光电检测技能_

　　光电检测技能 教材 《光电检测技能与运用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社 参阅书目 《光电检测技能》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 《光电检测技能》雷玉堂等编著 我国计量出版社 目录 榜首章 序言 第二章 2.1 2.2 2.3 2.4 光电检测技能根底 光的根本性质 辐射与光度学量 半导体根底知识 光电效应 第三章 光电检测器材 3.1 光电器材的类型与特色 3.2 光电器材的根本特性参数 3.3 半导体光电器材 ? 光电导器材: 光敏电阻 ? 光伏器材: 光电池/光电二极管/三极管 3.4 真空光电器材 ? 光电管 ? 光电倍增管 3.5 热电检测器材 ? 热敏电阻 ? 热电偶和热电堆 ? 热释电勘探器材 第四章 发光、耦合和成像器材 4.1 发光二极管 4.2 激光器 4.3 光电耦合器材 4.4 CCD 第五章 光电检测体系 5.1 直接光电检测体系 5.2 光外差光电检测体系 5.3 典型的光电检测体系 第六章 光纤传感检测 第七章 光电信号的数据搜集与微机接口 第八章 光电检测技能的典型运用 榜首章 绪 论 光电检测是信息时代的要害技能 ? 信息技能: – 微电子信息技能（电集成）、光子信息技能 （光集成）、光电信息技能（光电集成）。 – 感测技能、通讯技能、人工智能与核算机技 术、操控技能。 – 信息的产生和获取、转化、传输、操控、存 储、处理、显现。 光电信息技能 以光电子学为根底,以光电子器材为主体,研讨和开展光电 信息的构成、传输、接纳、改换、处理和运用。它涉及到： 1、光电源器材（包括激光器）和可控光功用器材及集成 2、光通讯和归纳信息网络 3、光频微电子 4、光电办法用于瞬态光学观测 5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光勘探，定向和制导 7、光电精细测验，在线、混合光电信息处理、辨认和图象剖析 光电信息技能 9、光电人工智能和机器视觉 10、光（电）逻辑运算和光（电）核算机及光电数据存储 11、生物光子学 本课程着重在第5、6、7三个方面的一些根本知识， 即：光电检测的元器材、体系、办法和运用。 光电检测技能 ? 检测与丈量 ? 光电传感器： – 依据光电效应，将光信号转化为电信号的一种光电器材 – 将非电量转化为与之有确认对应联系的电量输出。 ? 光电检测技能：是运用光电传感器完结各类检测。 它将被丈量的量转化成光通量,再转化成电量，并归纳 运用信息传送和处理技能，完结在线和自动丈量 ? 光电检测体系 – 光学改换 – 光电改换 – 电路处理 检测的根本概念 界说：确认被测方针的特色和量值为意图的悉数操作 被测方针： 被测信息： 世界万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） …… 悉数操作： 检测用具 检测进程 传感器、检测仪器、检测设备、检测体系 信号搜集、信号处理、信号显现、信号输出 例：空调机丈量操控室温 被测方针： 室内空气 被测信息： 温度 检测用具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 操作进程：空气 ? 热敏电阻 ? 电信号 ? 处理 ? 显现 空调机 回来 ? 直接丈量：对外表读数不经任何运算，直接得出被丈量的 数值。例如： – 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平 ? 间接丈量：丈量几个与被丈量相关的物理量，经过 函数联系式核算出被丈量。例如： – 电功率：P = I * V（电流/电压） – 重力加速度：单摆丈量（L：摆的线长，T：摇摆的周期） g ? 4? T 2L 2 回来 光电勘探器的品种 类型 PN结 非PN结 电子管类 其他类 实例 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) 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管 色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 方位检测用元件（PSD） 光电池 回来 光电检测体系 ? 光电检测技能以激光、红外、光纤等现代光电器材 为根底，经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， 即经过光电检测器材接纳光辐射并转化为电信号。 ? 由输入电路、扩展滤波等检测电路提取有用的信息， 再经过A/D改换接口输入微型核算机运算、处理， 终究显现或打印输出所需检测物体的几许量或物理 量。 光电检测体系 光 光 被 光 光变 电 源 学 系 统 测 对 象 学 变 换 电换 传电 感路 信 号 处 理 存储 显现 操控 光学改换 电路处理 光电检测体系 ? 光学改换 – 时域改换：调制振幅、频率、相位、脉宽 – 空域改换：光学扫描 – 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 – 构成能被光电勘探器接纳，便于后续电学处理的光学信息。 ? 光电改换 – 光电/热电器材（传感器）、改换电路、前置扩展 – 将信息变为能够驱动电路处理体系的电信息（电信号的扩展 和处理）。 ? 电路处理 – 扩展、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、操控。 光电检测体系与人操作功用比较 ? 被测物体 感觉器官 人脑 手控 ? 被测物体 光电传感 微机 履行机构 ? 光电传感部分相当于人身的感觉器官 光电检测体系的功用分类 ? 丈量查看型: – 几许量:长度、视点、形状、方位、形变、面积、体 积、间隔。 – 运动量：速度、加速度、振动 – 外表形状：光洁度、庇病、伤痕 – 作业进程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度 等 – 机械量：分量、压力、应变、压强 – 电学量：电流、电压、电场、磁场 – 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、 光谱 ? 操控盯梢型 – 盯梢操控：激光制导，红外制导 – 数值操控：自动定位，图形加工构成，数值 操控 ? 图象剖析型 – 图形检测 – 图形剖析 光电检测技能的特色 ? 高精度：从地球到月球激光测距的精度到达 1米。 ? 高速度：光速是最快的。 ? 远间隔、大量程：遥控、遥测和遥感。 ? 非触摸式检测：不改动被测物体性质的条件 下进行丈量。 ? 寿数长：光电检测中一般无机械运动部分， 故丈量设备寿数长，作业牢靠、准确度高， 对被测物无形状和巨细要求。 ? 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控 制才干。 光电检测办法 ? 直接效果法 ? 差动丈量法 ? 补偿丈量法 ? 脉冲丈量法 光电检测技能开展趋势 ? 纳米、亚纳米高精度的光电丈量新技能。 ? 小型、快速的微型光、机、电检测体系。 ? 非触摸、快速在线丈量。 ? 微空间三维丈量技能和大空间三维丈量技能。 ? 闭环操控的光电检测体系，完结光电丈量与光 电操控一体化。 ? 向人们无法触及的范畴开展。 ? 光电盯梢与光电扫描丈量技能。 光电检测技能的运用 一、在工业出产范畴的运用 在线检测：零件尺度、产品缺陷、设备定位…. 现代工程配备中，检测环节的本钱约占50~70% 检测技能在轿车中的运用一日千里 轿车传感器：轿车电子操控体系的信息源，要害部件，中心技能内容 一般轿车：约设备几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 发动机：向发动机的电子操控单元（ECU）供给发动机的作业状况信息， 对发动机作业状况进行准确操控 温度、压力、方位、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 底 盘：操控变速器体系、悬架体系、动力转向体系、制动防抱死体系等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：进步轿车的安全性、牢靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 二、检测技能在日常日子中的运用 家用电器： 数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音转化---驻极电容传感器 遥控接纳：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图画获取---面阵CCD 作业商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生：数字体温计：触摸式---热敏电阻，非触摸式---红外传感器 电子血压计：血压检测 --- 压力传感器 血糖测验仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器 三、检测技能在军事上的运用 美军研制的未来单兵作战兵器 夜视瞄准机体系：非冷却红外传感器技能 激光测距仪：可准确的定位方针。 