1、電子信息工程學(xué)術(shù)講座,光電檢測技術(shù)概述,白 華,2013.10.31,講座內(nèi)容,什么是光電檢測 光電檢測的基本原理及特點(diǎn) 典型的光電轉(zhuǎn)換器件 光敏器件的基本特性參數(shù) 光電檢測技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢,什么是光電檢測,光不僅傳輸能量，也是信息的載體,光通信,光纖傳感,光譜,生物發(fā)光,什么是光電檢測,光電轉(zhuǎn)換,電信號處理,信息獲取,利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測。將被測量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電信號，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成信息獲取。,信號光,電信號,被測物,探測光,光調(diào)制 （波長、幅度、相位）,采集、放大、濾波、 解調(diào)、A/D、接口等,光敏器件 光電效應(yīng),信號分析,光電檢測的基本原理及特點(diǎn),光

2、電效應(yīng),光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢等。這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。,光電效應(yīng),外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng),光伏效應(yīng),外光電效應(yīng)： 物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。,光電導(dǎo)效應(yīng)： 半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。,光生伏特效應(yīng)： 光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢。,光電檢測的基本原理及特點(diǎn),高精度：從地球到月球激光測距的精度達(dá)到1米。 高速度：以光速傳播。 遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測和遙感。 非接觸

3、式檢測：不改變被測物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測量。 壽命長：光電檢測中通常無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對被測物無形狀和大小要求。,光電檢測的基本原理及特點(diǎn),光電檢測技術(shù)的特點(diǎn),典型的光電轉(zhuǎn)換器件,光敏電阻 光電二極管 光電倍增管 電荷耦合器件,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,一、光敏電阻,光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。,黑暗條件下，阻值1M100M歐 強(qiáng)光條件下，阻值幾百到數(shù)千歐,光敏電阻實(shí)物圖,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,光敏電阻的結(jié)構(gòu),在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕

4、緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。,工作原理,黑暗環(huán)境里，電阻值很高。 當(dāng)受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電的空穴，形成電子空穴對。 半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目增加，使其電阻率變小，從而造成阻值下降。 入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，阻值也恢復(fù)原值。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,光敏電阻的特點(diǎn),光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）； 偏置電壓低，工作電流大； 動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測強(qiáng)光，也可測弱光； 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高； 無極性，既可加直流電壓，也可加交流電壓； 在強(qiáng)光照射下，光電響應(yīng)線性度較差 光電馳豫時(shí)間較長

5、，頻率響應(yīng)較差。,光敏電阻可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光控開關(guān)，路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸棧瑹艟叩裙庾詣?dòng)開關(guān)控制領(lǐng)域。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,光敏電阻的應(yīng)用,光暗時(shí)，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮； 光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。,例：照明燈自動(dòng)開關(guān)控制,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,光電二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。 與普通二極管一樣有一個(gè)PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。結(jié)構(gòu)不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多

6、，電極面積則盡量小。 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺一般小于1微米。,二、光電二極管,光電二極管實(shí)物圖,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,光電二極管工作原理,光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。 當(dāng)有光照時(shí)，光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對，稱為光生載流子。 光生載流子在反向電壓作用下參加漂移運(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大，從而實(shí)現(xiàn)電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,光電二極管的特點(diǎn),大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子

7、空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高了光敏二極管的靈敏度。 大反偏壓的施加，結(jié)電容減小，提高了器件的頻響特性。,因此，光敏二極管具有體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)光譜響應(yīng)覆蓋可見到近紅外區(qū)，被廣泛應(yīng)用于光電檢測。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,三、光電倍增管,光電倍增管是將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件。 由光陰極、倍增極和陽極構(gòu)成。,光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖,光電倍增管實(shí)物圖,K為光陰極，由光敏材料制成，如鎵砷化物、銦砷化鉀等； D1，D2，Dn為倍增級（打拿級），打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等 ； A為陽極；R為分壓電阻；-VH為偏置負(fù)高壓。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,待測光照射

