光电检测复习.

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1、邓小青 光电检测技术与应用总复习 内容 第一章：绪论 第二章：光电检测器件工作原理及特性 第三章：半导体光电检测器件及应用 第四章：光电信号检测电路 第五章：光电直接检测系统 第六章：光外差检测系统 第七章：光纤传感检测技术 第九章：光电检测技术的典型应用 光源 光学系统 被测对象 光学变换 光电转换 电信号处理 存 储 显 示 控 制 光电系统框图 第一章 绪论 根据光源、光学系统和光电转换 器件放置位置的不同，光电传感 器可以分为： 直射型 反射型 辐射型 光电检测方法按检 测原理分为： 1.直接作用法 2.差动测量法 4.脉冲测量法 3.补偿测量法 一、光电效应 1 .外光电效应(光电发

2、射效应) 2 . 内光电效应 2.1本征光电导效应 2.2光伏效应 二、光热效应 1.热释电效应 2.辐射热计效应 3.温差效应 第二章 光电效应 光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变 化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势） 现象。 光电效应包括： 外光电效应：产生电子发射多发生于金属 和金属氧化物。 内光电效应：物质内部电子能量状态发生变化 多发生在半导体和绝缘体。 光电导弛豫过程 u光电导效应是非平衡载流子效应， 因此存在一定的弛豫现象，即光电 导材料从光照开始到获得稳定的光 电流需要一定的时间。同样光电流 的消失也是逐渐的。弛豫现象说明 了光电导体对光强变化的反应快慢 程

3、度，称为惰性。 u当输入功率按照正弦规律变化时, 输出光电流与光功率调制频率变 化关系是一低通特性。 E tO i(% ) t O 100 63 37 r f 矩形光 脉冲 光电导的增益 光电增益与带宽之积为一常数， Mf =(/tdr) f =(/tdr) (1/2) =常数 ，M为 增益，t为两极间的渡越时间，tdr为载流子在两极间 杜越时间（蛇形设计提高M）。 表明：材料的光电灵敏度与带宽是矛盾 的。材料光电灵敏度高，则带宽窄；材料 带宽宽，则光电灵敏度低。 此结论对光电效应现象有普遍性。 在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵 敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻造 成蛇形？ 光伏效应 达

4、到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下 ，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就 是光生伏特效应。也称光伏效应。 物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴 ）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量 大于禁带宽度的光照的作用下，激发出的电子空穴对 ，打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区和 P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内 建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压，即光 生电动势。 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，振动加剧，温度升高）材料的性质发生变化 。 据温升引起变化的性质分为3类： 1.热释电效应-介质的极化强度随温

5、度变化而变化，引 起电荷表面电荷变化的现象居里温度下工作。 2.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 3.温差效应-由两种材料制成的结点出现温差而在两结 点间产生电动势，回路中产生电流。 光电检测器件的特征参数与性能 光电器件 光子检 测器件 热电检 测器件 光电 发射型 光电导型光伏型 热释电 检测器 热敏电阻热电堆 u响应波长无选择性； u响应速度慢。 n响应波长有选择性； n响应速度快。 一、特征参数： 响应度（灵敏度）； 光谱响应度； 积分响应度； 响应时间（响应速度）； 频率响应； 噪声和信噪比 线性度； 工作温度。 响应度（灵敏度）是光电检测器输出信号与

6、 输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光电 检测器的光-电转换效能。 电压响应度： 电流响应度： 光谱响应度是光电探测器的输出电压或输出 电流与入射到检测器上的单色辐射通量之比。 光谱响应度是表述入射的单色通量或光通量所 产生的检测器的输出电压（电流），它的值愈 大意味着检测器愈灵敏。 热噪声 热噪声是由载流子无规则运动造成的。热噪声存 在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说明 热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。 散粒噪声 散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子 的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。散粒噪声 也属于白噪声。 信噪比（S/N ） 用分贝（dB）表示： S/N的大小

7、与入射信号辐射功率及接收面积有 关，入射辐射强，接收面积大，则S/N就大。但性 能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐 射功率相同情况下才能比较。 信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是 在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。 线性度是描述光电探测器的光电特性或光照特 性输出信号与输入信号保持线性关系的程度。 即在规定的范围内，光电探测器的输出电量正 比于输入光量的性能。 光电探测器线性区的大小与检测器后的电子线路 有很大关系。 下限一般由光电器件的暗电流和噪声因素决定， 上限由饱和效应或过载决定。 工作温度是光电探测器最佳工作状态下的温度。 例：InSb器件 工作温度在300K

8、时，长波限为7.5m，峰 值波长为6m， 工作温度在77K时，长波限为5.5m，峰 值波长为5m。 光敏电阻 I. 使用中应注意： 1)当用于模拟量测量时，因光照指数与光照 强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射 通量成线性关系。 2)用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲 线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲 线符合。 第三章 3)光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低 时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动 ，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻 在长波区的灵敏度。 4)光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系 数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高 温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至

