《光电检测技术》课件.ppt
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1、,光电检测技术,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,光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社,目 录,第一章 绪论第二章 光电检测技术基础2.1 光的基本性质2.2 辐射与光度学量2.3 半导体基础知识2.4 光电效应第三章 光电检测器件3.1光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数,3.3半导体光电器件光电导器件:光敏电阻光伏器件:光电池/光电二极管/三极管3.4真空光电器件光电管光电倍增管3.5热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件,第四章 发光
2、、耦合和成像器件4.1 发光二极管4.2 激光器4.3 光电耦合器件4.4 CCD第五章 光电检测系统5.1 直接光电检测系统5.2 光外差光电检测系统5.3 典型的光电检测系统第六章光纤传感检测第七章光电信号的数据采集与微机接口第八章光电检测技术的典型应用,第一章 绪 论,光电检测是信息时代的关键技术,信息技术:微电子信息技术(电集成)、光子信息技术(光集成)、光电信息技术(光电集成)。感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。,光电信息技术,1、光电源器件(包括激光器)和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络3、光频微电
3、子4、光电方法用于瞬态光学观测,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:,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7、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,光电信息技术,9、光电人工智能和机器视觉10、光(电)逻辑运算和光(电)计算机及光电数据存储11、生物光子学,本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识,即:光电检测的元器件、系统、方法和应用。,光电检测技术,检测与测量光电传感器: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为与之有确定对应关系的电
4、量输出。光电检测技术: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光电检测系统光学变换光电变换电路处理,定义:,被测信息:,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,全部操作:,检测过程,确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,检测的基本概念,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,物理量(光、电、力、热、磁、声、),被测对象:,宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体),检测器具,化学量(PH、成份),生物量(酶、葡萄糖、),例:空调机测量控制室温,空气,被测对象:,被测信息:,检测器具:,操作过程:,室内空气,温度,温度
5、传感器-热电阻、热电偶,热敏电阻,电信号,处理,显示,空调机,返回,直接测量:对仪表读数不经任何运算,直接得出被测量的数值。例如:长度:直尺、游标卡尺、千分尺电压:万用表质量:天平间接测量:测量几个与被测量相关的物理量,通过函数关系式计算出被测量。例如:电功率:P=I*V(电流/电压)重力加速度:单摆测量(L:摆的线长,T:摆动的周期),返回,光电探测器的种类,返回,光电检测系统,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辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用
6、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。,光电检测系统,光学变换,电路处理,光电检测系统,光学变换时域变换:调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换:光学扫描光学参量调制: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。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)。电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。,光电检测系统与人操作功能比较,被测物体 感觉器官 人脑 手控 被测物体 光电传感 微机 执行机构光电传感部分相当于人
7、身的感觉器官,光电检测系统的功能分类,测量检查型:几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。运动量:速度、加速度、振动表面形状:光洁度、庇病、伤痕工作过程:湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等机械量:重量、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,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,数值控制图象分析型图形检测图形分析,光电检测技术的特点,高精度:从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度:光速是最快的。远距离、大量程:遥控、遥测和遥感。非接触式检测:不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命
8、长:光电检测中通常无机械运动部分,故测量装置寿命长,工作可靠、准确度高,对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化:强的信息处理、运算和控制能力。,光电检测方法,直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法,光电检测技术发展趋势,纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。小型、快速的微型光、机、电检测系统。非接触、快速在线测量。微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。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。向人们无法触及的领域发展。光电跟踪与光电扫描测量技术。,一、在工业生产领域的应用,在线检测:零件尺寸、产品缺陷、装配定位.现代工程装备中,检测环节的成本约占5070%,光电检测技术的应用,
9、检测技术在汽车中的应用日新月异,发动机:向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息,对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器:汽车电子控制系统的信息源,关键部件,核心技术内容,普通轿车:约安装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。,底 盘:控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身:提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,二、检测技术在日常生活中的应用,家用电器:,数码相机、数码摄像机:自
10、动对焦-红外测距传感器,数字体温计:接触式-热敏电阻,非接触式-红外传感器,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:话音转换-驻极电容传感器,遥控接收:红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务:,可视对讲、可视电话:图像获取-面阵CCD,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:,电子血压计:血压检测-压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器,三、检测技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器,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。,美国国家导弹防御计划
11、-NMD,四、检测技术在国防领域的应用,监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道;,拦截器:能识别真假弹头,敌友方,“阿波罗10”:,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学,神州飞船:,185台(套)仪器装置,五、检测技术在航天领域的应用,学习本课程的目的,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。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。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。掌握直接检测与外差检测的原理和区别。了解光纤传感检
