CH4光电探测器及其校正技术

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1、第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术LOGO现代检测技术现代检测技术第第4 4章章 光电探测器及其校正技术光电探测器及其校正技术第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术本章主要包括以下内容本章主要包括以下内容1.1.光电倍增管光电倍增管2.2.光电导器件光电导器件3.3.光电池和光电二极管光电池和光电二极管4.CCD4.CCD图像传感器图像传感器5.5.热电探测器热电探测器6.6.光电探测器的校正光电探测器的校正2 2第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4.1 4.1 概述概述3 3 光电探测器的工作原理光电探测器的工作原理是将光辐

2、射的作用视为所含是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用。也就是物质内部电子光子与物质内部电子的直接作用。也就是物质内部电子在光子作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。在光子作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。这种变化主要有以下三类：这种变化主要有以下三类：(1) (1) 外光电效应外光电效应 某些物质在光子的作用下可以从物质内部逸出电某些物质在光子的作用下可以从物质内部逸出电子的现象叫做外光电效应。逸出电子的动能可用下式表子的现象叫做外光电效应。逸出电子的动能可用下式表示：示：式中，式中，m m为电子质量；为电子质量；v为电子逸出后所具有的速度；为电子逸出后所具有的

3、速度；h是是普朗克常数；普朗克常数；P Po o为该物质的逸出功为该物质的逸出功第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4 4(2) (2) 内光电效应内光电效应 某些物质在光子作用下，使物质导电特性发生变某些物质在光子作用下，使物质导电特性发生变化，这种现象叫做内光电效应。化，这种现象叫做内光电效应。 利用内光电效应材料制成的光电探测器主要是各利用内光电效应材料制成的光电探测器主要是各种类型的光敏电阻。种类型的光敏电阻。(3) (3) 障层光电效应障层光电效应 在不同材料的接触面上，由于它们电学特性不同在不同材料的接触面上，由于它们电学特性不同而产生障层。而产生障层。 利用

4、障层光电效应制成的光电探测器主要有各种利用障层光电效应制成的光电探测器主要有各种类型的光电池和光电二极管、光电三极管等。类型的光电池和光电二极管、光电三极管等。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4.2 光电倍增管光电倍增管5 5 利用外光电效应制成的光电器件主要有利用外光电效应制成的光电器件主要有光电管光电管和和光光电倍增管电倍增管。光电管结构简单，如图。光电管结构简单，如图4-14-1所示；图所示；图4-24-2所示所示是真空光电管的伏安持性是真空光电管的伏安持性图图4-1 光电管结构示意图光电管结构示意图 图图4-2 真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性第第4

5、4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术6 61. 光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理 光电倍增管是由封装在真空泡壳中的光电倍增管是由封装在真空泡壳中的光阴极、阳极和光阴极、阳极和若干中间二次发射极若干中间二次发射极所组成。它的结构原理及偏置电路所组成。它的结构原理及偏置电路如图如图4-34-3所示。所示。图图4-3 光电倍增管及回路示意图光电倍增管及回路示意图 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术7 7二次发射极二次发射极 二次发射体的重要参数是二次发射体的重要参数是二次发射系数二次发射系数: 式中式中n1、 n2分别是输入二次发射体的一次电子数和二次分

6、别是输入二次发射体的一次电子数和二次发射体对应发出的电子数。二次电子发射系数与材料本发射体对应发出的电子数。二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关，如图身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关，如图4-5所示。所示。图图4-5 U关系曲线关系曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术8 8阳极阳极 阳极是管内电压最高的地方，当最后一个二次阳极是管内电压最高的地方，当最后一个二次极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电子发射，这将破坏稳定的输出。子发射，这将破坏稳定的输出。 分压器分压器 它的作用

7、是使光电倍增管中从光电阴极到依次它的作用是使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极，最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子各二次极，最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增过程。顺利完成电子倍增过程。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术9 92. 2. 光电倍增管的主要特性光电倍增管的主要特性(1) (1) 光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性主要由光电倍增管的光谱特性主要由光阴极光阴极和和玻壳材料玻壳材料的的特性来确定。影响光电倍增管光谱特性的还有一些其它特性来确定。影响光电倍增管光谱特性的还有一些其它因素，如温度、受照点位置和磁场等。因素

8、，如温度、受照点位置和磁场等。图图 4-8 锑绝阴极锑绝阴极S随随T偏移的曲线偏移的曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1010 图图4-8中纵坐标是光谱相对偏移，其定义为中纵坐标是光谱相对偏移，其定义为式中式中 S20oc为为20时锑铯阴极的光谱灵敏度；时锑铯阴极的光谱灵敏度；ST温度温度为为T时的光谱灵敏度。时的光谱灵敏度。 图图4-9所示是多碱阴极的光谱特性随温度变化的曲线。所示是多碱阴极的光谱特性随温度变化的曲线。 图图 4-9 多碱阴极多碱阴极S随随T偏移的曲线偏移的曲线第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1111(3) 线性度线性度

