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1、课程课程:光电检测原理与技术光电检测原理与技术 主选教材：光电检测技术主选教材：光电检测技术 作者：雷玉堂、王庆友作者：雷玉堂、王庆友 主讲：徐志洁主讲：徐志洁主要讲述：主要讲述：分分五部分（五部分（4848学时）学时）一、光电检测技术基础、概论一、光电检测技术基础、概论(2(2学时学时)第一章第一章二、各类光电与电光器件二、各类光电与电光器件 (6 6学时学时)第二五章第二五章*三、检测电路与微机接口三、检测电路与微机接口(1 14 4学时学时)六七章六七章复习（复习（1学时学时）期中考试（期中考试（1学时）学时）*四、光电变换检测技术与方法四、光电变换检测技术与方法 (1818学时学时)第
2、八九章第八九章五、典型应用五、典型应用 (2 2学时学时)第十章第十章总复习（总复习（2 2学时学时）习题课：习题课：（2学时学时）概述：概述：（0.5学时学时）一、一、辐射度量与光度量（辐射度量与光度量（0.3 学时）学时）二、二、半导体物理基础半导体物理基础 （1 学时）学时）三、三、光电效应光电效应 （0.2 学时）学时）第一部分第一部分 光电检测技术基础光电检测技术基础 （2 学时）学时）一、一、辐射度量与光度量辐射度量与光度量（一）（一）光辐射度量光辐射度量 辐射是一种能的形式。辐射是一种能的形式。它有电磁本质，它有电磁本质，又具有量子性质。辐射能及其引起的特性又具有量子性质。辐射能
3、及其引起的特性以以能量或有效的物理量来测量能量或有效的物理量来测量。（二）（二）光谱辐射度量光谱辐射度量为了表征辐射，不仅要知道辐射的总通为了表征辐射，不仅要知道辐射的总通量，还应知道其量，还应知道其光谱成分光谱成分。光源发出的。光源发出的光往往由许多波长的光组成。光往往由许多波长的光组成。引入引入光谱辐射度量：表示单位波长间隔内光谱辐射度量：表示单位波长间隔内的辐射度量。即的辐射度量。即在在到到+d+d 间隔内，间隔内，光谱辐射度量光谱辐射度量=辐射度量辐射度量/d d（三）（三）光度量光度量光度量是基于人眼视觉的光学参量，是人眼对相光度量是基于人眼视觉的光学参量，是人眼对相应辐射度量的视觉
4、强度值。应辐射度量的视觉强度值。1.光通量光通量=单位：单位：流明（流明（lm）式中，式中，Km为为辐射度量与光度量间的比例系数，辐射度量与光度量间的比例系数，V()为人眼的光谱光视效率。为人眼的光谱光视效率。Km=683 流明流明/瓦，瓦，它表示在它表示在=555nm、V()=1)=1处，处，1W=683 lm二、二、半导体物理基础半导体物理基础（一）（一）半导体半导体导电特性导电特性 （1）电阻温度系数一般为）电阻温度系数一般为负负，对温度很，对温度很敏感。敏感。（2）导电性能导电性能因掺入因掺入微量杂质微量杂质而十分显著而十分显著变化。变化。（3）导电性能）导电性能受热、光、电、磁受热、
5、光、电、磁等外界的等外界的影响发生重要的变化。影响发生重要的变化。（二二）能带理论及其类型能带理论及其类型1.1.原子中电子的能级原子中电子的能级（1）能能带带理理论论：原原子子中中的的电电子子只只能能处处于于能能带带的的能能级级上上，且且每每一一个个能能带带中中都都有有与与原原子子总总数数相相适适应的能级数。应的能级数。能级能级量子态量子态（2）泡泡利利原原理理：在在每每一一个个能能级级上上最最多多只只能能填填充充一个电子一个电子。根据能量最小原理，电子填充能带时，总是根据能量最小原理，电子填充能带时，总是从从最低的能带、最小能量的能级开始填充最低的能带、最小能量的能级开始填充。（三三）热平
6、衡载流子热平衡载流子热平衡：表征宏观性质的每一参数不随时间热平衡：表征宏观性质的每一参数不随时间变化变化f(E)f(E)：费米：费米狄拉克分布：电子占据某一能狄拉克分布：电子占据某一能量状态量状态E E的几率的几率。f(E)=1/(1+expf(E)=1/(1+exp（E-EE-EF F)/kT)/kT）当当E=EE=EF F时，时，f(E)=1/2 f(E)=1/2当当EEEEF F时，时，f(E)1/2 f(E)1/2当当EEE1/2 f(E)1/2电子浓度：电子浓度：n=N-exp(-（E-EF)/kT)空穴浓度：空穴浓度：p=N+exp(-（EF-E+)/kT)l本征半导体：本征半导体
