光电检测技术概述

电子信息工程学术讲座光电检测技术概述白华讲座内容什么是光电检测光电检测的基本原理及特点典型的光电转换器件光敏器件的基本特性参数光电检测技术的应用及发展趋势什么是光电检测光不仅传输能量，也是信息的载体光通信光纤传感光谱生物发光什么是光电检测光电转换电信号处理信息获取利用光电传感器实现各类检测。将被测量转换成光通量,再转换成电信号，并综合利用信息传送和处理技术，完成信息获取。信号光电信号被测物探测光光调制（波长、幅度、相位）采集、放大、滤波、解调、A/D、接口等光敏器件光电效应信号分析光电检测的基本原理及特点光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光生电动势等。这种因光照而引起物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应。光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光伏效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。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的现象。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。光电检测的基本原理及特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度：以光速传播。远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。光电检测的基本原理及特点光电检测技术的特点典型的光电转换器件光敏电阻光电二极管光电倍增管电荷耦合器件典型的光电转换器件一、光敏电阻光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。黑暗条件下，阻值1M~100M欧强光条件下，阻值几百到数千欧光敏电阻实物图入射光典型效的光阁电转子换器侦件光敏搬电阻义的结员构在一丢块均迈匀光扑电导语体两石端加崭上电两极，戴贴在汉硬质拴玻璃说、云味母、右高频宰瓷或站其他自绝缘遇材料奴基板帜上，胀两端枝接有伶电极旺引线查，封约装在粱带有嗓窗口车的金绢属或始塑料衔外壳劈燕内。工作漂原理黑暗应环境鸡里，侮电阻而值很占高。当受桶到光棚照时援，价遇带中活的电制子吸握收光惹子能徒量跃逼迁到兰导带劲，并棒在价异带中博产生废一个怜带正旦电的踏空穴割，形爪成电棚子—空穴罩对。半导竟体材捞料中涨载流罩子的乡丰数目腰增加慎，使边其电军阻率恨变小踏，从暖而造渐成阻表值下况降。入射决光消舌失后碑，由脚光子渠激发蜡产生手的电辞子—空穴才对将韵复合固，阻布值也馋恢复肤原值确。典型蒙的光内电转拢换器秃件光敏其电阻载的特炎点光谱牲响应旁范围管宽（家特别叶是对劫于红乳光和终红外废辐射闸）；偏置孤电压抽低，蜡工作环电流慰大；动态雨范围锈宽，贡既可帜测强呼光，净也可盗测弱柔光；光电伴导增督益大邮，灵算敏度踪蝶高；无极需性，拐既可胞加直催流电详压，日也可乘加交哥流电娇压；在强扬光照盗射下哈，光起电响执应线借性度罢较差光电昏驰豫添时间您较长原，频弱率响计应较涝差。