9、 无输出。 5)光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带 宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺 牲灵敏度为代价。 6)设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定 功耗，负载电阻值不能很小。 7)进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历 效应。 光敏电阻做成梳状的原因? 光 伏 器 件 利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为 光伏器件。 有：光电池、光电二极管、光电三极管、光电 场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控 硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置 敏感探测器(PSD)、光电耦合器等。 光电二极管接法 即用法只能有两种。一种是不加外电压，直

10、接与负载相接。另一 种是加反向电压。 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一 样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。 a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法 光电晶体管 原理：只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可 以受光的控制，和普通晶体管类似，也有电流放大作用。当光照 到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电 极电路即产生了一个被放大的电流IcIe(1)Ip，为电流放 大倍数。 接法：正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置， 发射结为正偏置，集电结为光电结。 光电倍增管 光电倍增管由阴极、聚焦极、电子倍增系

11、统(许 多倍增极 ，二次电子倍增材材料)和阳极组成。 建立在外光电效应、二次电子发射效应和电子学 理论基础上。 发光二极管加正向偏压 光电耦合器件-耦合、隔离 光电检测器件中常用的卤钨灯是什么光源 ？ 光热器件 原理：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起 材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种 性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。 热敏电阻负温度系数，T升高，R下降，灵 敏度也下降。测辐射热计 热电偶（堆）-物质温差产生电动势 热释电-以热电晶体为电介质的平板电容器。因热 电晶体具有自发极化性质，自发极化矢量能够随着 温度变化 (3)热敏电阻分类 按材料分：金属(如金、镍、铋等薄膜 )

12、的和半 导体(如氧化锰、氧化镍、氧化钴等 )的两种。 金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝 对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基 本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于 温度的模拟测量。 半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的， 绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的 关系是非线性的，耐高温能力较差，所以多用 于辐射探测，例如，防盗报警、防火系统、热 辐射体搜索和跟踪等。 第四章 光电信号检测电路 静态计算-图解法、解析法 动态计算 偏置电路和噪声 前置放大器 非线性电路图解法的分析依据输出特性（伏安特性） 来确定静态工作点。而光电器件的伏安特性可分为（ 1）恒流源型， （2）光伏

13、型， （3）可变电阻型。 光电探测器的直流检测偏置电路 PMT、PD、光电三极管 光电池、工作于光电池下的PD 光敏电阻、热敏电阻 偏置电路的目的：“探测器的偏置”在探测器上加一定的偏流 和偏压使探测器能在电状态正常工作，输出光电信号。 恒流源型光电器件输入电路的静态计算 图解计算法 UbU(I)+IRL 或 U(I)Ub-IRL 在伏安特性上划出负载线Ub-IRL， 由于串联回路中流过各回路元件的电流相等，负载线和对应于 输入光通量为o时的器件伏安特性曲线的交点Q即为输入电路 的静态工作点。当输入光通量由o改变+（或-）时，在 负载电阻RL上会产生-U（或+U）的电压信号输出和+I（或- I

14、）的电流信号输出。 光电导探测器工作电路三种特殊偏置方式 1）恒流偏置 即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流。 2）恒压偏置 探测器上的偏置电压与Ro无关，但流过的偏流随Ro变化。 3）恒功率偏置（匹配偏置） 稳定辐射光源、 遮断杂光、选择 偏振面或滤色光 片、电气屏蔽、 电干扰滤波等措 施改善或消除。 光电信号检测电路的噪声来源 系统噪声 外部噪声内部噪声 辐射源的 随机波动 附加的 光调制 光路传输 介质湍流 背景噪声 光电检测 器件 固有噪声 检测电路 固有噪声 内部噪声随机性大 ，覆盖很宽的频谱 范围。限制提取微 弱信号。 光电直接检测系统与光外差检测系统 直接检测系统通过什么携

15、带信息？相干检测呢？ NEP是什么？ 莫尔测长仪原理 激光测长仪原理 由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回 来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来测算目标 的距离。 光外差检测的基本原理 利用光波的振幅、频率、相位携带 信息，而不是光强。 两束相干光入射到探测器表面进行 混频，形成相干光场,又称相干检测 。只有激光才能进行相干检测。 输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。 输出信号中包含 的差频信号,因此称光外差检测 光外差检测的空间和频率条件 空间条件： :两束光的夹角，l=d：检测器光敏 面线度 波长越短或口径越大，要求相位差角 越小，越难满足要求 频率条件： 要求信号光和本振光具有高度的单色 性和频率稳定性。 信号光与本振光并非平行 而成一夹角 干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光 程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的 调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量 的信息。 干涉信号的方向判别与计数原理 激光多普勒测速原理是：是通过测量激光束的示踪粒 子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得 到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度 。 第7章 光纤传感器 传光原理 光的全反射现象是研究光纤 传光原理的基础。 当1c时，光线将不再折 射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反 射，直至