9、 在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。光特性是指倍增有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。光特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即If()。 (2) 灵敏度灵敏度 光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管常用阳极灵敏度来表征这一特性。常用阳极灵敏度来表征这一特性。 定义阳极光谱灵敏度定义阳极光谱灵敏度Sa()为为 式中，单色光通量为式中，单色光通量为()，阳极电流为，阳极电流为Ia()第第4 4章光电探测

10、器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1212图图4-12给出了随入射通量给出了随入射通量增加输出电流增加输出电流Ia偏离直线的情况偏离直线的情况图图4一一12 Ia与与f()曲线曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1313(4) 最大额定值最大额定值 最大阴极电流最大阴极电流Icm,有时给出最大电流密度有时给出最大电流密度(A/cm2)。工。工作时不应超过额定值。有时阴极电流作时不应超过额定值。有时阴极电流Ic虽小于虽小于Icm，但入射光，但入射光点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏。这时应按电点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏。这时应按电流密度的额定值

11、来限制输入。流密度的额定值来限制输入。 最大阳极电流最大阳极电流Iam,该值通常是以不产生严重的和不可逆该值通常是以不产生严重的和不可逆的损坏为限，通常阳极功率限制在的损坏为限，通常阳极功率限制在0.5w以下。以下。 最大额定电压最大额定电压Um,该指标是从管子的绝缘性能和工作可该指标是从管子的绝缘性能和工作可靠性出发给出的。为使噪声不至太大，一般建议采用的总电靠性出发给出的。为使噪声不至太大，一般建议采用的总电压压U(6080)Um。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1414(5) 光电倍增管的不稳定性光电倍增管的不稳定性 管子工作的不稳定性主要表现在以下三个方面管子

12、工作的不稳定性主要表现在以下三个方面:由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化 在几分钟或几小时内在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移由于可逆的疲劳所构成的漂移 滞后作用造成阳极输出的不稳定滞后作用造成阳极输出的不稳定 (6) 暗电流暗电流 在无光输入时，由阳极输出的电流叫做在无光输入时，由阳极输出的电流叫做暗电流暗电流。暗电流暗电流的主要来源有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧的主要来源有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧光反馈阴极引起的发射电流、残余气体电离和宇宙射线等。光反馈阴极引起的发射电流、残余气体电离和宇宙射线等。阳极热电流可表示为

13、阳极热电流可表示为式中，式中，Ico为光阴极发出的热电流；为光阴极发出的热电流；Iio为第为第i个二次极发出个二次极发出的热电流。的热电流。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1515(7)光电倍增管的噪声与信噪比光电倍增管的噪声与信噪比 光电倍增管中的噪声源主要来自光阴极和二次极的热光电倍增管中的噪声源主要来自光阴极和二次极的热发射。入射光辐射本身亦带来噪声。发射。入射光辐射本身亦带来噪声。 由光电阴极和由光电阴极和K个二次发射极组成的光电倍增管中个二次发射极组成的光电倍增管中综合在阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为综合在阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为 当当12

14、k=时，则有时，则有第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1616如果把暗发射也考虑在内，则阳极输出的信噪比为：如果把暗发射也考虑在内，则阳极输出的信噪比为：由该式可知由该式可知,要提高光电倍增管的信噪比可采取以下方法。要提高光电倍增管的信噪比可采取以下方法。 管子致冷可减少管子致冷可减少Ic0值；值；当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子；当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子；选用选用较高的材料做二次发射极，并提高工作电压；较高的材料做二次发射极，并提高工作电压； 减小检测系统频带宽度减小检测系统频带宽度f，以提高信噪比；，以提高信噪比；第第4 4章光电探测

15、器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1717(8)光电倍增管的时间特性光电倍增管的时间特性 光电倍增管时间特性用其对脉冲光的响应特性来表示。光电倍增管时间特性用其对脉冲光的响应特性来表示。脉冲光可用激光脉冲来产生，如采用上升时间脉冲光可用激光脉冲来产生，如采用上升时间50ps，半宽，半宽度度70ps的激光脉冲。响应特性常用图的激光脉冲。响应特性常用图4-15所示的三个量来所示的三个量来表示。表示。图图4-15 倍增管的时间特性倍增管的时间特性 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4.2 光电导器件光电导器件18181. 光电导器件的基本参数光电导器件的基本参数 (1)

16、光敏器件的光特性光敏器件的光特性 光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间的关系；如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间的关系；(2) 光敏器件的灵敏度光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。具体定义为：电能的能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比起该信号的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流，也可以是电压，偏置电路的特性决

