光电检测技术

光电检测技术与应用参考书目《光电检测技术》曾光宇等编著清华大学出版社《激光光电检测》吕海宝等编著国防科技大学出版社《光电检测技术》雷玉堂等编著中国计量出版社教材《光电检测技术与应用》郭培源编著北京航空航天大学出版社目录第一章绪论第二章光电检测技术基础2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量2.3半导体基础知识2.4光电效应第三章光电检测器件3.1光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数3.3半导体光电器件•光电导器件:光敏电阻•光伏器件:光电池/光电二极管/三极管3.4真空光电器件•光电管•光电倍增管3.5热电检测器件•热敏电阻•热电偶和热电堆•热释电探测器件第四章发光、耦合和成像器件4.1发光二极管4.2激光器4.3光电耦合器件4.4CCD第五章光电检测系统5.1直接光电检测系统5.2光外差光电检测系统5.3典型的光电检测系统第六章光纤传感检测第七章光电信号的数据采集与微机接口第八章光电检测技术的典型应用第一章绪论1.光电系统描述光是一种电磁波，电磁波谱包括：长波电震荡、无线电波、微波、光波（包括红外光、可见光、紫外光）、射线等。光波的波长范围为1mm-10nm,频率为3x1011-3x1016Hz,它是工作于电磁波波谱图上最后波段的系统，特点是波长短，频率高.(与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个量级，因此载波能量大，分辨率高，但易受大气的吸收等影响，传输距离受限，易遮挡）。光电系统的作用体现在如下三个方面1）在经典光学理论中，作为一种视觉的延伸，如经典的光学仪器。2）在信息光电子学中，光作为一种载体，能实现信息的传递和探测功能，如光探测系统、光通讯系统、光信息识别系统。3）在能量光电子学中，光作为一种能量系统完成特定的功能，如激光加工技术，武器系统等。光电检测技术以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。应用领域包括：1、工业检测（光电精密测试，光纤传感在线检测和机器视觉）2、日常生活：光电传感（自动对焦、路灯控制、图象传感）3.军事：激光（激光雷达）、红外、微光探测，定向和制导光电检测是信息时代的关键技术信息技术:（三大支柱）–感测技术、通信技术、人工智能与计算机控制技术。–信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。–本课程着重在光电检测的元器件、系统、方法和应用。光电检测技术光电传感器：–基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件–将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。光电检测系统：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量光电检测系统包括–光学变换–光电变换–电路处理光学变换–时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽（干涉、衍射）–空域变换：光学扫描（扫描盘）事实上是光学参量调制：光强、波长、相位、偏振–形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。光电变换–光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大–将光信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。电路处理–放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。)cos(tkzaE＝光电探测器的种类类型实例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池返回光电检测系统光电检测技术以现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电检测系统组成变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存储显示控制光学变换电路处理光电系统组成光电系统的组成也可描述为下列的三个部分：光发射机、光学信道、光接收机。根据光发射机的不同，光电系统可分为主动式和被动式两类。主动式：光发射机主要由光源和调制器组成被动式：发射机为被探测物体的热辐射，特点是隐蔽性高。光学信道：主要是指大气、空间、水、光纤等光传播过程中要经过的介质。光接收机：是指收集入射的光场并处理，恢复光载波的信息。光电检测系统的功能分类测量检查型:–几何量:长度、角度、位置、形变。–表面形状：光洁度、庇病、伤痕。–光学量：吸收、反射、透射、光谱。（色牢度）控制跟踪型–跟踪控制：激光制导，红外制导–数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制图象分析型–图形检测–图形分析光电检测技术的特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度：光速是最快的。远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。光电检测技术研究热点纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。小型、快速的微型光、机、电检测系统。微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。向人们无法触及的领域发展。光电跟踪与光电扫描测量技术。一、在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%光电检测技术的应用二、在日常生活中的应用家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器数字体温计：非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD医疗卫生：血糖测试仪三、在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。美国国家导弹防御计划---NMD四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方学习本课程的目的掌握光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点，了解光电检测技术的发展趋势。掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。掌握直接检测与外差检测的原理和区别。了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。本课程的学习内容光电检测器件的物理基础光电检测器件的工作原理和特性及其应用光电直接和外差检测系统光纤传感检测技术光电信号的数据采集与微机接口第二章光电检测技术基础光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应半导体基础知识导体、半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的输运过程半导体的光吸收PN结导体、半导体和绝缘体自然存在的各种物质(按分子间隙），分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。电阻率10-6~10-3欧姆•厘米范围内——导体电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体半导体的特性半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2/(欧姆•厘米))半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。本征和杂质半导体本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着（半导体的共价键结构，能带、电子、空穴对，载流子）。温度升高，导电能力增强，电子、空穴对在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。掺入的杂质可以分为施主杂质（磷）和受主杂质（棚）。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为多数载流子为电子的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为多数载流子为空穴的p型半导体。平衡和非平衡载流子处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子的产生光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法：电注入、高能粒子辐照等。载流子的输运过程产生、复合扩散漂移半导体对光的吸收物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收——由于光子作用使电子由价带跃迁到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发0//1.24/()1.24/gggggghEEhvchcEmEhcEE本征吸收的长波限杂质吸收和自由载流子吸收引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。1.24()daEE()daEEPN结将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。REPN结的伏安特性曲线对应表:半导体的物理效应:光电效应与光热效应是指单个光子的性质对产生的光电子直接作用，物体吸收光子后，直接引起原子或分子内部电子状态的改变，光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变，对光波频率有选择性，响应速度一般较快。光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应。光电效应包括外光电效应和内光电效应。外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物发生过程与发生条件内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应：当用适当