《光信息科学与技术生产实习讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光信息科学与技术生产实习讲义（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光电接收器件的原理和应用一、引言光电子技术是一门正在迅速发展的 高科技技术，它在国防、国民经济、光 通信等领域乃至人们的日常生活中，正 得到越来越多的应用，扮演着越来越重 要的角色。光电子技术的关键问题之一是光电 子器件。它可以分为两大类别：光电转 换器件以及电光转换器件。 光电转换器件的作用是将光辐射 信号转变为电子学信号，主要分成光 电探测器和作为能源转换用的太阳能 电池等。而电光转换器件恰恰相反， 它是将电子学信号转变成光信号输出 。常用的电光转换器件有发光二极 管与激光二极管等，而常用的光电转 换器件有光敏电阻、光电二极管、光 电三极管等。 二、光电接收器件的基本知识2.1 光电接收器
2、件的定义及光谱范围光电接收器件是光电信息转换的器件，其 输出光电信息量与入射光的强弱和性质有关。光电接收器件的光谱范围包括：A、紫外光: 0.01-0.38m B、可见光: 0.38-0.78m红光 0.78-0.622m 橙光 0.622-0.597m 黄光 0.597-0.577m 绿光 0.577-0.492m 蓝光 0.492-0.455m 紫光 0.455-0.38mC、红外光: 0.78-1000m2.2 光的基本度量单位制光的基本度量有如下两种单位制1) 辐射度量：包括整个光谱范围 ，其波长范围在0.01-1000m之间 。2) 光度量：它是针对可见光而 言，与人眼的光谱范围一致
3、，其波长 范围在0.38-0.78m之间。入射到光电器件光敏面上的光， 其基本度量单位有通量和照度两种。 对于辐射度量是辐射通量和幅照度， 而对于光度量是光通量和光照度。辐射通量：用来表示光源的辐射 本领。光源表面一个元面积dS的辐 射通量，即在单位时间内通过该元面 积dS的辐射能，亦即辐射功率。我 们称此功率为该元面积dS的辐射通 量。 若光源的辐射能Qe是时间t的函 数，辐射通量Qe可表示为e=dQe/dt其中Qe的单位为焦耳，t的单位 为秒，e的单位为瓦。幅照度：用来表示光源辐射到物体表 面的辐射通量强弱的量。辐射到元面积dS 的辐射通量de与该元面积dS之比称为Ee ，即Ee=de/d
4、S在均匀辐射下，则Ee=e/S其中e的单位为瓦，S的单位为平方 米，Ee的单位为瓦/平方米。光通量：按人眼的感觉强度进行度量 的辐射能大小称为光能，它和辐射能大小 以及人眼的视觉灵敏度成正比。在单位时间内通过元面积dS的光能， 称为该元面积dS的光通量。若光能Qv是时 间t的函数，光通量v可表示为v=dQv/dt其中若Qv的单位为lm.s，t的单位为s ，则光通量v的单位为lm（流明）。光照度：表示物体表面被光源照明强 弱的量。照射到元面积dS的光通量与该元 面积之比称为光照度Ev，即Ev=dv/dS在均匀照明下，Ev=v/S其中v的单位为lm，S的单位为m2， Ev的单位为lx（勒克司）。2
5、.3 光电接收器件的基本特性1、灵敏度光电接收器件的灵敏度是指光 电接收器件输出电流（或电压）与入 射通量（或照度）之比。分为单色灵 敏度和积分灵敏度两种。(1)单色灵敏度所谓单色是指单一波长。当某一波 长为的光入射到光电器件时，光电 器件输出的光电流与该波长的入射 通量 （或照度E）之比，称为 该器件的绝对单色灵敏度，即S= I / 或 S= I / E由于光电器件对某一波长最敏感 ，所以对此波长有最大灵敏度Smax 。为了测试方便往往采用相对单色 灵敏度Sr，它定义为某一波长的绝 对单色灵敏度与最大灵敏度之比。(2)积分灵敏度对于连续光谱的辐射光源，包含 有各种波长的光，那么入射到光电器