17、定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的光灵敏度如电流表示的光灵敏度 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术1919(3) 光谱响应光谱响应 光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。单色灵敏度或光谱灵敏度。 (4) 量子效率量子效率 光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光生载流子数与入射辐射的光子数之比光生载流子数与入射辐射的光子数之比式中式中 ne为器件产生的载流子数；为器件产生的载流子数；n0入射的光子数。入射的光子数。(5) 光敏器件的噪声光

18、敏器件的噪声 当器件无光辐射入射时，输出电压或电流的均方值当器件无光辐射入射时，输出电压或电流的均方值或均方根值叫做噪声。或均方根值叫做噪声。(6) 光敏器件的噪声等效功率光敏器件的噪声等效功率 它是指在特定的带宽内，产生与均方根噪声电压或它是指在特定的带宽内，产生与均方根噪声电压或电流相等的信号电压或电流所需要的入射辐射通量或功电流相等的信号电压或电流所需要的入射辐射通量或功率。用率。用NEP来表示。来表示。 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2020(7)光敏器件的探测率光敏器件的探测率D 该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式该特性也是光敏器件探测极限水平的表示

19、形式,它是它是噪声等效功率的倒数。噪声等效功率的倒数。 (8)光敏器件的归一化探测率光敏器件的归一化探测率D* 该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为1Hz条件下的探测率条件下的探测率 式中式中 A为器件光敏面的有效面积；为器件光敏面的有效面积；f为所用放大器的带为所用放大器的带宽；宽；(9)光敏器件的频率特性光敏器件的频率特性 该特性表示器件惰性的大小。该特性表示器件惰性的大小。 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术21212. 常用光敏电阻及其特性常用光敏电阻及其特性 光敏电阻可用多种光电导材料制成。表光敏电阻可用多种光电导材

20、料制成。表4-2给出了几给出了几种常用光电导材料的禁带宽度和大致的光谱响应范围。种常用光电导材料的禁带宽度和大致的光谱响应范围。 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2222(1) 硫化镉、硒化镉光敏电阻硫化镉、硒化镉光敏电阻 这两种光敏电阻用于可见光和近红外区域中，是使这两种光敏电阻用于可见光和近红外区域中，是使用最广泛的光电导器件。其结构如图用最广泛的光电导器件。其结构如图4-18所示。所示。 图4-18 光敏电阻结构示意 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2323(2) 硫化铅和硒化铅光敏电阻硫化铅和硒化铅光敏电阻 硫化铅硫化铅(PbS)是一

21、种多晶薄膜型光电探测材料适用的是一种多晶薄膜型光电探测材料适用的光谱范围可从可见光到中红外波段。表光谱范围可从可见光到中红外波段。表4-3给出了不同温度给出了不同温度下硫化铅的性能。下硫化铅的性能。 硒化铅硒化铅(PbS)也是多晶薄膜型光电导材料，响应时间比也是多晶薄膜型光电导材料，响应时间比硫化铅快。室温下可工作在硫化铅快。室温下可工作在3.3m5m的光谱范围中。的光谱范围中。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术24243.光敏电阻使用中的有关计算及偏置电路光敏电阻使用中的有关计算及偏置电路(1)比探测率比探测率D*在使用中的转化在使用中的转化 设探测器与特定黑体间光谱

22、匹配系数为设探测器与特定黑体间光谱匹配系数为 ，而探测器与，而探测器与目标间光谱匹配系数为目标间光谱匹配系数为 ，那么，比探测率，那么，比探测率D*应修正为应修正为 ，即，即 通常探测器的频率特性曲线如图通常探测器的频率特性曲线如图4-34所示所示 图图4-34 PbS探测器的频率特性曲线探测器的频率特性曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2525(2) 减小噪声提高信噪比的措施减小噪声提高信噪比的措施 利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入。光电导利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入。光电导探测器的噪声谱如图探测器的噪声谱如图4-35所示所示,而一般放大器的噪声

23、谱如图而一般放大器的噪声谱如图4-36所示。所示。图图4-35 光敏电阻的噪声频率特性光敏电阻的噪声频率特性 图图4-36 放大器的噪声频率特性放大器的噪声频率特性 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2626 减少光敏电阻噪声的另一种方法是将器件致冷，减少光敏电阻噪声的另一种方法是将器件致冷，以减小热发射，也可降低产生以减小热发射，也可降低产生复合噪声。常用的液复合噪声。常用的液氮杜瓦瓶致冷器原理如图氮杜瓦瓶致冷器原理如图4-37所示。所示。 图图4-37 杜瓦瓶致冷器原理图杜瓦瓶致冷器原理图 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2727(3) 几

