光电检测技术改课件

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1、光电检测技术与应用光电检测技术改课件参考书目参考书目光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社激光光电检测吕海宝等编著 国防科技大学出版社 光电检测技术雷玉堂等编著 中国计量出版社教材教材光电检测技术与应用郭培源 编著 北京航空航天大学出版社光电检测技术改课件目目 录录第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 光电检测技术基础光电检测技术基础2.1 光的基本性质光的基本性质2.2 辐射与光度学量辐射与光度学量2.3 半导体基础知识半导体基础知识2.4 光电效应光电效应第三章第三章 光电检测器件光电检测器件3.1光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数光

2、电检测技术改课件3.3半导体光电器件半导体光电器件光电导器件光电导器件:光敏电阻光敏电阻光伏器件光伏器件:光电池光电池/光电二极管光电二极管/三极管三极管3.4真空光电器件真空光电器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管3.5热电检测器件热电检测器件热敏电阻热敏电阻热电偶和热电堆热电偶和热电堆热释电探测器件热释电探测器件光电检测技术改课件第四章第四章 发光、耦合和成像器件发光、耦合和成像器件4.14.1 发光二极管发光二极管4.24.2 激光器激光器4.34.3 光电耦合器件光电耦合器件4.44.4 CCD CCD第五章第五章 光电检测系统光电检测系统5.1 5.1 直接光电检测系统直接光电检测系

3、统5.25.2 光外差光电检测系统光外差光电检测系统5.35.3 典型的光电检测系统典型的光电检测系统第六章第六章光纤传感检测光纤传感检测第七章第七章光电信号的数据采集与微机接口光电信号的数据采集与微机接口第八章第八章光电检测技术的典型应用光电检测技术的典型应用光电检测技术改课件第一章 绪 论光电检测技术改课件1.光电系统描述n光电系统是以光波作为信息和能量的载体而实现传感、传输、探测功能的测量系统。光是一种电磁波，电磁波谱包括：长波电震荡、无线电波、 微波、光波（包括红外光、可见光、紫外光）、射线等。光波的波长范围为1mm-10nm,频率为3x1011-3x1016Hz,它是工作于电磁波波普

4、图上最后波段的电子系统，特点是波长短，频率高。光电检测技术改课件n光系统的作用体现在如下三个方面n1）在经典光学理论中，作为一种视觉的延伸，如经典的光学仪器。n2）在信息光电子学中，光作为一种载体，能实现信息的传递和探测功能，如光探测系统、光通讯系统、光信息识别系统。n3）在能量光电子学中，光作为一种能量系统完成特定的功能，如激光加工技术，武器系统等。光电检测技术改课件光电检测技术以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：1、光电源器件（光发射机）2、光通信和综合信息网络4、光电方法用于瞬态光学观测5、光电传感、光纤传感和图象传感、

5、光电传感、光纤传感和图象传感6、激光、红外、微光探测，定向和制导、激光、红外、微光探测，定向和制导7、光电精密测试，在线检测和控制技术、光电精密测试，在线检测和控制技术8、混合光电信息处理、识别和图象分析光电检测技术改课件光电检测是信息时代的关键技术光电检测是信息时代的关键技术n信息技术:（三大支柱）感测技术、通信技术、人工智能与计算机控制技术。信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。本课程着重在光电检测的元器件、系统、方法和应用光电检测的元器件、系统、方法和应用。光电检测技术改课件光电检测技术光电检测技术n光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换

6、为与之有确定对应关系的电量输出。n光电检系统：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量n光电检测系统包括光学变换光电变换电路处理光电检测技术改课件n光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽（干涉、衍射）空域变换：光学扫描（扫描盘）光学参量调制：光强、波长、相位、偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。n光电变换光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。n电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测技术改

7、课件光电探测器的种类类 型实 例PN结PN光电二极管（Si,Ge, GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si, Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS)热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池返回光电检测技术改课件n光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光

8、辐射并转换为电信号。n由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电检测技术改课件2.光电检测系统组成变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测技术改课件光电系统组成n光电系统的组成主要包括三个部分：n光发射机、光学信道、光接收机。根据光发射机的不同，光电系统可分为主动式和被动式两类。n主动式：光发射机主要由光源和调制器组成n被动式：发射机为被探测物体的热辐射，特点是隐蔽性高。n光学信道：主要是指大气、空间、水、光纤等光传播过程中要经过的介质。

9、n光接收机：是指收集入射的广场并处理，恢复光载波的信息。光电检测技术改课件3.光电检测系统的功能分类n测量检查型:几何量:长度、角度、位置、形变。表面形状：光洁度、庇病、伤痕。光学量：吸收、反射、透射、光谱。光电检测技术改课件n控制跟踪型跟踪控制：激光制导，红外制导数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制（光栅尺）n图象分析型图形检测图形分析光电检测技术改课件光电检测技术的特点n高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。n高速度：光速是最快的。n远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。n非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。n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

10、作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。n数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。光电检测技术改课件光电检测技术发展趋势n纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。n小型、快速的微型光、机、电检测系统。n非接触、快速在线测量。n微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。n闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。n向人们无法触及的领域发展。n光电跟踪与光电扫描测量技术。光电检测技术改课件一、在工业生产领域的应用一、在工业生产领域的应用在在线线检检测测：零零件件尺尺寸寸、产产品品缺缺陷陷、装装配配定定位位.现现代代工工程程装装备备中中，检检测测环环节节的的成成本本约约占占5070%

11、光电检测技术的应用光电检测技术改课件二、在日常生活中的应用二、在日常生活中的应用 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：非接触式数字体温计：非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD医疗卫生：医疗卫生：血糖测试仪血糖测试仪光电检测技术改课件三、在军事上的应三、在军事上的应用用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未

12、来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。激光测距仪：可精确的定位目标。光电检测技术改课件美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD四、检测技术在国防领域的应用四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统: 探测和发现探测和发现敌人导弹的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假拦截器：能识别真假弹头，敌友方弹头

13、，敌友方光电检测技术改课件学习本课程的目的n了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。n掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。n能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。n掌握直接检测与外差检测的原理和区别。n了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。n掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。光电检测技术改课件本课程的学习内容n光电检测器件的物理基础n光电检测器件的工作原理和特性及其应用n光电直接和外差检测系统n光纤传感检测技术n光电

14、信号的数据采集与微机接口光电检测技术改课件第二章第二章 光电检测技术基础光电检测技术基础光电检测技术改课件n半导体基础知识半导体基础知识n光电效应光电效应光电检测技术改课件半导体基础知识半导体基础知识n导体、半导体和绝缘体n半导体的特性n半导体的能带结构n本征半导体与杂质半导体n平衡和非平衡载流子n载流子的输运过程n半导体的光吸收nPN结光电检测技术改课件导体、半导体和绝缘体n自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。n固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。者之间的半导体。n电阻率电阻率10

15、-6 10-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体n电阻率电阻率1012欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体n电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体光电检测技术改课件半导体的特性n半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。n导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。化。（纯净（纯净Si在室温下电导率为在室温下电导率为5*10-6/(欧姆欧姆厘米厘米)。掺。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为入硅原子

16、数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆欧姆厘米厘米)n半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。响。光电检测技术改课件本征和杂质半导体n本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。n在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。n在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。n掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。n施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。n受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型

17、半导体。光电检测技术改课件平衡和非平衡载流子n处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。n半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。n处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。 光电检测技术改课件非平衡载流子的产生n光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。n当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴

18、对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。n产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。n光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。n其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。光电检测技术改课件载流子的输运过程n扩散n漂移n复合光电检测技术改课件半导体对光的吸收n物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。n吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收n本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带n只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发光电检测技术改课件光电检测技术改课件杂质吸收和自由载流子吸收n引起杂质吸

19、收的光子的最小能量应等于杂质的电离能n由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区光电检测技术改课件PN结n将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。n是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。光电检测技术改课件 PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子子漂移加强，但少子数量有限，只能形成数量有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。RE光电检测技术改课件 PN结的伏安

20、特性曲线 对应表:光电检测技术改课件半导体的物理效应:光电效应与光热效应n是指单个光子的性质对产生的光电子直接作用，物体吸是指单个光子的性质对产生的光电子直接作用，物体吸收光子后，直接引起原子或分子内部电子状态的改变，收光子后，直接引起原子或分子内部电子状态的改变，光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变，对光波光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变，对光波频率有选择性，响应速度一般较快。光照射到物体表面频率有选择性，响应速度一般较快。光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称

21、为势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应。光电效应包括外光电效应和内光电效应。光电效应。光电效应包括外光电效应和内光电效应。n光热效应：物体吸收光辐射后，不直接引起原子或分子光热效应：物体吸收光辐射后，不直接引起原子或分子内部电子状态的改变，而是把吸收的光能量变为晶格的内部电子状态的改变，而是把吸收的光能量变为晶格的热运动能量，引起物体温度上升，进而引起物体电学特热运动能量，引起物体温度上升，进而引起物体电学特性或其他物理性质发生改变。性或其他物理性质发生改变。光电检测技术改课件n外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子：物体受光照后向外发射电子n发生过程与发生条件发生

22、过程与发生条件n内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部只在物质内部而不会逸出物体外部多发生多发生在半导体在半导体n内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应n光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生：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载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象减少的现象光电检测技术改课件n光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体：光照在半导体PN结或金属结或金属半半导体接触上时，会在导体接触上时，会在PN结或金属结或金属

23、半导体接触半导体接触的两侧产生光生电动势。的两侧产生光生电动势。n PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。n半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。结短路，则会出现电流（光生电流）。光电检测技术改课件光热效应n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

24、的性质发生变化热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流光电检测技术改课件第三章 光电检测器件光电检测技术改课件n光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数n半导体光电器件半导体光电器件光电导器件光电导器件光敏电阻光敏电阻光伏器件光伏器件光电池光电池光电二极管光电二极管/三极管三极管n真空光电器件真空光电器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管n热电检测器件热电检测器件热敏电阻热敏电阻热电

25、偶和热电堆热电偶和热电堆热释电探测器件热释电探测器件光电检测技术改课件3.1 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化n光电子发射：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物n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n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。光电检测技术改课件光电检测器件的类型光电检测器件的类型n光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件.n光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件热电检测器件

26、光电检测技术改课件光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器光电检测技术改课件光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超 过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒光电检测技术改课件3.2 3.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数n响应特性n

27、噪声特性n量子效率n线性度n工作温度光电检测技术改课件一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：是光电探测器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效率。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应度和电流响应度光电检测技术改课件n电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比光电检测技术改课件光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度光电检测技术改课件响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数（如图）。上

28、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。光电检测技术改课件n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率为时间常数（等于RC） 频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。光入射产生光电流是一个积分过程，是一阶系统，根据RC积分电路的特点，它是一低通电路，其幅频特性为：光电检测技术改课件：上限截止频率：上限截止频率时间常数决定了

29、光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽返回返回光电检测技术改课件二.光电转换定律n对于光电探测器，一端是光辐射量，另一端是光电流。把光辐射量转换为光电流量的过程称为光电转换。即光电流正比于入射光功率n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子数之比。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1n实际上， 1n量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。光电检测技术改课件量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系n光探测器对入射光功率有响应，响应的是光电流。因此，一个光子探测器总可视为一个电流源。n因为光功率P正比于光电场的平方，故常把光探测