6、件的总通量等于所有波长的通量的积 分，即总通量光电器件输出的电流（或电压） 与入射的总通量（或照度）之比，成 为积分灵敏度。即S=I/或S=I/E积分灵敏度的单位同单色灵敏 度。2、光谱响应光电器件的单色灵敏度是入射光 波长的函数，即单色灵敏度的大小随 入射光的波长改变而改变，下图为 2DU型半导体硅光电二极管的光谱响 应曲线。一般光电器件都有截止波长（ 短波限和长波限）和峰值波长（灵敏 度最大的波长）。在截止波长内部都 有灵敏度响应。2DU型的短波截止波 长为0.4m左右，长波截止波长为 1.1m 左右，即光谱范围为0.4- 1.1m，其峰值波长为0.9m。不 同种类的光电器件的光谱范围和峰
7、值 波长是不同的。3、频率响应如果入射到光电器件的光为交变光， 光的变化频率为f，那么随着频率不断增加 ，光电器件输出的交变电流的幅值将随着 减小。当电流值减小到原来幅值的0.707倍 时，此时的光频率称为截止频率fh。 fh=1/（2）其中为光电器件的时间常数。 由上式可知，光电器件的时间常 数越小，光电器件的频率响应越好， 说明光电器件能够检测变化很快的光 信号。 三、常用光电接收器件介绍3.1 光敏电阻1、光敏电阻的结构及种类光敏电阻的结构：光敏电阻是利 用半导体光电导体材料制成的。最简 单的光敏电阻的原理图和符号如下图 所示。 它由一块涂在绝缘板上的光电导 体薄膜和两个电极构成。当加上
8、一定 电压后，光生载流子在电场的作用下 沿着一定方向运动，即在电路中产生 电流，这就达到了光电转换的目的。 光敏电阻的分类：光敏电阻按照它的光谱特性及最佳工 作波长范围，基本分为三类：1)对紫外光敏感的光敏电阻，如硫化 镉和硒化镉等；2)对可见光敏感的光敏电阻，如硒化 镉、硫化铊和硫化镉等；3）对红外光敏感的光敏电阻，如硫 化铅、硒化铅、碲化铅和锑化铟等。2、光敏电阻的工作原理及参数1)光电流当光敏电阻无光照的时候，电路 中有微小的电流通过，这种电流称为 暗电流IDK。暗电流是在室温条件下 热激发载流子而形成的电流。当有光 照射的时候，又可以得到一个电流值 ，称为亮电流ILt。由于光照而产生的
9、 光电流应等于电流的增加值，即 = ILt-IDK 一般暗电流很小，有时可以忽 略，那么I= ILt。光电流与外加直流电压V和入射 照度E的关系，可以用下式表示：I=SgVE式中Sg是光电导灵敏度，它与材 料特性有关；是电压指数，与电压 值大小有关，一般在工作电压范围内 ，近似为1；是照度指数，其值在 弱光时为1，在强光时为0.5。当所加电压一定时，光电流与照 度曲线如下图所示。2)时间常数光敏电阻的频率响应与其他光电 器件比较起来低的多。其频率响应特 性往往用时间常数的大小来表示。如 下图所示。对于弱光（-100lx）时间常数是 这样确定的：光电流由t1时间上升到稳态值的 63%时所花费的时
10、间定义为上升时间 常数r。光电流由t2时间下降到稳态值的 37%时所花费的时间定义为下降时间 常数f。一般下降时间常数比上升时间常 数大些。另外时间常数与光照强弱有 关，光照越强时间常数越小，反之则 越大。 3)耗散功率加在光敏电阻两端的电压与流过 它的电流的乘积称为光敏电阻的耗散 功率。 为了不使光敏电阻因过热而烧坏 ，要求光敏电阻的实际耗散功率小于 或等于极限功率。 4)噪声在检测微弱信号（如红外探测） 时，应当考虑器件的噪声。光敏电阻 的固有噪声主要有三种：热噪声、产 生-复合噪声及低频噪声。在频率低 于100Hz以下时，以低频噪声为主； 在100-1000Hz左右时以产生-复合噪 声为
11、主；频率在1000Hz左右之后以 热噪声为主。在红外探测中，为了减小噪声一般采 取如下措施：A采取光调制技术，一般调制频率为800Hz 或1000Hz，这样可以消除低频噪声和产生-复合 噪声；B采用制冷装置来降低器件的温度，使热 噪声减到最小；C设计合理的偏置电路，达到最佳运用状 态，即选择最佳偏置电流使信噪比最大。3.2 半导体光电管1、光电二极管光电二极管的内部结构是做成 PN结，在外加电场的作用下，形成 二极管的反向电流即光电流，通过外 加负载产生电压输出。光电二极管的 结构、偏置电路及符号如下图所示。 2、光电三极管光电三极管有NPN和PNP两种 结构。用硅材料制作的时候，NPN结 构