四、检测技能在国防范畴的运用 美国国家导弹防护方案---NMD 1.地基 2.前期预警体系 3.前沿布置(如雷达） 4.办理与操控体系 5. 卫星红外线监测体系 监测体系: 勘探和发现 敌人导弹的发射并追寻 导弹的飞行轨道； ：能辨认真假 弹头，敌友方 五、检测技能在航天范畴的运用 “阿波罗10”： 火箭部分---2077个传感器 飞船部分---1218个传感器 神州飞船： 185台（套）仪器设备 检测参数---加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学 学习本课程的意图 ? 了解光电检测体系的根本组成，光电检测技能的特 点和开展趋势。 ? 把握光电检测器材（传感器、光源和成像器材）的 作业原理及根本特性，了解它们的运用规划。 ? 能够依据特性参数，挑选适宜的光电检测器材。熟 悉常用器材的功用方针。 ? 把握直接检测与外差检测的原理和差异。 ? 了解光纤传感检测技能的原理和运用，把握光纤的 光波调制技能。 ? 把握了解常用光电检测技能的丈量、数据搜集、处 理和转化的办法，了解所需的元器材、仪器和相关 的接口技能。 本课程的学习内容 ? 光电检测器材的物理根底 ? 光电检测器材的作业原理和特性及 其运用 ? 光电直接和外差检测体系 ? 光纤传感检测技能 ? 光电信号的数据搜集与微机接口 第二章 光电检测技能根底 ? 光的根本性质 ? 辐射与光度学量 ? 半导体根底知识 ? 光电效应 光的根本性质 ? 牛顿——微粒说 – 依据光直线传达现象，对反射和折射做了解说 – 不能解说较为杂乱的光现象：干与、衍射和偏振 ? 动摇理论 – 惠更斯、杨氏和费涅耳等 – 解说光的干与和衍射现象 – 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 光的根本性质 ? 光量子说 – 1900年普朗克在研讨黑体辐射时，提出辐 射的量子论 – 1905年，爱因斯坦在解说光电发射现象时 提出光量子的概念 – 光子的能量与光的频率成正比 – 光具有波粒二象性 辐射度的根本物理量 ? 辐射能Qe ：一种以电磁波的办法发射、传达 或承受的能量。单位：焦耳[J] ? 辐射通量Φe：单位时刻内经过必定面积发射、 传达或承受的能量，又称辐射功率Pe，是辐 射能的时刻改动率。单位：瓦［Ｗ］ ? 辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上经过单 位立体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］ 辐射度的根本物理量 ? 辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。 单位：［W/m2］ ? 辐射出射度Ｍe ：扩展辐射源单位面积所辐射 的通量（也称辐射身手）。单位：［W/m2］ ? 辐射亮度Ｌe ：辐射外表定向发射的辐射强度。 单位：［W/m2．Sr］ ? 光谱辐射通量Φe（λ）：辐射通量的光谱密度， 即单位波长间隔内的辐射通量。 根本辐射衡量的称号、符号和界说方程 称号 辐射能 辐射能密度 辐射通量， 辐射功率 辐射强度 辐射亮度 辐射出射度 辐射照度 符号 Q, 界说方程 单位 焦耳 符号 J w w ? dQ / dv 焦耳／立方米 Jm-3 ? ? ? dQ / dt P 瓦特 W Ｉ I ? d? / d? 瓦特／球面度 Wsr-1 Ｌ L ? d 2? / d?dAcos? 瓦特／球面度 Wm-2 ＝dI / dAcos? 平方米 sr-1 Ｍ 瓦特／平方米 Wm-2 M ? d? / dA Ｅ E ? d? / dA 瓦特／平方米 Wm-2 光衡量的最根本单位 ? 发光强度Iv：宣布波长为555nm的单色辐射， 在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位： 坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制 中七个根本单位之一。 ? 光通量Φv：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内 宣布的光通量。单位：流明［lm］。 ? 光照度Ev：单位面积所承受的入射光的量 ，单 位：勒克斯［lx］，相当于 1平方米面积上接 遭到1个流明的光通量。 光度的根本物理量 ? 光衡量和辐射衡量的界说、界说方程是 一一对应的。辐射衡量下标为e，例如Qe， Φe，Ie，Me，Ee，光衡量下标为v，Qv， Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。 ? 光衡量只在可见光区（３８０ － ７ ８０nm)才有含义。 ? 辐射衡量和光衡量都是波长的函数。 晴天阳光直射地上照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗邻近照度约为2000lx 晴天室内中心照度约为200lx 晴天室内旮旯照度约为20lx 阴天室外50—500lx 阴天室内5—50lx 月光（满月）2500lx 日光灯5000lx 电视机荧光屏100lx 阅览书刊时所需的照度50~60lx 在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜0.001lx 半导体根底知识 ? 导体、半导体和绝缘体 ? 半导体的特性 ? 半导体的能带结构 ? 本征半导体与杂质半导体 ? 平衡和非平衡载流子 ? 载流子的输运进程 ? 半导体的光吸收 ? PN结 导体、半导体和绝缘体 ? 天然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 ? 固体按导电才干可分为：导体、绝缘体和介于两 者之间的半导体。 ? 电阻率10-6 ~10-3欧姆?厘米规划内——导体 ? 电阻率1012欧姆?厘米以上——绝缘体 ? 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体 半导体的特性 ? 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变 化十分活络。依据这一特性，热电勘探器材。 ? 导电性受极微量杂质的影响而产生十分明显的变 化。（纯洁Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆?厘米)。掺入 硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆?厘米)) ? 半导体导电才干及性质受光、电、磁等效果的影 响。 本征和杂质半导体 ? 本征半导体便是没有杂质和缺陷的半导体。 ? 在肯定零度时，价带中的悉数量子态都被电子占有， 而导带中的量子态悉数空着。 ? 在纯洁的半导体中掺入必定的杂质，能够明显地操控 半导体的导电性质。 ? 掺入的杂质能够分为施主杂质和受主杂质。 ? 施主杂质电离后成为不行移动的带正电的施主离子， 一同导游带供给电子，使半导体成为电子导电的n型半 导体。 ? 受主杂质电离后成为不行移动的带负电的受主离子， 一同向价带供给空穴，使半导体成为空穴导电的p型半 导体。 平衡和非平衡载流子 ? 处于热平衡状况的半导体，在必定温度下，载流 子浓度必定。这种处于热平衡状况下的载流子浓 度，称为平衡载流子浓度。 ? 半导体的热平衡状况是相对的，有条件的。假如 对半导体施加外界效果，破坏了热平衡的条件， 这就迫使它处于与热平衡状况相违背的状况，称 为非平衡状况。 ? 处于非平衡状况的半导体，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 状况多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。 非平衡载流子的产生 ? 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 ? 