30、器称为平方率探测器，光探测器实质上是一个非线性器件。光电检测技术改课件三、噪声特性n在一定波长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，它实质上就是物理系统内部的起伏干扰：如电阻中自由电子的热运动，光电阴极的随即发射，载流子的随机产生和复合等。服从统计规律，其平均值为零。用均方噪声来表示噪声值大小。由于产生探测器起伏噪声的因素很多，且这些因素又彼此独立，总的噪声功率为各种噪声功率之和。光电检测技术改课件n噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的

31、噪声所限制。n所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。光电检测技术改课件光电探测器常见的噪声n热噪声n散粒噪声n产生-复合噪声n1/f噪声光电检测技术改课件1、热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。n导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声光电检测技术改课件2、散粒噪声n散粒噪声：无光照下，由于热激发射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的

32、，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n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。n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。n热激发平均电流，暗电流光电检测技术改课件3、产生-复合噪声n对光导探测器，热激发载流子产生电子空穴对，与光伏器件不同，存在严重的复合过程，复合过程也式随机的，使起伏加倍。n在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。nM为光电导的内部增益。光电检测技术改课件4、1/f噪声n或称闪烁噪声或低频

33、噪声。n噪声的功率近似与频率成反比n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。光电检测技术改课件、信噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n若用分贝（dB）表示，为光电检测技术改课件、噪声等效功率(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。n这时，入射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。光电检测技术改课件噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，

34、测得的输出电压为U0然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为光电检测技术改课件、探测率与归一化探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽f 乘积的平方根成正比归一化探测率D*，即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。返回光电检测技术改课件四、线性度n线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。n在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。n非线性误差：max / ( I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。光

35、电检测技术改课件五、工作温度n工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。n光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。光电检测技术改课件半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用n光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管n光敏电阻光敏电阻n光电池与四象限光电池光电池与四象限光电池n光电二极管及及阵列光电二极管光电二极管及及阵列光电二极管n光电三极管光电三极管n发光器件与光耦合器件发光器件与光耦合器件nPSD与与CCD器件器件光电检测技术改课件光电管与光电倍增管（外光电效应器件）：n光电管是依据光电发射效

36、应而工作的一种光电探测器，主要由光电阴极K、阳极A和管壳组成。分为真空光电管和充气（增益气体）光电管。接收形式有反射型和透射型。光电检测技术改课件n光电阴极：银氧铯光电阴极、锑化物光电阴极、负电子亲和势光电阴极。决定带宽，峰值波长。光电检测技术改课件n光电特性和伏安特性曲线n光电特性：1，2，3是真空光电管光电特性；在一定范围内光电流与光照度为线性关系，4，5，6是充气光电管光电特性，二者相比，真空光电管线性好，动态范围大，稳定性好，但灵敏度低一些。光电检测技术改课件在不同的入射P下，u=50-100V时，所有的光电子都能到达阳极，光电流饱和，电压再增高，光电流不在增大。在饱和区，当u一定时光

37、电流与入射功率成线性变化，光电管通常工作在饱和区，即u要高于50-100V。伏安特性光电管两端电压与流过电流关系）由偏置电路u=Ub-iRL光电检测技术改课件n1.无光照情况：当光照功率=0时，电流i不为零，暗电阻Rd=u/i=1/n 称为光电管的暗电导(漏电导）2.表征光电管进入饱和区快慢的参数G0饱和电导（初始电导）设对应于M点的电压与电流分别为U0(转折电压）,I0。则I0 = G0U0, G0称为光电管的饱和电导。因为OM是所有曲线进入饱和区的分界线。3.光电管的工作负载线伏安特性：u=Ub-iRL, Ub为偏置电压,u为光电管两端电压。i=0,u= Ub ,u=0,i= Ub /RL

38、,MH线即为光电管的工作负载线.当偏置电压一定时，RL从零到无穷，负载线从垂直向左旋转900光电检测技术改课件光电检测技术改课件n4.光电管线性工作区确定n光电管线性工作区是指光功率的变化与电流和电压变化成线性关系的区域，设0为如射入光功率的直流分量， max min 为变化区间，Q为静态工作点。即负载线必须在M点的上方通过,对M点： I=Id+Ip G0 U0=GU0+S max U0=S max /(G0 G)U0称为转折电压。计算负载电阻和偏置电压。 为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安线交点不能低于转折点M. (Ub -U0)GL= G0 U0 U0当Ub已知时，可计算出负载电

39、导GL或电阻RL为光电检测技术改课件当RL1/GL为已知时，可计算出偏置电源电压Ub为n计算输出电压幅度当输入光通量由min变化到max时，输出电压幅度为UUmaxU0。GL（Ub-Umax）=GUmaxS min （在H点）GL（Ub-U0）=GU0S max （在M点）光电检测技术改课件电压幅度与输入光通量的增量和光电灵敏度成正比，与结间漏电导和负载电导之和成反比。计算输出电流幅度IImaxIminGLU通常GLG，IS（maxmin）S计算输出电功率由功率关系PIU可得若仅要求输出光电流，可选择UbU0 RL光电检测技术改课件频率特性：由伏安特性，光电管等效为一个高内阻的电流源，其等效电

40、路可表示为：图中为光电管电容，由等效电路得截止频率为：n环境和温度变化使光电管的灵敏度和暗电流发生变化，要求温度保持在光电检测技术改课件光电倍增管n光电倍增管结构原理如图所示，由光电阴极K、阳极A和倍增极及管壳组成。n倍增极由某些金属，半导体及氧化物等负电子亲和势材料组成。其特点是受到高速电子轰击产生二次电子发射获得很高的电流内增益。光电检测技术改课件n供电电压为千伏数量级，采用电阻或齐纳稳压管分压，分级电压为百伏数量级。光电检测技术改课件n两种供电电路：阳极接地，负高压供电；阴极接地，正高压供电。n负高压供电可消除外部信号电路与阳极中间的电位差，输出光电流可直接与电流计或电流电压转换的运算放

41、大器相连。正高压供电使用耐高压的耦合电容输出信号，用于交流或信号脉冲测量系统。光电检测技术改课件信号输出方式：光电倍增管用以检测微弱的光信号，其输出电流很小，常采用放大器输出。光电检测技术改课件光电特性和伏安特性n光电倍增管的光电特性与伏安特性与真空管十分相似，其分析方法与光电管基本一样。n频率特性：截止频率为：噪声特性：由于温度变化，光电倍增管的暗电流产生较大的散粒噪声，因此在使用中一定要制冷。光电检测技术改课件一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。n特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏

42、置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。光电检测技术改课件光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号： 符号符号光电检测技术改课件1. 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（有窗口的金属或塑料

43、外壳内。（如图如图）n工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。光电检测技术改课件入射光入射光返回光电检测技术改课件本征型和杂质型光敏电阻n本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。n杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电

44、流。n本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电检测技术改课件光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光 = IL - Idn光电导：亮电导和暗电导之差；G = GL - Gd光电检测技术改课件n光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。n光电流与光照强度电阻结构的关系。设载流子的迁移率分别为（

45、单位电场作用下的运动速率）。光电检测技术改课件n无光照，暗电导率n光照下电导率 光电检测技术改课件n附加光电导率附加光电导率,简称光电导简称光电导n光电导相对值光电导相对值n要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。材料或在低温下使用。光电检测技术改课件n无光照时，光敏电阻的暗电流为n光照时，光敏电阻的光电流为光电检测技术改课件光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性n光电特性光电特性n伏安特性伏安特性n时间响应和频率特性时间响应和频率特性n温度特性温度特性光电

46、检测技术改课件n光电特性：光电流与入射光照度的关系： (1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系(CdS)(2)强光时，强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）改善） 光敏电阻的光电特性光电检测技术改课件在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性

47、关系其他光敏电阻也有类似的性质。光电检测技术改课件n光电导灵敏度: 光电导G与照度E之比.不同波长的光，不同波长的光，光敏电阻的灵敏光敏电阻的灵敏度是不同的。度是不同的。在选用光电器件在选用光电器件时必须充分考虑时必须充分考虑到这种特性。到这种特性。光电检测技术改课件n光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。n量子效率：光电流与入射光子流之比。光电检测技术改课件伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系所加的电压关系n光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。定律，其伏安特性曲线为

48、直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线光电检测技术改课件受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。光电检测技术改课件光敏电阻的信号输入电路nR=1/(Gp+Gd)，IL=Ub/(R+RL),当输入光通量变化时，IL=-UbR/(R+RL)2,由Gp=SE=S, R=1/(Gp+Gd)得： R=-R2SIL=-UbR/(R+RL)2=Ub R2S /(R+RL)2UL= IL RL = Ub R2SRL /(R+RL)2光敏电阻的偏置电压：每个光敏电阻都有额定的最大耗散功率Pmax,在一定的光照下，要

49、求：IL2R Pmax，即 Ub（ Pmax/R)0.5(R+RL)光电检测技术改课件光电检测技术改课件n光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有率低。只有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍好光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。些，可工作到几千赫。频率特性光电检测技术改课件光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。变化也会影响光谱特性曲线。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是

50、红外探测器要采取制冷措施温度特性光电检测技术改课件光敏电阻参数n使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.n光敏面：1-3 mmn工作温度：-40 80 oCn温度系数： 1n极限电压：10 300Vn耗散功率： 100 Wn时间常数：5 50 msn光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外n暗电阻：108 欧姆n亮电阻：104 欧姆光电检测技术改课件光敏电阻的应用n基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。n基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路n基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，

51、灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS光电检测技术改课件光电池(光伏工作模式）n光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。成电能的一种器件。nPN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区区.n半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）方向为结短

52、路，则会出现电流（光生电流）方向为N-P。光电检测技术改课件光电池的结构特点n光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。来接收更多的入射光。n硅光电池硅光电池n在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），形成一个型杂质（如硼），形成一个P+N结，结， 受光面是受光面是P型层（代号型层（代号2CR)n或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），形成一个型杂质（如磷），形成一个N+P结，结， 受光面是受光面是N型层。型层。(代号代号2DR)n高参杂的目的使空间势垒加宽，增加光生载流子数目，高参杂的目的使空间势

53、垒加宽，增加光生载流子数目，减小反向饱和电流。减小反向饱和电流。光电检测技术改课件n受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用保护作用n由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，结上， 实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄P型或薄型或薄N型。型。光电检测技术改课件光电检测技术改课件1 1、光谱响应度、光谱响应度n硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。n硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.

