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1、光电测试技术,第1章 光电检测应用中的基础知识,1.熟悉辐射度量与光度量参量的意义。,立体角：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dA和球半径r平方之比。,(sr，球面度),光度量只在可见光区（380780nm)才有意义。,朗伯源：对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯源，又称为余弦辐射体。,朗伯余弦定律：朗伯源向空间规定方向单位立体角内辐射的通量和该方向与源表面法线方向的夹角的余弦成正比。,朗伯源辐射出射度与辐亮度的关系：,点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离的平方成反比。,照度与距离平方反比定律：
2、,2.熟悉光电检测器件的物理基础；,N型半导体：自由电子P型半导体：空穴,长波限：,绝对黑体：在任意温度条件下，对任何波长的入射辐射能的吸收比等于1的物体叫做绝对黑体，或简称黑体。,3.掌握光电检测中的基本定律；,基尔霍夫定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度。,普朗克辐射公式：黑体在绝对温度为T时、波长处的光谱辐射出射度：,维恩位移定律：,斯忒藩玻尔兹曼定律：,斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.6710-5Wm-2K-4,物体的光谱发射率：辐射体的光谱辐射出射度与处于相同温度的黑体的光谱辐射出射度之比。,结论：物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比。即强吸收体必然是
3、强发射体。,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的现象统称为光电效应。,光电效应：发射电子 导电率发生变化 产生光电动势,外光电效应,光电导效应,光生伏特效应,作业：1-1、1-2、1-3,4.了解噪声的类型，熟悉光电探测器的特性参数。,噪声的类型：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声,光电探测器的特性参数：响应率（灵敏度）噪声等效功率 NEP探测率与比探测率,第2章 光电检测中的常用光源,2.熟悉常见光源的原理，学会选择光电检测用光源。,光源：通常把发出可见光为主的物体。辐射源：把以发非可见光为
4、主的物体。,辐射光源：利用物体升温产生辐射的原理制成的光源。,太阳、黑体和白炽灯,一、辐射光源,1.熟悉光源的特性参数；,光源的特性参数：辐射效率、发光效率、光谱功率分布、空间光强分布、颜色、色温,白炽灯：灯丝（钨丝）在电源供电下炽热发光的器件。-连续光谱。,白炽灯的分类：真空白炽灯、充气白炽灯和卤钨白炽灯。,卤钨循环：蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时又分解成卤素和钨，这样，钨重新沉积在灯丝上，卤素被扩散到温度较低的灯泡壁区域，再继续与钨化合。,充气白炽灯,-氩、氮或氩和氮的混合气体,二、气体放电光源,气体放电光源：利用气体放电原理制成的光源。气
5、体放电原理：制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪，或金属蒸汽（汞、钠、铊、镝），这些元素的原子在电场作用下电离出电子和离子。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会激励出新的电子和离子。在碰撞过程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发。受激电子回到低能级时会发射出相应的辐射，如此不断进行，实现气体持续放电、发光。,气体灯：脉冲灯、原子光谱灯、汞灯,气体放电光源的特点：（1）发光效率高，比白炽灯高210倍（2）结构紧凑，耐震、耐冲击（3）寿命长，是白炽灯的210倍（4）光色范围大，如高压汞灯发光波长400500nm，低压汞灯为紫外灯，钠灯呈
6、黄色（589nm）,三、固体发光光源,利用电致发光现象制成的发光器件。场致发光屏、发光二极管,发光二极管的工作原理：,P型半导体与N型半导体接触时，由于载流子的扩散运动和由此产生内电场作用下的漂移运动达到平衡而形成PN结。在PN结上加正向电压，则促进了扩散运动的进行，即从N区流向P区的电子和从P区流向N区的空穴增多，于是有大量的电子和空穴在PN结中相遇复合，产生光子，光子朝各个方向运动，这就形成了结型发光。,发光二极管的优点：,(1)属于低电压、小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度，一般为3000cd/m2以上(2)发光响应速度极快，时间常数约为l0-610-9s(3)性能稳定，寿命长(4)
7、驱动简单，易于和集成电路匹配(5)单色性好，发光脉冲的半宽度为几十纳米(6)重量轻，体积小，耐冲击,四、激光器,特点：(1)极小的光束发散角，即方向性好或准直性好；(2)激光的单色性好，或相干性好；(3)激光的输出功率密度很高，即亮度高,受激辐射：激光是受激辐射的光放大。,激光产生的必要条件：粒子数反转、光泵、谐振腔,激光器的组成：工作物质、谐振腔和泵浦源。,全反镜,半反镜,分类：(1)气体激光器(2)固体激光器(3)染料激光器(4)半导体激光器,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。,红宝石激光器：发现最早，用途最广的晶体激光器,激光二极管：当自
