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1、光 电 检 测与信号处理,主 讲：诸波 博士,课程简介,光 电 检 测与信号处理技术是光学、光电子学和计算机技术相结合而产生出来的一门技术学科，主要研究光电检测技术、光电信息处理技术基础：进年来兴起的光电子学核心：光与电之间的转换机理体现于光电器件之中光电转换技术是研究应用一定的器件及手段，在一定条件下，如何使光能（光信息）转化成电能，电能转化成光能的技术。能实现上述功能的器件称为光电探测器件。即能够发射、接收某种电磁辐射（光学辐射）的电子器件。光学辐射包括紫外线、可见光和红外线。将光辐射转换成电信息的称为接收器件，电信息转换成光辐射的称为发射器件。,光电技术的发展,第一阶段：传统的光学装置及
2、仪器，不能胜任对复杂光信息高速采集和处理的要求。第二阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器件及电路集成在一个整体中，也可以将具有多个检测功能的探测器件集成在一个整体中。其价格低，体积小。例如，将图形、物体等具有二维分布的光学图像转换成电信号的检测器件是把基本的光电探测器件组成许多网状阵列结构，引人注目的器件CCD就是一种将阵列化的光电探测与扫描功能一体化的固态图像检测器件。他是把一维或二维的光学图像转换成时序电信号的器件，能广泛引用于自动检测、自动控制，尤其是图像识别技术。像自动指纹识别系统（AFIS)。,第三阶段：光导纤维传感器的出现，为光电检测技术的小型化等开辟了广阔的前景。光纤检测可以解
3、决传统检测技术难以解决或无法解决的许多问题。例如，在噪声、干扰、污染严重的工业过程检测，或者在海洋，自动监测设备或智能机器人，必然会受到高压、高温等极端困难的条件，光纤检测技术具有其独特的智能化的优越性。由于光信息传输的独特优点，光纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术与它的紧密结合，光电检测技术越来越智能化。作为机器人的视觉系统已提到议事日程上。,课程内容,光电技术及光电器件半导体光电器件工作原理、特性参数及应用电荷耦合器件的原理、特性参数等直接探测方法基本原理及信噪比计算光外差探测的基本原理及信噪比计算光外差探测达到量子声限 微弱信号检测技术相
4、关检测理论，锁相放大器、取样积分器、光学多通道分析仪,参考书:1 R,J，凯斯美.光探测器与红外探测器北京：科学出版社，19882 钱浚霞等光电检测技术.杭州：浙江大学出版社，1992,绪论,光电技术特点及其应用半导体物理基础光电器件的基础：光电效应光电器件的分类、特性及评价基础光电器件参数测试,光电技术的特点及应用,光电系统 光电检测 光电器件,一、光电系统,1、光电系统的分类：广义的光电系统包括两个分支，即光电能量系统、光电信息系统（1）光电能量系统：太阳能发电、激光加工、激光医疗、激光核聚变等。主要是解决有关大功率光辐射能量的产生、控制、利用及向其他能量形式的转换。（2）光电信息系统：以
5、光辐射和电子流为信息载体，通过光电或电光相互转换，综合利用光学或电子学的方法进行信息的传输、采集、处理、存储或显示、以实现确定目标的混合系统，简称光电系统。,2、光电系统的主要类型，基本组成和光电信号的联系表示（1）光-电型（应用最广泛）：它们的组成和信号流程表示在图中的分支中。被研究对象经过光机系统产生光信号，其通过光电变换（A/D）成电信号进入电子系统，光学仪器的自动化常采用这种方式。若进一步传输到计算机处理，可组成部分代替人的视觉和思维活动的机器视觉系统。例如：智能化的工业在线检测。,（2）光-电-光型：由光机系统采集到的光信号通过光电转换（A/D）成电信号，经电信号处理后再经过电光变换
6、形成光信号输出。例如：显像管以及声像光盘的录制和再现都是这类系统的代表。,（3）电-光-电型：电信号经过电光变换得到可在光路中传输的光信号，在经过光电变换为电信号后作进一步处理或输出。典型应用如光纤通讯，其主要利用光纤对光信号进行传输。像光纤立靶的应用。,（4）光电混合型：其主要特点是使传统光路实现光路器件的“有源化”和封闭的光束网络，例如光导纤维、空间调制器等。这将最终组成有源可控的光学系统和集成光路。和现有的无源光路比较，这无疑是光学技术的根本变革。,（5）电光混合型 这种系统的目标是将电路系统元器件的功能用光学方法来实现，即所谓的电路元件的“光子化”，例如光学晶体管和光学双稳态器件等，目
