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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光 电电 检检 测与信号处理技术是光学、光电子学和计算机技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、光电信息处理技术技术、光电信息处理技术基础：进年来兴起的光电子学基础：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，电能转化成光能下，如何使光能（光信息）
2、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。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。辐射的称为发射器件。光电技术的发展第一阶段：传统的光学装置及仪器，不能胜任对复杂光信第一阶段：传统的光学装置及仪器，不能胜任对复杂光信息高速采集和处理的要求。息高速采集和处理的要求。第二
3、阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器件及电路第二阶段：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、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，引人注目的器件目的器件CCDCCD就是一种将阵列化的就是一种将阵列化的光电探测光电探测与与扫描功能扫描功能
4、一一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控制，尤其是图像识别技术。像自动指纹识别系统（AFIS)AFIS)。第三阶段：光导纤维传感器的出现，为光电检测第三阶段：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。光纤检测可技术的小型化等开辟了广阔的前景。光纤检测可以解决传统检测技术难以解决或无法解决的许多以解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
5、重的工业过问题。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，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。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。与它的紧密结合，光电检测技术越来越
6、智能化。作为机器人的视觉系统已提到议事日程上。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的基本原理及信噪比计算光外差探测达到量子声限光外差探测达到量子声限 微弱信号检测技术微弱信号检测技术相关检测理论，锁相放大器、取样积分器、光学相关检测理论，锁相放大器、取样积分器、光学多通道分析仪多通道分析仪 参考书:1R,J，凯
7、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 1、光电系统的分类：广义的光电系统包括两个分、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、光电信息系统支，即光电能量系统、光电信息系统（1 1）光电能量系统：太阳能发电、激光加工、激）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医疗、激光核聚变等。主要是解决有关大功率光辐
8、射能量的产生、控制、利用及向其他能量形光辐射能量的产生、控制、利用及向其他能量形式的转换。式的转换。（2 2）光电信息系统：以光辐射和电子流为信息载体，）光电信息系统：以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，简称光电系显示、以实现确定目标的混合系统，简称光电系统。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
9、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
10、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特点是通过光电检测光电检测所有被研究的信息都将所有被研究
11、的信息都将通过各种效应（机、热、声、电、磁）调制到光通过各种效应（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，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。实现光学仪器的自动化。因此，光电检测作为因此，光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重要的意义。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。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光电检测系统中信
12、息必须经过两个基本的变换环节：节：1 1、调制：、调制：光辐射通过光学系统投射到被检测物体上，光辐射通过光学系统投射到被检测物体上，利用被检测物体对入射辐射的反射、吸收、衍射、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。这些载波的特性参量上。这些“特性参量特性参量”可以是光可以是光载波的变化幅度、频率或相位以及光的偏振状态，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
13、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、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。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。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
14、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测量型 其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，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、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、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（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）、收、反射、透射、光度、色度、波长
