光電檢測(cè)復(fù)習(xí)

1、鄧小青光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用總復(fù)習(xí)內(nèi)容第一章：緒論第二章：光電檢測(cè)器件工作原理及特性第三章：半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用第四章：光電信號(hào)檢測(cè)電路第五章：光電直接檢測(cè)系統(tǒng)第六章：光外差檢測(cè)系統(tǒng)第七章：光纖傳感檢測(cè)技術(shù)第九章：光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光電系統(tǒng)框圖第一章 緒論根據(jù)光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，光電傳感器可以分為：直射型反射型輻射型光電檢測(cè)方法按檢測(cè)原理分為：1.直接作用法2.差動(dòng)測(cè)量法4.脈沖測(cè)量法3.補(bǔ)償測(cè)量法一、光電效應(yīng)1 .外光電效應(yīng)(光電發(fā)射效應(yīng))2 . 內(nèi)光電效應(yīng)2.1本征光電導(dǎo)效應(yīng)2.2光伏效應(yīng)二、光熱效應(yīng)1.

2、熱釋電效應(yīng)2.輻射熱計(jì)效應(yīng)3.溫差效應(yīng)第二章光電效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)）現(xiàn)象。光電效應(yīng)包括： 外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。 內(nèi)光電效應(yīng)：物質(zhì)內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化多發(fā)生在半導(dǎo)體和絕緣體。光電導(dǎo)弛豫過(guò)程 光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時(shí)間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說(shuō)明了光電導(dǎo)體對(duì)光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度，稱(chēng)為惰性。當(dāng)輸入功率按照正弦規(guī)律變化時(shí),輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。EtOi(%)tO100633

3、7rf矩形光脈沖光電導(dǎo)的增益光電增益與帶寬之積為一常數(shù)，Mf =(/tdr) f =(/tdr) (1/2) =常數(shù)，M為增益，t為兩極間的渡越時(shí)間，tdr為載流子在兩極間杜越時(shí)間（蛇形設(shè)計(jì)提高M(jìn)）。表明：材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的。材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材料帶寬寬，則光電靈敏度低。此結(jié)論對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度有什么特點(diǎn)？為什么要把光敏電阻造成蛇形？ 光伏效應(yīng)達(dá)到內(nèi)部動(dòng)態(tài)平衡的半導(dǎo)體PN結(jié)，在光照的作用下，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為光生電動(dòng)勢(shì)。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱(chēng)光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)使得載流子（電子和空穴）的擴(kuò)散和漂移運(yùn)

4、動(dòng)達(dá)到了動(dòng)態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激發(fā)出的電子空穴對(duì)，打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動(dòng)，形成光電流，同時(shí)形成載流子的積累，內(nèi)建電場(chǎng)減小，相當(dāng)于在PN加了一個(gè)正向電壓，即光生電動(dòng)勢(shì)。光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)：材料受光照射后（光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高）材料的性質(zhì)發(fā)生變化。據(jù)溫升引起變化的性質(zhì)分為3類(lèi)：1.熱釋電效應(yīng)-介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象居里溫度下工作。2.輻射熱計(jì)效應(yīng)-入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象3.溫差效應(yīng)-由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流。光電檢測(cè)器

5、件的特征參數(shù)與性能光電器件光子檢測(cè)器件熱電檢測(cè)器件光電發(fā)射型光電導(dǎo)型光伏型熱釋電檢測(cè)器熱敏電阻熱電堆響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性；響應(yīng)速度慢。響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性；響應(yīng)速度快。一、特征參數(shù)：響應(yīng)度（靈敏度）；光譜響應(yīng)度；積分響應(yīng)度；響應(yīng)時(shí)間（響應(yīng)速度）；頻率響應(yīng)；噪聲和信噪比線性度；工作溫度。響應(yīng)度（靈敏度）是光電檢測(cè)器輸出信號(hào)與輸入輻射功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電檢測(cè)器的光-電轉(zhuǎn)換效能。電壓響應(yīng)度：電流響應(yīng)度：光譜響應(yīng)度是光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與入射到檢測(cè)器上的單色輻射通量之比。光譜響應(yīng)度是表述入射的單色通量或光通量所產(chǎn)生的檢測(cè)器的輸出電壓（電流），它的值愈大意味著檢測(cè)器愈靈敏。熱噪聲 熱噪聲是