光敏盗电阻职可广今泛应干用于镰照相娇机，米验钞扣机，阿石英侍钟，肝音乐丛杯，然礼品券盒，五迷你疑小夜缸灯，字光控辣开关全，路抗灯自徐动开幕关以刷及各辉种光鲁控玩燥具，泊光控叫灯饰乱，灯备具等共光自谣动开甲关控戴制领粱域。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS典型员的光槽电转沿换器浓件光敏轨电阻封的应凑用光暗京时，图光敏抹电阻脾阻值颂很高贸，继绪电器妹关，葱灯亮加；光亮射时，蜻光敏宜电阻糟阻值报降低药，继亚电器肤工作瓦，灯释关。例：戒照明烈灯自伸动开汤关控指制典型钓的光尖电转茂换器镇件光电吗二极军管是捞将光赏信号蹄变成浙电信杜号的亏半导素体器黄件。与普糟通二徒极管顿一样傍有一严个PN结，勤属于蝴单向堡导电旋性的撑非线桌形元挣件。赠结构事不同们之处这是在坊光电推二极搜管的挽外壳功上有格一个悬透明渠的窗欢口以坏接收自光线絮照射号，实续现光惹电转陪换。为了帆获得青尽可讨能大汁的光废生电单流，袄需要低较大象的工渣作面发，即PN结面乞积比云普通板二极鲜管大口得多企，电叉极面棚积则雷尽量醉小。为了躬提高设光电絮转换存能力泄，PN结的悄深度宜较普张通二夜极管酱浅一般续小于1微米。二、隶光电房诚二极俊管光电档二极修管实杨物图典型详的光习电转耳换器责件光电冻二极只管工徐作原享理光电斜二极微管是尚在反缓向电设压作猜用之财下工固作的势。没草有光挣照时谜，反轿向电宏流很愁小（阔一般绿小于0.具1微安堵），配称为爪暗电独流。当有择光照锻时，与光子叫进入PN结后厨，把呼能量快传给谢共价释键上梅的束漏缚电维子，耀使部动分电拍子挣蜂脱共镜价键干，从闻而产虹生电捎子--纲-空穴械对，姥称为音光生德载流够子。光生盟载流顺子在删反向帮电压比作用远下参付加漂茂移运溉动，拥使反斥向电丹流明瞧显变柱大，熊光的松强度症越大兆，反吹向电顺流也沸越大走，从昏而实赌现电晒信号付随着赌光的渔变化纵而相赔应变腰化。典型疯的光绣电转香换器携件光电蜓二极羡管的结特点大反将偏压客的施软加，泪增加锅了耗话尽层绑的宽窝度和忽结电盼场，伟电子—空穴绞在耗祸尽层项复合纲机会翅少，郑提高逮了光驳敏二呆极管穗的灵爷敏度咳。大反卖偏压略的施骗加，蕉结电鹊容减盆小，声提高辟了器广件的伴频响屿特性屋。因此驾，光棚敏二匪极管意具有镇体积仅小，隆灵敏府度高勺，响染应时卖间短弹等优串点，必同时土光谱肃响应库覆盖贡可见影到近讽红外以区，姻被广卡泛应惧用于士光电纲检测匠。典型字的光劈燕电转已换器走件三、慕光电哀倍增险管光电常倍增自管是陆将微绪弱光晕信号蛾转换挡成电绕信号喊的真捉空电太子器野件。由光吹阴极忆、倍帮增极颈和阳真极构测成。光电山倍增送管结作构示场意图光电棚倍增刚管实影物图K为光席阴极歪，由晕光敏极材料锡制成辛，如天镓砷碧化物贞、铟泥砷化馒钾等跳；D1，D2，…，Dn为倍满增级匠（打们拿级豪），宽打拿宝极材票料有丈锑化路铯、俗氧化姥的银鸦镁合吧金和樱氧化陡的铜幅铍合知金等睬；A为阳促极；R为分常压电职阻；-VH为偏献置负康高压村。典型灾的光迈电转耻换器嫂件待测匠光照除射由疤光阴谈极K，光淹阴极染以一唤定的生概率套（量杰子效俘率）惩释放档电子耻。光阴荐极释垃放的衡电子宽在负基高压绝驱动亮下加短速撞月击第镇一倍并增级D1（打养拿级确），匠溅射乱出数符量更缎多的池二次员电子段。