7、：n=p=ni,np=ni 2 ni=（N+N-）1/2 exp（(-Eg)/2kT)（四四）非平衡载流子非平衡载流子1.1.半导体在半导体在热平衡热平衡时，时，n n、p p恒定，即恒定，即 n=nn=n0 0 ,p=p,p=p0 0 电子和空穴相遇电子和空穴相遇复合，复合，产生率复合率产生率复合率。2.2.在外界因素作用下，如在外界因素作用下，如受光照时，产生率受光照时，产生率 复复合率合率，使电子、空穴数增加，使电子、空穴数增加,n=nn=n0 0+n,p=pn,p=p0 0+p p非平衡载流子：非平衡载流子：n n、p p3.3.当光照当光照稳定稳定时，产生率较高，复合率随时，产生率较
8、高，复合率随n n、p p的增加而增加，的增加而增加，复合率产生率复合率产生率，系统达，系统达到新的稳定状态。到新的稳定状态。4.4.当当光照停止光照停止时，产生率下降，时，产生率下降，复合率复合率 产生率，产生率，n n、p p减少，复合率也下降，复合率产生率，减少，复合率也下降，复合率产生率，n=nn=n0 0 ,p=p,p=p0 0（光照前的）系统恢复到平衡状（光照前的）系统恢复到平衡状态。态。复合率复合率 n/n/p/p/描述复合的参数描述复合的参数寿命寿命 的物理意义：的物理意义：（1 1）n n、p p复合的快慢。复合的快慢。（2 2）为为n n（或（或p p）下降到原来的）下降到
9、原来的1/e1/e所需的所需的时间时间（3 3）为为n n（或（或p p）的平均存在时间。）的平均存在时间。所有所有n n存在的时间总和存在的时间总和/n n的总数的总数 （五五）载流子的运动（定向的）载流子的运动（定向的）扩散运动：扩散运动：载流子浓度不均匀时，由载流子浓度不均匀时，由热运热运动动使载流子从高浓度向低浓度使载流子从高浓度向低浓度运动运动。漂移运动：漂移运动：载流子在载流子在外加电场外加电场的作用下的的作用下的定向运动。定向运动。（六六）半导体对光的吸收半导体对光的吸收主要掌握：主要掌握：1.本征吸收本征吸收：从价带跃迁到导带的吸收。从价带跃迁到导带的吸收。长波限长波限0c h
10、/Eg=1.24/Eg (m)上式中上式中Eg 的单位的单位 为电子伏特（为电子伏特（eV）1 eV=1.6021892*10-*10-19 19（J）2.杂杂质质吸吸收收：其其光光子子能能量量应应大大于于或或等等于于所所需需的的电离能电离能Ei，即，即 杂质吸收所需光子的波长杂质吸收所需光子的波长 0c h/Ei （七）（七）半导体的半导体的PN结结计算通过计算通过PN结的电流（纯扩散电流）结的电流（纯扩散电流）只能计算一种载流子（空穴）：只能计算一种载流子（空穴）：I=Ip（xp）In（xp）=I0（exp qV/kT1）反向饱和电流反向饱和电流 I0=I0（T）上上式为式为PN结的伏安特
11、性公式，结的伏安特性公式，它是分析所有它是分析所有PN结器件的最基本的公式结器件的最基本的公式。三、光电效应三、光电效应*外光电效应：外光电效应：光电子发射光电子发射*光电效应光电效应 光电导效应光电导效应*内内光光电电效效应应 光光生生伏伏特特效效应应*（势势垒垒引引起）起）l 光电扩散效应（光电扩散效应（丹倍效应丹倍效应）l 光磁光磁电电效应效应 P.34-35 P.34-35光电发射的基本定律光电发射的基本定律（1）斯托列托夫定律斯托列托夫定律(光电发射第一定律光电发射第一定律)l当入射辐射的光谱分布不变时，当入射辐射的光谱分布不变时，入射辐射通量入射辐射通量越大（携带的光子数越多），激
12、发电子逸出光越大（携带的光子数越多），激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增加，所以流就增加，所以光电流正比于入射辐射通量，光电流正比于入射辐射通量，IK=SKK（2）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）l发发射射体体发发射射的的光光电电子子的的最最大大动动能能，随随入入射射光光频频率率的增加而线性增加的增加而线性增加，而与入射光的，而与入射光的强度无关强度无关（3）光电发射长波限（红限）光电发射长波限（红限）根据爱因斯坦公式根据爱因斯坦公式式中式中m为电子质量；为电子质量；为电子逸出后的最大为电子逸出后