8、发辐射所产生的光子通过半导体时，经过已发生过辐射的电子-空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子（受激辐射）。如果注入电流足够大，则会形成粒子数反转，以法布里-珀罗腔或分布布拉格光栅为谐振腔，进行受激辐射光的放大，从而发出激光。,作业：2-2、2-4、2-6,掌握结型光电器件的原理及特性，学会在系统中如何选择。,一、结型光电器件的工作原理,当有外界光辐射照射在结区及其附近时，入射光子能量=h禁带宽度Eg，激发产生电子-空穴对：光生电子、光生空穴。在内建电场的作用下光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，相当于PN结上加一个正电压，即半导体内部产生光生电动势，当连接外电路时，将有光生电流通过。,
9、流过负载RL的电流：,第3章 结型光电器件,光伏工作模式：工作在零偏置状态，PN结型光电器件产生光生伏特效应。-光电池光电导工作模式：工作在反偏状态，无光照时结电阻很大，电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。-光敏二极管、光敏三极管,光伏器件的伏安特性曲线,无光照时，光电流Ip=0，等效电路只起一个二极管的作用,有光照时，光电流Ip0，外电路电流为 I=ID-Ip，伏安特性下降,开路电压：I0时,短路电流：U0时,二、光电池,开路电压输出：非线性，灵敏度高短路电流输出：线性好，灵敏度低用途：开关测量（开路电压输出）；线性检测（短路电流输出）。,恒压源,三
10、、光电二极管,光电二极管工作于反向偏置条件下,PIN光电二极管：PN结间距增大，结电容减小，响应时间变短，频带展宽。,雪崩光电二极管（APD）：高反向偏压（100200V），使其接近击穿电压。灵敏度高；响应速度快。目前响应最快的一种光电二极管。,恒流源,集电结反偏，发射结正偏,光电转换：当光照在集电结的基极区时产生电子-空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成光生电流Ip=ESE。-类似光电二极管,光电流放大：在基极留下空穴，促使基极对发射极的电位升高，更有利于发射极中的电子经过基极而流向集电极，从而形成光电流Ic=Ip=ESE。随着光照增加，光电流也随之增加。,工作过程：光电转换光电
11、流放大,四、光电三极管,作业：3-2、3-5、3-6,光电耦合器件是发光器件与接收器件组合的一种元件，以光作媒介把输入端的电信号耦合到输出端光电耦合器。发光器件：发光二极管接收器件：光电二极管、光电三极管及光集成电路等。,五、光电耦合器件,第4章 光电导器件,1、掌握光敏电阻的原理及特性；,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叫做光电导效应。-光敏电阻,符号,暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值。暗电流：此时流过电阻的电流为暗电流。,亮电阻：光敏电阻在一定照度下的电阻值。亮电流：此时流过电阻的电流为亮电流。,2、熟悉光敏电阻的
12、偏置电路和应用。,（1）简单输入电路恒功率偏置电路（2）恒流偏置电路（3）恒压偏置电路,光电流：亮电流和暗电流之差。Photo current,光电导：,光电导灵敏度：,特点：(1)光谱响应范围宽，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度；(2)偏置电压低，工作电流大；(3)动态范围宽，即可测强光，也可测弱光；(4)光电导增益大，灵敏度高；(5)光敏电阻无极性，使用方便。,作业：4-1、4-4,分类：反射型、透射型（半透明光电阴极）。,能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常作为阴极，故又称为光电阴极。,掌握光电管与光电倍增管的原理及特性,第5章 真空光电器件,材料：Ag-
13、O-Cs、单碱锑化物、多碱锑化物(Sb-Na-K-Cs)、负电子亲合势光电阴极(NEA)、紫外光电阴极材料。,真空型：在光线的照射下，光电阴极发射光电子，光电子在电场的作用下被加速，并被阳极收集。,充气型：在光线的照射下，光电阴极发射光电子，光电子在加速向阳极运动中与气体原子碰撞，而使后者发生电离，电离产生的新电子数倍于原光电子。,一、光电管,二、光电倍增管,侧窗式：反射式光电阴极，采用鼠笼式倍增极结构；端窗式：透射式光电阴极（半透明），沉积在入射窗的内侧面。,入射窗口：,电子光学系统：使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极上。使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能
14、相等。,电子倍增系统(二次发射极D)：提供大的电子增益；电子聚焦。决定灵敏度最关键的部分。,阳极：收集光电子。管内电压最高的地方。,二次电子发射过程三个阶段：材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些受激电子称为内二次电子；内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动；到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。,二次发射系数（倍增系数）：二次发射的电子数N2与入射的一次电子数Nl的比值。,三、微通道板光电倍增管（MCP）,尺寸小，电流增益高，暗电流小，时间响应快,作业：5-2、5-7,光电倍增管的工作原理：光子透过入射窗口入射在光电阴极K上；光电阴极受光照
