1、光電檢測(cè)器件的類型,光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件. 光電檢測(cè)器件分為兩大類: 光子(光電子)檢測(cè)器件 熱電檢測(cè)器件,探測(cè)器件,熱電探測(cè)元件,光子探測(cè)元件,外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng),非放大型,放 大 型,光電導(dǎo)探測(cè)器,光磁電探測(cè)器,光生伏特探測(cè)器,本征型,摻雜型,非放大,放大型,真空光電管,充氣光電管,光電倍增管,變像管,攝像管,像增強(qiáng)器,光敏電阻,紅外探測(cè)器,光電池,光電二極管,光電三極管,光電場(chǎng)效應(yīng)管,雪崩型光電二極管,光電器件分類及特點(diǎn),4.1 光電器件的性能參數(shù),響應(yīng)特性 噪聲特性 量子效率,一、響應(yīng)特性,響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測(cè)器輸出電信號(hào)與輸入光信

2、號(hào)之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的 響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率,響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)（如圖）。 脈沖響應(yīng)特性 上升時(shí)間tr：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。10%90% 下降時(shí)間tf ：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。 90%10%,、信噪比,信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。 是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比 若用分貝（dB）表示，為,、噪聲等效功率(NEP),定義：光電器件輸出的信號(hào)電壓有效值等與噪聲方均根電壓值時(shí)的入射光功率 這時(shí)，投射到探

3、測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測(cè)器本身的噪聲電壓（或電流） 一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。 NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。,第二節(jié) 光電發(fā)射器件,光電發(fā)射效應(yīng)：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。,一、光電效應(yīng)及元件,用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串具有能量（每個(gè)光子能量的大小等于普朗克常數(shù)h乘以光的頻率，即E=h）的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 分類： 外光電效應(yīng) 光導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng),（一）外光電

4、效應(yīng),外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 元件：紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。,E=h=m2/2 +A,1光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面逸出功。每種物體都有相對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率，用0表示。 0=A/h 若入射光的頻率小于紅限頻率，光子的能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因此小于紅限頻率的入射光，光再強(qiáng)也不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。反之，若入射光的頻率高于紅限頻率，即使光強(qiáng)微弱，也會(huì)使照射的物體有光電子發(fā)射出來。,E=h=m2/2 +A,2當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)度成正比。光愈強(qiáng)，意味著入射的光子數(shù)目越多，逸出的光電

5、子數(shù)也就越多。 3光電子逸出物體表面時(shí)的初動(dòng)能決定于入射光的頻率。對(duì)于一定的物質(zhì)，電子逸出功A是一定的，所以光子的能量h越大，則電子的初動(dòng)能越大。,光電倍增管及其基本特性,由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽極是最后用來收集電子l;k,的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。,光電倍增管(PMT),光電倍增管是利用外光電效應(yīng)

6、制成的一種光電探測(cè)器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個(gè)過程。 把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種光電探測(cè)器件。,光電倍增管使用注意要點(diǎn),不宜用強(qiáng)光，容易引起疲勞 額定電壓和電流內(nèi)工作 入射光斑尺寸和管子的有效陰極面尺寸向?qū)?yīng) 電場(chǎng)屏蔽和磁屏蔽 測(cè)交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜過大,光電導(dǎo)效應(yīng),定義：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。,內(nèi)光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生的自由電子停留在物體內(nèi)部，不發(fā)生電子逸出。,器件：光敏電阻、由光敏電阻制作的光導(dǎo)管。,分類：本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng),光敏電阻,利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)器件，也稱光敏電阻。 光敏電阻材料：主要是硅

7、、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。,工作機(jī)理：,當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。,光敏電阻分類,本征型用于可見光長波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。,本征型：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。,雜質(zhì)型：對(duì)于型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能時(shí)，將施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。,7、暗電阻和暗電流： 光敏電阻在黑暗時(shí)的阻值稱為暗電阻，一般情況下，暗電阻都大于10兆，受光照時(shí)

8、的阻值稱為亮阻。暗阻與亮阻的比值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈敏度越高。 8、前歷效應(yīng)：,光敏電阻的應(yīng)用,基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。 基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路 基本原理：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)。,三種主要的熱電效應(yīng),溫差電效應(yīng)：溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 熱電偶和熱電堆 電阻溫度效應(yīng)：輻射引起電阻率變化 測(cè)輻射熱計(jì)(Bolometer) 熱釋電效應(yīng) ：輻射變化引起表面電荷變化 熱釋電探測(cè)器,原理：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱電效應(yīng)制作的器件。 入射輻射-器件溫升-材料參量變化。 優(yōu)點(diǎn)：