54、75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。光电检测技术改课件2、伏安特性、伏安特性无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。移幅度与光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流，与电流轴交点称为短路电流ISC。光电检测技术改课件光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线光电检测技术改课件3.光电池等效电路光电池等效电路等效为一个电流源与一个普通二极管的并联电路等效为一个电流源与

55、一个普通二极管的并联电路光电检测技术改课件光电检测技术改课件光电检测技术改课件n光电池短路电流与开路电压与入射光强度变化关系由P31图3-14表示，由于ISC=Ip=S,因此，短路电流与受光面积成正比，开路电压与与受光面积的对数成正比，如图3-15所示。n短路或线性电流放大是一种电流变换状态。在这种状态下，后续电流放大级作为负载从光电池中吸取最大的输出电流。为此要求负载电阻或后续放大电路的输入阻抗尽可能小。在短路状态下，由于输出电流与入射光功率成正比，在器件噪声较低情况下，适合于弱光信号的检测。n开路电压应通过高输入阻抗放大器与后续放大电路连接，同一光电池的开路电压与光电池光敏面受光面积的对数

56、成正比，但开路电压并不会无限增大，它的最大值受结势垒的限制，通常，光电池的开路电压为0.45-0.6v,因此，可不加偏置作跳跃变化的光电开关。光电检测技术改课件n当光电池用作太阳能电源时，可通过多个串联和并联方式增大输出电压和输出电流。n光电池的负载特性：1.在一定的光照下，负载电阻RL由无穷变到零时,输出电压由将由Uoc变为零，而输出电流将从零增大到短路电流ISC，显然存在某一负载电阻RM,光电池的输出功率最大。如图3-17所示。近似求法：过开路电压及短路电流作伏安特性曲线的切线，两切线交于Q点，连接OQ与伏安特性曲线交于M点，此时，矩形面积最大，即为最大的输出功率。此时近似认为UM=0.7

57、 Uoc,IM= ISC.,。即RM =0.7Uoc/ ISC（图4-12）2.当负载电阻很小时，可得到与输入光功率成正比的电流与电压信号输出。据光电检测技术改课件式中将上式展开得当IRLUT时，由于I0I,若IRLUT即I=S令最大线性输出光电流为IM，相应的光通量为M,则可得输出最大线性电压的临界电阻为：RMUT/IM=26/SM.负载上的电压信号变化为：U= RM I=(26/SM)S=26/M光电检测技术改课件负载负载RL的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况

58、下越小越好，并限制在适当的光照阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用范围内使用光电检测技术改课件n4.频率响应频率响应 硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池 光电检测技术改课件n要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；n光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小

59、面积就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。光电池。光电检测技术改课件开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010-5-5 1010-3-3mA/mA/度度n5 5、温度特性、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。光电检测技术改课件光电池的应用n1、光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探

60、测器有频率响应高，光利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。电流随光照度线性变化等特点。n2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。组成电池组。光电检测技术改课件硅太阳能电池n硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。电池、非晶硅太阳能电池。n单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池而规模生产的单晶硅太阳能电池, ,其效率为其效率为

61、15%15%。n多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉, ,但是由于它存在着但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为的实验室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产的转换效工业规模生产的转换效率为率为10%10%。光电检测技术改课件非晶硅太阳能电池n非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具有具有较多的优点较多的优点,例如例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。 n非

62、晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的是单晶硅的40倍倍,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约90%有用的太阳有用的太阳光能。光能。n非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了它的迅速从而影响了它的迅速发展发展。 光电检测技术改课件化合物太阳能电池 n三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池和二六族化合物电池。n三五族化合物电池主要有三五族化合物电池主要有GaAs电池、电池、InP电池、电池、GaSb电池等电池等;n二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、电池、

63、CaS/CdTe电池等。电池等。n在三五族化合物太阳能电池中在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转电池的转换效率最高换效率最高,可达可达28%;光电检测技术改课件GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池nGa是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀有不是稀有元素元素,有毒。有毒。nGaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池池,这是由于这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。高的吸收效率。 nGaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸

64、多优点,但是但是GaAs材料的价格不菲材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。电池的普及。 光电检测技术改课件太阳能n太阳能特点：太阳能特点： 无枯竭危险；无枯竭危险；绝对干净；绝对干净；不受资源分布地域的不受资源分布地域的限制；限制；可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；能源质量高；能源质量高；使使用者从感情上容易接受；用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。获取能源花费的时间短。n要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电能光电变换效率并降低成本

65、；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。同现在的电网联网。光电检测技术改课件四象限光电池n四象限光电池是用来确定光点在二维平面上的位置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。它是用集成电路光刻技术将一个圆形或方形的光敏面窗口隔成几个面积相等、形状相同、位置对称（背面为整片）的区域。是四象限光探测器的一种。（如：硅光电二极管、雪崩光电二极管）n和差电路形式：设器件的坐标线与基准线成水平安装，电路的连接是先计算相邻象限信号的和，再计算信号的差。设光斑形状是弥散圆，半径为r,光密度均匀，投影在四象限探测器每个象限上的面积分别为SA、SB、SC、SD光电检测技术改课件由运算电路输出偏离信号ux和uy，u

66、x=K(uA+uB)-(uC+uD),uy=K(uA+uD)-(uB+uC)为了消除光斑自身能量变化常采用和差比幅电路Ux=ux/ (uA+uB+uC+uD), Uy=uy / (uA+uB+uC+uD), 光电检测技术改课件2.直差电路形式：若器件的坐标线和基准线间成450角安装，输出偏移量为：ux=K(uA-uC)/ (uA+uB+uC+uD), uy=k(uB-uD) / (uA+uB+uC+uD), 光电检测技术改课件光敏二极管光敏二极管n光敏二极管与光电池一样，基本结构为一个光敏二极管与光电池一样，基本结构为一个PN结，结，其特点是结面积小，频率特性非常好，光生电动其特点是结面积小，

67、频率特性非常好，光生电动势与光电池相同，但输出光电流比光电池小，一势与光电池相同，但输出光电流比光电池小，一般为微安量级。般为微安量级。n种类：锗光敏二极管、硅光敏二极管。图种类：锗光敏二极管、硅光敏二极管。图3-20n采用采用N型单晶硅形成型单晶硅形成P+N结结,型号为型号为2CU.采用采用P型型单晶硅形成单晶硅形成N+P结结,型号为型号为2DU.环型光电二极管有环型光电二极管有三根引线，环极接电源正极，通过一电阻接前极三根引线，环极接电源正极，通过一电阻接前极（N极），也可不用。由图极），也可不用。由图3-21，3-22.n硅光电二极管可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗硅光电二极管可采用平面镜

68、和聚焦透镜作入射窗口如图口如图3-23所示。所示。光电检测技术改课件光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 光电检测技术改课件外加反向偏压外加反向偏压n与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用n大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。敏度。n增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响

69、特性。特性。n但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素结反向击穿电压等因素的限制。的限制。光电检测技术改课件光谱特性与电流灵敏度n常温下硅光电二极管的峰值波长为0.9m,带宽为0.4-1.1m，在峰值波长处量子效率大于50%，电流灵敏度大于0.4A/W.图3-25所示。光电检测技术改课件n光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。在较小的负载电

70、阻下，光电流与入射光功率有较在较小的负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。好的线性关系。n光电特性曲线。光电特性曲线。光电检测技术改课件频率响应特性n硅光电二极管是半导体光电器件中最好的一种，因此，特别适用于快速变化的光信号探测。光电二极管的频率响应主要由两个因素决定：1.光生载流子在耗尽层内的漂移时间，2.与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数。n等效电路光电检测技术改课件伏安特性曲线n反向偏置可以减小载流子的渡越时间有利于提高器件的灵敏度和响应时间，但反向偏置电压不能太高，以免雪崩击穿。光敏二极管在无光照时的暗电流为二极管的反向饱和电流，光照时的光电流与反向饱和电流同方向。在

71、较低的反向电压作用下，光电流随反向偏压的变化比较明显，因反向偏压增加使结电场增强，提高了结区光生载流子的收集效率，当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集接近极限，光电流接近饱和，此时二极管可视为恒流源，光电流取决于入射光功率。如图3-24所示。光电检测技术改课件交变信号检测首先确定在交变光信号作用下电路的最佳工作状态。假定输入光照度为正弦变化，即光照度的变化范围为E0Em。若在信号通频带范围内，耦全电容Cc可认为是短路，则等效交流负载电阻是Rb和RL的并联。对应的交流负载MN应该通过特性曲线的转折点M（见图415（b），以便能充分利用器件的线性区间，其斜率由Rb和RL的并联电阻决定。交流负载

72、线与光照度EE0对应的伏安特性相交于Q点。该点对应交变输入光照度的直流分量，是输入直流偏置电路的静态工作点。通过Q点作直流负载线可以图解得到偏置电阻Rb和Ub值。下面首先计算负载RL上的输出电压和输出功率。 光电检测技术改课件光电检测技术改课件n负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图（b）中阴影线三角形MHQ的数值关系计算。若交流负载线的斜率是GLGb，设交流负载总电流峰值为Im，则有另一方面，在图中的线段MN上有电流关系Im=SEEmGUm （G为暗电导）代入上式，有 负载电阻RL上的输出功率PL式中：IL（ILUm/RL=GLUm）是负载RL上的电流峰值,代入上式，有 光电检测技术改课件由P

73、L对RL求偏微分，计算最大功率输出下的负载电阻，可得GL0=Gb+G把上式代入可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Um0、最大输出功率有效值PLm输出电流峰值Im0为最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub可用解析法计算。静态工作点Q的电流值由伏安特性 IQ=GUQ+SEE0由负载线得IQ=(UbUQ)Gb 求解以上二式，得 光电检测技术改课件另一方面，在电压轴上工作点Q处的电压UQ为比较前二式可计算出Gb0或Rb0为光电检测技术改课件噪声特性n光电二极管常用于微弱信号的探测，其噪声主要包括散粒噪声、和电阻的热噪声，信号输出时应遵循噪声匹配原则。光电检测技术改课件P-i-N硅光敏二极

74、管和雪崩光敏二极管硅光敏二极管和雪崩光敏二极管n选择高电阻率的基体材料，一定厚度的选择高电阻率的基体材料，一定厚度的i层，具层，具有高速响应特性。有高速响应特性。ni层所起的作用层所起的作用:(1)反偏电压主要集中反偏电压主要集中i区，光生区，光生电子电子-空穴立即被电场分离，快速漂移；空穴立即被电场分离，快速漂移；n（2）实际上增加了耗尽层厚度使结电容下降）实际上增加了耗尽层厚度使结电容下降。n（3）高电阻率的）高电阻率的i层使暗电流明显减小。层使暗电流明显减小。光电检测技术改课件PIN管特点管特点PIN管的最大特点是管的最大特点是频带宽，可达频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽

75、。另一特点是线性输出范围宽。缺点缺点: 由于由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。几微安至数微安。光电检测技术改课件雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管是借助强电场作用产生载流子倍增效应的是借助强电场作用产生载流子倍增效应的一种高速光电器件，由于存在因碰撞电一种高速光电器件，由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益和极快的时间响应特性。增益和极快的时间响应特性。光电检测技术改课件n 当光敏二极管的当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场

76、，使进入场区的光生载流子结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子新的电子空穴对。空穴对。n新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反方向空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子生电子空穴对。空穴对。n只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压

77、。略低于击穿电压。光电检测技术改课件雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线光电检测技术改课件n在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加n从从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中中c点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以点以左，否则进入雪崩

78、击穿区烧坏管子。左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。调整工作电压。光电检测技术改课件n雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏。是目前响应最快的一种光敏二极管。二极管。n不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。射信号的探测方向被广泛地应用。n在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏在设计雪崩

79、光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。持更高的工艺和保证结面的平整。n其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。光电检测技术改课件雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较n体积小n结构紧凑n工作电压低n使用方便n但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大n故光电倍增管更适宜于弱光探测光电检测技术改课件光敏三极管（光电三极管）光敏三极管（光电三极管）n光光电三极管是由光三极管是由光电二极管和一个晶体三极管

80、二极管和一个晶体三极管构成构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。并联一个光电二极管。n同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。透明窗口，以接收光线照射。n日前用得日前用得较多的是多的是NPNNPN和和PNPPNP两种平面硅光两种平面硅光电三三极管极管。光电检测技术改课件普通三极管的工作原理n发射结加正向电压，集电结加反向电压。发射结加正向电压，集电结加反向电压。n因此，发射结势垒减小，发射区的多数载流子电子在因此，发射结势垒减小，发射区的多数载流子电子在正向电压作用下，扩