24、种典型的偏置电路几种典型的偏置电路恒流偏置电路恒流偏置电路 在一定光照下，光敏电阻产生的信号和噪声均与通过在一定光照下，光敏电阻产生的信号和噪声均与通过光敏电阻的电流大小有关，其关系曲线如图光敏电阻的电流大小有关，其关系曲线如图4-38所示。所示。 图图4-38 信号、噪声、倍噪比与光敏电信号、噪声、倍噪比与光敏电阻中电流间的关系阻中电流间的关系 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2828 由图由图4-38中可知，信噪比曲线有一极大值存在，从这中可知，信噪比曲线有一极大值存在，从这一特点出发希望偏置电路使器件偏流稳定，并取值在最一特点出发希望偏置电路使器件偏流稳定，并取

25、值在最佳电流佳电流Iopt的区域中。按此要求设计的恒流偏置电路如图的区域中。按此要求设计的恒流偏置电路如图4-39所示。所示。 图图4-39 晶体管恒流偏置电路晶体管恒流偏置电路 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术2929恒压偏置电路恒压偏置电路 将恒流偏置电路稍加改变便可形成如图将恒流偏置电路稍加改变便可形成如图4-40所示的恒所示的恒压偏置电路。压偏置电路。 图图4-40 晶体管恒压偏置电路晶体管恒压偏置电路 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3030最大输出及继电器工作的偏置电路最大输出及继电器工作的偏置电路 这类简单的光敏电阻偏置电路如图

26、这类简单的光敏电阻偏置电路如图4-41所示。图所示。图4-42所示是对应平均照度所示是对应平均照度E0、最大照度、最大照度E”和最小照度和最小照度E的三条的三条伏安特性曲线。伏安特性曲线。 图图4-41 光敏电阻偏置电路光敏电阻偏置电路 图图4-42 不同照度下光敏电阻不同照度下光敏电阻的伏安特性的伏安特性 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术b.在继电器型式工作时在继电器型式工作时RL的确定的确定 c.电源电压的选择电源电压的选择 从以上各式都可以看到、选用较大的电源电压对产生信号十分有利、从以上各式都可以看到、选用较大的电源电压对产生信号十分有利、但又必须以保持长期正

27、常工作，不损坏光敏电阻为原则。有时在器件但又必须以保持长期正常工作，不损坏光敏电阻为原则。有时在器件的说明书中给出。的说明书中给出。 3131a.检测光量时负载电阻检测光量时负载电阻RL的确定的确定 RL的选择原则是在一定的选择原则是在一定RG、RG和和E的条件下，使信号电压的条件下，使信号电压u的的输出最大。通过取极值输出最大。通过取极值 ，则有，则有于是有于是有, 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4.4 光电池和光电二极管光电池和光电二极管32321. PN结与光伏效应的产生结与光伏效应的产生 当当P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体直直接接接接触触时时，P区

28、区中中的的多多数数载载流流子子空空穴穴向向空空穴穴密密度度低低的的N区区扩扩散散，同同时时N区区中中的的多多数数载载流流子子电电子子向向P区区扩扩散散。这这一一扩扩散散运运动动在在P区区界界面面附附近近积积累累了了负负电电荷荷，而而在在N区区界界面面附近积累了正电荷，正负电荷在两界面间形成附近积累了正电荷，正负电荷在两界面间形成内电场内电场。图图4-43 P-N结的形成结的形成 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3333 当有外界光辐射照射在结区及其附近时只要入射光子的能量当有外界光辐射照射在结区及其附近时只要入射光子的能量=h大于半导体的禁带宽度大于半导体的禁带宽度E

29、g，就可能激发产生电子，就可能激发产生电子空穴对。结空穴对。结区附近区附近P区中的光生电子和区中的光生电子和N区中的空穴如能扩散到结区，并在内电区中的空穴如能扩散到结区，并在内电场作用下通过结区，这样在场作用下通过结区，这样在P区中积累了过量的空穴。在区中积累了过量的空穴。在N区中积累区中积累了过量的电子，从而形成一个附加的电场，方向与内电场相反，如了过量的电子，从而形成一个附加的电场，方向与内电场相反，如图图4-44(a)所示。该附加电场对外电路来说将产生由所示。该附加电场对外电路来说将产生由P到到N方向的电动方向的电动势。当联接外电路时，将有光生电流通过，这就是势。当联接外电路时，将有光生

30、电流通过，这就是光伏效应光伏效应。图图4-44 障层光电效应原理障层光电效应原理 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3434 2. 光伏效应器件的伏安特性光伏效应器件的伏安特性 光伏效应器件工作的等效电路如图光伏效应器件工作的等效电路如图4-45所示。这类器件的伏安特性图所示。这类器件的伏安特性图4-46所示。所示。 图图4-45 光伏效应器件的等效电路光伏效应器件的等效电路 图图4-46 光伏器件的伏安特性曲线光伏器件的伏安特性曲线第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3535 3. 光伏效应光电池光伏效应光电池 分析图分析图4-46第第象限中曲线