12、为3DU型，PNP结构为3CU型。下 图为3DU型光电三极管的工作原理示 意图和符号。光电三极管的工作包括两个过程 ：一是光电转换。光电转换的过程是 在基极-集电极结区内进行，与一般 光电二极管相同。二是光电流放大。 基极-集电极结区内产生的光电流被 晶体管放大了倍（几十倍）。因此 光电三极管的灵敏度比光电二极管的 灵敏度高。 3、光电管的主要特性前面介绍的光电器件的基本特性 ，如灵敏度、光谱响应、频率响应等 ，是选择器件的主要依据。但是如果 要正确使用光电管，必须了解它的外 特性，即光电管的输出特性。1）光电特性当光电管的工作偏压一定时，光 电管输出光电流与入射光照度（通量 ）的关系，称为光
13、电特性。在光强小 于100毫瓦时，光电二极管和光电三 极管输出的光电流与入射照度（或通 量）为线性关系。如下图所示。2）伏安特性当入射光的照度（或通量）一定 时，光电管输出的光电流与偏压的关 系称为伏安特性。下图为光电二极管和光电三极管 的特性曲线。3）温度特性光电二极管的暗电流和光电流随 温度的变化均有变化。对于硅光电二 极管来说，在偏压和光强不变的情况 下，一般在零度以上时温度改变25- 30度，暗电流可以增大10倍。下图为光电二极管的温度特性。光电三极管因有电流放大作用， 所以光电三极管的光电流和暗电流受 温度影响比光电二极管大的多，变化 规律与光电二极管类似。锗光电管的温度特性比硅光电
14、管 差。 在弱信号检测时要考虑温度的影响， 一般采取的措施是恒温和电路补偿。 四、光电器件探测信号的形式了解了光电器件的基本原理和特 性后，我们就可以利用光电接收器件 进行一些实际物理量的测量，从而制 作出很实用的器件。下图是光电器件 探测信号的几种形式。4.1 被测对象为辐射源：物体辐射通量被光电器件探 测，从而确定辐射物体的存在。火警 报警、侦察、武器制导等就属于这种 形式。4.2光透过式：光透过均匀介质时，光被吸收 而减弱的规律为=0e-d其中0为入射介质表面的通量，为介质吸收 系数，d为介质的厚度。利用这种形式可以测量液体或者气体的浓度 、透明度或浑浊度，检测透明薄膜的厚度和质量 ，检
15、测透明容器的疵病，测量胶片的密度以及胶 片图象的判读等等。 4.3光由被测量对象反射：光反射有镜面反射和漫反射两种，它们反射的物理性 质是不同的。根据它们的特点可以有不同的应用： 利用镜面反射可以判断光信号的有无；而利用漫反射可以检测物体表面的外观质量等。另外 比如激光测距、激光制导、文字判读等都属于这种形式。4.4光由被测量对象遮挡：利用这种形式可以进行产品的光 电计数、光控开关、防盗报警等。 4.5被测量对象经光信息量化：上述的四种形式都是模拟量的变换。而随着数字技术 的不断发展，要求对被测量对象进行光信息量化处理。所 谓量化就是将一个连续变量经过分级，用有限个离散量来 表示（模数转换过程
16、）。用这种形式可以进行精密测量长度、测量角度、工件尺寸检测和自动控制等。 4.6光信息传输：信息（调制器）-探测器-信息 （解调器） 五、声光控制电路的设计和制作用途：通过接收外部的声音和光 信号来给出光信号，达到监视报警或 者照明的目的。组成：印刷电路板1块（裸板）， 5V电源盒（四节1.5V电池），集成电路LM324、7404各1片，发光二极管1个，二极管 IN41481个（NPN），光敏电阻1个（5-30K），拾音器1个 电阻: 300K3个，20K、10K各2个 ， 62K1个电容: 电解电容220、3.3F各1个, 瓷片电容104（0.1F）1个5.1电路原理图声光控制电路的电路结构及原理 图如下图所示。5.2 工作原理本电路利用声音信号和光敏电阻 的特性来达到控制灯的亮灭，从而达 到监视报警或者照明的目的。光敏电阻的特点为：当有一定强 度的光