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把 价带电子激起到导带上去，产生电子－空穴对，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。 ? 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 ? 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增 加。 ? 其它办法：电注入、高能粒子辐照等。 载流子的输运进程 ? 分散 ? 漂移 ? 复合 半导体对光的吸收 ? 物体受光照耀，一部分光被物体反射，一 部分光被物体吸收，其他的光透过物体。 ? 吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自在载 流子吸收、激子吸收、晶体吸收 ? 本征吸收——因为光子效果使电子由价带 跃迁到导带 ? 只需在入射光子能量大于资料的禁带宽度 时，才干产生本征激起 h? ? Eg ? ? Eg / h v ? c/? ? ? hc / Eg ? 1.24 (?m) Eg ?0 ? hc / Eg ? 1.24 Eg 本征吸收的长波限 杂质吸收和自在载流子吸收 ? 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的 电离能 ?Ed (?Ea ) ? 因为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 ? ? 1.24 ?Ed (?Ea ) ? 自在载流子吸收是由同一能带内不同能级之间 的跃迁引起的。 PN结 ? 将P型和N型半导体选用特别工艺制作成 半导体半导体内有一物理界面，界面附 近构成一个极薄的特别区域，称为PN结。 ? 是二极管、三极管、集成电路和其它结 型光电器材最根本的结构单元。 PN 结反向偏置 _ P 变厚 －+ －+ －+ －+ 内电场被被加强，多 子的分散受按捺。少 子漂移加强，但少子 数量有限，只能构成 较小的反向电流。 + N 内电场 外电场 R E PN结的伏安特性曲线 对应表: 光电效应 ? 光照耀到物体外表上使物体发射电子、或导 电率产生改动、或产生光电动势等，这种因 光照而引起物体电学特性产生改动统称为光 电效应 ? 光电效应包括外光电效应和内光电效应 ? 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多产生 于金属和金属氧化物 ? 内光电效应：物体遭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——多产生在半导体 ? 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 ? 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明显添加而电阻削减的现象 ? 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—半导体触摸的两边产生光 生电动势。 ? PN结的光生伏特效应：当用恰当波长的光照耀PN结 时，因为内建场的效果（不加外电场），光生电子拉 向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电 压。 ? 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路， 则会呈现电流（光生电流）。 光热效应 ? 光热效应：资料受光照耀后，光子能量与晶格 相互效果，振动加重，温度升高，资料的性质 产生改动． – 热释电效应：介质的极化强度随温度改动而改动， 引起电荷外表电荷改动的现象． – 辐射热计效应：入射光的照耀使资料因为受热而造 成电阻率改动的现象． – 温差电效应：由两种资料制成的结点呈现稳差而在 两结点间产生电动势，回路中产生电流． 第三章 光电检测器材 ? 光电器材的类型与特色 ? 光电器材的根本特性参数 ? 半导体光电器材 – 光电导器材—光敏电阻 – 光伏器材 ? 光电池 ? 光电二极管/三极管 ? 真空光电器材 – 光电管 – 光电倍增管 ? 热电检测器材 – 热敏电阻 – 热电偶和热电堆 – 热释电勘探器材 3.1 光电器材的类型与特色 ? 光电效应：光照耀到物体外表上使物体的电学 特性产生改动． ? 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． ? 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明显添加而电阻削减． ? 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体 触摸上时，会在PN结或金属—半导体触摸的两边产生 光生电动势。 光电检测器材的类型 ? 光电检测器材是运用物质的光电效应 把光信号转化成电信号的器材. ? 光电检测器材分为两大类: – 光子(光电子)检测器材 – 热电检测器材 光电检测器材 光子器材 热电器材 真空器材 ? 光电管 ? 光电倍增管 ? 真空摄像管 ? 变像管 ? 像增强管 固体器材 ? 光敏电阻 ? 光电池 ? 光电二极管 ? 光电三极管 ? 光纤传感器 ? 电荷耦合器材 CCD ? 热电偶/热电堆 ? 热辐射计/热敏电 阻 ? 热释电勘探器 光电检测器材的特色 光子器材 热电器材 呼应波长有挑选性，一般有 呼应波长无挑选性，对可见 截止波长，超 过该波长， 器材无呼应。 光到远红外的各种波长的辐 射相同活络 呼应快，吸收辐射产生信号 呼应慢，一般为几毫秒 需求的时刻短， 一般为纳 秒到几百微秒 3.2 器材的根本特性参数 ? 呼应特性 ? 噪声特性 ? 量子功率 ? 线性度 ? 作业温度 一、呼应特性 １．呼应度（或称活络度）：是光电勘探 器输出信号与输入光功率之间联系的度 量。描绘的是光电勘探器材的光电转化 功率。 – 呼应度是随入射光波长改动而改动的 – 呼应度分电压呼应率和电流呼应率 ? 电压呼应率 光电勘探器材输出电压与入射光功率之比 ? 电流呼应率 SV ? Vo Pi 光电勘探器材输出电流与入射光功率之比 SI ? Io Pi ２．光谱呼应度：勘探器在波长为λ的单色 光照耀下，输出电压或电流与入射的单色 光功率之比． SV (? ) ? Vo (?) Pi (?) SI (? ) ? Io (?) Pi (? ) ３．积分呼应度：检测器对各种波长光接连 辐射量的反响程度． ４．呼应时刻：呼应时刻τ是描绘光电勘探 器对入射光呼应快慢的一个参数（如 图）。 – 上升时刻：入射光照耀到光电勘探器后，光 电勘探器输出上升到安稳值所需求的时刻。 – 下降时刻：入射光遮断后，光电勘探器输出 下降到安稳值所需求的时刻。 ５．频率呼应：光电勘探器的呼应随入射光 的调制频率而改动的特性称为频率呼应． – 因为光电勘探器信号产生和消失存在着一个滞后进程， 所以入射光的调制频率对光电勘探器的呼应会有较大 的影响。 ? 光电勘探器呼应率与入射调制频率的联系 S( f ) ? S0 [1? (2?f? )2 ]1/ 2 S( f ) 为调制频率为f 时的呼应率 S0 为调制频率为零时的呼应率 ? 为时刻常数（等于RC） fc ? 1 2?? ? 1 2? RC S ( f ) ? [1 ? S0 (1)2 ]1/ 2 ? S0 2 ? 0.707S0 fc ：上限截止频率 时刻常数决议了光电勘探器频率呼应的带宽 回来 二、噪声特性 ? 在必定波长的光照下光电勘探器输出的电信号 并不是平直的，而是在均匀值上下随机地崎岖， 它实质上便是物理量环绕其均匀值的涨落现象。 1T I ? i ? T ?0 i(t)dt ? 用均方噪声来标明噪声值巨细 ? ?i(t)2 ? 1 T [i(t) ? i(t)]2 dt T0 ? 噪声在实践的光电勘探体系中是极端有害的。 ? 因为噪声总是与有用信号混在一同，因而影响 对信号特别是弱小信号的正确勘探。 ? 一个光电勘探体系的极限勘探才干往往受勘探 体系的噪声所约束。 ? 所以在精细丈量、通讯、自动操控等范畴，减 小和消除噪声对错常重要的问题。 光电勘探器常见的噪声 ? 热噪声 ? 散粒噪声 ? 产生-复合噪声 ? 1/f噪声 1、热噪声 ? 或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造 成的噪声。 ? 导体或半导体中每一电子都带着着电子电量作 随机运动(相当于微电脉冲)，虽然其均匀值为 零，但瞬时电流扰动在导体两头会产生一个均 方根电压，称为热噪声电压。 ? 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 2、散粒噪声 ? 