7、前许多单元器件已相继问世或正在研制中。后两种光电系统是光电技术未来的发展方向，其中的光电混合式或全光学式的光学计算机是这些系统最有吸引力的发展目标。,二、光电检测,通过上面的学习我们可以看出，光电系统的共同特点是通过光电检测所有被研究的信息都将通过各种效应（机、热、声、电、磁）调制到光载波上，然后将携带被研究的信息光载波转换为电信号，并通过电子线路和计算机的综合处理，实现光学仪器的自动化。因此，光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重要的意义。所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和接收解调两个主要方面。,光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节：1、调制：光辐射通过光学系统投射到被检测物
8、体上，利用被检测物体对入射辐射的反射、吸收、衍射、干涉、双折射等光学属性，将被测变量调制到光载波的特性参量上。这些“特性参量”可以是光载波的变化幅度、频率或相位以及光的偏振状态，甚至可以是光束的传播方向或介质折射率的变化。调制过程，一方面是使光辐射随时间作有规律的变化以形成载波信号（目前广泛应用的有机械的、光学的、声光、电光、磁光效应等各种方式。）；另一方面是使载波信号的一个或几个特性参量随被测信息改变。,2、解调将载荷着信息的光信号通过不同类型光电接收器转换成电信号，经过滤波放大等预处理后进入到解调器，在此将输入信号和调制器中作为调制基准的参考信号相比较，消除载波信号的影响，得到与被测参量成
9、比例的输出信号。这种光电信号的能量再转换和信号检波过程称作接收解调。解调的电信号可用常规的电子系统作进一步处理和数据输出，得到最终的测量结果。,光电检测系统分类,测量型 其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，可测参量包括几何量（长度、角度、形状、位置、变形、面积、体积、距离等）、运动参量（速度、转动、流量、振动、加速度等）、表面形状参量（工件粗糙度、疵病、伤痕等）、光学参量（吸收、反射、透射、光度、色度、波长和光谱等）、成分分析（物理属性、浓度、浊度等）、机械量（质量、应力、应变、压强等）、电磁量（电流、电场、磁场等）以及温度和放射线的测量等。该检测系统要求可靠的重复示值和可信度，并且要
10、有适用的数据处理能力和数据输出方式。,控制跟踪型 这是一种有光电检测能力的反馈控制系统。光电传感器是信号反馈单元，当它检测到受控目标相对平衡状态的偏差信号时，可通过闭环控制使目标相对基准实现伺服跟踪或恒值调节。它的主要应用包括军事和科学应用（激光制导、热定向、飞行物自动跟踪等）、工业应用（精密工作台的自动定位、自动加工、状态参量的极值控制以及有视觉能力的机器人等）。,图像分析型 它的功能是采集目标的二维或三维的光强空间分布，记录和再现目标的图像并进行判读、识别或图像的运算处理。在工业图形检测中，图像测量和分析主要依靠扫描或摄像装置采集光信号（如CCD摄像器件），同时进行空间时间和光量电量的变换
11、。其次还需要大容量图像存储器及图像处理软件。,三、光电器件,光电器件是光电技术的核心 定义：凡能探测某种电磁辐射（自射线到红外线）的各种电子器件，都应归入光电探测器件。一般只讨论在紫外、红外和可见光范围内感光并产生电信号的元件，称其为光电探测元件，简称光电器件。,光电器件依据的物理基础：主要是固体的光电效应，就是固体中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电学性质发生改变的现象。例如：光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应等。,这里强调“直接”两字，是因为：第一，固体中也有一些过程不是电子系统直接吸收光能，而是间接地把光信息转变成电信息。由于物体吸收光能，导致吸收物体的温度上升，
12、温度的上升再引起电子系统运动的改变，即引起物体的电学性质的改变。例如：金属或半导体的电阻随温度的变化，温差电偶两端的温度差引起的电动势，某些电介质的自发电极化随温度而变化等等。这些热效应都可以被用来制成性能良好的辐射探测器（被称作热敏型辐射探测器的这些器件）。虽然不属于光电器件的范畴，但其作用与光电器件的作用相同，因而也得到了广泛的应用。第二，我们的课程将只涉及光电器件，不涉及热敏型辐射探测器。,光电器件器件大都由半导体材料制成，也有用金属和其他材料制成的，光电器件与热敏型辐射探测器相比，有两个明显的特点：1、光电器件具有选择性的吸收，对不同波长的辐 射也就具有选择性的灵敏度。光电器件接收光谱
13、范围因制作光电器件所用的材料而异。热敏型辐射探测器的灵敏度与辐射波长无关。2、光电器件器件通常具有灵敏度高，惰性小，响应速度快，因此，具有很高的频率响应。热敏型辐射探测器的惰性强，响应速度慢，不能用于高变化的频率辐射的探测。,光电器件的主要用途：（1）用来察觉微弱光信号的存在和测量光信号的强弱，主要考虑的是器件探测微弱光信号的能力。（2）在自动控制中作为光电转换器，主要考虑的是光电转换效能。其他用途：作为测量用的光电池和和作为能源的太阳能电池。,四、光电技术的应用和发展,光学技术处理的是空间光强信息，它具有多维、并行、快速数据处理等能力。电子技术处理的是一维电量随时间的变化，它有较高的运算灵活