81、散到基区，形成发射极电流正向电压作用下，扩散到基区，形成发射极电流IE，其方向与电子流动方向相反。与此同时，基区空穴也其方向与电子流动方向相反。与此同时，基区空穴也扩散到发射区，但由于发射区杂质浓度比基区高得多，扩散到发射区，但由于发射区杂质浓度比基区高得多，这部分空穴电流可忽略。这部分空穴电流可忽略。n由发射区来的电子注入基区后，在基区靠近发射结的由发射区来的电子注入基区后，在基区靠近发射结的边界积累起来，在基区中形成了一定的浓度梯度，靠边界积累起来，在基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。电近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。电子向集电结方向扩散

82、，在扩散过程中又会与基区中空子向集电结方向扩散，在扩散过程中又会与基区中空穴复合，同时接在基区的电源正端不断从基区拉走电穴复合，同时接在基区的电源正端不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。使基区的空穴浓度基本子，好像不断供给基区空穴。使基区的空穴浓度基本维持不变，形成基极电流维持不变，形成基极电流IB.n集电结势垒增加，使集电结的电子和基区的空穴很难集电结势垒增加，使集电结的电子和基区的空穴很难通过集电结，对基区扩散到集电结边缘的电子却有很通过集电结，对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，形成集电结电流强的吸引力，形成集电结电流IC。但基区中少数载流。但基区中少数载流子电子和集电区

83、少数载流子空穴在结电场作用下形成子电子和集电区少数载流子空穴在结电场作用下形成反向饱和电流，但很小。反向饱和电流，但很小。光电检测技术改课件电流分配关系nIE=IB+ICn=IC/IEn=/(1-)IC/IBnIE=IB(1+)光电检测技术改课件1.光电三极管工作原理光电三极管工作原理nNPN光电三极管（光电三极管（3DU型），基区和集电区处于反向型），基区和集电区处于反向偏置，光敏区是基区，管子的基极开路，光照基区产偏置，光敏区是基区，管子的基极开路，光照基区产生电子空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电生电子空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电结，空穴留在基区，使基极与发射结的电位升

84、高（发结，空穴留在基区，使基极与发射结的电位升高（发射结正向偏置），发射结便有大量电子经基极流向集射结正向偏置），发射结便有大量电子经基极流向集电结，光照越强，最后形成光电流越大。电结，光照越强，最后形成光电流越大。n 光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结状态。集电结(基基集结集结)处于反向偏置，基极电流等处于反向偏置，基极电流等于于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。光电检测技术改课件发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B B B BE E E EC C C

85、CN N N NN N N NP P P P基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极光电检测技术改课件与普通二极管不同的是，集电极电流是由基极与普通二极管不同的是，集电极电流是由基极-集电结上集电结上产生的光电流控制。集电结起双重作用，把光信号变成产生的光电流控制。集电结起双重作用，把光信号变成电信号，起光电二极管作用，使光电流在放大，起一般电信号，起光电二极管作用，使光电流在放大，起一般晶体管作用。光电三极管等效于一个光电二极管与一般晶体管作用。光电三极管等效于一个光电二极管与一般三极管基极三极管基极-集电极结的并联。集电极结的并联。一般基极不需外接点，一般基极不需外

86、接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。光电检测技术改课件n2.2.光光电特性特性n光光电三极管与光三极管与光电二极管相比，具有二极管相比，具有较高的高的输出光出光电流，但流，但线性差性差n线性差性差主要是由电流放大倍数主要是由电流放大倍数 的非线性所致的非线性所致n光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。用。光电三极管的光照特性光电检测技术改课件3.光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性 硅硅光光电电三

87、三极极管管的的光光电电流流在在毫毫安安量量级级，硅硅光光电电二二极极管管的的光光电流在微安量级。电流在微安量级。 在在零零偏偏压压时时硅硅光光电电三三极极管管没没有有光光电电流流输输出出，光光电电三三极极管管必必须须在在一一定定的的偏偏置置电电压压作作用用下下才才能能工工作作，当当偏偏压压达达到到5V时时，集集电电结结的的收收集集能能力力达达到到极极限限，为为此此光光电电三三极极管管应应工工作作在在偏偏置电压大于置电压大于5V的线性区。的线性区。 工工作作电电压压较较低低时时输输出出电电流流有有非非线线性性，光光电电三三极极管管的的非非线线 性更严重。（因为放大倍数）性更严重。（因为放大倍数）

88、 光电检测技术改课件硅光电三极管硅光电三极管硅光电二极管硅光电二极管光电检测技术改课件 4.4光敏三极管的温度特性光敏三极管的温度特性 温度特性反映光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度特性反映光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。 温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。光光电三极管三极管的光电流和的光电流和暗电流受温度影响比暗电流受温度影响比光光电二极管二极管大得多大得多光电检测技术改课件 光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的（调制）频率特性1. 发射结偏置的时间发射结偏置的时间2.电子渡越基区所需要的时间电子

89、渡越基区所需要的时间3.电子扫过结势垒区的渡越时间电子扫过结势垒区的渡越时间一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。 光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响，减减小小负负载载电电阻阻可可以提高频率响应。以提高频率响应。 对对于于锗锗管管，入入射射光光的的调调制制频频率率要要求求在在5000Hz以以下下，硅硅管管的的频率响应要比锗管好。频率响应要比锗管好。光电检测技术改课件光敏三极管的应用n1.晶体管输出方式晶体管输出方式n2 . 集成光电器件集成光电器件n达林顿输出：有光照时可得到一个稳定高增益达林顿输出：有

90、光照时可得到一个稳定高增益的输出电信号，利用光电三极管与多个三极管的输出电信号，利用光电三极管与多个三极管集成构成的集成光电器件。集成构成的集成光电器件。光电检测技术改课件第四章第四章 发光、耦合和成像器件发光、耦合和成像器件4.14.1发光二极管发光二极管4.24.2激光器激光器4.34.3光电耦合器件光电耦合器件4.44.4CCDCCD光电检测技术改课件4.14.1 发光二极管发光二极管n发光二极管（LED）的类型n发光二极管的原理n发光二极管的特性n发光二极管的应用光电检测技术改课件1.发光二极管（LED）的类型n光源的分类：根据光源的光谱宽度，非相干光源与相光源的分类：根据光源的光谱宽

91、度，非相干光源与相干光源干光源热辐射光源热辐射光源:任何物体只要其温度大于热力学温度会向外任何物体只要其温度大于热力学温度会向外界辐射能量，辐射特性与温度有关（白炽灯、卤钨灯）界辐射能量，辐射特性与温度有关（白炽灯、卤钨灯）。发光光谱是连续的，光辐射由通电加热产生。发光光谱是连续的，光辐射由通电加热产生。气体放电光源：在电场作用下激励出电子和离子，电子气体放电光源：在电场作用下激励出电子和离子，电子向阳极离子向阴极运动过程中获得能量，再次与气体向阳极离子向阴极运动过程中获得能量，再次与气体分子或原子碰撞激励出电子和离子，这一过程有些电分子或原子碰撞激励出电子和离子，这一过程有些电子会跃迁到高能

92、级，当回到低能级时伴随光的辐射子会跃迁到高能级，当回到低能级时伴随光的辐射（汞灯、脉冲氙灯）。（汞灯、脉冲氙灯）。固体发光光源（发光二极管固体发光光源（发光二极管LED）。）。分类：表面发光分类：表面发光SLED,侧面发光侧面发光ELED,常用在光通信中，常用在光通信中，易于做成与光纤耦合。平面易于做成与光纤耦合。平面LED,圆顶型圆顶型LED由于功率由于功率小，价格低常用于显示等方面。超辐射发光二极管小，价格低常用于显示等方面。超辐射发光二极管MLD发光强度高，相干性好，常用于相干光通信中，发光强度高，相干性好，常用于相干光通信中，但稳定性差。但稳定性差。光电检测技术改课件2.发光二极管（L

93、ED）的工作原理n发光二极管是把电能直接转换为光能的半导体器件，发光二极管是把电能直接转换为光能的半导体器件，其基本结构是其基本结构是PN结，在施加正向电压时，即管内流过结，在施加正向电压时，即管内流过一定的电流后，在外电场作用下，一定的电流后，在外电场作用下，P区的空穴和区的空穴和N区的区的电子向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而电子向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合，在复合结附近产生导带电子和价带空穴的复合，在复合过程中，释放与材料有关的复合能量光能表现出来。过程中，释放与材料有关的复合能量光能表现出来。3.发光二极管（发光二极管（L

94、ED）的特性）的特性光谱特性：发光二极管的材料不同，其发光光谱不同，光谱特性：发光二极管的材料不同，其发光光谱不同，即发光颜色不同，如图即发光颜色不同，如图3-37所示。所示。响应时间：响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或响应时间：响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或熄灭时间。发光二极管的上升时间随电流的增大近似熄灭时间。发光二极管的上升时间随电流的增大近似成指数减小，与跃迁过程有关。成指数减小，与跃迁过程有关。如果电子与电洞结合如果电子与电洞结合必须改变其动量必须改变其动量,则跃迁相当困难且多半用热的方式将则跃迁相当困难且多半用热的方式将能量散出能量散出,这就称为间接跃迁这就称为间接跃迁

95、 光电检测技术改课件4.发光二极管（LED）的应用n指示、照明、显示n光源n光电耦合器光电检测技术改课件4.24.2 激光器激光器n激光器的结构与原理n激光器的种类n激光器的特性参数n激光器在光电检测方面的应用光电检测技术改课件光电检测技术改课件n（P1、P2是两个反射镜的反射率，是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增是激活介质的增益系数，益系数，A是介质的损耗系数，），才能输出稳定的激是介质的损耗系数，），才能输出稳定的激光光.n另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差两两之间在输出端的相位差 =2q q=1、2、3

96、、4。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为，激活介质的折射率为N，则，则=（2/）2NL=4N(Lf/c)=2q，上式可化为上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度腔长度L和折射率和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。输出的激光有一定的选频作用。激发源激活介质光电检测技术改课件激光器的类型n

97、气体、固体、半导体激光器光电检测技术改课件He-Ne激光器的基本结构形式气体激光器n光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。n效率低，能耗高，寿命较短，体积大。n原子（氦氖）激光器，离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器，分子（CO2,CO,准分子)激光器。光电检测技术改课件固体激光器n主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；n结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；n：，红宝石，钕玻璃激光器。光电检测技术改课件固体激光晶体棒光电检测技术改课件固体激光实验装置光电检测技术改课件微型固体激光器（学生研发）光电检测技术改课件深大学生研究固体激光器光电检测技术改课件深大“挑战杯”小组（省二等奖）光电检测技术改课件半导体

98、激光器n在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，半导体激光器产生激光所需的最小电流称为阈值电流，如图3-45.n体积小，效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；n发散角大，温度特性差，容易产生噪声。光电检测技术改课件半导体激光器（自制）光电检测技术改课件半导体激光器电源光电检测技术改课件白 光激光器光电检测技术改课件激光器在光电检测中的应用n激光特点：相干性、方向性和高亮度。n激光测距，测长，测平面度等n激光大气污染检测n激光海洋探测n激光制导n激光雷达n激光干涉测量（探伤）n激光全息测量光电检测技术改课件4.34.3 光电耦合器件光电

99、耦合器件n定义：发光器件与光接受器件的组合器件。n类型：光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的状态。n发光器件：，灯等光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。光电检测技术改课件工作原理与特点n发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。n特点：具有电隔离（欧姆）功能；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；如（逻辑电路）具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；光电检测技术改课件特性参数n1.电流传输比：输