依此程类推嘱，前赢一个割倍增买级发棍出的富次级粉电子献在电弃压驱望动下幅加速姑撞击究下一是个倍惨增级标，产亭生更第多的叙次级荐电子跃，实跨现信蚀号的搏放大罪。阳极A接收来最后杂一个挂倍增各级发造出的卷电子组，转连换为穿电流码或电核压。伸通常集情况纪下，置电流舅或电徒压的疏大小免与光麦信号屯的强杆弱成扎正比猪，从怒而实螺现弱甜光的摘探测听。光电丘倍增往管的闯工作皇原理才示意闭图典型将的光集电转眉换器理件对于婶不同岛强度目的光弦信号届，光块电倍头增管察输出获的电调信号帖的形我式可罩分为胡以下幸两种堤情况赢：一般侨光照涂下光锤电倍制增管凭输出诵信号刺示意解图弱光乌条件傅下光维电倍款增管虽输出躺信号关示意央图电平均测量光子壶计数权测量典型薯的光行电转云换器并件光电发倍增芬管的你特点增益浙高，违增益咽可达104~1询08；暗噪轰声低贿，小拾于20电脉蛙冲/秒；响应蚂快，肌一般沙为1~被20誉ns；光谱苏覆盖倒范围任广，20申0n镇m~鸣12走00场nm。光电末倍增辱管的掀灵敏挥度比躬普通眼光电蔑管要菌高得旺多，洁可实掉现微债弱光话信号土的检差测，遭被广等泛应书用于梅冶金湿、电捞子、蒜机械盼、化旗工、旷地质俯、医沃疗、梦核工探业、乒天文脱和宇牙宙空它间研旨究等则领域染。典型茅的光获电转缸换器蛛件四、明电荷患耦合叹器件气（CC黑D）CC省D一般给作为图像睁传感柴器应用挎，可带方便等地将投光学毫影像悟转变欧为数孙字信娃号，吸实现幸图像羡的获哈取、内存储周、传饶输、疏处理驴和复壤现。CC翠D的突挤出特歪点：然是以电荷作为泽信号集，而汪不同晕于其炊它大步多数丹器件龟是以叉电流午或者阴电压出为信有号。CC匠D的基似本功垫能是电荷鹿的存筒储和饺电荷也的转效移。CC疤D工作具过程冷的主蕉要问摇题是愧信号吵电荷廊的产扯生、督存储翻、传娃输和估检测贸。典型荒的光在电转哥换器常件CC壮D的基辽本结燥构CC屿D的受站光面丢上整椅齐排幅列（脉一维仇或二瓣维）馋着大售量微扫小的饲光敏离元件武，元暂件之逐间彼辽此独沿立，茄每个小光敏酬元件惕称为剩一个颂像素箱。对应循于每贱一个旗光敏奋元件甲（像米素）避，都蓝存在伯一个顺独立幸的电准荷存浆储、慎转移醒和输宴出通披道，箩其结区构如赚下图喉：光敏暖元件典型挡的光碰电转乒换器房诚件CC仗D的工搞作原诞理CC粮D的工铺作包班括电键荷的辞产生覆、存架储、爸转移问和输冷出四利个部愈分。1、电济荷的鲁产生当光敬照射CC悄D时，柔通过神光敏浓元件李的光事电效匹应，含在栅咐极附被近的检半导咳体体裤内产仅生电扔子-空穴隐对，贩电荷术产生录。2、电邮荷的桨存储在栅盆极加担正偏坝压之竭前，P型半革导体骑中的哑空穴动（多珍子）楼的分因布是摧均匀仓的。加正猫偏压箭后，很空穴象被排漂斥而阀产生淘耗尽状区，丢偏压宰增加胁，耗锡尽区肯向内硬延伸偶。当UG＞Uth时，揭半导倦体与间绝缘畏体界刻面上惯的电游势变姿得非乏常高板，以盲致于泉将半斯导体逐内的爪电子(少子)吸引铜到表丹面，躺形成各一层容极薄贯但电偶荷浓观度很窑高的闲反型万层。反型绑层电斧荷的烈存在铜表明膏了MO网S结构送存储卸电荷萍的功食能。典型邻的光吓电转盆换器番件典型携的光它电转乡丰换器始件第一兽个电矩极保拔持10富V，第杰二个像电极臂上的百电压冰由2V变到10袭V，因胖这两长个电侄极靠屿得很扁紧(间隔紫只有主几微架米)，它牢们各疾自的骆对应摇势阱境将合季并在鲜一起赛。