8、由光陰極K，光陰極以一定的概率（量子效率）釋放電子。 光陰極釋放的電子在負(fù)高壓驅(qū)動(dòng)下加速撞擊第一倍增級D1（打拿級），濺射出數(shù)量更多的二次電子。 依此類推，前一個(gè)倍增級發(fā)出的次級電子在電壓驅(qū)動(dòng)下加速撞擊下一個(gè)倍增級，產(chǎn)生更多的次級電子，實(shí)現(xiàn)信號的放大。 陽極A接收最后一個(gè)倍增級發(fā)出的電子，轉(zhuǎn)換為電流或電壓。通常情況下，電流或電壓的大小與光信號的強(qiáng)弱成正比，從而實(shí)現(xiàn)弱光的探測。,光電倍增管的工作原理示意圖,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,對于不同強(qiáng)度的光信號，光電倍增管輸出的電信號的形式可分為以下兩種情況：,一般光照下光電倍增管輸出信號示意圖,弱光條件下光電倍增管輸出信號示意圖,電平測量,光子計(jì)數(shù)測量,典型

9、的光電轉(zhuǎn)換器件,光電倍增管的特點(diǎn),增益高，增益可達(dá)104108； 暗噪聲低，小于20電脈沖/秒； 響應(yīng)快，一般為120ns； 光譜覆蓋范圍廣，200nm1200nm。,光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高得多，可實(shí)現(xiàn)微弱光信號的檢測，被廣泛應(yīng)用于冶金、電子、機(jī)械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,四、電荷耦合器件（CCD）,CCD一般作為圖像傳感器應(yīng)用，可方便地將光學(xué)影像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。 CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。 CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。 C

10、CD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,CCD的基本結(jié)構(gòu),CCD的受光面上整齊排列（一維或二維）著大量微小的光敏元件，元件之間彼此獨(dú)立，每個(gè)光敏元件稱為一個(gè)像素。,對應(yīng)于每一個(gè)光敏元件（像素），都存在一個(gè)獨(dú)立的電荷存儲、轉(zhuǎn)移和輸出通道，其結(jié)構(gòu)如下圖：,光敏元件,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,CCD的工作原理,CCD的工作包括電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出四個(gè)部分。,1、電荷的產(chǎn)生,當(dāng)光照射CCD時(shí)，通過光敏元件的光電效應(yīng)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，電荷產(chǎn)生。,2、電荷的存儲,在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。 加正偏壓后，空

11、穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。 當(dāng)UG Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。 反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢阱所共有。 若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位

12、置。,電荷轉(zhuǎn)移示意圖,3、電荷的轉(zhuǎn)移,典型的光電轉(zhuǎn)換器件,在CCD轉(zhuǎn)移柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚瑢?shí)現(xiàn)電荷的定向傳輸。,3、電荷的轉(zhuǎn)移,4、電荷輸出,利用輸出二極管和外接電路，將電荷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵觥?典型的光電轉(zhuǎn)換器件,體積小，重量輕，功耗低，啟動(dòng)快，可靠性高，壽命長。 空間分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度。 光電靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬，紅外敏感性強(qiáng)，信噪比高。 高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有1520的殘象) 集成度高 可用于非接觸精

13、密尺寸測量系統(tǒng)。 有抗過度曝光性能。 有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計(jì)算機(jī)結(jié)合接口。,CCD的特點(diǎn),典型的光電轉(zhuǎn)換器件,CCD的應(yīng)用,線陣CCD,面陣CCD,CCD在工業(yè)、軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如在方位測量、遙感遙測、圖像制導(dǎo)、圖像識別等方面更呈現(xiàn)出其高分辨力、高準(zhǔn)確度、高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn)。,用于掃描儀,用于數(shù)碼相機(jī),光敏器件的基本特性參數(shù),響應(yīng)特性 噪聲特性 量子效率 線性度 工作溫度,光敏器件的基本特性參數(shù),一、響應(yīng)特性,1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率