15、激发，表面发射光电子；光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子数就放大N次。经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流Ip，在负载RL上产生信号电压U0。,一、CCD图像传感器,CCD：电荷耦合器件(Charge Coupled Device),第7章 固体成像器件,当UUth时，半导体与SiO2界面上的电势变得非常高，将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层电子浓度超过空穴浓度，半导体由型变为型。,UG0时，空穴被排斥到远离栅极的一端，在Si表面留下一层不可移
16、动的受主离子，称为多数载流子的“耗尽状态”。偏压增加，耗尽区向内延伸。,1.MOS 光敏元的工作原理,CCD中电荷的存储和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。如果不断改变电极上的电压，就能使电荷可控地一位一位按顺序传输，即电荷耦合。,2.CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的传输。,3.CCD的组成：信号输入部分、电荷转移部分、信号输出部分。,信号输入部分作用：将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入方式：电注入、光注入。,信号转移部分：由一串紧密排列的MOS电容器构成。移位寄存器,信号输出部分作用：将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。,4.性能参数,转移效率：,转移损失
17、率：,当信号电荷转移n个电极后的电荷为Qn时，总转移效率为：,作业：7-1、7-3、7-4,电荷存储工作方式：,准备过程,(b)曝光过程,(c)再充电过程,光电流信号的存储是在第（b）步中完成的。输出信号是在第（c）步再充电过程中取出的。,输出的光电流：,二、自扫描光电二极管阵列SSPD,Self Scanned Photodiode Array,第9章 光导纤维与光纤传感器,1、了解光纤传感检测技术的原理和应用,光纤的传光原理：当入射角 时，光线不再进入包层，而是在光纤内不断反射并向前传播，直至从光纤另一端射出。,临界角：,纤芯、包层、外套,纤芯的折射率n1包层的折射率n2外套的折射率n3包
18、层的折射率n2。,孔径角：光束入射到光纤端面的临界角0。当0 时，光纤不满足全反射条件。,数值孔径NA(Numerical Aperture)：光纤孔径角的正弦与所处介质折射率的乘积。,数值孔径只决定于光纤的折射率，与光纤的尺寸无关。NA越大，光纤的集光能力越强。,2、掌握光纤的光波调制技术。,光纤传感器：通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出相应被测量。,功能性传感器：光纤作为敏感元件，既感知信息又传输信息。传感型 非功能性传感器：光纤只是信息传输介质，传感器要采用其它元件。传光型,调制类型：光强型
19、、相位型和偏振态型,光纤传感器的基本组成：光纤、光源、光电元件,相位型：调制的原理：利用外界因素变化引起光纤中传导光的相位变化，通过测定相位差，获得待测物理量的信息。,波长为光入射到长度为L、纤芯折射率为n1的单模光纤中，相对于输入端来说，输出光的相角为：,光强型：光纤微弯传感器：利用改变光纤的微弯状态，产生弯曲损耗的原理，实现对光强的调制。,偏振态型：利用某些外界物理量的变化，引起光纤中传输的偏振光的偏振态变化的原理所构成。,作业：9-1、9-3,光学多普勒效应：,P的运动速度为v，P的运动方向与PS的夹角为1，P的运动方向与PQ的夹角为2。,根据多普勒原理可得：,知道了发射频率和接收频率，
20、即可求得物体的运动速度,假若发射机与接收机之间的位置在不断变化，则接收机收到的信号与发射机发射的信号频率就不同，这一现象为多普勒效应。,信噪比（SNR）：,噪声系数(F)：,多级放大器的噪声系数：,结论：等效输入噪声电压的均方值等于输入噪声源电压的平方和。,前置放大器的噪声：,补充 光电信号的变换及检测技术,1、了解光电检测电路的噪声,2、掌握光调制技术,光调制：将信息加载到光载波上，并使光的参量（振幅、频率、相位等）发生变化的过程。,调制盘：调幅型：初生太阳式、棋盘式（空间滤波作用）调频型：由频率确定偏离量，由初相角确定目标所偏离的方位角。调相型：不能反映偏离的方位角,最佳源电阻,噪声匹配：,物理光学原理：利用干涉现象实现光调制 旋光现象：电场产生旋光、法拉第旋光 双折射 声光效应,克尔效应（二次电光效应）：折射率的变化与外电场强度的平方成正比泡克耳效应（一次电光效应）：折射率的变化与外电场强度的一次方成正比,旋光现象：偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象，即偏振方向发生旋转。,2、熟悉光电检测中各种常用电路的组成原理。,选频放大器：LC、RC相敏检波器相位检测器（鉴相器）鉴频器 脉宽鉴别器 积分、微分运算器锁相环及锁相放大器,