原两来在洁第一杀个电帅极下包的电君荷变钳为这译两个歪电极谦下势寨阱所泡共有哪。若此秒后第抬一个摩电极团电压逮由10贩V变为2V，第耽二个逝电极致电压止仍为10像V，则蓄共有乓的电头荷转许移到智第二脖个电冻极下鲁的势笋阱中愈。这研样，秘深势播阱及讲电荷吃包向薯右移强动了握一个倾位置尿。电荷生转移台示意按图3、电斜荷的俗转移典型歼的光逼电转馅换器涂件在CC索D转移讯栅极若上施径加按付一定稿规律丑变化后、大毛小超列过阈榜值的吐电压贡，则键在半耻导体畅表面变形成蛇不同雀深浅选的势蜘阱。扮势阱足用于树存储逆信号雹电荷居，其坟深度妈同步丑于信婚号电川压变认化，膨使阱壁内信升号电筑荷沿调半导谎体表瘦面传妇输，皮实现载电荷惠的定射向传纯输。3、电勇荷的材转移4、电恨荷输败出利用牺输出跪二极辛管和抗外接奋电路络，将愿电荷翅转变肿为电援流或碧电压汗输出缴。典型并的光梨电转擦换器柏件体积遭小，类重量框轻，迅功耗事低，安启动起快，剃可靠印性高驶，寿面命长战。空间蔑分辨翼率高训，可疗以获朵得很遍高的叛定位宝精度箩和测摄量精京度。光电埋灵敏粥度高志，动侵态响勺应范拼围宽谦，红筹外敏系感性摔强，瞧信噪芽比高浅。高速蝴扫描耍，基恳本上验不保鸽留残耐象(电子男束摄督象管理有15春~2目0％的备残象)集成魔度高可用呆于非奖接触瓦精密塘尺寸竖测量齿系统丝式。有抗什过度亲曝光草性能邮。有数蚁字扫惜描能窄力。促象元狐的位福置可据由数晕字代诞码确星定，庸便于零与计纷算机妻结合约接口非。CC羞D的特勺点典型脚的光脖电转驶换器骂件CC曲D的应就用线阵CC柱D面阵CC脂DCC寇D在工配业、洗军事骗和科大学研揪究等涉领域蛾应用蝇广泛酒，如态在方原位测京量、猜遥感艇遥测绿、图声像制何导、吸图像怨识别侦等方聪面更益呈现剥出其圈高分定辨力帖、高耕准确嫩度、跟高可压靠性车等突让出优妙点。用于香扫描卸仪用于亦数码则相机光敏孕器件双的基真本特番性参缩慧数响应伪特性噪声编特性量子蜻效率线性林度工作距温度光敏记器件句的基悬本特锤性参拘数一、每响应新特性1、响晓应度转（或慈称灵板敏度吸）：是光短电探写测器僵输出偏信号获与输不入光硬功率旦之间梦关系箭的度行量。元描述铁的是追光电盟探测惕器件边的光谅电转首换效胸率。响应刮度分很电压宁响应观率和婆电流说响应千率电压杀响应还率光电冲探测古器件献输出纵电压敏与入也射光诉功率炒之比电流沿响应脊率光电以探测涨器件翠输出拣电流堤与入膝射光地功率煮之比光敏枝器件用的基悬本特扣性参吗数一、搜响应犬特性2、光消谱响躁应度难：响应让度是机随入似射光仓波长晃变化灭而变虹化的脑。探帜测器慰在波院长为λ的单研色光如照射笋下，拜输出限电压雀或电预流与木入射松的单赔色光狮功率某之比主。3、响位应时刊间：响应虾时间τ是描产述光努电探掘测器逮对入琴射光壮响应谈快慢面的一匀个参霉数。上升鼓时间沟：入集射光膊照射镇到光史电探敢测器脏后，朵光电肆探测斑器输彻出上陆升到忧稳定差值所对需要龄的时珍间。下降馒时间铜：入雷射光敏遮断谢后，示光电报探测截器输收出下育降到沿稳定义值所零需要尊的时为间。光敏婚器件罩的基速本特锅性参题数一、献响应罚特性4、频荣率响镰应：光电挠探测驴器的露响应吐随入便射光参的调质制频贴率而闹变化私的特单性称掩为频宫率响堵应。光电稀探测伞器响织应率浊与入墓射调倚制频茎率的牵关系其中禽，S(营f)是调丹制频薄率为f时的揉响应舰率；S0是调横制频糊率为阳零时任的响嘱应率锹；t=RC是时莲间常牵数。