(zhjin)减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示： (单位：dB/km) 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷；其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。共八十页343 光纤传感器 色散(ssn) 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(xioyng)。色散主要影响系统

12、的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。共八十页353 光纤传感器 特点(tdin)： 结构简单，体积小，功耗低；灵敏度较高；容易实现对被测信号的远距离监控；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种( zhn)不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。共八十页364 光栅(gungshn)传感器 利用光栅的条纹测量位移的传感器。传感器由标尺光栅

13、、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的莫尔条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在输出端得到一串电脉冲，通过放大(fngd)、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量，具有较高的测量精度。 共八十页374 光栅(gungshn)传感器 1. 光栅(gungshn)的结构 在玻璃尺(或金属尺)上进行密集刻划，得到黑白相间的条纹。栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，a+b=W称作光栅的栅距或节距。 共八十页384 光栅(gungshn)传感器 莫尔条纹(tio wn)指示光栅和

14、固定光栅错开一个微小的角度，当二者发生相对运动时，形成莫尔条纹。 莫尔条纹特点：位移放大作用误差平均效应共八十页394 光栅(gungshn)传感器 2 光栅(gungshn)的工作原理 共八十页403 辩向原理(yunl)与细分技术 4 光栅(gungshn)传感器 1. 辩向原理 在相距L/4的位置安装两个光电器件，就可获得两路相位相差90o的正弦波信号A和B。两路正弦波信号经过零比较器后得到方波信号 和 送入D触发器，并将D触发器输出信号Q、 分别和 、 做与运算，并将 和 送入可逆计数器的控制端，然后根据可逆计数器加脉冲或减脉冲来实现辨向的目的。共八十页414 光栅(gungshn)传

15、感器 2. 细分技术(jsh) 直接细分原理图 在一个莫尔条纹间距内并列放置四个光电器件，当光栅相对移动一个栅距时，可得到相位差90o的四个脉冲信号，从而实现了四细分。共八十页424 光栅(gungshn)传感器 光栅(gungshn)位移传感器： 将光源、透镜、指示光栅和光电器件固定在机床床身上，主光栅固定在机床运动部件上。 当两光栅相对移动时便产生莫尔条纹，该条纹随光栅以一定的速度移动，用光电器件检测条纹亮度的变化，即可得到周期变化的电信号，电信号通过前置放大器送入数字显示器，直接显示被测位移的大小。共八十页435 电荷(dinh)耦合器件（CCD） 电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号

16、，而不同于其它(qt)大多数器件是以电流或电压为信号。 CCD有线阵和面阵两种形式，是一种半导体集成器件。 它由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。 它可以把光信息转换成电脉冲信号，而且每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映了该光敏元受光照的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这样就起到了图像传感的作用。 它的基本功能是电荷的存储与电荷的转移。因此它工作过程的主要问题就是信号电荷的产生、存储、传输和检测。共八十页44MOS光敏元的工作(gngzu)原理5 电荷(dinh)耦合器件（CCD） 所谓MOS结构一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(Si

17、O2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属(M)氧化物(O)半导体(S)三层所组成，故称MOS结构。构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。共八十页451. 线阵CCD外形(wi xn) 5 电荷(dinh)耦合器件（CCD）共八十页465 电荷(dinh)耦合器件（CCD）2.面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现(shxin)电子自扫描，可以获得二维图像。共八十页475 电荷(dinh)耦合器件（CCD）CCD的主要(zhyo)参量 电荷包从一个势阱转移到下一个势阱时，有 部分的电

18、荷转移过去，余下 部分没有被转移，称转移损失率 好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为： 总效率为：1）转移效率 共八十页485 电荷(dinh)耦合器件（CCD） 2）光电特性 在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过1001x以后，输出有饱和(boh)现象。3）光谱特性 现在固体摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.41.15m左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.650.9m左右。共八十页495

19、电荷(dinh)耦合器件（CCD）4）分辨率 对物像的明暗细节分辨能力，可用极限分辨率（每毫米分辨的黑白线对数）和调制传递函数表示。像素单元尺寸以及像素数都可以(ky)影响CCD采集图像的分辨率。共八十页505 电荷(dinh)耦合器件（CCD） CCD相机为固体器件，它的体积小、重量轻、工作电压低、惰性小、功耗小、输入光的动态范围大、扫描无畸变、机械抗震性能好。线阵CCD多用于文字(wnz)字符识别、传真和尺寸检测。面阵CCD主要用于小型摄象机。 虽然CCD具有技术成熟、噪声低、灵敏度高、分辨率高等优点，但是也有一些不足：驱动电路复杂，很难与CCD成像阵列集成；工作电压高，功耗高；蓝光响应差

20、，有光晕、拖尾现象等。 CMOS图像传感器具有结构简单，集成度高，功耗小，体积小，成本低，成品率高，易于和信号处理电路集成等特点。共八十页515 电荷(dinh)耦合器件（CCD） CMOS与CCD对比(dub)CCDCMOS像素结构MOS结构CMOS结构信号读取方式逐行读取晶体管阵列读取成像类型线成像点成像噪声低高响应速度慢快，为CCD的10-100倍功耗高低成本高低 普通相机和摄像头一般以CMOS型传感器为主，专业和高级成像器件大多是CCD型传感器。 共八十页 光电器件在工业(gngy)上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。 测量物体的温度6 光电检测(jin c)器件