15、和光谱等）、成分分析（物理属性、浓度、浊度等）、机械量成分分析（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、（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，并且要检测系统要求可靠的重复示值和可信度，并且要有适用的数据处理能力和数据输出方式。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
16、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。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）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
17、入光电探测器件。一般的各种电子器件，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，简称光电电信号的元件，称其为光电探测元件，简称光电器件。器件。光光电电器器件件依依据据的的物物理理基基础础：主主要要是是固固体体的的光光电电效效应应，就就是是固固体体中中决决定定其其电电学学性性质质的的电电子子系系统统直直直直接接接接吸吸收收入入射射光光能能，使使固固体体的的电电学学性性质质发发生生改改变变的的现现象象。例例如如：光光电电子子发发射射效效应应、光光电电导导效效应应、光光生生伏特效应等。伏特效应等。这里
18、强调这里强调“直接直接直接直接”两字，是因为：两字，是因为：第第一一，固固体体中中也也有有一一些些过过程程不不是是电电子子系系统统直直接接吸吸收收光光能能，而而是是间间接接地地把把光光信信息息转转变变成成电电信信息息。由由于于物物体体吸吸收收光光能能，导导致致吸吸收收物物体体的的温温度度上上升升，温温度度的的上上升升再再引引起起电电子子系系统统运运动动的的改改变变，即即引引起起物物体体的的电电学学性性质质的的改改变变。例例如如：金金属属或或半半导导体体的的电电阻阻随随温温度度的的变变化化，温温差差电电偶偶两两端端的的温温度度差差引引起起的的电电动动势势，某某些些电电介介质质的的自自发发电电极极
19、化化随随温温度度而而变变化化等等等等。这这些些热热效效应应都都可可以以被被用用来来制制成成性性能能良良好好的的辐辐射射探探测测器器（被被称称作作热热敏敏型型辐辐射射探探测测器器的的这这些些器器件件）。虽虽然然不不属属于于光光电电器器件件的的范范畴畴，但但其其作作用用与与光电器件的作用相同，因而也得到了广泛的应用。光电器件的作用相同，因而也得到了广泛的应用。第第二二，我我们们的的课课程程将将只只涉涉及及光光电电器器件件，不不涉涉及及热热敏型辐射探测器。敏型辐射探测器。光光电电器器件件器器件件大大都都由由半半导导体体材材料料制制成成，也也有有用用金金属属和和其其他他材材料料制制成成的的，光光电电器
20、器件件与与热热敏敏型型辐辐射射探探测器相比，有两个明显的特点：测器相比，有两个明显的特点：1 1、光光电电器器件件具具有有选选择择性性的的吸吸收收，对对不不同同波波长长的的辐辐 射射也也就就具具有有选选择择性性的的灵灵敏敏度度。光光电电器器件件接接收收光光谱谱范范围围因因制制作作光光电电器器件件所所用用的的材材料料而而异异。热热敏敏型型辐辐射探测器的灵敏度与辐射波长无关。射探测器的灵敏度与辐射波长无关。2 2、光光电电器器件件器器件件通通常常具具有有灵灵敏敏度度高高，惰惰性性小小，响响应应速速度度快快，因因此此，具具有有很很高高的的频频率率响响应应。热热敏敏型型辐辐射射探探测测器器的的惰惰性性
21、强强，响响应应速速度度慢慢，不不能能用用于于高变化的频率辐射的探测。高变化的频率辐射的探测。光电器件的主要用途：光电器件的主要用途：（1 1）用来察觉微弱光信号的存在和测量光信号的强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。弱，主要考虑的是器件探测微弱光信号的能力。（2 2）在在自自动动控控制制中中作作为为光光电电转转换换器器，主主要要考考虑虑的的是是光电转换效能。光电转换效能。其其他他用用途途：作作为为测测量量用用的的光光电电池池和和和和作作为为能能源源的的太阳能电池。太阳能电池。四、光电技术的应用和发展四、光电技术的应用和发展光光学学技技术术处处理理
22、的的是是空空间间光光强强信信息息，它它具具有有多多维维、并并行行、快快速速数数据据处处理理等等能能力力。电电子子技技术术处处理理的的是是一一维维电电量量随随时时间间的的变变化化，它它有有较较高高的的运运算算灵灵活活性性和变换精度。和变换精度。光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征：光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征：有有广广泛泛的的适适用用范范围围 能能获获取取和和处处理理各各种种光光学学信信息息以以及及可可以以转转换换为为光光信信息息的的非非光光学学参参量量，包包括括探探测测机构内部或危险环境下的工作参量。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、非有较高的信号检
23、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。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，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，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。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
24、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：导带价带满带禁带禁带跟据能量最小原理，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
25、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
26、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三、光辐射与半导
27、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
28、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。载流子吸收载流子吸收载流子浓度很大（载流子浓度很大（）时，导带中的电）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非选择性吸收激子和晶格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，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。或由库伦力相互作用形成电子和空穴的能量。这这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。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