散粒噪声：入射到光勘探器外表的光子是随机 的，光电子从光电阴极外表逸出是随机的， PN结中经过结区的载流子数也是随机的。 ? 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 ? 散粒噪声是光电勘探器的固有特性，对大大都 光电勘探器的研讨标明：散粒噪声具有分配地 位。 ? 例如光伏器材的PN结势垒是产生散粒噪声的 首要原因。 3、产生-复合噪声 ? 半导体受光照，载流子不断产生-复合。 ? 在平衡状况时，在载流子产生和复合的 均匀数是必定的 ? 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数 是有崎岖的。 ? 载流子浓度的崎岖引起半导体电导率的 崎岖。 4、1/f噪声 ? 或称闪耀噪声或低频噪声。 ? 噪声的功率近似与频率成反比 ? 大都器材的1/f噪声在200~300Hz以上已 衰减到可疏忽不计。 ５、信噪比 ? 信噪比是断定噪声巨细的参数。 ? 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比 S ? PS ? I 2 S RL ? I2 S N PN I 2 N RL I2 N ? 若用分贝（dB）标明，为 ?? S ?? ? 10lg I2 S ? 20lg I S ?N? I2 N IN ６、噪声等效功率(NEP) ? 界说：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时， 入射到勘探器材上的辐射通量(单位为瓦)。 ? 这时，投射到勘探器上的辐射功率所产生的输出电 压（或电流）等于勘探器自身的噪声电压（或电流） NEP ? ?e (W ) SNR ? 一般一个杰出的勘探器材的NEP约为10-11W。 ? NEP越小，噪声越小，器材的功用越好。 ? 噪声等效功率是一个可丈量的量。 ? 设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 ? 然后除掉辐射源，测得勘探器的噪声电压为UN ? 则按份额核算，要使U0＝UN，的辐射功率为 NEP ? P 2 (W ) ? ? ? U0 UN ? ? ? ７、勘探率与归一化勘探率 ? 勘探率D界说为噪声等效功率的倒数 D? 1 NEP ? 经过剖析，发现NEP与检测元件的面积Ad和扩展 ? 器带宽Δf 乘积的平方根成正比 ? 归一化勘探率D*，即 D* ? 1 NEP* ? D ? ( Ad ?f )1/ 2 ? D*与勘探器的活络面积、扩展器的带宽无关。 回来 三、量子功率?（?） ? 量子功率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的 光电子数与入射光量子数之比。 ? 对抱负的勘探器，入射一个光量子发射一个电子， ?=1 ? 实践上，? 1 ? 量子功率是一个微观参数，量子功率愈高愈好。 量子功率与呼应度的联系 ?(?) ? I / q ? S(?) h? P / h? q ? I/q ： 每秒产生的光子数 ? P/hυ：每秒入射的光子数 四、线性度 ? 线性度是描绘光电勘探器输出信号与输入信号 坚持线性联系的程度。 ? 在某一规划内勘探器的呼应度是常数，称这个 规划为线性区。 ? 非线性差错： δ ＝ Δmax / ( I2 – I1) Δmax：实践呼应曲线：分别为线性区中最小和最大呼应值。 五、作业温度 ? 作业温度便是指光电勘探器最佳作业状 态时的温度。 ? 光电勘探器在不同温度下，功用有改动。 例如，半导体光电器材的长波限和峰值波长会 随温度而改动；热电器材的呼应度和热噪声会 随温度而改动。 3.3 半导体光电器材 ? 光敏电阻 ? 光电池 ? 光电二极管 ? 光电三极管 一、光敏电阻 ? 光敏电阻是光电导型器材。 ? 光敏电阻资料：首要是硅、锗和化合物半导体，例如： 硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。 ? 特色： – 光谱呼应规划宽（特别是关于红光和红外辐射）； – 偏置电压低，作业电流大； – 动态规划宽，既可测强光，也可测弱光； – 光电导增益大，活络度高； – 无极性，运用方便； – 在强光照耀下，光电线性度较差 – 光电驰豫时刻较长，频率特性较差。 ?光敏电阻 (LDR) 和它的符号： 符号 1. 光敏电阻的作业原理 ? 光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两头加上 电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝 缘资料基板上，两头接有电极引线，封装在带 有窗口的金属或塑料外壳内。（如图） ? 作业机理：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 穴均参加导电，其阻值急剧减小，电导添加。 入射光 回来 本征型和杂质型光敏电阻 ? 本征型光敏电阻：当入射光子的 能量等于或大于半导体资料的禁 带宽度Eg时，激起一个电子－ 空穴对，在外电场的效果下，形 成光电流。 导带 电子 Eg ? 杂质型光敏电阻：关于Ｎ型半导 体，当入射光子的能量等于或大 于杂质电离能ΔＥ时，将施主能 级上的电子激起到导带而成为导 电电子，在外电场的效果下，形 成光电流。 ? 本征型用于可见光长波段,杂质 型用于红外波段。 价带 空穴 导带 施主 电子 ΔＥ 空穴 价带 光电导与光电流 ? 光敏电阻两头加电压（直流或沟通）．无光照 时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很 小；光照时，光生载流子敏捷添加，阻值（亮 电阻）急剧削减．在外场效果下，光生载流子 沿必定方向运动，构成光电流（亮电流）。 I光 ? 光电流：亮电流和暗电流之差； I光 = IL - Id ? 光电导：亮电流和暗电流之差； g = gL - gd ? 光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小 越好，也便是说暗电流要小，亮电流要 大，这样光敏电阻的活络度就高。 ? 光电流与光照强度／电阻结构的联系。 ? 无光照，暗电导率 ? 0 ? n0q?n ? p0q? p ? 光照下电导率 ? ? nq?n ? pq? p n ? n0 ? ?n p ? p0 ? ?p ? 附加光电导率,简称光电导 ?? ? ?nq?n ? ?pq? p ? 光电导相对值 ?? ? ?n?n ? ?p? p ? ?n(?n ? ? p ) ? 0 n0?n ? p0? p n0?n ? p0? p ? 要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0 和 材n料0小或，在因低此温光下敏使电用阻。一般选用禁带宽度大的 ? 当光照安稳时，光生载流子的浓度为 ?n0 ? ?p0 ? g? ? 无光照时，光敏电阻的暗电流为 Id ? U?0A L ? qUA（n0?n L ? p0 ? ） p ? 光照时，光敏电阻的光电流为 Ip ? U ?? L A ? qUA（?n?n L ? ?p? ） p ２．光敏电阻的作业特性 ? 光电特性 ? 伏安特性 ? 时刻呼应和频率特性 ? 温度特性 光敏电阻的光电特性 ? 光电特性：光电流与入射光照度的联系： I光 ? SgE?U ? ? : 照度指数(0.5 ?1)，Sg : 光电导， ? :电压指数(欧姆触摸为1)，U：外加电压 (1)弱光时，γ=1，光电流与照度成线，光电流与照度成抛物线 光照增强的一同，载流子浓度不断的添加，一同光敏 电阻的温度也在升高，然后导致载流子运动加重，因 此复合几率也增大，光电流呈饱满趋势。（冷却能够 改进） 在弱光照下，光电流与E具有杰出的线性联系 在强光照下则为非线性联系 其他光敏电阻也有相似的性质。 ? 光电导活络度: 光电导g与照度E之比. S g g?A g?E ? ? A : 光敏面积，?：入射通量 不同波长的光， 光敏电阻的活络 度是不同的。 在选用光电器材 时有必要充分考虑 到这种特性。 ? 光电导增益 G ? ??? U l2 ? : 量子产额，?：载流子寿数， ?：迁移率，U：外加电压， ?：电极间隔 光电导增益反比于电极间隔的平方。 ? 量子功率：光电流与入射光子流之比。 伏安特性 ? 在必定的光照下，光敏电阻的光电流与 所加的电压联系 ? 光敏电阻是一个纯电阻，因而契合欧姆 规则，其伏安特性曲线为直线。 ? 不同光照度对应不同直线 ?受耗散功率的约束，在运用时，光敏电阻两头的电压 不能 超越最高作业电压， ?图中虚线为答应功耗曲线 ?由此可确认光敏电阻正常作业电压。 频率特性 ? 光敏电阻时刻常数比较大，其上限截止频 率低。只需PbS光敏电阻的频率特性稍好 些，可作业到几千赫。 