100、出与输入电流之比。输出电流是指光电接收器件接收光后产生的光电流，输入电流是指使二极管发光的注入电流。一般 1.2.最高工作频率：光电耦合器的工作频率取决于发光器件与接收器件的频率特性，由发光二极管与光电二极管组成的耦合器件频率响应最高，小的负载电阻可提高器件的工作频率。采用树脂或金属封装。光电检测技术改课件光电耦合器件的应用n代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；n代替继电器使用，做光电开关用；n把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移；n作为计算机主机与输入输出端的接口，大大提高计算机的可靠性；n在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。光电检测技术改课件光电位置敏感器件（P

101、SD）n位置敏感探测器位置敏感探测器(PSD)是一种基于非均匀半导是一种基于非均匀半导体体横向光电效应横向光电效应，对入射光或粒子位置敏感的，对入射光或粒子位置敏感的光电器件。与其它象限探测器完全不同的是：光电器件。与其它象限探测器完全不同的是：PSD是一种连续型的模拟器件，避免了阵列型是一种连续型的模拟器件，避免了阵列型器件分辨率受像元尺寸限制的缺陷，无死区。器件分辨率受像元尺寸限制的缺陷，无死区。PSD的基本结构类似于光电二极管，当的基本结构类似于光电二极管，当PSD的的光敏面被非均匀光照明时，由于横向光电效应，光敏面被非均匀光照明时，由于横向光电效应，在平行于结平面的方向形成电势差，光电

102、流在在平行于结平面的方向形成电势差，光电流在扩散层被分流，通过电极收集电流，由于从电扩散层被分流，通过电极收集电流，由于从电极输出的电流与入射光斑的重心相关，根据输极输出的电流与入射光斑的重心相关，根据输出的电流能连续、直接的检测出入射光斑重心出的电流能连续、直接的检测出入射光斑重心的位置。的位置。 光电检测技术改课件1.半导体半导体p一一n结中的横向光电效应结中的横向光电效应n当当PSD的的P一一N结的扩散面受到非均匀辐射时结的扩散面受到非均匀辐射时(光敏面局部照射或是虽然整个光敏面被照射光敏面局部照射或是虽然整个光敏面被照射但照射不均匀但照射不均匀)，在光照区域的，在光照区域的P区、结区和

103、区、结区和N区产生电子一空穴对，区产生电子一空穴对，P区中的电子将被结电区中的电子将被结电场拉向场拉向N区，而空穴则被结电场排斥留在区，而空穴则被结电场排斥留在P区，区，N区中的空穴被结电场拉向区中的空穴被结电场拉向P区区;电子被结电场电子被结电场排斥留在排斥留在N区，在光照区域形成光生载流子的区，在光照区域形成光生载流子的堆积堆积;如果如果N区的掺杂浓度远大于区的掺杂浓度远大于P区的掺杂浓区的掺杂浓度，则度，则N区的电导率远大于区的电导率远大于P区，因此光照区域区，因此光照区域的光生电子在的光生电子在N区很容易扩散达到均匀分布，区很容易扩散达到均匀分布，近似为近似为N区电势相等区电势相等;反

104、之，反之，P区由于电阻率较区由于电阻率较大，不易扩散，仍聚集在光照区域的附近，大，不易扩散，仍聚集在光照区域的附近， 光电检测技术改课件 具有较高的正电位。光生空穴在光照区域部分具有较高的正电位。光生空穴在光照区域部分堆积，并在沿着结平面平行的方向形成非均匀堆积，并在沿着结平面平行的方向形成非均匀分布，导致原来的结平衡被破坏，在沿着结平分布，导致原来的结平衡被破坏，在沿着结平面平行的方向形成横向电场面平行的方向形成横向电场,使使N区的电子向区的电子向P区回注区回注 。如果在。如果在P区的两侧安装电极，就会有区的两侧安装电极，就会有电流输出。这种因电流输出。这种因P一一N结受到非均匀辐照，在结受

105、到非均匀辐照，在沿着一与结平面平行的方向出现横向电势差的沿着一与结平面平行的方向出现横向电势差的现象称之为现象称之为P一一N结的横向光电效应。结的横向光电效应。n实际使用的器件多采用实际使用的器件多采用P一一N一一N十十结构结构:P层很层很薄，外加一定的反向偏置电压就可使薄，外加一定的反向偏置电压就可使N区耗尽，区耗尽，使使N十十区浓度远大于区浓度远大于P区，当区，当P层表面的某一位层表面的某一位置受到非均匀辐照时，光生电子在置受到非均匀辐照时，光生电子在N+层迅速扩层迅速扩散，散，N十十层近似为等电势，可视其为零电位，层近似为等电势，可视其为零电位，P层在沿着与结平面平行的方向产生横向层在沿

106、着与结平面平行的方向产生横向 电势。电势。光电检测技术改课件光电检测技术改课件nPSD由三层构成，由三层构成，p层，层，N-N+层，中间插入一层，中间插入一较厚的高阻较厚的高阻I层，形成层，形成P-I-N结构，此结构的特结构，此结构的特点是耗尽区宽，结电容小点是耗尽区宽，结电容小,因此响应速度比普因此响应速度比普通通P一一N结光电二极管要快的多。当结光电二极管要快的多。当PSD表面表面受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能量的电子一空穴对流过量的电子一空穴对流过P层电阻，分别从设置层电阻，分别从设置在在P层相对的两个电极上输出光电流层相对的两个电极上输

107、出光电流I1、和、和I2，由于由于P层电阻是均匀的，电极输出的光电流反层电阻是均匀的，电极输出的光电流反比于入射光位置到各电极之间的距离。比于入射光位置到各电极之间的距离。光电检测技术改课件光电位置敏感器件（PSD）nPSD用于测量光斑的位置或位置用于测量光斑的位置或位置的移动量的移动量n光束入射光敏层光束入射光敏层,在入射位置产在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形成的光电流该电荷形成的光电流(I1 , I2)由信由信号电极号电极1和和2输出，为公共电极输出，为公共电极nX: 位置信号位置信号I0 = I1 + I2 L光LxAI1I2I0层i 层层光

108、电检测技术改课件n2.等效电路与检测电路原理n3.二维PSDn4.光谱响应特性(300-1100nm)n5.峰值波长：900nm时，n6.反向偏压与结电容关系：反偏越小，结电容越大，当反偏超过10V时，结电容基本为常数，最大值不能超过20V.光电检测技术改课件4.44.4 CCD CCDnCCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)nCCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。nCCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。nCCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。光电检测技术改课件CCDCCD的结构的结构nMOS

109、 光敏元：光敏元：构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS(金属金属氧化物氧化物半导体半导体)结构。结构。（型层）（型层）电极电极光电检测技术改课件n在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。n加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区(势阱），偏压增加，耗尽区向内延势阱），偏压增加，耗尽区向内延伸，势阱越深。当伸，势阱越深。当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子以致于将半导体内的电子(少子少子)吸引到表

110、面，形成一层极薄但电荷浓度很高吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。当光注入结构存储电荷的功能。当光注入或电注入时，负电荷落入势阱，光信号以电荷包的形式存储在势阱中或电注入时，负电荷落入势阱，光信号以电荷包的形式存储在势阱中电荷存储电荷存储光电检测技术改课件电荷的转移n如在两个相邻电极上加大小不同的正电压，则如在两个相邻电极上加大小不同的正电压，则形成两个深浅不同的势阱，由于这两个电极靠形成两个深浅不同的势阱，由于这两个电极靠得很近，以至于它们的耗尽区部分交叠，相邻得很近，以至于它们的耗尽区部分交叠，相邻

111、势阱间不会产生势垒，形成势阱和并，负电荷势阱间不会产生势垒，形成势阱和并，负电荷从具有较低电压的电极下面的浅势阱流到具有从具有较低电压的电极下面的浅势阱流到具有较高电压电极下的深势阱中。较高电压电极下的深势阱中。光电检测技术改课件三相三相CCDn电极结构按所加脉冲电压的相数分为二电极结构按所加脉冲电压的相数分为二相、三相、四相等。相、三相、四相等。n三相三相CCD每一级（一个像元）有三个相每一级（一个像元）有三个相邻电极（邻电极（MOS电容栅极），每隔两个电电容栅极），每隔两个电极的所有电极（极的所有电极（1，4，7；2，5，8；3，6，9；）都接在一起，由三个相位差；）都接在一起，由三个相位

112、差为为1200的时钟脉冲电压驱动，的时钟脉冲电压驱动，光电检测技术改课件电荷的转移（耦合）光电检测技术改课件电荷的转移（耦合）n第一个电极保持第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由，第二个电极上的电压由2V变到变到10V，因这两个电极靠得很紧，因这两个电极靠得很紧(间隔只间隔只有几微米有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。极下势阱所共有。n若此后第一个电极电压由若此后第一个电极电压由10V变为变为2V，第二个，第二个电极电压仍为电极电压仍为10V，则共有的电荷转移

113、到第二，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。右移动了一个位置。nCCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。的间隙长度是足够了。光电检测技术改课件光电检测技术改课件n主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。n输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注

114、入。中，称为电荷注入。n电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电注入：用于移位存储器等。通过输入二极管给输入栅极施电注入：用于移位存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。二极管加电压。二极管PN结中载流子通过输入栅下的沟道注入势阱结中载流子通过输入栅下的沟道注入势阱中。中。光注入：用于摄像机。当光照射光注入：用于摄像机。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。开，少数载流子则被收集在势阱中形成

115、信号电荷。的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2光电检测技术改课件n在栅极上施加按一定规律变化、在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。后从输出二极管送出视频信号。视频信号的形成视频信号的形成光电检测技术改课件CCD的特点n体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。n空间分辨率高，可以获得很高的定位

116、精度和测量精度。n光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。n高速扫描，基本上不保留残象，集成度高n可用于非接触精密尺寸测量系统。n无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。n有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。光电检测技术改课件CCDCCD的特性参数的特性参数n像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万（万（768*576768*576）、）、100100万（万（1024*10241024*1024）、）、200200万（万（1600*12001600*1200）、）、600600万万（2832*21282832*21

117、28）n信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝n感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外光电检测技术改课件的类型n线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。n面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。n目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。光电检测技术改课件线阵线阵CCD：一行，扫描；：一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；面面阵阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积

118、大；面阵面阵CCDCCD芯片芯片光电检测技术改课件CCDCCD在检测方面的应用在检测方面的应用n几何量测量n光电跟踪光电检测技术改课件4.5 前置放大器n在光检测系统中，有时，光电检测器件接收到的信号在光检测系统中，有时，光电检测器件接收到的信号十分微弱，为此，必须对信号进行放大。前置放大器十分微弱，为此，必须对信号进行放大。前置放大器的任务是：放大光电检测器件输出的微弱电信号；匹的任务是：放大光电检测器件输出的微弱电信号；匹配处理电路与检测器件的阻抗。对前置放大器的要求配处理电路与检测器件的阻抗。对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽是：低噪声、高增益、低输出阻抗、

119、足够的信号带宽和负载能力。和负载能力。n1.放大器的噪声模型。放大器的噪声模型。放大器由多个元件组成，每个元件工作时都是一个噪声放大器由多个元件组成，每个元件工作时都是一个噪声源，为此，将放大器的噪声源都折算到输入端，设源，为此，将放大器的噪声源都折算到输入端，设Us为信号源电压，为信号源电压，Et为信号源噪声，为分析问题方便，为信号源噪声，为分析问题方便，放大器等效为一个无噪声放大器与输入端串联电阻为放大器等效为一个无噪声放大器与输入端串联电阻为零时的噪声电压零时的噪声电压En和输入端并联电阻为无限大时的噪和输入端并联电阻为无限大时的噪声电流声电流In表示。表示。光电检测技术改课件 2.等效