14、,電壓響應(yīng)率 光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比 電流響應(yīng)率 光電探測器件輸出電流與入射光功率之比,光敏器件的基本特性參數(shù),一、響應(yīng)特性,2、光譜響應(yīng)度：響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的。探測器在波長為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比。,3、響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。,上升時(shí)間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。 下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。,光敏器件的基本特性參數(shù),一、響應(yīng)特性,4、頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。,光電探測器響應(yīng)

15、率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系,其中，S(f)是調(diào)制頻率為f 時(shí)的響應(yīng)率； S0是調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率； t = RC是時(shí)間常數(shù)。,當(dāng)調(diào)制頻率增大， S(f)下降到0.707 S0時(shí)，對應(yīng)的頻率為上限截止頻率。,由于光電探測器信號產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對光電探測器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。,光敏器件的基本特性參數(shù),二、噪聲特性,1、光電探測器常見噪聲,(1) 熱噪聲：即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。熱噪聲是白噪聲，存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無關(guān)。,(2) 散粒噪聲：由隨機(jī)入射到光探測器表面的光子，隨機(jī)逸出光陰極表面的光電子，隨機(jī)通過PN結(jié)區(qū)的載流子所引起。散粒噪

16、聲也具有白噪聲特性，在大多數(shù)光電探測器中具有支配地位。,光敏器件的基本特性參數(shù),(3) 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：在平衡狀態(tài)時(shí)，載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)存在起伏，這引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，形成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。,(4) 1/f 噪聲或低頻噪聲：低頻噪聲的功率近似與頻率成反比，多數(shù)器件的1/f 噪聲在200300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。,二、噪聲特性,1、光電探測器常見噪聲,光敏器件的基本特性參數(shù),二、噪聲特性,2、信噪比,信噪比是判定噪聲大小的重要參數(shù)，是負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比：,若用分貝（db）表示，為,光敏器件的基本特性參數(shù),二、噪聲特性,3、

17、噪聲等效功率(NEP),信噪比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測器件上的輻射通量（單位為瓦）。,一般一個(gè)良好的探測器件的NEP約為10-11W。 NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。,光敏器件的基本特性參數(shù),二、噪聲特性,4、探測率與歸一化探測率,探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù),由于NEP與檢測元件的面積Ad和放大器帶寬f 乘積的平方根成正比，為排除這個(gè)因素，定義歸一化探測率D*,D*與探測器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。,光敏器件的基本特性參數(shù),三、量子效率(),量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。 對理想的探測器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子（=1），但實(shí)

18、際上， 1。 量子效率與光譜響應(yīng)度S(f)和光子能量成正比，是一個(gè)微觀參數(shù)，其值愈高愈好。,光敏器件的基本特性參數(shù),四、線性度,線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。 在某一范圍內(nèi)探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范圍為線性區(qū)。 在光電檢測中，需確保輸入的信號強(qiáng)度處于探測器的線性區(qū)，以保證測量的準(zhǔn)確度。,光敏器件的基本特性參數(shù),五、工作溫度,工作溫度就是指光電探測器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。 光電探測器在不同溫度下，性能會(huì)有變化。例如，半導(dǎo)體光電器件的長波限和峰值波長會(huì)隨溫度而變化；熱噪聲會(huì)隨溫度的上升而增大。,光電檢測技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 日常生活 國防軍事 科學(xué)探索,光電檢測技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)生活的方方面面,光電檢測技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢,一、在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位、農(nóng)業(yè)選種育種 檢測是現(xiàn)代工程裝備的重要環(huán)節(jié)，在線自動(dòng)檢測有利于大幅縮減成本，提高檢測效率和準(zhǔn)確度。,在線檢查軸承/滾珠是否脫漏,在線檢查容器內(nèi)的液位,光電檢測