14、性和变换精度。光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征：有广泛的适用范围 能获取和处理各种光学信息以及可以转换为光信息的非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作参量。,有较高的信号检测能力能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输；检测所需的输入能量几乎不影响被测物的能量状态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强。有较强的信息运算能力可进行复杂信息的并行处理和多种形式的数学运算。运算速度高，空间互连效率高，抗干扰能力强，可调制变量多，信号变换灵活。,光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测量和控制、光电信息处理和光存储等的应用已遍及军事、科学研究、工业、农业、宇宙和环境科学和民用等各
15、个领域。特别是在生产领域中生产过程的视觉检查和制品加工自动化、各种性能参数的精密测试以及图形检测和分析判断等方面，光电技术将发挥重要作用。,第二节半导体物理基础,一、半导体的能带1、能带理论：晶体中的电子只能处于能带的能级上，且每一个能带中都有与原子总数相适应的能级数。2、泡利原理：在每一个能级上最多只能填充一个电子。即N为能级数。,3、半导体晶体能带图：,跟据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。满带：任何时间都填满电子数。价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。,二、半导体的类型
16、,1、I型半导体（本征半导体）：I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零度时，不受外界影响的情况下，导带没有电子，价带也没有空穴，因此不能导电。在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到导带，产生自由电子和空穴，构成导电载流子。,2、杂质半导体 对N型半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”。由能级图可见，施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的能量。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N型半导体具有较高的电导率。,3、P型半导体
17、 P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能。这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，对P型半导体具有较高的电导率。,（1）从半导体载流子的浓度考虑，若在无辐射时电子和空穴的浓度分别为n和p，则当np时，这种半导体称为P本征半导体；当np时，称为N型半导体；当np时，称为I型半导体。（2）能级特征,三、光辐射与半导体的相互作用,当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将跃迁到导带，产生新的电子空
18、穴对，形成非平衡载流子，从而提高材料的电导率。半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五种光吸收效应。,本征吸收 本征吸收是指电子在辐射作用下，从价带跃迁到导带的吸收。研究本征吸收时应考虑半导体的能带结构。如前所述，对直接带隙材料，电子所需的能量应大于或等于能隙Eg；而对间接带隙材料，电子除需要大于或等于能隙的能量外，还需要声子的能量。,杂质吸收 在半导体禁带内存在杂质能级时，在小于能隙能量的光子作用下，杂质能级和相应的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载流子电子或空穴。杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向，其光子能量应大于或等于所需的电离能。,载流子吸收 载流子浓度很大（）时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收激子和晶格吸收 指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库伦力相互作用形成电子和空穴的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。,思考题,分析说明本征半导体和杂质半导体导电的机理,