13、的最大速度；速度；为入射光的频率；为入射光的频率；为普朗克常数为普朗克常数其值为其值为 ；为光电发射体的为光电发射体的逸出功。逸出功。当当 时时，逸逸出出电电子子无无动动能能，那那么么，就就不不会会产产生生光光电电发发射射，因因此此，光光电电发发射射存存在在长长波限波限PN结的光生伏特效应结的光生伏特效应 PN结受到光照时：光线足以透过结受到光照时：光线足以透过P P型半导体型半导体入射到入射到PN结，对于结，对于能量大于材料禁带宽度能量大于材料禁带宽度的光的光子，由于本征吸收，就子，由于本征吸收，就可激发出电子空穴对可激发出电子空穴对。内建电场把内建电场把N中的空穴拉向中的空穴拉向P区，把区
14、，把P中的电子中的电子拉向拉向N区。大量的积累区。大量的积累产生一个与内建电场产生一个与内建电场相相反反的光生电场，的光生电场，即形成一个光生电势差。即形成一个光生电势差。l在在PNPN结结两两端端通通过过负负载载RL构构成成的的回回路路中中，外外电电流流I与光生电流与光生电流Ip和和PN结结电流结结电流IJ之间的关系为之间的关系为l l由由PNPN结电流特性知，结电流结电流特性知，结电流 l所以所以 l 光生电压为光生电压为1.主要介绍基本结构、主要介绍基本结构、工作原理、基本参数工作原理、基本参数（0.5学时）学时）2.光电检测器件光电检测器件 （1 学时）学时）(1)真空光电探测器件：真
15、空光电探测器件：PMT*（0.5学时）学时）(2)半导体光电探测器件：半导体光电探测器件：光敏电阻光敏电阻、光电池光电池、光敏二极管光敏二极管、光敏三极管、光敏三极管（0.5 学时）等学时）等3.*各器件性能比较及应用选择各器件性能比较及应用选择（0.5学时）学时）第二部分第二部分 各类光电与电光元器件各类光电与电光元器件（4 学时）学时）光电倍增管的结构示意图光电倍增管的结构示意图l光电导型光电器件：光敏电阻光电导型光电器件：光敏电阻l光生伏型光电器件：光电池光生伏型光电器件：光电池l 光电二极管光电二极管l 光电三极管光电三极管1.光敏电阻不宜作定量检测元件，一般在光敏电阻不宜作定量检测元
16、件，一般在自动控制系统中用作光电开关。自动控制系统中用作光电开关。2.2.光电池光电池 (1)(1)太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）(2)(2)测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）等）第三章第三章 热电检测器件热电检测器件 一、一、热电热电偶、偶、热电堆热电堆热电热电偶：利用温差效应的器件偶：利用温差效应的器件热电堆热电堆：多个：多个热电热电偶串联，减小响应时间偶串联，减小响应时间开路电压开路电压UOC与入射辐射使金箔产生的温升与入射辐射使金箔产生的温升T的关系为的关系为 UOC=M12T(3-9)l式
17、中，式中，M12为塞贝克常数，又称温差电势率为塞贝克常数，又称温差电势率（V/）。）。使用热电偶的注意事项使用热电偶的注意事项（1）不许强辐射不许强辐射照射，照射，max几十微瓦几十微瓦（2）电流电流1/l为晶体内部自由电荷起中和作用的时间为晶体内部自由电荷起中和作用的时间l的情况下，一旦稳定，则无电荷的释放，即无的情况下，一旦稳定，则无电荷的释放，即无信号输出。信号输出。第四章第四章 发光与耦合器件（发光与耦合器件（0.5学时）学时）一、一、发光二极管发光二极管（LEDLED）工作原理工作原理电致发光电致发光当它处于当它处于正向工作正向工作状态时，（状态时，（P-正电，正电，N-负电），结区