呼应时刻 ? 光敏电阻的时刻呼应特性较差 ? 资料受光照到安稳状况，光生载流子浓度的 改动规则： t ?p ? ?p (1? exp(? )) 0 ? ?p 为稳态光生载流子浓度 0 ? 中止光照，光生载流子浓度的改动为 t ?p ? ?p exp(? ) 0 ? 温度特性 光敏电阻是大都载流子导电，温度特性杂乱。跟着温度 的升高，光敏电阻的暗电阻和活络度都要下降，温度的 改动也会影响光谱特性曲线。 例如：硫化铅光敏电阻，跟着温度的升高光谱呼应的峰 值将向短波方向移动。 特别是红外勘探器要采纳制冷办法 光敏电阻参数 ? 运用资料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化 铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅 （PbSnTe）. ? 光敏面：1-3 mm ? 作业温度：-40 – 80 oC ? 温度系数： 1 ? 极限电压：10?– 300V ? 耗散功率： 100 W ? 时刻常数：5 – 50 ms ? 光谱峰值波长：因资料而不同，在可见/红外远红外 ? 暗电阻：108 欧姆 ? 亮电阻：104 欧姆 光敏电阻的运用 ? 根本功用：依据自 然光的状况决议是 否开灯。 ? 根本结构：整流滤 波电路；光敏电阻 及继电器操控；触 电开关履行电路 ? 根本原理：光暗时， 光敏电阻阻值很高， 继电器关，灯亮； 亮光时，光敏电阻 阻值下降，继电器 作业，灯关。 220V 灯 CdS K 常闭 照明灯自动操控电路 光电池 ? 光电池是依据光生伏特效应制成的将光能转化 成电能的一种器材。 ? PN结的光生伏特效应：当用恰当波长的光照 射PN结时，因为内建场的效果（不加外电 场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区， 相当于PN结上加一个正电压。 ? 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将 PN结短路，则会呈现电流（光生电流）。 光电池的结构特色 ? 光电池中心部分是一个PN结，一般作成面积 大的薄片状，来接纳更多的入射光。 ? 在N型硅片上分散P型杂质（如硼）， 受光面是P型层 ? 或在P型硅片上分散N型杂质（如磷）， 受光面是N型层 ? 受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透效果和 维护效果 ? 上电极做成栅状，为了更多的光入射 ? 因为光子入射深度有限，为使光照到PN结上， 实践运用的光电池制成薄P型或薄N型。 光电池等效电路 IL ? Ip ? I 0{exp[ q kT (U ? ILRs )] ?1} I 为光电池等效电路中的恒流源 p I0为光电池等效二极管反向饱满电流, q为电子电荷量 U为光电池输出电压 Rs为光电池等效电路中串联电阻，Rs很小，能够疏忽 qU IL ? I p ? I0[exp( kT ) ?1] 当I ? 0，得到开路电压 U oc ? kT q ln( I p I0 ? 1) 当U ? 0，得到短路电流 Isc ? I p I 与入射光强度成正比 sc 开路电压与入射光强度的对数成正比 光电池的特性 ? 1、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与一般 半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅 度与光照度成正比。 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ISC。 光电池伏安特性曲线 反向电流随光照度的添加而上升 I U 照度添加 ? 2、时刻和频率呼应 硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差 硅光电池是现在运用最广泛的光电池 ? 要得到短的呼应时刻，有必要选用小的负载电阻RL； ? 光电池面积越大则呼应时刻越大，因为光电池面 积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时刻常 数就越大，故要求短的呼应时刻，有必要选用小面 积光电池。 ?3、温度特性 跟着温度的上升，硅光电池的光谱呼应向长波方向移 动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做勘探器材时， 丈量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。 开路电压下降大约2?3mV/度 短路电流上升大约10-5?10-3mA/度 4、光谱呼应度 ? 硅光电池 呼应波长0.4-1.1微米， 峰值波长0.8-0.9微米。 ? 硒光电池 呼应波长0.34-0.75微米， 峰值波长0.54微米。 5、光电池的光照特性 ? 衔接办法：开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b) ? 光电池在不同的光强照耀下可产生不同的光电流和光 生电动势。 ? 短路电流在很大规划内与光强成线性联系。 ? 开路电压随光强改动对错线lx时趋于饱满。 ? 光照特性--? 开路电压输出：非线性(电压---光强)，活络度高 ? 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，活络度低 ? 开关丈量（开路电压输出），线性检测（短路电流输 出） ? 负载RL的增大线性规划也越来越小。 ? 因而，在要求输出电流与光照度成线性联系时， 负载电阻在条件答应的状况下越小越好，并限 制在恰当的光照规划内运用。 光电池的运用 ? 1、光电勘探器材 运用光电池做勘探器有频率呼应高，光 电流随光照度线、将太阳能转化为电能 实践运用中，把硅光电池经串联、并联 组成电池组。 硅太阳能电池 ? 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。 ? 单晶硅太阳能电池在试验室里最高的转化功率为23%, 而规划出产的单晶硅太阳能电池,其功率为15%。 ? 多晶硅半导体资料的价格比较低价,可是因为它存在着 较多的晶粒间界而有较多的缺陷。多晶硅太阳能电池 的试验室最高转化功率为18%,工业规划出产的转化效 率为10%。 非晶硅太阳能电池 ? 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制作选用薄膜工艺, 具有 较多的利益,例如:堆积温度低、衬底资料价格较低价, 能够完结大面积堆积。 ? 非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40 倍,1微米厚的非晶硅薄膜,能够招引大约90%有用的太 阳光能。 ? 非晶硅太阳能电池的安稳性较差, 然后影响了它的敏捷 开展。 化合物太阳能电池 ? 三五族化合物电池和二六族化合物电池。 ? 三五族化合物电池首要有GaAs电池、InP电池、 GaSb电池等; ? 二六族化合物电池首要有CaS/CuInSe电池、 CaS/CdTe电池等。 ? 在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转 换功率最高,可达28%; GaAs 化合物太阳能电池 ? Ga是其它产品的副产品,十分稀疏宝贵;As 不是稀有 元素,有毒。 ? GaAs化合物资料特别适用于制作高效电池和多结电 池,这是因为GaAs具有十分抱负的光学带隙以及较高 的吸收功率。 ? GaAs 化合物太阳能电池虽然具有许多利益,可是 GaAs资料的价格不菲,因而在很大程度上约束了用 GaAs电池的遍及。 太阳能 ? 太阳能特色： ①无干涸风险；②肯定洁净；③不受资源散布地域的 约束；④可在用电处就近发电；⑤动力质量高；⑥使 用者从感情上简略承受；⑦获取动力花费的时刻短。 ? 要使太阳能发电真实到达有用水平，一是要进步太阳 能光电改换功率并下降本钱；二是要完结太阳能发电 同现在的电网联网。 光敏二极管结构 ? 光敏二极管与一般二极管相同有一个PN结，归于 单导游电性的非线形元件。外形不同之处是在光电 二极管的外壳上有一个通明的窗口以接纳光线照耀， 完结光电转化。 ? 为了取得尽可能大的光生电流，需求较大的作业面， 即PN结面积比一般二极管大得多，以分散层作为 它的受光面。 ? 为了进步光电转化才干，PN结的深度较一般二极 管浅。 光电二极管（光敏二极管） 光敏二极管符号 光敏二极管接法 外加反向偏压 ? 能够不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负 偏压状况下运用 ? 