9、大部分不需制冷、在很寬的光譜波段有平坦的響應(yīng)兩大持點(diǎn)。 缺點(diǎn)：探測(cè)率較低和時(shí)間常數(shù)較大。要同時(shí)獲得靈敏度高、響應(yīng)快的性能是困難的。新型熱電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器的出現(xiàn)及其近年來的發(fā)展，逐步解決了這一矛盾。,二、熱電探測(cè)器的特點(diǎn),起源：1826年 紅外探測(cè)器件。 應(yīng)用：高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域。 基本原理：基于溫差電第一效應(yīng)塞貝克效應(yīng)。兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當(dāng)它們構(gòu)成回路時(shí)，如果兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。只要兩觸點(diǎn)間的溫差不變，溫差電動(dòng)勢(shì)將得到保持。 許多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來即成為熱電堆。,4.6.2 溫差電偶,三、熱電偶的基本參數(shù),1. 溫差電勢(shì)率M 當(dāng)冷端開路

10、時(shí)，開路電壓UOC與入射輻射產(chǎn)生的溫升T的關(guān)系為,通常半導(dǎo)體材料構(gòu)成的熱電偶比金屬材料的溫差電勢(shì)率高（鉍和銻溫差電勢(shì)率為100V/C，而半導(dǎo)體熱電偶可達(dá)500V/C ）,式中，M為塞貝克常量，也稱溫差電勢(shì)率，單位為V/,原理：吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。 主要材料類型：金屬、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體。 共同點(diǎn)：都敏感于輻射，光譜響應(yīng)基本上與入射輻射的波長無關(guān)。,吸收輻射溫升-電阻變化,熱敏電阻 在電子電路中的符號(hào),光電成像器件（Photoelectronic Imaging Devices）,定義：一類能夠輸出圖像信息（圖像或視頻信號(hào)）的功能器件，也稱為光電圖像傳感器 。 分類：直視型、

11、攝像型。 直視型光電成像器件 具有圖像的轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、顯示等功能部件和高真空管殼，通常簡稱為像管。 攝像型光電成像器件 將二維空間的光強(qiáng)分布（光學(xué)圖像）轉(zhuǎn)換為一維時(shí)序電信號(hào)，不直接輸出圖像（只有對(duì)時(shí)序電信號(hào)進(jìn)行再處理后才可獲得目標(biāo)圖像）。,光電成像器件的分類,變像管 直視型： 像管 像增強(qiáng)器 光電發(fā)射型 光電成像器件 電真空攝像管 光電導(dǎo)式 熱釋電攝像guan 攝像型： 電荷耦合器件 固體攝像器件 CMOS圖像傳感器 紅外焦平面陣列器件,像管 變像管像增強(qiáng)管,一、典型結(jié)構(gòu)與工作原理,物鏡,目鏡,陰極,陽極,熒光屏,目標(biāo)物所發(fā)出某波長范圍的輻射通過物鏡在半透明光電陰極上形成目標(biāo)的像，引起光電發(fā)射。

12、陰極面每一點(diǎn)發(fā)射的電子束密度正比于該點(diǎn)的輻照度。這樣，光陰極將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電子束密度圖像。通過陽極的電子透鏡作用，使陰極發(fā)出的光電子聚焦成像在熒光屏上。熒光屏在一定速度的電子轟擊下發(fā)出可見的熒光，最終，在熒光屏上便可得到目標(biāo)物的可見圖像。,變像管：光陰極面上的材料紅外或紫外光線敏感； 像增強(qiáng)管光陰極面上的材料微弱可見光敏感。,像管成像物理過程,1.輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換:利用外光電效應(yīng).光敏面采用光電發(fā)射型材料.發(fā)射的電子流分布正比于人射的輻射通量分布.由此完成輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像的過程. 2.電子圖像增強(qiáng):電場(chǎng)加速 或微通道板中二次電子發(fā)射. 3電子圖像的發(fā)光顯示高能電子轟擊熒光屏,發(fā)出可見

13、光.,攝像管,電視攝像過程是將兩維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間變化的視頻電信號(hào)。 步驟： 攝像管的光敏元件接受輸入圖像的輻照進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將兩維空間分布的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮删S空間分布的電量； 攝像管的電荷存貯元件在一幀的周期內(nèi)連續(xù)積累由光敏元件產(chǎn)生的電量，并保持電荷量在空間的分布。這一存貯電荷的元件稱之為靶； 攝像管的電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描的電子束，在一幀的周期內(nèi)完成全靶面的掃描。逐點(diǎn)掃描的電子束到達(dá)靶面的電荷量與靶面貯存的電荷量相關(guān)，因此掃描電子束的電流被靶面電荷量所制，從而在輸出電路上即可得到視頻信號(hào)。,一般攝像管應(yīng)具有的結(jié)構(gòu) 它主要由兩大部分組成 光電變換與存貯部分 信號(hào)閱讀部分。,1光電變換與存貯部分 (1) 光電變換部分 構(gòu)成：光敏元件。 根據(jù)材料分類： 光電發(fā)射體 光電導(dǎo)體視像管。 (2)電荷存貯與積累部分 幀周期內(nèi)要求信號(hào)不能漏走存貯元件具有足夠的絕緣能力。 2信號(hào)閱讀部分 閱讀部分掃描電子槍系統(tǒng),莫爾條紋測(cè)長儀,兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺(tái)固定一塊為長光柵工作臺(tái)前后移動(dòng)的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進(jìn)