光电探测器第一组

光电系统设计
光电探测器
成员：
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光电探测器
光电探测器原理介绍 光电探测器参数特性 光电探测器分类 几种常见的光电探测器 光电探测器应用

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定义
• 光电探测： 光辐射流照射到物体表面，将被测信息转 换为光信号变化，再转化为电信号进行处理分 析的技术。
光信号电信息，检测
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4
1 光电效应
IO SI Pi
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2.1 响应特性
② 光谱灵敏度：
探测器在波长为 λ 的单色光照射下，输出电压或电 流与入射的单色光功率之比。 Vo ( ) I o ( ) S I ( ) SV ( ) Pi ( ) Pi ( )
③ 积分灵敏度：
探测器输出电压或电流与入射总光通量之比。

Δmax：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差 ； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。
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2.5 工作温度


工作温度是指光电探测器处于最佳工作状态时的 温度。 光电探测器在不同温度环境下，性能有变化。例 如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温 度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度 而变化。 器件的各种参量差不多都 与温度有关，但其中受温度影 响最大的是暗电流。暗电流大 的器件，容易受温度变化的影 响，而使电路工作不稳定，同 时噪声也大。
Pi 10 lg L Po
(单位：dB/km)
损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。 损耗的种类 •吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用； •散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷； •其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。
部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。
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3 光纤传感器
I /q S ( ) ( ) h P / h q
I/q ：每秒产生的光子数；P/hυ：每秒入射的光子数。
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2.4 线性度

线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保 持线性关系的程度。

在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范 围为线性区。
非线性误差： δ ＝ Δmax / ( I2 – I1)
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小结
光电器件 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光电池 光谱响应 紫外到红外 紫外到红外 可见光到红 外 可见光至红 外 灵敏 线 度 性 高 好 很高 很 好 高 低 很 差 一 般 伏安特 外加 暗电 性 电压 流 饱和型 饱和型 电阻型 光伏型 高 小 很高 小 高 很大 输出 电流 很小 小 大 很大 时间 常数 小 很小 很大 大 噪声 特性 高 很高 低 低
2.1 响应特性
⑤ 频率响应：
光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特 性称为频率响应。
S0 S( f ) S0 为频率为零时的灵敏度； 2 1/ 2 [1 ( 2 f ) ]
为时间常数（等于RC）。
S( f ) 为频率为f 时的灵敏度；
1 fc 2 2 RC
时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。
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1 光电效应
2. 光敏三极管：两个PN结，具有电流放大作用
N
c e E
P
N
RL
光敏三极管基极电流不仅受基极电压控制，还受光照控 制。当有光照射时，在集电结附近产生光生电子-空穴对，在 内建电场作用下，电子流向集电极，空穴流向基极，相当于 外界向基极注入了控制电流。而基极、集电极、发射极又构 成一个具有放大作用的三极管，完成光电流的放大。
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4 光栅传感器
利用光栅的条纹测量位移的传感器。传感器由标尺光 栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光 栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的 明暗相间的莫尔条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移 动，并直接照射到光电元件上，在输出端得到一串电脉冲 ，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出， 直接显示被测的位移量，具有较高的测量精度。

若用分贝（dB）表示，为
S N
2 I IS S 10 lg I 2 20 lg I N N
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2.3 量子效率



量子效率（）：在某一特定波长上，每秒钟内 产生的光电子数与入射光量子数之比。 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子 或产生一对电子空穴对， 即=1；但实际上，一 般光电元件 <1。 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。
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4 光栅传感器

光电效应包括外光电效应和内光电效应。
5
1 光电效应
外光电效应：材料受到光照后，向外发射电子的现象。 1. 光电管 由光电阴极K和阳极A组成。 K接电源负极，A通过负载电阻 RL接电源正极。 2. 光电倍增管 由光电阴极K、倍增极D和阳极A组成。经过倍增极放大 的电子被阳极收集，形成阳极电流 I A I K n I K ，在负载 电阻RL上产生信号电压Uo。( N 2 / N 1 —— 二次发射系数)



热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声 暗电流噪声
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2.2 噪声特性
散粒噪声



入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从 光电阴极表面逸出也是随机的，PN结中通过结区 的载流子数也是随机的，由此产生的噪声。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光 电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。 例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要 原因。
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1 光电效应
3. 光电池：比光敏二极管的PN结面积大
P
- + - + - +
N
当光照射PN结时，结区附近产生光生电子-空穴对，结果 在PN结两端产生电位差。用可见光作光源。
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1 光电效应

应用
光电 池组
蓄电 池
直流 负载
逆变 器
交流 负载
有光照时光电池组发电，为负载供电，并对蓄电池充电。 无光照时，蓄电池向负载供电。二极管的作用是防止无光照 时，蓄电池通过光电池组放电。
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1 光电效应
光电二极管控制路灯
RP
U CC
K
A
V1
R1
R2
VD2
路灯 K 1
V2
VD1
晚上无光照时，流过VD的电流很小，A点电位升高，V1和 V2都导通，继电器K通电，常开触点K1吸合，路灯点亮。
白天有光照时，流过VD的电流增加，A点电位降低，V1和 V2均截止，继电器K断电，常开触点K1断开，路灯熄灭。
色散
光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加， 由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的 大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长 成分传输同样距离而产生的时间差。
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3 光纤传感器
特点：
结构简单，体积小，功耗低； 灵敏度较高； 容易实现对被测信号的远距离监控； 几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤 传感器； 可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等 ）的器件； 电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，可以用于高压、电气 噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境； 耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
I Nsh 2qI DC f
q为电子电荷量；I DC 是电流的直流分量； f 是噪声带宽。
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2
2.2 噪声特性
噪声的评价 信噪比SNR

信噪比是判定噪声大小的参数，是负载电阻上信 号功率与噪声功率之比。
2 2 P I R I S S L S S 2 2 N PN I N RL I N
2.2 噪声特性


噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对 信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系 统的噪声所限制。所以在精密测量、通信、自动 控制等领域，减小消除噪声是十分重要的问题。
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2.2 噪声特性 光电探测器常见的噪声
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1
2.2 噪声特性

在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并 不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它 实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。
1 I i T


T
0
i (t )dt
用均方噪声来表示噪声值大小
1 i (t ) T
2

T
0
[i (t ) i (t )]2 dt
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1 光电效应
带材跑偏检测
光源 带材 透镜 光敏电阻
R1
RG1
R CC
A
Uo
R2
RG2用遮光罩覆盖，起温度补偿的作用。当带材位于中间 位置时，调节Rp使电桥平衡，输出电压Uo为零。如果带材在 运动的过程中跑偏，则RG1的阻值发生变化，电桥失去平衡， Uo的大小和正负分别反映了带材跑偏的程度和方向。
1
1
n1 n0
0
n1 n2
全反射条件： 1 c arcsinn 2 / n1
0 0c
1 1 2 2 arcsin n1 n2 arcsin NA n0 n0
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NA —— 数值孔径，与n1和n2有关，与光纤的几何尺寸无关。
3 光纤传感器
光纤的损耗 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小， 这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：
S
1
0
S( ) d


0
d
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2.1响应特性