最新光電檢測(cè)器件的類型復(fù)習(xí)

1、光電檢測(cè)器件的類型光電檢測(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)器件探測(cè)器件熱電探測(cè)元件熱電探測(cè)元件光子探測(cè)元件光子探測(cè)元件外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型非放大型放放 大大 型型光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光磁電探測(cè)器光磁電探測(cè)器光生伏特探測(cè)器光生伏特探測(cè)器本征型本征型摻雜型摻雜型非放大非放大放大型放大型真空光電管真空光電管充氣光電管充氣光電管光電倍增管光電倍增管變像管變像管攝像管攝像管像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器光敏電阻光敏電阻紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器光電池光電池光電二極管光電二極管光電三極管光

2、電三極管光電場(chǎng)效應(yīng)管光電場(chǎng)效應(yīng)管雪崩型光電二極管雪崩型光電二極管光電器件分類及特點(diǎn)光子探測(cè)器光子探測(cè)器探測(cè)器探測(cè)器響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)。無波長選擇性，對(duì)可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短， 一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒4.1 4.1 光電器件的性能參數(shù)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)

3、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2222nslnlsnsiiririppnsnsnsiiiinslg20lg1022、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

4、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。()enepwsnr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）外光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體

5、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

6、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入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極的，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。光電倍增管光電倍增管(pmt)光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的一種光光

7、電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的一種光電探測(cè)器件。其光電轉(zhuǎn)換分為電探測(cè)器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射光電發(fā)射和和電子倍增電子倍增兩個(gè)過程。兩個(gè)過程。 把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子并使光電子獲得倍增獲得倍增的一種光電探測(cè)的一種光電探測(cè)器件。器件。光電倍增管使用注意要點(diǎn)光電倍增管使用注意要點(diǎn) 不宜用強(qiáng)光，容易引起疲勞不宜用強(qiáng)光，容易引起疲勞 額定電壓和電流內(nèi)工作額定電壓和電流內(nèi)工作 入射光斑尺寸和管子的有效陰極面尺寸向?qū)?yīng)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)載電阻不宜過大測(cè)交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜過大光電導(dǎo)效應(yīng)

8、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)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。部，不發(fā)生電子逸出。器件：器件：光敏電阻光敏電阻、由光敏電阻制作的、由光敏電阻制作的光導(dǎo)管光導(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、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：工作機(jī)理： 當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶當(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)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴

9、均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。小，電導(dǎo)增加。光敏電阻分類價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴eg價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴施主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：、暗電阻和暗電流： 光敏電阻在黑暗時(shí)的阻值稱為暗電阻，光敏電阻在黑暗時(shí)的阻值稱為暗電阻，一般情況下，暗電阻都大于一般情況下，暗電阻都大于10兆，受

10、光兆，受光照時(shí)的阻值稱為亮阻。暗阻與亮阻的比照時(shí)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，比值越值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈敏度越高。大，靈敏度越高。 8、前歷效應(yīng)：、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)。照明燈自動(dòng)控制電路k220v燈常閉cds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)溫差電效應(yīng)：溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)熱電偶和熱電堆熱電偶和熱電堆 電阻溫度效應(yīng)：輻射引起電阻率變化電

11、阻溫度效應(yīng)：輻射引起電阻率變化測(cè)輻射熱計(jì)測(cè)輻射熱計(jì)(bolometer)(bolometer) 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) ：輻射變化引起表面電荷變化：輻射變化引起表面電荷變化熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器 原理：原理：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱電效應(yīng)制基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱電效應(yīng)制作的器件。作的器件。入射輻射入射輻射- -器件溫升器件溫升- -材料參量變化。材料參量變化。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：大部分大部分不需制冷不需制冷、在很寬的光譜波段有平、在很寬的光譜波段有平坦的響應(yīng)兩大持點(diǎn)。坦的響應(yīng)兩大持點(diǎn)。 缺點(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

12、能是困難的。新型熱電探靈敏度高、響應(yīng)快的性能是困難的。新型熱電探測(cè)器測(cè)器熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器的出現(xiàn)及其近年來的發(fā)展，的出現(xiàn)及其近年來的發(fā)展，逐步解決了這一矛盾。逐步解決了這一矛盾。二、熱電探測(cè)器的特點(diǎn)二、熱電探測(cè)器的特點(diǎn) 起源：起源：18261826年年 紅外探測(cè)器件。紅外探測(cè)器件。 應(yīng)用：高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域。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)基本原理：基于溫差電第一效應(yīng)塞貝克效應(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，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，當(dāng)它們構(gòu)成回路時(shí)，如果兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不

13、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。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。許多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來即成為熱電堆。4.6.2 溫差電偶溫差電偶 三、熱電偶的基本參數(shù)三、熱電偶的基本參數(shù)1. 溫差電勢(shì)率溫差電勢(shì)率m 當(dāng)冷端開路時(shí)，開路電壓當(dāng)冷端開路時(shí)，開路電壓uoc與入射輻射產(chǎn)生的溫與入射輻射產(chǎn)生的溫升升t的關(guān)系為的關(guān)系為tmuocu原理：原理：吸收輻射吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。電阻的變化。u主要材料類型：金屬、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體。主要材料類型：金屬、半導(dǎo)

14、體和超導(dǎo)體。u共同點(diǎn)：都敏感于輻射，共同點(diǎn)：都敏感于輻射，光譜響應(yīng)基本上與光譜響應(yīng)基本上與入射輻射的波長無關(guān)入射輻射的波長無關(guān)。吸收輻射吸收輻射溫升溫升-電阻變化電阻變化熱敏電阻熱敏電阻在電子電路中的符號(hào)在電子電路中的符號(hào) 光電成像器件光電成像器件（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、攝像型。 直視型光電成像器件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(jiǎn)稱為像管。 攝像型光電成像器件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)

15、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。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

16、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)出可見光.攝像管 電視攝像過程是將兩維空間分布的光學(xué)圖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)。像轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間變化的視頻電信號(hào)。 步驟：步驟： 攝像管

17、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)。 一般攝像管一般攝像管應(yīng)具有的結(jié)應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)構(gòu)它主要由兩它主要由兩大部分組成大部分組成光電變換與光電變換與存貯部分存貯部分信號(hào)閱讀部信號(hào)閱讀部分。分。 1光電變換與存貯部分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)閱讀部分信號(hào)閱讀部分 閱讀部分掃