最新1光电检测系统的基本工作原理

1光电检测系统的基本工作原理1光电检测系统的基本工作原理。

光电检测系统是指对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。

光电检测系统的基本组成及各部份的主要作用。

光电检测系统的组成：三要素：检测对象、光、光电变换。

能否使光束准确地携带所要检测量的信息，是决定所设计系统成败的关键光电检测技术的现代发展1）非接触化发展2）尽可能多的信息量3）集成化，智能化发展光电检测方法（1）.光信息携带的物理量可分为：光强型、频率型、相位型、脉冲型、偏振型、位置型等（2）.所用的光学现象分为：衍射法、干涉法、全息法、散射法、光谱法、莫尔条纹法、光扫描法等（3）从检测系统角度分为：直接作用法、差动法（差分法）、补偿法光辐射所带的信息如光强分布、时间、光谱能量分布、温度分布等由光电探测器转变成电信号测量出来2系统误差在检测过程中产生恒定不变的误差叫恒差或按一定规律变化的误差叫变差，统称为系统误差。

系统误差产生的原因有工具误差、装置误差、方法误差、外界误差和人身误差等随机误差在尽力消除并改正了一切明显的系统误差之后，对同一待测量进行反复多次的等精度测量，每次测量的结果都不会完全相同，而呈现出无规则的随机变化，这种误差称为随机误差。

灵敏度系统在稳态下输出量变化引起此变化的输入量变化的比值算术平均值：均方差或标准误差算术平均值的标准偏差均方差的标准误差σσ最大误差测量精度大误差测值出现的处理主要方法是：(1) 认真检查有无瞬时系统误差产生，及时发现并处理。

(2) 增加检测的次数，以减小大误差测值对检测结果的影响。

(3) 利用令人信服的判据，对检测数据进行判定后，将不合理数据给予剔除辐射度量（Radiometry）：能量的分布的强弱、时间、空间等特性辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量。

光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受，包括生理学、心理学在内。

1)辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳(J）例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能48000J。

(2)辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即8416.011==∑=NnnxNxσˆ0025.0)(11ˆ12=--=∑=NnnxxNσ00095.0===Nsxσσ00067.02==Nσσσxkxσ=∆%100⨯∆=xxJD(3)辐射通量或者辐射功率(Φ,P):定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。

4)辐射强度（I ）：定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即辐射强度描述了光源辐射的方向特性，且对点光源的辐射强度描述具有更重要的意义大多数光源向空间各方向的辐射强度是不均匀的。

辐射强度描述了光源在空间某个方向上发射辐射通量的大小和分布。

5)辐亮度 (L)：定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即辐射亮度与辐射强度有何区别 前者描述面光源，后者描述点光源。

6)辐射出射度 (M)：定义为离开光源表面单位面元的辐射通量，即 辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性 如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那么该面元可看作是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值上等于照射辐照度为了描述光源的光通量与辐射通量的关系，通常引入光视效能Ｋ，其定义为目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射通量之比，单位为lm/W 。

它度量了同样的辐射功率下人眼的不同亮度感觉。

照度和亮度的区别 不要把照度跟亮度的概念混淆起来。

它们是两个完全不同的物理量。

照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。

亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。

如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关辐射度学和光度学 区别：1.适用范围 辐射度学适用于整个电磁波谱。

光度学适用于可见光波段。

2.参量性质不同 辐射度学量是客观物理参量。

光度学量生理量，由人眼感觉确定 联系：1.都是描述光辐射的强弱。

2.所用物理符号一一对应. 朗伯余弦定律 朗伯体反射或发射辐射的空间分布可表为 按照朗伯辐射体亮度不随角度θ 变化的定义 即 即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立 体角内发射(或反射)的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角α的余弦成正比——朗伯余弦定律。

2. 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系图2-9，极坐标对应球面上微面元dA 的立体角为： 设朗伯微面元dS 亮度为L ，则辐射到dA 上的辐射通量为在半球内发射的总通量P 为按照出射度的定义得2.3 光电检测器件的特性参量（上）利用光电效应，把入射到物体表面的辐射能变换成可测量的电量 （下）利用热电效应，反映入射光辐射量dQ w dv=dQ dtΦ=2cos cos d dIL d dA dA θθΦ==Ωd M dAΦ=00()()()m e V m eeK V d K K V d λλλλλ∞∞ΦΦ===ΦΦ⎰⎰2cos d P L dAd θ=Ω0cos I I L dA dA θθ==0cos I I θθ=2sin dAd d d r ααϕΩ==⋅2cos sin d P L dsdd αααϕ=2/20cos sin P Lds d d Ldsππϕαααπ==⎰⎰PM Ldsπ==光磁电效应与霍尔效应 光磁电效应中在磁场作用下移动的是电子空穴对，而霍尔效应中移动的是自由电子。