31、的情况可知，外加电压为正，象限中曲线的情况可知，外加电压为正，而外电路中的电流却与外加电压方向相反为负。即外电路而外电路中的电流却与外加电压方向相反为负。即外电路中电流与等效电路中规定的电流相反，而与光电流方向一中电流与等效电路中规定的电流相反，而与光电流方向一致。这一现象意味着该器件在光照下能发出功率，以对抗致。这一现象意味着该器件在光照下能发出功率，以对抗外加电压而产生电流，该状态下的器件被称为外加电压而产生电流，该状态下的器件被称为光电池光电池。 图图4-46 光伏器件的伏安特性曲线光伏器件的伏安特性曲线第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3636 图图4-47所示

32、为上述两种光电池的相对光谱特性，图所示为上述两种光电池的相对光谱特性，图4-48给给出了硅光电池的光特性曲线。图出了硅光电池的光特性曲线。图4-49给出了硒光电池的光特给出了硒光电池的光特性曲线性曲线图图4-47 硅、硒光硅、硒光电池的相对光谱特电池的相对光谱特性曲线性曲线 图图4-48 硅光电池硅光电池的光特性曲线的光特性曲线 图图4-49 分硒光电池分硒光电池的光特性曲线的光特性曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3737 图图4-50给出了不同负载下的光特性曲线。给出了不同负载下的光特性曲线。 图图4-50 不同负载下光电池的不同负载下光电池的光特性曲线光特性

33、曲线第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3838 下面分析光电池几种不同输出要求的偏置电路。下面分析光电池几种不同输出要求的偏置电路。(1) 光电池作为电流输出的电路光电池作为电流输出的电路 将图将图4-36第第象限的曲线经翻转，处理后获得如图象限的曲线经翻转，处理后获得如图4-51所所示的光电池伏安特性。示的光电池伏安特性。图图4-51 光电池的伏安特性曲线光电池的伏安特性曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术3939 在光电检测中希望线性输出时，为此应采用低输入在光电检测中希望线性输出时，为此应采用低输入阻抗的电路来完成放大工作。图阻抗的电路

34、来完成放大工作。图4-52所示电路就是典型的所示电路就是典型的原理图。原理图。 图图4-52 光电池低输入阻抗放大电路光电池低输入阻抗放大电路 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4040 (2) 光电池作为开路输出的电路光电池作为开路输出的电路 有时为获得较大的电压输出而不要求线性关系时，有时为获得较大的电压输出而不要求线性关系时，可采用高输入阻抗的前放，这时光电池相当开路工作。可采用高输入阻抗的前放，这时光电池相当开路工作。图图4-56所示为高输入阻抗低噪声放大器的原理图。所示为高输入阻抗低噪声放大器的原理图。 图图4-56 光电池高输入阻抗放大器光电池高输入阻抗放大

35、器 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4141 (3)光电池作功率输出的电路光电池作功率输出的电路 采用光电池做为将光能转换为电能的太阳能电池时，采用光电池做为将光能转换为电能的太阳能电池时，要求有大的输出功率和转换效率，可用多个光电池串、并要求有大的输出功率和转换效率，可用多个光电池串、并联构成大的受光面积。如图联构成大的受光面积。如图4-57所示是光电池给负载所示是光电池给负载RL供供电的电路图。最佳负载与入射照度间的关系如图电的电路图。最佳负载与入射照度间的关系如图4-58所示。所示。 图图4-57 光电池作功率输出电路光电池作功率输出电路图图4-58 最佳负载曲

36、线最佳负载曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4242 4. 光电二极管光电二极管(1) 光电二极管的构造原理光电二极管的构造原理 目前常使用的光电二极管是用锗或硅制成目前常使用的光电二极管是用锗或硅制成,通常把通常把N型硅型硅做基底，上面通过扩散法掺入硼，形成做基底，上面通过扩散法掺入硼，形成P区，这就形成了区，这就形成了P+N结构的光电二极管，如图结构的光电二极管，如图4-60所示。所示。图图4-60 2CU结构示意图结构示意图第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4343 (2) 光电二极管的主要特性光电二极管的主要特性 光特性光特性 描述

37、光电流描述光电流I随入射光照度或通量变化的关系、即随入射光照度或通量变化的关系、即If(E)或或Ig()。硅光电池二极管的光特性如图。硅光电池二极管的光特性如图4-64所示。所示。图图4-64 硅光电二极管的光特性硅光电二极管的光特性 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4444 光电二极管的光谱特性光电二极管的光谱特性 该特性通常是由材料来决定，图该特性通常是由材料来决定，图4-65给出了锗和硅给出了锗和硅两种光电二极管的光谱特性。两种光电二极管的光谱特性。 图图4-65 光电二极管的光谱特性光电二极管的光谱特性 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技