大反偏压的施加，添加了耗尽层的宽度和结电场，电 子—空穴在耗尽层复合时机少，进步光敏二极管的灵 敏度。 ? 添加了耗尽层的宽度，结电容减小，进步器材的频响 特性。 ? 可是，为了进步活络度及频响特性，却不能无限地加 大反向偏压，因为它还遭到PN结反向击穿电压等要素 的约束。 ? 光敏二极管体积小，活络度高，呼应时刻短， 光谱呼应在可见到近红外区中，光电检测中应 用多。 ? 分散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管 分散型P-i-N硅光敏二极管 ? 挑选必定厚度的i层，具有高速呼应特性。 ? i层所起的效果:(1)为了取得较大的PN结击穿电压， 有必要挑选高电阻率的基体资料，这样必然添加了串 联电阻，使时刻常数增大，影响管子的频率呼应。 ? 而i层的存在，使击穿电压不再遭到基体资料的约束， 然后可挑选低电阻率的基体资料。这样不光进步了 击穿电压，还削减了串联电阻和时刻常数。 ? (2)反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，然后使结 电容下降，进步了频率呼应。 PIN管的最大特色是 频带宽，可达10GHz。 另一特色是线性输出规划宽。 缺陷: 因为I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。 雪崩光敏二极管 ? 因为存在因磕碰电离引起的内增益机理，雪崩 管具有高的增益带宽乘积和极快的时刻呼应特 性。 ? 经过必定的工艺能够使它在1.06微米波利益的 量子功率到达30％，十分适于可见光及近红外 区域的运用。 ? 当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在 结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子 取得满意的能量，经过磕碰使晶格原子电离，而产生 新的电子—空穴对。 ? 新的电子—空穴对在强电场的效果下分别向相反方向 运动．在运动进程中，又有可能与原子磕碰再一次产 生电子—空穴对。 ? 只需电场满意强，此进程就将持续下去，到达载流子 的雪崩倍增。一般，雪崩光敏二极管的反向作业偏压 略低于击穿电压。 雪崩光电二极管的 倍增电流、噪声与偏压的联系曲线 ? 在偏置电压较低时的A点以左，不产生雪崩进程；随 着偏压的逐步升高，倍增电流逐步添加 ? 从B点到c点添加很快，归于雪崩倍增区；偏压再持续 增大，将产生雪崩击穿；一同噪声 ? 也明显添加，如图中c点以有的区域。因而，最佳的偏 压作业区是c点以左，不然进入雪崩击穿区烧坏管子。 ? 因为击穿电压会随温度漂移，有必要依据环境温度改动 相应调整作业电压。 ? 雪崩光电二极管具有电流增益大，活络度高，频率响 应快，带宽可达100GHz。是现在呼应最快的一种光 敏二极管。 ? 不需求后续巨大的扩展电路等特色。因而它在弱小辐 射信号的勘探方向被广泛地运用。 ? 在规划雪崩光敏二极管时，要确保载流子在整个光敏 区的均匀倍增，这就需求挑选无缺陷的资料，有必要保 持更高的工艺和确保结面的平坦。 ? 其缺陷是工艺要求高，安稳性差，受温度影响大。 雪崩光电二极管与光电倍增管比较 ? 体积小 ? 结构紧凑 ? 作业电压低 ? 运用方便 ? 但其暗电流比光电倍增管的暗电流大， 相应的噪声也较大 ? 故光电倍增管更适宜于弱光勘探 光敏二极管阵列 ? 将光敏二极管以线列或面阵办法调集在一同， 用来一同勘探被测物体各部位供给的不同光信 息，并将这些信息转化为电信号的器材。 象限勘探器 ? 象限勘探器有二象限和四象限勘探器，又分光 电二极管象限勘探器和硅光电池象限勘探器。 ? 象限勘探器是在同一块芯片上制成两或四个探 测器，中心有沟道将它们离隔，因而这两或四 个勘探器有完全相同功用参数。 ? 当被测体方位产生改动时，来自方针的辐射量 使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信 号输出改动，然后确认方针方位，一同可起制 导、盯梢、查找、定位等效果。 光敏三极管（光电三极管） ? 光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管 构成，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。 ? 同光电二极管相同，光电三极管外壳也有一个 通明窗口，以接纳光线照耀。 ? 日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三 极管。 NPN光电三极管结构原理简图 光电三极管作业原理 ? NPN光电三极管（3DU型），运用时光电二极 管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。 ? 光电三极管不受光时，相当于一般三极管基极 开路的状况。集电结(基—集结)处于反向偏置， 基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光 电三极管的暗电流。 ? 当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电 子—空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场 使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，构成 光生电压，基极电位升高。 集电结 基极 B 发射结 集电极 C N P N E 发射极 ? 好像一般三极管的发射结(基—发结)加上 了正向偏置，当基极没有引线时，集电 极电流就等于发射极电流。 ? 这样晶体三极管起到电流扩展的效果。 ? 因为光敏三极管基极电流是由光电流供 给，因而一般基极不需外接点，所以通 常只需集电极和发射极两个引脚线。 ? 光电三极管与光电二极管比较，具有较高的输出光电 流，但线性差 ? 线性差首要是由电流扩展倍数?的非线性所造成的 ? 在大照度时，光敏三极管不能作线性转化元件，但可 以作开关元件运用。管不能作线性转化元件，但能够 作开关元件运用。 光电三极管的光照特性 光敏三极管的伏安特性 ? 硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流 在微安量级。 ? 在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管 有光电流输出。 ? 作业电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线 性更严峻。（因为扩展倍数与作业电压有关） ? 在必定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时刻隔 较均匀，在高照度时曲线越来越密 硅光电二极管 硅光电三极管 光敏三极管的温度特性 ? 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的联系。 ? 温度改动对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。 ? 精细丈量时，应采纳温度补偿办法，不然将会导致输出差错。 ? 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得多 光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可 以进步频率呼应。 一般来说，光敏三极管的频率呼应比光敏二极管差。 关于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频 率呼应要比锗管好。 第四章 发光、耦合和成像器材 4.1 发光二极管 4.2 激光器 4.3 光电耦合器材 4.4 CCD 4.1 发光二极管 ? 发光二极管（LED）的类型 ? 发光二极管的原理 ? 发光二极管的特性 ? 发光二极管的运用 4.2 激光器 ? 激光器的结构与原理 ? 激光器的品种 ? 激光器的特性参数 ? 激光器在光电检测方 面的运用 激光器的原理 ? 受激辐射：激光是受激 辐射的光扩展。 ? 粒子数回转 ? 增益大于损耗 ? 激光器由三部分组成： 激活介质，谐振腔和激 发源。 ? 激光具有：单色性，方 向性，高亮度，相干性。 激活介质 激起源 激光器的特性参数 ? 功率（均匀／峰值），能量 ? 波长，频率，线宽 ? 脉冲宽度，重复频率 ? 光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子 ? 办法，波长可调谐性 ? 安稳性（波长／频率／功率／能量／方 向等），寿数，光电功率 激光器的类型 ? 