2）针对材料不同，一个是半导体材料，一个是导体材料。

3）使用情形也不一样，一个需要光照，一个不需要响应度定义为单位辐射度量产生的电信号量，记作R ，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度。

对应不同辐射度量的响应度用下标来表示对辐射通量的电流响应度(AW-1) 对辐照度的电流响应度(AW-1m2) 对辐亮度的电流响应度(AW-1m2Sr)探测器的响应度一般是波长的函数。

与上面定义的积分响应度对应的光谱响应度为光磁电效Φ=Φ/I R EI R E /=LI R L /=积分响应度和光谱响应度的关系为探测器的辐射通量光谱电流响应度为:对于光电探测器，由于受到材料能带之间的间隙——禁带宽度Eg的限制，响应波长具有长波限，最大响应波长为任何虚假的和不需要的信号称为噪声。

噪声总是伴随着测量信号存在测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的过程研究噪声的目的：探讨系统探测信息的极限，以及在系统设计中如何抑制噪声以提高探测本领。

噪声的分类及性质外部干扰噪声:人为干扰噪声的和自然干扰噪声。

人为干扰：电器、电子设备的干扰噪声。

如焦距测量仪在日光灯下，人的走动对干涉仪的光程影响。

自然干扰：大气和宇宙间的干扰，雷电、太阳等。

如光电导盲器在太阳下受的干扰。

可采用适当的屏蔽、滤波等方法减小或者消除。

内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。

人为噪声：工频干扰和寄生反馈造成的自激干扰。

如工频交流电（50Hz)、测试仪器的散热风扇引起的光路变化。

合理的设计和调整将其消除或者减小到允许范围。

固有噪声：光电探测器中光子和带电粒子不规则运动造成的。

散粒噪声、热噪声、产生-复合噪声、1/f 噪声、温度噪声，不可消除实际中，满足测量系统工作性能的前提下，尽可能减小频带宽度。

一种方法是利用固定频率对信号进行控制，如锁频技术；另一种是增加信号的积分时间，缩小测量系统的频带。

信号电流与噪声电流的均方根值之比——信噪比，作为表征探测系统探测能力和精度的一个十分重要的指标，记作SNR。

噪声等效功率是探测器产生与其噪声均方根电压相等的信号所需入射到探测器的辐射功率，即信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率()()()() , () ,()()()()E LI I IR R RE LλλλλλλλλλΦ===Φ()()()()()(), ,()()()E LE LR d R E d R L d IR R Rd E d L dλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλΦΦΦ====ΦΦ⎰⎰⎰⎰⎰⎰()()()()()1239.8I qRhcληλληλλλλΦ===Φmax1.24/1.24/()gg AEE Eλ⎧⎪=⎨+⎪⎩内光电效应外光电效应2s NSNR I I=221KN kkI I==∑2NIΦ引入NEP的倒数探测率D来表示探测器的探测能力3按照发光机理，光源又可以分成热辐射光源、气体发光光源、固体发光光源和激光器四种。

1）热辐射光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。

包括白炽灯和卤钨灯两种。

2）气体发光光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源。

气体放电有弧光放电和辉光放电两种。

3）固体发光光源：电场作用下，使固体物质发光的光源，电能直接转变为光能。

包括场致发光光源和发光二极管（LED）两种。

4）激光器：按工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、燃料激光器和半导体激光器一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要，光源发光光谱与探测器的光谱响应要匹配光源选的基本要求主要包括哪三个方面1.对光源发光光谱特性的要求2.对光源发光强度的要求3.对光源稳定性的要求人工光源按照其工作原理大致分为热光源、气体放电光源、固体光源和激光光源热光源三大特点1.发光特性（光谱分布、出射度、亮度）可以用普朗克公式估算。

2.发出连续光谱，谱宽很宽，适应性强3. 大多属于电热型，可以通过控制输入电量控制发光特性。

作用：1.一般光电检测的光源（白光干涉）2.光（辐射）度量中做标准光源或标准辐射源，计量标准传递。

激光方向性好、高单色性和高亮度三个重要特性特点：极小的光束发散角激光的单色性好；激光的输出功率密度很高激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。

气体激光器 氦氖激光器要输出波长有0.6328μm 、1.15μm 和339μm ，氩离子激光器它的输出波长有多个，功率主要集中在0.5145μm 和0.4880μm 两条谱线 二氧化碳激光器输出谱线波长分布在9～11μm ，通常10.6μm固体激光器 红宝石激光器694.3 nm 玻璃激光器1.06μm 波长YAG 激光器1064 nm固体激光器运行方式多样：连续，脉冲，调Ｑ，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式； 结构紧凑，寿命较长，稳定可靠； ＮＤ：ＹＡＧ，红宝石，钕玻璃激光器 半导体激光器0.84μm激光器除可作为检测光源外．还有着广泛的应用，其它主要用途有：(1)激光用作热源。