6、由載流子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)，說(shuō)明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱(chēng)為白噪聲。散粒噪聲 散粒噪聲或稱(chēng)散彈噪聲，即穿越勢(shì)壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計(jì)起伏）所造成的噪聲。散粒噪聲也屬于白噪聲。信噪比（S/N） 用分貝（dB）表示： S/N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)，入射輻射強(qiáng)，接收面積大，則S/N就大。但性能不一定就好，對(duì)兩種光電器件只有在相同信號(hào)輻射功率相同情況下才能比較。 信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率比。線性度是描述光電探測(cè)器的光電特性或光照特性輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。即在規(guī)

7、定的范圍內(nèi)，光電探測(cè)器的輸出電量正比于輸入光量的性能。光電探測(cè)器線性區(qū)的大小與檢測(cè)器后的電子線路有很大關(guān)系。下限一般由光電器件的暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過(guò)載決定。工作溫度是光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)下的溫度。例：InSb器件工作溫度在300K時(shí)，長(zhǎng)波限為7.5m，峰值波長(zhǎng)為6m，工作溫度在77K時(shí)，長(zhǎng)波限為5.5m，峰值波長(zhǎng)為5m。光敏電阻使用中應(yīng)注意： 1)當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。 2)用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。第三章3)光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度

8、低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。 4)光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說(shuō)，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無(wú)輸出。 5)光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過(guò)1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為代價(jià)。 6)設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很小。 7)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)意識(shí)到光敏電阻的前歷效應(yīng)。光敏電阻做成梳狀的原因?光 伏 器 件利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱(chēng)為光伏器件。 有：光電池、光電二極管、光

9、電三極管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器(PSD)、光電耦合器等。 光電二極管接法即用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。另一種是加反向電壓。實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦裕憩F(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。a) 不加外電源 b) 加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法光電晶體管 原理：只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制，和普通晶體管類(lèi)似，也有電流放大作用。當(dāng)光照到集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時(shí)在集電極電路即產(chǎn)生了一個(gè)被放大的電流IcIe(

10、1)Ip，為電流放大倍數(shù)。 接法：正常運(yùn)用時(shí)，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。光電倍增管 光電倍增管由陰極、聚焦極、電子倍增系統(tǒng)(許多倍增極 ，二次電子倍增材材料)和陽(yáng)極組成。 建立在外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射效應(yīng)和電子學(xué)理論基礎(chǔ)上。發(fā)光二極管加正向偏壓光電耦合器件-耦合、隔離光電檢測(cè)器件中常用的鹵鎢燈是什么光源？光熱器件原理：器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升，溫升引起材料各種有賴(lài)于溫度的參量的變化，監(jiān)測(cè)其中一種性能的變化，來(lái)探知輻射的存在和強(qiáng)弱。 熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)，T升高，R下降，靈敏度也下降。測(cè)輻射熱計(jì)熱電偶（堆）-物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)熱釋電-以熱電晶體為電

11、介質(zhì)的平板電容器。因熱電晶體具有自發(fā)極化性質(zhì)，自發(fā)極化矢量能夠隨著溫度變化(3)熱敏電阻分類(lèi)按材料分：金屬(如金、鎳、鉍等薄膜 )的和半導(dǎo)體(如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等 )的兩種。金屬的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為正的，絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小，它的電阻與溫度的關(guān)系基本上是線性的，耐高溫能力較強(qiáng)，所以多用于溫度的模擬測(cè)量。半導(dǎo)體的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的，絕對(duì)值比金屬的大十多倍，它的電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，耐高溫能力較差，所以多用于輻射探測(cè)，例如，防盜報(bào)警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。 第四章 光電信號(hào)檢測(cè)電路靜態(tài)計(jì)算-圖解法、解析法動(dòng)態(tài)計(jì)算偏置電路和噪聲前置放大器非線性電路圖解法的分析