当调怕制频拳率增直大，S(傻f)下降剃到0.高70昼7纷S0时，圈对应的的频犬率为上限礼截止炮频率止。由于经光电灿探测仙器信颈号产口生和绣消失彩存在秒着一母个滞笋后过轨程，论所以讯入射愿光的切调制窄频率利对光厉电探吩测器咽的响珍应会涂有较却大的容影响洪。光敏趟器件拉的基公本特催性参悄数二、坦噪声酸特性1、光帆电探估测器屑常见迟噪声(1纵)热噪疾声：即载院流子询无规塔则的吧热运咱动造淘成的习噪声纹。热灰噪声镜是白启噪声页，存喜在于桑任何变电阻增中，叠与温歪度成活正比专，与沫频率亚无关迎。(2姐)散粒灯噪声头：由随世机入滥射到疲光探疑测器河表面闪的光狂子，跃随机迈逸出翁光阴沾极表房诚面的轿光电者子，姻随机真通过PN结区内的载最流子至所引演起。翅散粒植噪声军也具仇有白涨噪声棵特性助，在转大多否数光郑电探斑测器宏中具阶有支础配地产位。光敏呆器件夕的基任本特储性参阴数(3揭)产生-复合薪噪声箩：在平艇衡状裤态时瓦，载浸流子烈产生蔬和复泛合的添平均苗数是席一定畏的，样但在旦某一衫瞬间粪载流写子的榨产生咐数和浩复合魔数存猪在起穴伏，拥这引弱起半阅导体熄电导澡率的搭起伏互，形户成产锐生-复合完噪声裕。(4耐)懒1/损f噪声册或低伴频噪柴声：低频衔噪声孔的功冻率近肉似与息频率瓶成反垦比，乘多数保器件曾的1/陆f噪声丛在20大0~脚30喘0H奔z以上错已衰鹅减到衣可忽您略不遗计。二、佛噪声疑特性1、光举电探笨测器苏常见赖噪声光敏洁器件毒的基羊本特写性参双数二、队噪声盲特性2、信场噪比信噪偶比是描判定怒噪声伯大小附的重浴要参毛数，浴是负切载电晕阻上层信号凶功率约与噪竭声功乌率之砌比：若用免分贝舞（db）表盯示，至为光敏篮器件蹲的基芦本特吧性参译数二、酬噪声厕特性3、噪旱声等伙效功纲率(N限EP缎)信噪单比为1（SN鸟R=邀1）时朱，入匀射到指探测暴器件似上的择辐射奋通量沸（单夜位为浊瓦）骑。一般斩一个柴良好移的探假测器趣件的NE伙P约为10-1胃1W。NE唤P越小闹，噪罢声越师小，沃器件次的性飞能越妇好。光敏拿器件撑的基利本特金性参睡数二、主噪声窄特性4、探座测率披与归呈一化何探测听率探测村率D定义执为噪渠声等渴效功欺率的歉倒数由于NE洽P与检爽测元纺件的舌面积Ad和放柜大器我带宽Δf乘积总的平疮方根排成正消比，巡寿为排获除这酸个因茧素，危定义搏归一柴化探踢测率D*D*与探洪测器弦的敏侍感面江积、封放大院器的只带宽雷无关促。光敏搬器件速的基扁本特惠性参芦数三、祝量子圈效率(逝)量子伍效率洲：在弟某一止特定拾波长坝上，岭每秒崇钟内制产生百的光余电子仰数与宿入射燃光量宣子数很之比误。对理爹想的纲探测正器，总入射薄一个赠光量场子发毯射一欣个电浓子（=1），能但实际梢上，<1。量子队效率徒与光糖谱响奔应度S(罢f)和光颂子能蒜量成觉正比墓，是非一个菜微观银参数裹，其双值愈功高愈弓好。光敏哗器件堪的基猛本特社性参妈数四、列线性海度线性膨度是皆描述活光电刻探测溉器输群出信毅号与驻输入供信号斧保持俭线性军关系范的程超度。在某浇一范仅围内奔探测竖器的篮响应琴度是删常数萝，称盏这个胞范围此为线惊性区让。在光素电检旺测中桨，需梁确保并输入陷的信晃号强括度处肤于探吵测器紫的线瞎性区校，以错保证热测量移的准遗确度赛。光敏学器件钟的基知本特诊性参萌数五、粱工作发温度工作眉温度