气体、固体、半导体激光器 ? 紫外、可见和红外激光器 ? 接连、准接连和脉冲激光器 ? 单频、单模激光器 ? 可调谐激光器 ? 超短脉冲激光器 气体激光器 ? 光束质量好，线宽窄， 相干性好，谱线丰厚。 ? 功率低，能耗高，寿 命较短，体积大。 ? 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。 He-Ne激光器的根本结构办法 固体激光器 ? 运转办法多样：接连，脉冲，调Ｑ， 锁模等，能够取得高均匀功率，高重 复率，高脉冲能量，高峰值功率激光； ? 首要在红外波段作业，选用光学泵浦 办法； ? 结构紧凑，寿数较长，安稳牢靠； ? ＮＤ：ＹＡＧ，红宝石，钕玻璃激光 器。 固体激光晶体棒 固体激光试验设备 微 型 固 体 激 光 器（学生研制） 深大学生研讨固体激光器 深 大 “挑 战 杯” 小 组 （省二等奖） 半导体激光器 ? 体积小，功率高，能耗低，寿数长， 安稳牢靠； ? 线宽较宽，波长可调谐，能产生超短 脉冲，直接高频调制； ? 可批量出产，单片集成； ? 发散角大，温度特性差，简略产生噪 声。 半 导 体 激 光 器 （自 制） 半导体激光器电源 白光激光器 激光器在光电检测中的运用 ? 激光测距，测长，测平面度等 ? 激光大气污染检测 ? 激光ＤＮＡ检测 ? 激光海洋勘探 ? 激光制导 ? 激光雷达 ? 激光干与丈量（探伤） ? 激光全息丈量 4.3 光电耦合器材 ? 界说：发光器材与光承受器材的组合器材。 ? 类型： – 光电耦合／阻隔器：在电路之间传递信息，又 能完结电路间的电气阻隔和消除噪声。 – 光传感器：用于检测物体的方位或物体有无的 状况。 ? 发光器材：ＬＥＤ，ＬＤ，灯等 光承受器材：光电二极管／三极管，光电 池，光敏电阻。 作业原理与特色 ? 发光器材与光承受器材封装一体，但不触摸，有很强 的电气绝缘性，信号经过光传输。 ? 特色： – 具有电阻隔（１０１０－１０１２欧姆）功用； – 信号传输单向（脉冲或直流），适用于模仿／数字信号； – 具有抗搅扰和噪声才干； – 呼应速度快（微／纳秒，直流－１０兆赫兹），体积小，寿 命长，运用方便； – 既有耦合特性，又有阻隔功用； 光电耦合器材的运用 ? 替代脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的 信号，失真小； ? 替代继电器运用，做光电开关用； ? 把不同电位的两组电路互连，完结电平 匹配和电平搬运； ? 作为核算机主机与输入／输出端的接口， 大大进步核算机的牢靠性； ? 在稳压电源中作为过流维护器材，简略 牢靠。 光电方位活络器材（PSD） １ ? PSD用于丈量光斑的方位或方位 I1 的移动量 光 ２ I2 xA ? 光束入射光敏层,在入射方位产 Ｐ层 生与入射辐射成正比的信号电荷, 该电荷构成的光电流(I1 , I2)由信 i层 号电极1和2输出，３为公共电极 Ｎ层 ? XＡ: 方位信号 I0 = I1 + I2 I0 ３ I1 ? I 0 L ? xA 2L I 2 ? I 0 L ? xA 2L L L xA ? I 2 ? I1 L I2 ? I1 4.4 CCD ? CCD是一种电荷耦合器材(Charge Coupled Device) ? CCD的杰出特色：是以电荷作为信号，而不同 于其它大大都器材是以电流或许电压为信号。 ? CCD的根本功用是电荷的存储和电荷的搬运。 ? CCD作业进程的首要问题是信号电荷的产生、 存储、传输和检测。 CCD的结构 ? MOS 光敏元：构成CCD的根本单元是MOS(金 属—氧化物—半导体)结构。 电极 （Ｐ／Ｎ型层） 电荷存储 ? 在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的散布是均匀的。 ? 加正偏压后，空穴被排挤而产生耗尽区，偏压添加，耗尽区向内延伸。 ? 当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得十分高，以致于将半导 体内的电子(少子)招引到外表，构成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。 ? 反型层电荷的存在标明晰MOS结构存储电荷的功用。 电荷的搬运（耦合） 电荷的搬运（耦合） ? 榜首个电极坚持10V，第二个电极上的电压由 2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只需 几微米)，它们各自的对应势阱将兼并在一同。 本来在榜首个电极下的电荷变为这两个电极下 势阱所共有。 ? 若尔后榜首个电极电压由10V变为2V，第二个 电极电压仍为10V，则共有的电荷搬运到第二 个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向 右移动了一个方位。 ? CCD电极空隙有必要很小，电荷才干不受阻止地 自一个电极搬运到相邻电极。对绝大大都CCD， 1μm的空隙长度是满意了。 ＣＣＤ的作业原理 ? ＣＣＤ首要由三部分组成：信号输入、电荷搬运、信号输出。 ? 输入部分：将信号电荷引进到ＣＣＤ的榜首个搬运栅极下的势阱 中，称为电荷注入。 ? 电荷注入的办法首要有两类：光注入和电注入 – 电注入：用于滤波、推迟线和存储器等。经过输入二极管给输入栅 极施加电压。 – 光注入：用于摄像机。用光敏元件替代输入二极管。当光照耀CCD 硅片时，在栅极邻近的半导体体内产生电子—空穴对，其大都载流 子被栅极电压排开，少量载流子则被搜集在势阱中构成信号电荷。 输入 栅 栅 输出 输入二极管 SiO2 P-Si 输出二极管 ＣＣＤ的作业原理 ? 在ＣＣＤ栅极上施加按必定规则改动、巨细超越阈值 的电压，则在半导体外表构成不同深浅的势阱。势阱 用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压改动，使 阱内信号电荷沿半导体外表传输，终究从输出二极管 送出视频信号。 ? 为了完结电荷的定向搬运，在CCD的MOS阵列上区分 成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位 CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。 ? 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为 N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道 CCD，简称为P型CCD。因为电子的迁移率远大于空 穴的迁移率，因而N型CCD比P型CCD的作业频率高得 多。 CCD的特色 ? 体积小，功耗低，牢靠性高，寿数长。 ? 空间分辨率高，能够取得很高的定位精度和丈量精度。 ? 光电活络度高，动态规划大，红外活络性强，信噪比 高。 ? 高速扫描，根本上不保存残象(电子束摄象管有15~20 ％的残象) ? 集成度高 ? 可用于非触摸精细尺度丈量体系。 ? 无像元烧伤、歪曲，不受电磁搅扰。 ? 稀有字扫描才干。象元的方位可由数字代码确认，便 于与核算机结合接口。 CCD的特性参数 ? 像素数量，CCD尺度，最低照度，信噪 比等 ? 像素数是指CCD上感光元件的数量。44 万（768*576）、100万（1024*1024）、 200万（1600*1200）、600万 （2832*2128） ? 信噪比：典型值为46分贝 ? 感光规划 — 可见光、红外 ＣＣＤ的类型 ? CCD按电荷存储的方位分有两种根本类 型 1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的 界面，并沿界面传输 ——外表沟道CCD(简称SCCD)。 2、电荷包存储在离半导体外表必定深度 的体内，并在半导体体内沿必定方向传 输， ——体沟道或埋沟道器材(简称BCCD)。 ＣＣＤ的类型 ? 线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线位不等，由 于出产厂家象元数的不同，市场上稀有十种型 号的器材可供选用。 ? 面阵CCD：器材象元排列为一平面，它包括若 干行和列的结合。 ? 现在到达有用阶段的象元数由25万至数百万个 不等，依照片子的尺度不同有1／3英寸、l／2 英寸、2／3英寸以致1英寸之分。 线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低； 面阵CCD: 整幅图画；直观；价格高，体积大； 面阵CCD芯片 CCD在检测方面的运用 ? 几许量丈量 – 自动步枪激光模仿射击体系。 ? 光谱丈量 – 光谱仪输出信号丈量。 第五章 光电检测体系 光电检测体系分类 ? 