21、设计共八十页测量(cling)半透明体的透明度6 光电检测(jin c)器件设计共八十页测量(cling)非透明体的位置和尺寸6 光电检测(jin c)器件设计共八十页测量(cling)表面粗糙度6 光电检测(jin c)器件设计共八十页56 对于大多数的光电装置，光电器件需要通过检测电路才能实现光电信号的变换作用(zuyng)。通常，光电检测电路是由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。6 光电检测器件(qjin)设计 输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的基本作用是为光电器件提供正常的电路工作条件，进行电参量的变换（例如将电流和电阻转换为电压），同时完成和前置放大器的电路匹

22、配。共八十页576 光电检测器件(qjin)设计 输入电路的设计应根据电信号的性质、大小，光学的和器件的噪声电平等初始条件以及输出电平和通频带等技术要求(yoqi)来确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和后级电路最佳的工作状态，并最终使整个检测电路满足下列技术要求(yoqi)： 1）灵敏的光电转换能力：使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最佳的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。2）快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。3）最佳的信号检测能力：具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。4）长期工作的稳定性和可靠性。 根据这些要

23、求，检测电路的设计通常包括的步骤为：电路静态计算、电路动态计算和噪声估算。共八十页586 光电检测器件(qjin)设计1、光电检测器件的选择要点 在以信息检测和信号传送为目的的光电系统中，光电检测器件的作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能，并在实现这种变换的过程中完成信息的传递。 检测器件是沟通光学和电子系统的接口环节(hunji)，它既是光路元件又是电路元件，有着光学和电子学的双重属性。 作为光路元件，它是光信号接收器，是前级光学系统的输出端口；作为电路元件，它是信号发生器，是后续电子系统的输入端口。 正是由于利用了光电检测器件的双重属性，才建立了光路和电路的联系，使彼此间得以连通。

24、因此，光电检测器件类型的选择和工作状态的确定对光电系统的工作品质至关重要，是系统设计的一个重要问题。 共八十页596 光电检测器件(qjin)设计光电检测器件的选择(xunz)要点： 1）检测器件和辐射源及光学系统在光谱特性上匹配 光电系统中光载波信号的能量来源是辐射源或光源。辐射能量由光源经测试目标、传输介质、接收光学系统被光电检测器接收。为了提高有用光信号的能量利用，要求检测器的光谱灵敏度分布和辐射源的光谱辐射度分布以及各传输环节的光谱透过率分布相覆盖。 实际上，在含有许多光谱分量的复合光通量()作用下、探测器的复合输出I()是由单色辐射通量作用下的输出值在整个光谱分布范围内的积分值确定的

25、，即 探测器对波长的电流灵敏度 共八十页606 光电检测(jin c)器件设计2）探测器的光电转换特性和入射辐射能量的大小相匹配 根据光电系统辐射源的发光强度、传输介质和目标的传输及调制损耗、接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失的影响，可以计算出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量，通常它们是很微弱的，探测器的选择应充分利用这些有用的信号能量，为此要考虑： 使探测器有足够高的探测率，以确保获得一定(ydng)裕度的信噪比。 探测器有合适的灵敏度S，以保证对应于入射辐射通量的微小变化，有足够幅度的电信号输出。 使入射通量的变化中心处于探测器光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性检测。共八

26、十页616 光电检测(jin c)器件设计 3）使检测器件和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到良好的时间响应和没有频率失真的输出波形。为作到这一点，首先要选择有良好的时间特性或频率特性的光电器件，此外也取决于电路动态(dngti)参数的选择。 4）使检测器件和输入电路在电特性上匹配以得到良好的电信号输出。这包括：足够的转换系数和线性范围、快速的动态响应、良好的信噪比。 5）使检测器件具有长期工作的可靠性和对工作环境的适应能力。为使器件工作可靠，需要使器件在额定条件下使用。这些条件包括额定功耗、工作电压以及工作环境温度等。器件的装置空间、受光面积、电源设备、价格等在某些情况下甚至

27、是选择器件的主要考虑因素，需要根据待设计系统的要求和条件优先选定。共八十页火灾报警器中的光电探测器火灾探测器主要针对火的光、温、烟、可燃气体等特征进行辨别，下面介绍最常用是光电感烟火灾探测器光电感烟式探测器的基本原理是，利用烟雾粒子对光线。产生遮挡和散射作用来检测烟雾的存在(cnzi)。火灾烟雾的绝大部分粒子分布在0.011um。下面主要介绍遮光型感烟探测器。627 光电检测(jin c)器件应用（1）共八十页(一)遮光型感烟探测原理 遮光型感烟探测器具体又可分为点型和线型两种类型。1点型遮光感烟探测器：这种探测器原理如图所示。其中的烟室为特殊结构的暗室，外部光线(gungxin)进不去，但烟雾粒子可以进入烟室。烟室内有一个发光元件及一个受光元件。发光元件发出的光直射在受光元件上，产生一个固定的光敏电流。当烟雾粒子进入烟室后，光被烟雾粒子遮挡，到达受光元件的光通量减弱，相应的光敏电流减小，当光敏电流减小到某个设定值时，该感烟探测器发出报警信号。 63输出控制放大电路开关元件光学透镜暗箱光敏二极管发光二极管电源脉冲(mic