38、术4545 光电二极管的温度特性光电二极管的温度特性 在外加电压为在外加电压为50V，入射照，入射照度不变的条件下，光电流随工度不变的条件下，光电流随工作温度作温度T的变化曲线的变化曲线I=f(T)如图如图4-66所示。所示。 图图4-66 光电二极管的温度特性光电二极管的温度特性 光电二极管的暗电流光电二极管的暗电流 当无入射光照射时，硅、锗当无入射光照射时，硅、锗两光电二极管的暗电流两光电二极管的暗电流I=0随温随温度变化的关系如图度变化的关系如图4-67所示。所示。 图图4-67 光电二极管的暗电流曲线光电二极管的暗电流曲线 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术46

39、46 5. 雪崩光电二极管和光电三极管雪崩光电二极管和光电三极管(1) 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 它的工作原理是在它的工作原理是在PN结上施加高反向偏压，使其接近击穿电压。结上施加高反向偏压，使其接近击穿电压。这时由光子产生的电子这时由光子产生的电子空穴对在高反压形成的强电场作用下，做定空穴对在高反压形成的强电场作用下，做定向运动并加速，使其动能迅速增加，并与晶体分子碰撞，激发出新的向运动并加速，使其动能迅速增加，并与晶体分子碰撞，激发出新的电子和空穴。如此多次重复这一过程，形成类似雪崩的状态，使光生电子和空穴。如此多次重复这一过程，形成类似雪崩的状态，使光生载流子得到倍增，光电流增大。可

40、见这是一种内部电流增益的器件。载流子得到倍增，光电流增大。可见这是一种内部电流增益的器件。 光电流增益的大小常用光电流增益因子光电流增益的大小常用光电流增益因子G表示表示 G与反向偏压与反向偏压U之间的关系可用下述经验公式表示之间的关系可用下述经验公式表示 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4747 在雪崩光电二极管的使用中还应注意以下两个问题：在雪崩光电二极管的使用中还应注意以下两个问题：雪崩过程伴有雪崩过程伴有定噪声；定噪声；局部击穿问题局部击穿问题 基于以上两个问题，工作偏压选择必须适当。偏基于以上两个问题，工作偏压选择必须适当。偏压太小，雪崩增强作用不明显，增益

41、不大；而偏压过压太小，雪崩增强作用不明显，增益不大；而偏压过高，则噪声增大，甚至击穿烧毁。高，则噪声增大，甚至击穿烧毁。 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4848 (2) 光电三极管光电三极管 目前最常用的光电三极管为目前最常用的光电三极管为NPN型，其结构如图型，其结构如图4-75所示所示 图图4-75 光电三极管结构光电三极管结构 图图4- 76 光电三极管回路的三种接法光电三极管回路的三种接法 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4949 集电极实际上起到两个作用：集电极实际上起到两个作用：将光信号转换成电信号，起到一个光电二极管的作用将光

42、信号转换成电信号，起到一个光电二极管的作用起到一般晶体三极管中集电结的作用，使光电流得以起到一般晶体三极管中集电结的作用，使光电流得以放大。放大。图图4-77 光电三极管工作原理分析光电三极管工作原理分析 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4.7 光电探测器的校正光电探测器的校正5050 1.光电探测器的选用原则光电探测器的选用原则 在设计光电检测系统时，首先根据测量要求反复比较各在设计光电检测系统时，首先根据测量要求反复比较各种探测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。其中，最种探测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。其中，最关心的问题有以下关心的问题有以下5个方面

43、。个方面。(1) 探测器的动态范围。探测器的动态范围。(2) 探测器和光源的光谱匹配。探测器和光源的光谱匹配。(3) 探测器的等效噪声功率，所产生电信号的信噪比。探测器的等效噪声功率，所产生电信号的信噪比。(4) 探测器的响应时间或频率相应范围。探测器的响应时间或频率相应范围。(5) 探测器输出的信号的线性程度。探测器输出的信号的线性程度。除上述几个问题外，还要考虑探测器的稳定性、测量精度、除上述几个问题外，还要考虑探测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素测量方式等因素第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5151 2. 光量或辐射量与探测器之间的相关属性光量或辐射量与探测

44、器之间的相关属性 实际应用中的光电探测器，由于本身的灵敏度、光谱实际应用中的光电探测器，由于本身的灵敏度、光谱特性、光特性、均匀性等方面的不同，以及它们所接收光特性、光特性、均匀性等方面的不同，以及它们所接收光束在强度、方向、光谱和偏振等特性上的差异，所以讨论束在强度、方向、光谱和偏振等特性上的差异，所以讨论两者间如何合理有效地匹配是一项重要的技术内容。两者间如何合理有效地匹配是一项重要的技术内容。 光量或辐射量与探测器之间主要有以下儿方面的相关光量或辐射量与探测器之间主要有以下儿方面的相关属性属性: (1)时间属性时间属性;(2)光谱特性光谱特性; (3)强度特性强度特性;(4)空间分布特性