120、输入噪声等效输入噪声一个信号源与放大器组成的系统其噪声源为三个一个信号源与放大器组成的系统其噪声源为三个En,In , Et,放大器输入端噪声功率放大器输入端噪声功率Ei可由叠加定理获得：可由叠加定理获得：E2i=(E2n +E2t) Z2i/(Rs+Zi)2+I2nZ2iR2s/(Rs+Zi)2设放大器的电压增益为设放大器的电压增益为Au,则放大器输出端总噪声功率为：则放大器输出端总噪声功率为：E2no= A2u E2i= A2u(E2n +E2t) Z2i/(Rs+Zi)2+I2nZ2iR2s/(Rs+Zi)2信号源电压与放大器输出端电压之比定义为系统的传输信号源电压与放大器输出端电压之比

121、定义为系统的传输函数。函数。At=Uso/Us=(Uso/Uzi)(Uzi/Us) = Au (Zi/ (Rs+Zi)把放大器所有噪声源折算到信号源处得到等效输入噪声把放大器所有噪声源折算到信号源处得到等效输入噪声功率为：功率为：E2ni=E2no/A2t = E2n +E2t +I2nR2s光电检测技术改课件n3.噪声的测量噪声的测量 如忽略探测器的其他噪声，仅考虑电阻的热噪声。如忽略探测器的其他噪声，仅考虑电阻的热噪声。如如Rs等于等于0，则，则Et ，InRs为为0。即放大器输入端短路，放。即放大器输入端短路，放大器的输出端噪声电压为大器的输出端噪声电压为AuEn。若若Rs很大，则很大，

122、则E2ni起主起主要作用的是要作用的是I2nR2s项，取一个很大的电阻作源内阻，放项，取一个很大的电阻作源内阻，放大器的输入端的噪声电压为大器的输入端的噪声电压为(Au InRs)。4.噪声系数噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比之比定义为输入信噪比与输出信噪比之比F=输入信噪比输入信噪比/输出信噪比输出信噪比= (U2s/ E2t )/(U2so/E2no)=(E2no / E2t ) /(U2so/ U2s)=E2ni / E2t =（E2n +E2t +I2nR2s）/ E2t 光探测器的散粒噪声和产生复合噪声与信号源电阻无关，光探测器的散粒噪声和产生复合噪声与信号源电阻无关，因此为分析

123、问题方便因此为分析问题方便E2t 4KTRsf光电检测技术改课件F=1+E2n/(4KTRsf)+I2nRs/ (4KTf)3.级联级联放大器的噪声系数放大器的噪声系数光探光探测测器的后随放大器除前置放大器外，常常由于放大器的后随放大器除前置放大器外，常常由于放大量不量不够够而采用多而采用多级级放大器，所以，除前置放大器有噪放大器，所以，除前置放大器有噪声声贡贡献外，后面放大器也会由噪声献外，后面放大器也会由噪声贡贡献。如放大器有献。如放大器有n级级，则则放大器的噪声系数可表示放大器的噪声系数可表示为为：F=F1+(F2-1)/A2t1+(F3-1)/A2t1.A2t2+(Fn-1)/ A2t

124、1.A2t2A2tn对光光电倍增管及雪崩光倍增管及雪崩光电二极管由于其有二极管由于其有较高的内部增高的内部增益，可益，可视为放大器的第一放大器的第一级，只要，只要M2(F2-1), M2At2(F3-1),该系统的噪声主要第一级即由该系统的噪声主要第一级即由光光电倍增管及雪崩光倍增管及雪崩光电二极管决定。在二极管决定。在这种情况下不种情况下不应对放大器提出放大器提出过高要求。高要求。由于光由于光电二极管的噪声很小，且没有增益作用，因此二极管的噪声很小，且没有增益作用，因此应选用低噪声的前置放大器。用低噪声的前置放大器。4.噪声匹配噪声匹配噪声系数与源噪声系数与源电阻有关。当阻有关。当Rs较小小

125、时放大器的噪声放大器的噪声电压En项大于其他两大于其他两项，随着，随着电阻阻Rs增加，源的增加，源的热噪声增噪声增加，所以噪声系数由于源加，所以噪声系数由于源电阻阻Rs的热噪声增大而减小。的热噪声增大而减小。当当Rs增加到足够大时，放大器的噪声电流项增加到足够大时，放大器的噪声电流项InRs光电检测技术改课件为主要贡献项，以至噪声系数随着源电阻的增加而增加，为主要贡献项，以至噪声系数随着源电阻的增加而增加，因此，存在一个最佳的源电阻因此，存在一个最佳的源电阻R0。由由dF/dRs=0, R0 =En/In称为噪声匹配条件，此时得到的噪声系数最小值为：称为噪声匹配条件，此时得到的噪声系数最小值为

126、：Fmin=1+InEn /(2KTf)注意：最佳源注意：最佳源电电阻是由放大器的噪声机构决定的，它使阻是由放大器的噪声机构决定的，它使放大器的放大器的输输出信噪比最大，与放大器的出信噪比最大，与放大器的输输入阻抗无关，入阻抗无关，不是最大功率的不是最大功率的传输电传输电阻。阻。由于晶体管的噪声由于晶体管的噪声电电流流较较大，具有大，具有较较小的最佳源小的最佳源电电阻阻（100-1M)，常用于信号源，常用于信号源电电阻阻较较小的情况，如光小的情况，如光电电池。而池。而场场效效应应管有管有较较小的噪声小的噪声电电流，具有流，具有较较大的最大的最佳源佳源电电阻（阻（ 1M-10M），常用于信号源）

127、，常用于信号源电电阻阻较较大的大的情况，如光情况，如光电电二极管。但二极管。但场场效效应应管随着管随着频频率的增高最率的增高最佳源佳源电电阻会迅速减小，不同的晶体管其最佳源阻会迅速减小，不同的晶体管其最佳源电电阻也阻也不同。不同。光电检测技术改课件若实际给定的探测器内阻不一定与放大器要求的最佳源若实际给定的探测器内阻不一定与放大器要求的最佳源电阻匹配，看采用如下方法：电阻匹配，看采用如下方法：1)采用输入变压器实现噪声匹配采用输入变压器实现噪声匹配这种情况主要用来解决信号源电阻小于最佳源电阻这种情况主要用来解决信号源电阻小于最佳源电阻R0时时的噪声匹配问题，若变压器初、次级匝数之比为的噪声匹配

128、问题，若变压器初、次级匝数之比为1；n，则初级反射到次级电路的信号电压、源噪声、源电，则初级反射到次级电路的信号电压、源噪声、源电阻分别为阻分别为nUs、nEt、n2Rs，通过选择，通过选择n,实现实现 n2Rs = R0 。2）采用并联晶体管放大器）采用并联晶体管放大器多个晶体管并联相当于它们的噪声发生器并联，并联后多个晶体管并联相当于它们的噪声发生器并联，并联后的等效噪声电压与等效噪声电流关系可表示为：的等效噪声电压与等效噪声电流关系可表示为：E2bn=E2n/n, I2bn=nI2n并联后的等效源电阻可表示为：并联后的等效源电阻可表示为： Rb0= R0 /n光电检测技术改课件n5.低噪

129、声放大器的屏蔽与接地方法低噪声放大器的屏蔽与接地方法由于不同的接地点与大地有一定的阻抗，地回路中的电由于不同的接地点与大地有一定的阻抗，地回路中的电流会形成一定的电位差，因此，采用单点接地方法，流会形成一定的电位差，因此，采用单点接地方法，也称为浮地技术。也称为浮地技术。为更好的消除接地干扰，经常采用双屏蔽技术。为更好的消除接地干扰，经常采用双屏蔽技术。6.检测器件与放大器的连接检测器件与放大器的连接A.电流放大型电流放大型B.电压放大型电压放大型C.阻抗变换型阻抗变换型光电检测技术改课件第五章第五章 光电直接检测系统光电直接检测系统n直接检测:利用光源发射的光强携带信息，光电探测器直接把接受

130、到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。光电检测技术改课件直接检测系统的工作原理1.平方律特性：平方律特性：n直接检测是利用光发射机（或经过调制）发直接检测是利用光发射机（或经过调制）发射的信号经光学信道由光探测器直接接收。射的信号经光学信道由光探测器直接接收。n设入射信号的光电场为设入射信号的光电场为Es=Acost,平均入射平均入射光功率光功率为为P= =(1/2)A2,光探光探测器器输出的出的光光电流可表示流可表示为：若光探若光探测器的器的负载电阻阻为RL,输出的电功率正比输出的电功率正比于入射光功率的平方于入射光功率的平方光电检测技术改课件n上式说明，光探测

131、器输出的电功率正比于入射上式说明，光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方，光电流正比于光电场振幅的平光功率的平方，光电流正比于光电场振幅的平方。方。n若入射光波是调幅波即：若入射光波是调幅波即：Es=A1+d(t)cost,则光探光探测器器输出的光出的光电流流为：Ip=SP=(1/2)SA2+Sd(t)A2式中，第一式中，第一项为直流直流项，若光探，若光探测器由隔直器由隔直电容，容，则输出光出光电流只包含第二流只包含第二项，即包，即包络检测。光电检测技术改课件2.光电检测系统的信噪比n信噪比：与灵敏度相关n误码率： “0”和“1”出现错误的概率光电检测技术改课件n设入射到光探测器的信号光功

132、率为设入射到光探测器的信号光功率为Ps，噪声功，噪声功率为率为Pn，光探测器输出的信号电功率为，光探测器输出的信号电功率为Po，输，输出的噪声功率为出的噪声功率为Pno,则则Po + Pno =(SP)2RL=S2RL(Ps + Pn)2,考虑到信号和考虑到信号和噪声的独立性，有：噪声的独立性，有：Po =S2RLPs2 ， Pno = S2RL（2PsPn+ Pn2）n信噪比：信噪比：若若(Ps/ Pn )1, SNR(1/2) (Ps/ Pn )若若(Ps/ Pn )1, SNR (Ps/ Pn )2由此可由此可见，直接，直接检测系系统不适用于信噪比小于不适用于信噪比小于1或或微弱光信号的

133、微弱光信号的检测。光电检测技术改课件3.直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限n是指在最理想的工作状态下，其他噪声均不考是指在最理想的工作状态下，其他噪声均不考虑，当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直虑，当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声源，可探测的最小功率。接探测系统的主要噪声源，可探测的最小功率。SNR=(SPs)2RL/2qIsfRL =(SPs)2/2qf(SPs) =(Ps)/(2hf)n按照等效噪声功率的定义，信号功率与噪声功按照等效噪声功率的定义，信号功率与噪声功率比为率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐）时，入射到探测器件上的辐射通量射通量

134、(单位为瓦单位为瓦)。n（NEP)= 2hf/光电检测技术改课件4.直接检测系统的视场角n表征系统能“观察”到的空间范围n系统的视场角越大越好但是增大检测器面积使系统的噪声增大；减小焦距使系统的相对孔径加大光电检测技术改课件5.系统的通频带宽度n确定系统频带宽度的几种方法：等效矩形带宽（帕塞瓦定理，能量与频谱的关系）频谱曲线下降dB的带宽n频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大光电检测技术改课件6.光在大气中的传输过程光在大气中的传输过程n光在大气中传播过程中，会被大气中某些气体有选择光在大气中传播过程中，会被大气中某些气体有选择地吸收，大气中的悬浮粒子使光线散射。另外，大气地