12、依據(jù)輸出特性（伏安特性）來(lái)確定靜態(tài)工作點(diǎn)。而光電器件的伏安特性可分為（1）恒流源型，（2）光伏型，（3）可變電阻型。光電探測(cè)器的直流檢測(cè)偏置電路PMT、PD、光電三極管光電池、工作于光電池下的PD光敏電阻、熱敏電阻偏置電路的目的：“探測(cè)器的偏置”在探測(cè)器上加一定的偏流和偏壓使探測(cè)器能在電狀態(tài)正常工作，輸出光電信號(hào)。恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算圖解計(jì)算法 UbU(I)+IRL或 U(I)Ub-IRL 在伏安特性上劃出負(fù)載線Ub-IRL， 由于串聯(lián)回路中流過(guò)各回路元件的電流相等，負(fù)載線和對(duì)應(yīng)于輸入光通量為o時(shí)的器件伏安特性曲線的交點(diǎn)Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)輸入光通量由o改變+（或-）時(shí)

13、，在負(fù)載電阻RL上會(huì)產(chǎn)生-U（或+U）的電壓信號(hào)輸出和+I（或-I）的電流信號(hào)輸出。 光電導(dǎo)探測(cè)器工作電路三種特殊偏置方式1）恒流偏置即在工作過(guò)程中流過(guò)探測(cè)器的電流是一恒定電流。2）恒壓偏置探測(cè)器上的偏置電壓與Ro無(wú)關(guān)，但流過(guò)的偏流隨Ro變化。3）恒功率偏置（匹配偏置）穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或?yàn)V色光片、電氣屏蔽、電干擾濾波等措施改善或消除。光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲來(lái)源系統(tǒng)噪聲外部噪聲內(nèi)部噪聲輻射源的隨機(jī)波動(dòng)附加的光調(diào)制光路傳輸介質(zhì)湍流背景噪聲光電檢測(cè)器件固有噪聲檢測(cè)電路固有噪聲內(nèi)部噪聲隨機(jī)性大，覆蓋很寬的頻譜范圍。限制提取微弱信號(hào)。光電直接檢測(cè)系統(tǒng)與光外差檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)什么

14、攜帶信息？相干檢測(cè)呢？NEP是什么？莫爾測(cè)長(zhǎng)儀原理激光測(cè)長(zhǎng)儀原理由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，然后接收目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖，通過(guò)測(cè)量光脈沖往返所經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)測(cè)算目標(biāo)的距離。光外差檢測(cè)的基本原理利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。兩束相干光入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng),又稱(chēng)相干檢測(cè)。只有激光才能進(jìn)行相干檢測(cè)。輸出的中頻功率正比于信號(hào)光和本振光功率的乘積。輸出信號(hào)中包含 的差頻信號(hào),因此稱(chēng)光外差檢測(cè)光外差檢測(cè)的空間和頻率條件空間條件：:兩束光的夾角，l=d：檢測(cè)器光敏面線度波長(zhǎng)越短或口徑越大，要求相位差角越小，越難滿(mǎn)足要求頻率條件：要求信號(hào)光和本振光具有高度的單色性和頻率

15、穩(wěn)定性。信號(hào)光與本振光并非平行而成一夾角干涉測(cè)量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對(duì)光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為光強(qiáng)的調(diào)制。測(cè)量干涉條紋的變化即可得到被測(cè)參量的信息。干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)原理激光多普勒測(cè)速原理是：是通過(guò)測(cè)量激光束的示蹤粒子的多普勒信號(hào)，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到粒子速度。測(cè)得了粒子的速度，也就是流動(dòng)的速度。第7章 光纖傳感器傳光原理 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。當(dāng)1c時(shí)，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)?！皵?shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有2c張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強(qiáng)功能型光纖傳感器傳感型這類(lèi)傳感器利用光纖 本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后 的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。非功能型光纖傳感器傳輸型傳輸型光纖傳感器的 光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用。光的調(diào)制和解調(diào)可分為： 強(qiáng)度、相位、偏振、頻率等方式第九章鎖相放大器取樣積分器光子計(jì)數(shù)器光電轉(zhuǎn)速計(jì)45考試題型：填空 1*20=20分選擇 2