12、测技术的原理和应用,掌握光纤的光波调制技术。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。,本课程的学习内容,光电检测器件的物理基础光电检测器件的工作原理和特性及其应用光电直接和外差检测系统光纤传感检测技术光电信号的数据采集与微机接口,第二章 光电检测技术基础,光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应,光的基本性质,牛顿微粒说根据光直线传播现象,对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象:干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论:光是一种电磁波,光的基本性质,光量子说1900年普朗克在研
13、究黑体辐射时,提出辐射的量子论1905年,爱因斯坦在解释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,辐射度的基本物理量,辐射能Qe:一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位:焦耳J辐射通量e:单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量,又称辐射功率Pe,是辐射能的时间变化率。单位:瓦辐射强度e:点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位:W/Sr,辐射度的基本物理量,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e:扩展辐射源单位面积所辐射的通量(也称辐射本领)。单位:W/m2辐射亮度e:辐射表面定向发射的辐射强度。单位:W
14、/m2Sr光谱辐射通量e():辐射通量的光谱密度,即单位波长间隔内的辐射通量。,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,光度量的最基本单位,发光强度Iv:发出波长为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基本单位之一。光通量v:光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位:流明lm。光照度Ev:单位面积所接受的入射光的量,单位:勒克斯lx,相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。,光度的基本物理量,光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e,例如Qe,e,Ie,Me,Ee,光度量下标为v,
15、Qv,v,Iv,Lv,Mv,Ev。光度量只在可见光区(nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。,晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光(满月)2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx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,半导体基础知识,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
16、流子的输运过程半导体的光吸收PN结,导体、半导体和绝缘体,自然存在的各种物质,分为气体、液体、固体。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。电阻率10-6 10-3欧姆厘米范围内导体电阻率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,而且对温度变化非常敏感。根据这一特性,热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。(纯净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)半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。,本征和杂质半导体,本征半导体就是没
17、有杂质和缺陷的半导体。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。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。掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。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。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型半导体。,平衡和非平衡载流子,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。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
18、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。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。,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发到导带上去,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。其它方法:电注入、高能粒子辐照等。,载流子的输运过程,扩散漂移复合,半导体对光的吸收,物体受光照射,一部分
19、光被物体反射,一部分光被物体吸收,其余的光透过物体。吸收包括:本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带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,杂质吸收和自由载流子吸收,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自由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。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。,PN结的伏安
20、特性曲线,对应表:,光电效应,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,外光电效应:物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物内光电效应: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多发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显著增加而电阻减少的现象,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结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应:当用适当波长的
21、光照射PN结时,由于内建场的作用(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,则会出现电流(光生电流)。,光热效应,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,第三章 光电检测器件,光电器件的类型与特点光电器件的基本特性参数半导体光电器件光电导器件光敏电阻光伏
22、器件光电池光电二极管/三极管真空光电器件光电管光电倍增管热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件,3.1光电器件的类型与特点,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显著增加而电阻减少光生伏特效应: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。,光电检测器件的类型,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.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,光电检测器件,光子器件,热
23、电器件,真空器件,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,光电检测器件的特点,3.2 器件的基本特性参数,响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度,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率和电流响应率,电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比,光谱响应度:探测器在波长为的单色光照射下,输出电压
24、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,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。,:上限截止频率时间常数
25、决定了光电探测器频率响应的带宽,返回,二、噪声特性,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,它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。,用均方噪声来表示噪声值大小,噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。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。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。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。,光电探测器常见的噪声,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携带
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