45、。空间分布特性。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5252 1.变光度的必要性变光度的必要性4.7.1 变光度的实现变光度的实现2. 对减光手段的基本要求对减光手段的基本要求 (1) 要求减光器无选择性，光束经衰减后不改变本身的要求减光器无选择性，光束经衰减后不改变本身的光谱成份比。光谱成份比。 (2) 要求减光器能精确地控制衰减量。要求减光器能精确地控制衰减量。 (3) 要求减光器输出光束的几何形状。要求减光器输出光束的几何形状。 (4) 对减光器偏振性的要求。对减光器偏振性的要求。 (5) 其它要求其它要求 所谓所谓变光度变光度就是使某辐射光束在强弱上发生变化。具体

46、地就是使某辐射光束在强弱上发生变化。具体地说是说是将光源或目标发出的光束利用衰减的手段，使光量满足将光源或目标发出的光束利用衰减的手段，使光量满足探测接收的需要探测接收的需要。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5353 3.一般变光度的方法一般变光度的方法(1) 吸收滤光片吸收滤光片 平板式减光器对光束特性有一定影响，在会聚光路中，平板式减光器对光束特性有一定影响，在会聚光路中，垂直光轴插入平板时，会引起成像点的纵向位移，如图垂直光轴插入平板时，会引起成像点的纵向位移，如图4-102所示。所示。 当插入光路的平板与光轴不垂直时，还要引起像点的横当插入光路的平板与光轴不垂

47、直时，还要引起像点的横向位移，如图向位移，如图4-103所示。所示。图4-102 光束几何位置的变化 图4-103 光束的横向位移 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5454 (2) 薄膜滤光片薄膜滤光片 这类减光器是在玻璃或与其类似的衬底上形成多层介质膜或金属薄膜，通过膜层的增反干涉或反射使透射辐射得到衰减。(3) 筛网或多孔板筛网或多孔板 筛网用细丝编织而成，并进行黑化处理。如用不锈钢丝织成的300目的筛网、其方形开口边长约为40m。还可使筛网相对于光轴产生不同倾斜来调整其透射比。也可在金属板上用腐蚀法制成多孔板型式的减光器。(4) 膜片光阑或狭缝膜片光阑或狭缝 是

48、用固定的或可变的圆孔光阑或狭缝组成，通过改变射束的横截面积实现减光。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5555 (5) 偏振减光器偏振减光器 这类减光器可用两偏振器构成，如图4-3(a)所示。第一个偏振器不动，第二个偏振器绕光轴转动，按马吕斯定理输出光通量,图4-104 偏振减光器 为适应多种场合的应用，可采用图4-3(b)所示的三偏振器系统，P1和p3偏振器主方向不变且平行，转动第二个偏振器，输出光通量为第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5656 (6) 漫反射减光器漫反射减光器 利用漫射表面对光束的漫反射，而获得对入射辐射的衰减。图4-105

49、所示为利用朗伯漫射面P对入射光通量1，衰减为出射光通量2的过程。 图4-105 漫反射减光器 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5757 4. 精确连续变照度的方法精确连续变照度的方法(1) 光轨法变照度的原理及特点光轨法变照度的原理及特点 光轨法是计量部门作为光度传递的基本方法。利用点光源在接收面处产生照度的距离平方反比定律，通过改变距离达到改变接收面照度的目的。其装置原理如图4-106所示。图4-106 光轨示意图 光源在接收面处形成的照度E为 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术4.7.2 漫射体及其在光电检测中的应用漫射体及其在光电检测中的

50、应用5858 1.漫射体及漫射光源漫射体及漫射光源 广义的讲，能够将入射光束转变为漫射输出的物体统称广义的讲，能够将入射光束转变为漫射输出的物体统称漫射体漫射体，但是为了计算及使用方便，希望漫射体的发光尽可能符合朗伯体的辐但是为了计算及使用方便，希望漫射体的发光尽可能符合朗伯体的辐射规律。即在任何方向上发光亮度相等，由此可知它在空间某方向上射规律。即在任何方向上发光亮度相等，由此可知它在空间某方向上的发光强度的发光强度I为为 式中，式中， I0垂直于发光面方向上的发光强度，垂直于发光面方向上的发光强度，I某方向与发光面法某方向与发光面法线间的夹角。线间的夹角。 实用中的漫射体主要有实用中的漫射