135、吸收，大气中的悬浮粒子使光线散射。另外，大气路径本身的辐射与目标光叠加将减弱目标光的对比度。路径本身的辐射与目标光叠加将减弱目标光的对比度。n光在大气中的传输非常复杂，大气散射是由大气分子光在大气中的传输非常复杂，大气散射是由大气分子和大气中的悬浮粒子引起，当粒子半径和大气中的悬浮粒子引起，当粒子半径r时时，此种，此种散射称散射称为为Reilly散射。散射。 Reilly散射粒子主要散射粒子主要为为气体分子，气体分子，也称也称为为分子散射，分子散射与波分子散射，分子散射与波长长成反比，成反比，对对可可见见光，光，散射非常散射非常严严重。当重。当r与与差不多大差不多大时时，散射称米氏散射，散射称

136、米氏散射，大气中的云、大气中的云、雾雾等水滴的大小与等水滴的大小与0.76-14的的红红外外辐辐射射波波长长差不多，因此散射比差不多，因此散射比较严较严重。重。n大气的吸收大气的吸收对红对红外光波尤外光波尤为严为严重，大气含多种气体成重，大气含多种气体成分，根据分子物理学原理，吸收是入射分，根据分子物理学原理，吸收是入射辐辐射和分子系射和分子系统统之之间间作用的作用的结结果，果，对红对红外吸收最外吸收最强强烈的是烈的是H2O,CO2,O3,大气窗口大气窗口为2.1-2.5 ,3-5 ,8-14 .光电检测技术改课件n大气透射率大气透射率：设有波长设有波长，功率为，功率为P0的单色辐射，在的单色

137、辐射，在大气中传播距离为时大气中传播距离为时x，其辐射功率变为，其辐射功率变为:P()= P0 EXP-()+()x式中，式中， ()大气大气对对波波长长辐辐射的吸收系数射的吸收系数m-1; ()大气大气对对波波长长辐辐射的散射系数射的散射系数m-1。在在实际工程中，可根据工程中，可根据实际的大气的大气环境，利用境，利用查表和表和软件方法件方法计算大气的透算大气的透过率。率。直接直接检测系系统设计应注意的几个注意的几个问题：光光谱匹配匹配视场角匹配角匹配分辨率匹配分辨率匹配光电检测技术改课件光电直接检测举例：激光测距仪n激光测距仪的类型激光测距仪的类型脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪相位激光测距仪

138、相位激光测距仪n激光测距仪的特点激光测距仪的特点测程远、测量精度高测程远、测量精度高结构小巧、携带方便结构小巧、携带方便快速、非接触式距离测量快速、非接触式距离测量激光对点准确激光对点准确受气象条件影响受气象条件影响n激光测距仪广泛应用于工业、激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术国防军事、科学技术。光电检测技术改课件脉冲激光测距仪发射系统接收系统门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调（调Q/锁模）锁模）电源发射望远系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路物镜小孔光阑干涉滤光片光电检测技术改课件n测距原理：测距原理： 由激光器对被测目标由激光器对被测目标

139、发射一个光脉冲，然发射一个光脉冲，然后接受目标反射回来后接受目标反射回来的光脉冲，通过测量的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的时间来计算出目标的距离。距离。 由激光发射系统、接由激光发射系统、接受系统，门控电路、受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计时钟脉冲振荡器和计数器等组成。数器等组成。脉冲激光测距仪的原理框图脉冲激光测距仪的原理框图光电检测技术改课件n激光器发射激光脉冲被分为两部分：激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回波信号。参考信号和回波信号。n参考脉冲经光电探测器变换成电信参考脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后，将电子门号，再经放

140、大和整形后，将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时；当回波脉冲到入计数器开始计时；当回波脉冲到来时，关闭电子们。来时，关闭电子们。n在参考和回波脉冲之间计数器所接在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距收到的时钟脉冲个数代表来被测距离。离。n时钟频率越高，测量的分辨率越高。时钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激光脉冲的上但分辨率最终取决于激光脉冲的上升时间。升时间。脉冲测距波形脉冲测距波形光电检测技术改课件环境检测系统：气体分析环境检测系统：气体分析仪n大气大气co2检测仪检测仪n组成原理：红外吸收光源、调制盘、标

141、准气组成原理：红外吸收光源、调制盘、标准气室、测量气室、干涉虑光片、光探测器、信室、测量气室、干涉虑光片、光探测器、信号处理电路等组成。号处理电路等组成。光电检测技术改课件n中心波长为中心波长为2的的红红外光源，外光源，经经准直后，准直后，进进入入标标准气室准气室和和测测量气室，量气室， co2气体的吸收气体的吸收带分分别为2.7 、4.5 、14.5 。经经一定距离后，根据朗伯一定距离后，根据朗伯-比比尔尔定律，定律，强强度可度可表示表示为为I=I0e-l,为充分吸收，充分吸收，测量气室两量气室两边分分别安置球安置球面反射面反射镜，使光束在气室中多次反射吸收。交叠出射，使光束在气室中多次反射

142、吸收。交叠出射光束光束经干涉干涉虑光片光片(2.7 )经经光光锥锥及浸没透及浸没透镜进镜进入光探入光探测测器。器。n光探光探测测器器为为PbS红红外光敏外光敏电电阻，在波阻，在波长为长为2.7 有有较较高高的响的响应应，后，后续电续电路由路由选频选频放大器放大器组组成。成。n选频选频放大器是利用放大器是利用电电路的路的谐振特性，其中心谐振频率谐振特性，其中心谐振频率等于电机转速与调制盘齿数的乘积。对固定的谐振频等于电机转速与调制盘齿数的乘积。对固定的谐振频率率fo来说，来说，Q越大，则通频带越窄，越大，则通频带越窄，选频放大器的放大器的输出出信号越信号越强。若测量室中含有若测量室中含有co2气

143、体，气体，则输出的交流信出的交流信号被号被选频放大器放大，最后通放大器放大，最后通过标定曲定曲线获得被得被测气气体的体的浓度。度。光电检测技术改课件nfS 为信号光波，为信号光波，fL为本为本机振荡光波，这两束相机振荡光波，这两束相干光入射到探测器表面干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光进行混频，形成相干光场。场。n经探测器变换后，输出经探测器变换后，输出信号中包含信号中包含 的的差频信号，故又称差频信号，故又称相干相干探测。探测。 光外差检测光外差检测光电检测技术改课件n设入射到探测器上的信号光场为： n本机振荡光场为： n入射到探测器上的总光场为： 基本原理光电检测技术改课件n nn:

144、量子效率；量子效率； :光子能量；光子能量； : 差频。差频。n式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于12。第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。当差频当差频 低于光探测器的截止频率时，光低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为探测器就有频率为 的光电流输出。的光电流输出。 光电检测技术改课件光外差检测的特性 n1.可获得全部信息：可获得全部信息：不仅可探测振幅和强不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调

145、制及度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息位等全部信息。2.转换效率高：转换增益可高达转换效率高：转换增益可高达，对微弱信号的探测有利，对微弱信号的探测有利。n输出功率输出功率P=2S2(Ps)PLRL光电检测技术改课件n3.良好的滤波性能良好的滤波性能取差频信号为信息处理器的通频带，可以过取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光；而直接探测中，所有滤频带外的杂散光；而直接探测中，所有的杂散光都被接收的杂散光都被接收.设目标以速度设目标以

146、速度 V移移向探测器，则探测器接收到的光波频率为：向探测器，则探测器接收到的光波频率为：fs=(c+2V)/L=fL(1+2V/c),得到的得到的频差差为：f1= fs -fL=2V/L,在直接在直接检测中，若在探中，若在探测器器前加窄前加窄带虑光片光片=1nm,它它对应的的频带宽度度为： f2=( c/2) 。若目若目标运运动速度速度为0-15米米/秒，光波秒，光波长为10.6m,则：f2 /f1=1500光电检测技术改课件n4.信噪比损失小信噪比损失小若入射到探测器的信号光波中还存在背景光波若入射到探测器的信号光波中还存在背景光波即中频电流即中频电流ic(t)=Sn输出功率输出功率P=2S

147、2(Ps+PB)PLRLn信噪比信噪比SNR=Ps/PBn电流信噪比为信号光波与背景光波的幅值之电流信噪比为信号光波与背景光波的幅值之比。比。光电检测技术改课件5.检测灵敏度高检测灵敏度高n根据输出的中频电流关系式：根据输出的中频电流关系式：ic(t)=S外差探测器输出的有效信号功率可表示为外差探测器输出的有效信号功率可表示为：Pc=2S2PsPLRL外差检测的噪声与直接检测相同，主要为散粒外差检测的噪声与直接检测相同，主要为散粒噪声和热噪声，即噪声和热噪声，即(I2n+I2T), 噪声功率噪声功率Pn= (I2n+I2T)RLI2n=2qIDCf, IDC为器件流器件流过的平均的平均电流，包

148、括流，包括信号光信号光电流，背景光流，背景光电流，本振光流，本振光电流和暗流和暗电流。流。Pn =2qfS(Ps+PB+PL+Id RL+ 4kTf光电检测技术改课件在外差检测中，本振光功率足够大，其产生的散在外差检测中，本振光功率足够大，其产生的散粒噪声远超过其它噪声，则系统的信噪比为：粒噪声远超过其它噪声，则系统的信噪比为：SNR=(2S2PsPLRL)/2qSfPL RL=SPs/qf=Ps/hf外差外差检测检测的等效噪声功率的等效噪声功率例如：量子效率为，例如：量子效率为，ff为为HzHz，则外差检测的，则外差检测的灵敏度极限为个光子灵敏度极限为个光子光电检测技术改课件光外差检测的空间

149、和频率条件在前面的公式推导过程中，我们假定信号光束和本振光束平行并垂直入射到光电探测器表面，即信号光束和本振光的波前在光探测器光敏面上保持相同的相位关系，由于光的波长比光探测器光敏面小得多，实质上混频作用是在一个个小面积元上产生的，即总的中频电流等于光敏面上每一个微分面积元产生的微分中频电流之和，显然，只有当这些微分中频电流保持恒分中频电流保持恒定的相位关系时，总的中频电流才会达到最大定的相位关系时，总的中频电流才会达到最大值，者就要求信号光和本振光的波前必须重合。值，者就要求信号光和本振光的波前必须重合。光电检测技术改课件n设信号光和本振光都是平面波，其夹角为设信号光和本振光都是平面波，其夹

150、角为，则本振光束到达光敏面上时，在不同点则本振光束到达光敏面上时，在不同点x x处其处其位相不同，位相差可表示为：位相不同，位相差可表示为：=k=kL Lxsinxsin= (2= (2/ /L L)xsin)xsin整个光敏面上总响应电流为：整个光敏面上总响应电流为：光电检测技术改课件n当当(kLl/2)= /2)= 时，时，i ic c(t)=0,(t)=0,此时称两光束最大此时称两光束最大允许的偏差角为：允许的偏差角为：max=max=L L/l,/l,式中，式中，l l是光探测器的混频直径是光探测器的混频直径. .由由图图6-36-3可知，两列光波到达混频面的光程差近可知，两列光波到达