18、势垒降低，有负电），结区势垒降低，有P-N的的空穴扩散及有空穴扩散及有N-P的电子扩散在的电子扩散在PN结结区复合发光。可发出区复合发光。可发出从紫外到红外不同从紫外到红外不同颜色颜色的光线，光的强弱与电流有关。的光线，光的强弱与电流有关。二、二、光电耦合器件光电耦合器件*l是是发光器件与光接受器件的组合器件。发光器件与光接受器件的组合器件。l特点：特点：具有电隔离（具有电隔离（欧）功能欧）功能信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；数字信号；具有抗干扰和噪声能力；具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹）响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹
19、），体积小，寿命长，使用方便；，体积小，寿命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；既有耦合特性，又有隔离功能；第五章第五章 光电成像器件光电成像器件 （0.5学时）学时）一、一、真空摄像机、变相管、像增强管真空摄像机、变相管、像增强管二、二、*电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）以电荷为信号以电荷为信号使用一种高感光度的使用一种高感光度的半导体半导体感光二极管感光二极管制成，能制成，能把光线转变成电荷把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以部的闪速
20、存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。1.光电信号检测电路设计光电信号检测电路设计（重点）（重点）缓变光信号检测电路设计缓变光信号检测电路设计 （4学时）学时）交变光信号检测电路设计交变光信号检测电路设计 （4学时）学时）光信号检测电路的噪声设计光信号检测电路的噪声设计 （2学时）学时）光信号的放大电路光信号的放大电路 （2学时）学时）第三部分第三部分 检测电路与微机接口检测电路与微机接口 （14学时）学时）第一节第一节缓变光信号检测电路
21、设计缓变光信号检测电路设计方法：静态计算方法：静态计算手段：图解法、解析法手段：图解法、解析法*电路：电路：恒流源型（恒流源型（PMT/反偏光电二极管反偏光电二极管/三极管三极管光伏型（光电池光伏型（光电池/反偏光电二极管）反偏光电二极管）可变电阻型（光敏电阻可变电阻型（光敏电阻/热敏电阻）热敏电阻）计算的参数计算的参数：转折点电压：转折点电压U0（确定线性工作区）（确定线性工作区）负载电阻负载电阻RL或偏置电压或偏置电压Ub 输出电压输出电压/电流变化电流变化U 或或 I 输出电功率输出电功率P第二节第二节 交变光信号检测电路设计交变光信号检测电路设计方法：动态计算方法：动态计算手段：解析法
22、手段：解析法*电路：交流电路：交流检测电路检测电路2.光电信号的数据采集与微机接口光电信号的数据采集与微机接口 （2学时）学时）二值化处理二值化处理 量化处理量化处理 单元光电信号的采集与接口单元光电信号的采集与接口 视频信号的采集与接口视频信号的采集与接口1、光电变换和检测技术（、光电变换和检测技术（8学时）学时）时变光电信号的直接检测时变光电信号的直接检测 （5学时）学时）时变光电信号的调制检测时变光电信号的调制检测简单光学目标的形位检测简单光学目标的形位检测 （3学时）学时）复杂光学图像的复杂光学图像的扫描检测扫描检测第四部分第四部分 光电变换检测技术与方光电变换检测技术与方 法（法（1
23、8学时）学时）（重点）（重点）2.光电信号的变换形式与检测方法光电信号的变换形式与检测方法（10学时）学时）几何变换的光电检测方法几何变换的光电检测方法（2学时）学时）物理变换的光电检测方法物理变换的光电检测方法（6学时）学时）光电编码器与条形码光电编码器与条形码（2学时）学时）1.光电测绘技术光电测绘技术（1学时学时）光电准直光电准直（0.5学时学时）光电测距光电测距光电测角光电测角（0.5学时）光电自动测图光电自动测图第五部分第五部分 典型应用典型应用 （2学时）学时）2.微弱信号检测技术（微弱信号检测技术（1学时）学时）锁相放大器锁相放大器*（利用相敏检波器）（利用相敏检波器）取样积分器（取样积分器（BOXCARBOXCAR平均器）平均器）光子计数系统光子计数系统3.光学传递函数检测技术光学传递函数检测技术(OTF)