51、体主要有内腔式漫射体内腔式漫射体、透射式漫射体透射式漫射体和和反射式漫反射式漫射体射体等三类。等三类。第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术5959 图图4-108是输出光可监控的漫射光源，主要由三部分组成：光源和减是输出光可监控的漫射光源，主要由三部分组成：光源和减光系统构成的光系统构成的变光度系统变光度系统；照度接收器等组成的；照度接收器等组成的光度监测系统光度监测系统；以及；以及积分球积分球。输出漫射光量的大小，由监测系统读出。输出漫射光量的大小，由监测系统读出。图4-108 可控输出光量的漫射光源 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术6060

52、2. 漫射体在实现探测器均匀响应度方面的应用漫射体在实现探测器均匀响应度方面的应用(1) 积分球提供的均匀测量积分球提供的均匀测量 如图4-110所示为一种利用积分球使探测器对入射辐射均匀测量的装置原理。探测器接收到的光通量d与入射通量i之比为图4-9 积分球均匀测光器 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术6161 (1) 积分球提供的均匀测量积分球提供的均匀测量 图4-111所示为利用激光测定介质材料透射比的装置。 图4-111 介质透射比检测装置第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术62624.7.3 光谱校正及应用光谱校正及应用1. 光谱校正的主

53、要应用光谱校正的主要应用(1) 光源发光光谱的校正光源发光光谱的校正 这里主要是指热光源，其光谱分布与黑体类似，呈不对称的钟形分这里主要是指热光源，其光谱分布与黑体类似，呈不对称的钟形分布，短波截止较快，长波延伸较长。作为发光光谱校正的一个例子是高布，短波截止较快，长波延伸较长。作为发光光谱校正的一个例子是高色温光源的获得。一般白炽灯的色温约在色温光源的获得。一般白炽灯的色温约在22003000K之间，当要求色温之间，当要求色温在在3000K或或4000K以上时，要求灯丝温度很高，一般难以实现。通过附加以上时，要求灯丝温度很高，一般难以实现。通过附加校正滤光片，可满足这一要求，如图校正滤光片，

54、可满足这一要求，如图4-119所示。所示。 图4-119 发光光谱的校正 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术6363 作为发光光谱校正的另一个例子是使光谱均匀化。用白炽灯作为光作为发光光谱校正的另一个例子是使光谱均匀化。用白炽灯作为光学过程光谱特性测量的光源时，各波长发出的通量相差很大，这就要求学过程光谱特性测量的光源时，各波长发出的通量相差很大，这就要求光电探测器、电子线路和显示器等都有很宽的线性工作范围，有时很难光电探测器、电子线路和显示器等都有很宽的线性工作范围，有时很难做到。为解决这一矛盾、可采用如图做到。为解决这一矛盾、可采用如图4-120所示的光谱校正方法。

55、所示的光谱校正方法。图4-120 光谱校平 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术6464(2) 光电器件视见函数的校正光电器件视见函数的校正 在用光电器件代替人眼进行光度测量时，由于探侧器光谱特性与人在用光电器件代替人眼进行光度测量时，由于探侧器光谱特性与人眼视见函数之间的差异，与待测光源间将有不同的光谱匹配系数，将造眼视见函数之间的差异，与待测光源间将有不同的光谱匹配系数，将造成光度测量的误差。为此，必须将所用探测器经光谱校正，获得尽可能成光度测量的误差。为此，必须将所用探测器经光谱校正，获得尽可能与视见函数一致的光谱待性，如图与视见函数一致的光谱待性，如图4-121所

56、示。所示。 图4-121 视见函数的校正 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术65653. 光谱校正技术光谱校正技术(1) 均匀滤光片法均匀滤光片法适当滤光片的组合，它是由多片光谱透射比函数为i()的有色玻璃或明胶滤光片串联堆积而成，其组合光谱透射比c()为 (2) 镶嵌滤光片法镶嵌滤光片法 在利用滤光片作光谱校正时，其排列既可按图4-125(a)所示的形式，也可按图中(b)的形式。 图4-124 光谱校正滤光片的排列 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术6666 用紫通和红通两块滤光片按图用紫通和红通两块滤光片按图4-126(b)所示排列，可得到如

57、图所示排列，可得到如图4-126(a)中粗实线光谱校正的效果。使用时可改变两滤光片的位置，使输出中粗实线光谱校正的效果。使用时可改变两滤光片的位置，使输出光谱曲线发生变化。左移则长波增多，短波减少；反之亦然。如在两滤光谱曲线发生变化。左移则长波增多，短波减少；反之亦然。如在两滤光片间留一缝，则光谱曲线中间增高。光片间留一缝，则光谱曲线中间增高。 图4-126 光谱校正实例 第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术6767(3) 光谱的模板法校正光谱的模板法校正 该方法的基本原理如图4-127所示: 图4-127 光谱模板校正法第第4 4章光电探测器及其校正技术章光电探测器及其校正技术LOGO