151、混频面的光程差近似为似为l l,当当=max=max时，光程差为时，光程差为L L，因此位，因此位相差为相差为，所以，中频电流为零。，所以，中频电流为零。降低空间相干性的方法降低空间相干性的方法要使信号光波和本振光波在光混频面上有效相干，要使信号光波和本振光波在光混频面上有效相干，必须使两光束的空间夹角满足一定的关系，为必须使两光束的空间夹角满足一定的关系，为了提高相干性，采用透镜聚焦方法。了提高相干性，采用透镜聚焦方法。若信号光波和本振光波经聚焦透镜形成的爱里斑若信号光波和本振光波经聚焦透镜形成的爱里斑重合，且满足夹角关系，则两光束在空间相干。重合，且满足夹角关系，则两光束在空间相干。设透镜

152、的焦距为设透镜的焦距为f,f,直径为直径为D,D,则信号光波则信号光波光电检测技术改课件n爱里斑直径为：爱里斑直径为：d=2.44d=2.44s sf/Df/Dn本振光波应聚焦在爱里斑直径范围内，本振光波应聚焦在爱里斑直径范围内，其最大允许夹角为：其最大允许夹角为： max=max=L L/l/l=D=DL L/2.44/2.44s sf f光电检测技术改课件光外差检测系统举例（差动多普勒测速技术）光外差检测系统举例（差动多普勒测速技术）n多普勒效应与多普勒频移：任何形式的波传播，多普勒效应与多普勒频移：任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质、中间反射器或由于波源、接收器、传播介质、中间

153、反射器或散射体的运动，会使接收频率发生变化，这种散射体的运动，会使接收频率发生变化，这种频率变化称为多普勒频移。频率变化称为多普勒频移。n1.波源静止波源静止接收器以速度接收器以速度V向波源运动向波源运动f=f0(u+V)/u接收器以速度接收器以速度V离开波源离开波源f=f0(u-V)/u2.接收器静止接收器静止波源以速度波源以速度V向接收器运动向接收器运动f=f0u/(u-V)光电检测技术改课件波源以速度波源以速度V离开接收器离开接收器f=f0u/(u+V)3.波源和接收器同时运动波源和接收器同时运动当波源和接收器同速相向运动时，接收器接收的当波源和接收器同速相向运动时，接收器接收的频率为：

154、频率为：f=f0（u+V)/(u-V)当波源和接收器同速彼此离开时，接收器接收的当波源和接收器同速彼此离开时，接收器接收的频率为：频率为：f=f0（u-V)/(u+V)4.散射物的多普勒频移散射物的多普勒频移若光源和接收器静止不动，从光源中发出光波频若光源和接收器静止不动，从光源中发出光波频率为率为f0,散射物体在光场中以速度散射物体在光场中以速度V垂直光波运垂直光波运动，光波被散射物散射，发出新的光波，被探动，光波被散射物散射，发出新的光波，被探测器接收。测器接收。光电检测技术改课件差动多普勒测速技术干涉解释差动多普勒测速技术干涉解释激光束经分光镜分成两束，激光束经分光镜分成两束，经透镜会聚

155、焦点，在两束经透镜会聚焦点，在两束相干光的重叠区产生固定相干光的重叠区产生固定条纹，由图可知，干涉条条纹，由图可知，干涉条纹间距为：纹间距为：干涉条纹的方向平行于平行干涉条纹的方向平行于平行与两入射光的角平分线与两入射光的角平分线光电检测技术改课件n如粒子以速度如粒子以速度V沿沿y轴穿过条纹，被明暗交替的轴穿过条纹，被明暗交替的条纹照亮，周期为条纹照亮，周期为T=i/V.粒子向外散射光，被粒子向外散射光，被探测器接收，最后接收到的散射光震荡频率为：探测器接收，最后接收到的散射光震荡频率为：f=1/D=2Vsin(/2)/速度信号的速度信号的获获取方法取方法光电检测技术改课件系统对探测器性能的要

156、求n光外差检测对探测器的要求比直接检测高响应频带宽均匀性好工作温度高 光电检测技术改课件n光电检测系统的类型n直接检测n光外差检测(相干检测)n典型的光电检测系统第五章第五章 光电检测系统光电检测系统光电检测技术改课件光电检测系统分类n主动系统/被动系统(按信息光源分)n红外系统/可见光系统(按光源波长分)n点探测/面探测系统？(按接受系统分)n模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)n直接检测？/光外差检测系统？(按光波对信号的携带方式分)光电检测技术改课件直接检测的基本原理n直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。光电检测技术

157、改课件直接检测的基本特性n光探测器的平方律特性光电流正比于光电场振幅的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方n信噪比：表征检测系统的灵敏度n视场角:表征系统能“观察”到的空间范围n通频带宽度:频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大n检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标返回返回光电检测技术改课件光外差检测的基本原理n利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。n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。n输出信号中包含 的差频信号,因此称光外差检测n输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。光电检测技术改课件光外差检测的

158、特性n光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等；n转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）n良好的滤波性能n信噪比损失小n检测灵敏度高n检测距离远n对探测器的要求比直接检测高光电检测技术改课件光外差检测的空间和频率条件n空间条件空间条件：:两束光的夹角，l：检测器光敏面线度波长越短或口经越大，要求相位差角越小，越难满足要求n频率条件频率条件：要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。如何获得单频光和稳频光？信号光与本振光并非平行而成一夹角光电检测技术改课件5.3 5.3 典型的光电检测系统典型的光电检测系统

159、n你所知道的光电检测系统? n你能讲一讲光电检测系统?n你能评一评光电检测系统?光电检测技术改课件典型的光电检测系统典型的光电检测系统n直接检测系统（光强调制）莫尔条纹测长仪激光测距仪激光准直环境污染检测系统n光外差检测系统激光干涉测长仪（相位调制）多普勒测速（频率调制）光外差通信光电检测技术改课件5.3.1莫尔条纹测长仪n莫尔条纹的原理将两块光栅(节距分别为P1和P2)叠加在一起,并且两者的栅线成很小的角度,透过光栅能看到如图所示的明暗相间的莫尔条纹.这就是莫尔条纹的光强调制作用n长光栅莫尔条纹的形式横向条纹:P1=P2, 很小;纵向条纹: P1P2, =0;斜条纹: P1P2, 很小.n莫

160、尔条纹演示纵向条纹横向条纹光电检测技术改课件莫尔条纹的特性n光栅的节距比光的波长大很多.n莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅的节距P(mm)和夹角(rad)之间的关系为：n当两光栅沿垂直于栅线的方向相对移动时，莫尔条纹将沿平行于栅线的方向移动光栅每移动一个节距，莫尔条纹移动一个宽度n因为很小，放大倍数很大例如: =20,K=172斜向条纹光电检测技术改课件莫尔条纹测长仪n两块光栅：一块为指示光栅与工作台固定一块为长光栅工作台前后移动的距离由两块光栅形成的莫尔条纹进行计数得到指示光栅相对移动一个节距，莫尔条纹变化一周指示光栅移动的距离为： ：指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，：小于个光栅节距的小数

161、简单光栅读数头：灯，：聚光镜，：指示光栅，：长光栅，：光电探测器光电检测技术改课件莫尔条纹测长仪n光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号；n通过对莫尔条纹的直接测量，可以测的光栅的位移量；n在较宽的莫尔条纹间隔内安放细分装置进行细分，可读取位移的分数，提高测量的灵敏度和精度光栅输出信号波形光电检测技术改课件莫尔条纹测长仪的应用n工业自动化中的核心测控部件n小型智能化的长度测试仪器，用于对长度、直径、厚度、表面形状、粗糙度等多种参数的测量。n新一代的计量测试工具 n某些几何量计量检测仪器的核心转换系统 n某些物理量的计量检测仪器的核心转换系统n纳米级测量的重要仪器 n非接触在线测量控制仪

162、器光电检测技术改课件5.3.2激光测距仪n激光测距仪的类型脉冲激光测距仪相位激光测距仪n激光测距仪的特点测程远、测量精度高结构小巧、携带方便快速、非接触式距离测量激光对点准确受气象条件影响较大n激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术。光电检测技术改课件一、脉冲激光测距仪n测距原理： 由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受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计算出目标的距离。n测距仪原理： 由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。脉冲激光测距仪的原理框图光电检测技术改课件脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形

163、电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调（调Q/锁模）锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片光电检测技术改课件n激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回波信号。n回波脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后，将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时；当回波脉冲（负与门）到来时，关闭电子们。n在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距离。n时钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激光脉冲的上升时间。脉冲测距波形光电检测技术改课件二、相位激光测距仪n相位测距原理： 相位激光测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度

164、调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。光电检测技术改课件 若调制光角频率为，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为，则对应时间t 可表示为： t=/距离L可表示为 式中： 信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 调制信号的角频率，=2f。 光电检测技术改课件N：测线所包含调制波长个数。N：测线所包含不足波长的小数部分。 ：称为测尺长，又称“光尺”。相位延迟：被测距离：距离的测量变成了测线所包含波长个数和不足一个波长的小数部分的测量。光电检测技术改课件n测量信号相位的方法都不能确定出相位的整周期数N，只能测定不足2的尾数N。由于N值不确定，距离

165、L就成为多值解。n测程长，精度低；反之，精度高，则测程短n n解决方法：解决方法：解决方法：解决方法：用两个频率的波（两个不同的光尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。光电检测技术改课件差频相位检测原理 调制频率越高,测量精度越高.但是,一般相位计工作在低频区. 差频后两信号都工作在低频区,但相位差仍保持高频信号的相位差s.差频后差频后:光电检测技术改课件相位激光测距仪的原理n精主振f1(高频)和粗主振f2 (低频) ，由开关控制依次对发光管供电进行两次测相n检相器只能工作于较低频率，故设立精本振频率f1

166、-fc，粗本振频率f2-fcn基准混频器对本振电压和主振电压进行混频外差，进行外差，输出低频fc的基准电压n信号混频器对本振电压和输出信号进行混频外差，输出低频fc的信号电压n信号与基准电压的有相同的频率,但相位差仍保持高频信号的相位差.由相检计检出相位差.两次测相的结果输入计算电路计算得到测量结果。相位激光测距仪的原理图光电检测技术改课件5.3.3激光多普勒测速n频率调制：运动物体的反射或散射光发生多普勒频移而改变光的频率。n光外差检测：可见光的频率很高（Hz)，一般光电器件不能响应，也就无法直接检测多普勒频移因此，需要光外差的方法：同一光源的两束相干光以一定的条件投射到光电探测器表面进行混

167、频，就能在输出的电信号中得到两束光的差频光电检测技术改课件激光多普勒测速的原理激光束经分光镜分成两束，一束经透镜会聚测点，被该处正以速度V运动的微粒向四面八方散射，散射光发生了频移，频率为（）。另一束经滤光片衰减后也由透镜会聚于测点，有一部分穿越测点作为参考光束，频率为。进入光阑由透镜会聚到光电倍增管的光电阴极上的有两束频率相近的光，发生干涉。参考光模式光电检测技术改课件设：两光束的夹角为，光波波长为，则干涉条纹的间距为：干涉条纹的空间频率为：若粒子运动的速度为，运动的方向与条纹垂线的夹角为，则粒子散射光的频率为：只要只要测出散射光的出散射光的频率，就可以得到粒子率，就可以得到粒子的速度。的速度。光电检测技术改课件激光多普勒测速的特点n动态响应快n空间分辨率高n流速测量范围宽n测量精度高光电检测技术改课件激光多普勒测速的应用n管道内水流流层研究；n流速分布亚音速或超音速气流旋流的测量n大气远距离测量；n风速测量n可燃气体火焰的流体力学研究；n水洞、风洞和海流测量光电检测技术改课件