自动体系/被迫体系(按信息光源分) ? 红外体系/可见光体系(按光源波长分) – 红外体系多用于军事,有大气窗口,需求特种勘探器 – 可见光体系多用于民用 ? 点勘探/面勘探体系(按承受体系分) – 用单元勘探器承受方针的总辐射功率 – 用面承受元件丈量方针的光强散布 ? 模仿体系/数字体系(按调制和信号处理办法分) ? 直接检测/相干检测体系(按光波对信号的带着 办法分) 自动体系 ? 经过信息调制光源,或许光源发射的光受 被测物体调制. 回来 被迫体系 ? 光信号来自被测物体的自发辐射 回来 直接检测/相干检测 ? 直接检测: 无论是相干或非相干光源，都是运用光源发射的 光强带着信息。光电勘探器直接把承遭到的光强 的改动转化为电信号的改动，然后，用解调电路 检出所带着的信息。 ? 相干检测: 运用光波的振幅、频率、相位带着信息，而不是 光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。 相似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。 光电检测体系的信噪比 ? 信噪比：与活络 度相关 ? 误码率： “0”和“1”呈现 过错的概率 直接检测体系的根本作业原理 ? 将待测光信号直接入射到光勘探器光敏面，光 勘探器呼应于光辐射强度输出相应的电流或电 压。 ? 光勘探器的平方律特性 – 光电流正比于光电场振幅的平方 Ip ? SP ? q? h? E2 (t) ? q? 2h? A2 – 输出的电功率正比于入射光功率的平方 Sp ? I 2 p RL ? ?? ? q? h? ?2 ? ? P 2 RL 体系的根本特性 ? 信噪比：表征检测体系的活络度 SNRo ? PS 2 2PS Pn ? Pn2 ? (PS Pn )2 1? 2(PS Pn ) PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率 ? 检测间隔：是体系活络度的别的一种点评方针， 与发射和接纳体系的大气特性以及方针的反射 特性有关． 直接检测体系的视场角 ? 表征体系能“调查” 到的空间规划 ? 体系的视场角越大越 好．可是增大检测器 面积使体系的噪声增 大；减小焦距使体系 的相对孔径加大． 体系的通频带宽度 ? 检测体系要求Δf坚持原由信号的调制信息． ? 确认体系频带宽度的几种办法： – 等效矩形带宽 – 频谱曲线％能量的带宽 ? 频带宽度越宽，经过信号的能量越大，体系 的噪声功率也越大． 光外差检测 ? fS 为信号光波，fL为本 机振动光波，这两束相 干光入射到勘探器外表 进行混频，构成相干光 场。 ? 经勘探器改换后，输出 信号中包括 fs ? fL 的 差频信号，故又称相干 勘探。 根本原理 ? 设入射到勘探器上的信号光场为： Es ?t ? ? As cos??st ? ?s ? ? 本机振动光场为： EL ?t ? ? AL cos??Lt ? ?L ? ? 入射到勘探器上的总光场为： E?t? ? As cos??st ??s ?? AL cos??Lt ??L ? 光勘探器输出的光电流 ? ip?t? ? SE2?t? ? S?Es?t?? EL?t??2 ? S As2cos2??st ??s ?? AL2cos2??Lt ??L ? ? AsALcos[??L ? ?s ?t ? ??s ? ?L ?]? AsALcos???L ??s ?t ? ??L ??s ?? ? ? S ??q / h? ；?: 量子功率； h? :光子能量； ?L ??:s差频。 ? 式中榜首、二项为余弦函数平方的均匀值，等于1／2。 ? 第三项（和频项）是余弦函数的均匀值为零。而第四项 （差频项）相对光频而言，频率要低得多。 ? 当差频 ??L ??s ?/ 2? 低于光勘探器的截止频率时，光勘探 器就有频率为 ??L ??s ?/ 2? 的光电流输出。 光外差检测的特性 ? 可取得悉数信息：不仅可勘探振幅和强度调制 的光信号，还可勘探频率调制及相位调制的光 信号，即在光勘探器输出电流中包括有信号光 的振幅、频率和相位等悉数信息； ? 转化功率高：转化增益可高达１０７－１０８， 对弱小信号的勘探有利． G ? 2S 2Ps PLRL ? 2PL S 2Ps2RL Ps 光外差检测的特性 ? 可取得悉数信息：不仅可勘探振幅和强度调制的光信 号，还可勘探频率调制及相位调制的光信号，即在光 勘探器输出电流中包括有信号光的振幅、频率和相位 等悉数信息。 ? 转化功率高：转化增益可高达１０７－１０８，对弱小 信号的勘探有利。 G? 2S 2Ps PL RL S 2Ps2RL ? 2PL Ps ? 差频信号是由具有稳定频率（近于单频）和稳定相位 的相干光混频得到的，只需激光才干完结外差勘探。 光外差检测的特性 ? 杰出的滤波功用 取差频信号为信息处理器的通频带，能够过滤 频带外的杂散光；而直接勘探中，一切的杂散 光都被接纳 ? 信噪比丢失小 ? 检测活络度高 例如：量子功率为１， NEP ? h??f Δ f为１Hz，则外差检测的 ? 活络度极限为１个光子 体系对勘探器功用的要求 ? 光外差检测对勘探器的要求比直接检测高 – 呼应频带宽 – 均匀性好 – 作业温度高 第五章 光电检测体系 ? 光电检测体系的类型 ? 直接检测 ? 光外差检测(相干检测) ? 典型的光电检测体系 光电检测体系分类 ? 自动体系/被迫体系(按信息光源分) ? 红外体系/可见光体系(按光源波长分) ? 点勘探/面勘探体系？(按承受体系分) ? 模仿体系/数字体系(按调制和信号处 理办法分) ? 直接检测？/光外差检测体系？(按 光波对信号的带着办法分) 直接检测的根本原理 ? 直接检测(非相干检测): 都是运用光源发射的 光强带着信息,直接把承遭到的光强改动转化 为电信号的改动。 直接检测的根本特性 ? 光勘探器的平方律特性 – 光电流正比于光电场振幅的平方 – 输出的电I p 功? S率P ?正qh比?? E于2 (入t) ?射2qh光?? 功A2 率的平方 ? 信噪比：表S p征? 检I p2R测L ?系??? 统qh??的???2 P灵2R敏L 度 ? 视场角: 表征体系能“调查”到的空间规划 ? 通频带宽度: 频带宽度越宽，经过信号的能量越大， 体系的噪声功率也越大 ? 检测间隔：是体系活络度的别的一种点评方针． 回来 光外差检测的根本原理 ? 运用光波的振幅、频率、相位 带着信息，而不是光强。 ? 两束相干光入射到勘探器外表 进行混频，构成相干光场,又 称相干检测。只需激光才干进 行相干检测。 ? 输出信号中包括 的差 ? 频输信出号的,中因频此功称率光正外比f差s ? 于fL检信测号光 和本振光功率的乘积。 Pc ? 2S 2Ps PL RL 光外差检测的特性 ? 光勘探器的输出包括有信号光的悉数信息：振幅、 频率和相位等； ? 转化功率高，检测活络度高（比直接检测高７－８数 量级），对弱小信号的勘探有利（虽然信号光功率小， 可是本振光功率大） ? 杰出的滤波功用 ? 信噪比丢失小 ? 检测活络度高 ? 检测间隔远 ? 对勘探器的要求比直接检测高 光外差检测的空间和频率条件 sin? ?? ?L ? 空间条件： ?l θ :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θ 越小，越难满意要 求． ? 频率条件： 要求信号光和本振光具有高度 的单色性和频率安稳性。 信号光与本振光并非平行 而成一夹角θ 怎么取得单频光和稳频光？ 5.3 典型的光电检测体系 ? 你所知道的光电检测 体系??? ? 你能讲一讲光电检测 体系??? ? 你能评一评光电检测 体系??? 典型的光电检测体系 ? 直接检测体系（光着重 制） – 莫尔条纹测长仪 – 激光测距仪 – 激光准直 – 环境污染检测体系 ? 光外差检测体系 – 激光干与测长仪（相位 调制） – 多普勒测速（频率调制） – 光外差通讯 5.3.1 莫尔条纹测长仪 ? 莫尔条纹的原理 – 将两块光栅(节距分别为P1和 P2)叠加在一同,而且两者的栅 线成很小的视点θ ,透过光栅能 看到如图所示的明暗相间的莫 尔条纹.这便是莫尔条纹的光强 调制效果． ? 长光栅莫尔条纹的办法 – 横向条纹:P1=P2, θ 很小; – 纵向条纹: P1~P2, θ =0; –斜条纹: P1~P2, θ 很小. 横向条纹 ? 莫尔条纹演示 纵向条纹 莫尔条纹的特性 ? 光栅的节距比光的波长大许多. ? 莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅 的节距P(mm)和夹角θ (rad)之 间的联系为： B? P ? P 2 tan? 2 ? ? 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