光电检测技术

光电检测技术总结经过一学期的光电检测技术课程的学习，我们大致上了解了光电检测技术有许多方面的知识，按照传感器、转换电路、检测装置划分排列。

接下来我们来仔细探讨一下究竟有什么值得我们学习的。

首先是光电技术的定义。

何为光电技术？光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器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信息，或进入计算机处理，最终显示输出所需要的检测物理参数。

其中检测和测量有一些不同的地方：检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。

测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。

而光电检测技术的应用存在在生活中的每一个部分。

比如人的视觉功能，人眼是一个直径为23mm的近似球体，眼球前方横径为11mm的透明角膜具有屈光作用，角膜后的虹膜中央有称为瞳孔的圆孔，它可以扩大或缩小以调节进入眼球的光亮。

虹膜后的水晶体相当于光学系统中的透镜，其直径为9mm。

在眼球的后方有视网膜，这是光学细胞和杆状细胞，它们和视网膜上的其他细胞组成的微小感光单元。

这些感光单元接收光刺激后转化为神经冲动，经视神经传导到大脑的高级视觉中枢，从而产生亮度和彩色的感觉，同时也形成有关物体状和大小的判断。

因此，人眼是一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器。

正好光学仪器是人眼的视觉扩展，通过利用光辐射的各种现象和特性，摄取信息实现控制的有力工具，它是人类视觉参与下才能工作的。

光学仪器一共在人类视觉上做出了以下的扩展：1、时间上扩展，可以通过摄像机记录过去的样子；2、空间上的扩展，通过地球卫星观看世界个地的样貌；3、识别能力的扩展，通过放大镜和显微镜我们能够观测到人眼看不见的细微东西。

光电检测系统由哪些东西组成？典型的光电仪器包括了精密机械、光学系统、光电信号传感器、电信号处理器和运算控制计算机以及输出显示设备等环节。

各种环节分别实现各自的职能，组成光、机、电的综合系统。

一个典型的光电检测系统的组成由辐射源开始，依次为传输媒质、检测目标、光学系统、光点检测器件、信息处理、输出设备。

其中辐射源通过传输媒质由对象空间进入到光电系统。

在长距离的传输和高精度的测量中发生在传输媒质中的扰动等将和背景辐射噪声一样对有用信号形成干扰。

在利用外部辐射源的情况下，这种辐射流在通过被测目标物体时，载荷起了被测莫表的传送信息，进入到光学接受系统。

光学系统的职能就是收集辐射流，并根据辐射的光谱成分和偏振程度进行光学色散几何成像、分束和改变辐射流的传送方向，以及辐射通量的求和迭加。

光电检测器件接收到载荷起被测目标物体的信号后，实现辐射信号对电量的转换。

信息处理包括放大转换和电信号滤波等电子线路。

信号的输出装置由系统的功能确定，可以是电信号的指令，也可以是其他别的东西。

光电检测技术的特点：高精度。

各种检测技术中最高。

如激光干涉仪法检测长度的精度达0.05um/m；光栅莫尔条纹法测角可达0.04秒；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m。

高速度。

光电检测以光为介质，用光学方法获取和传递信息是最快的。

远距离，大量程。

光便于远距离传播的介质，适于遥控和遥测，如武器制导，光电跟踪，电视遥测等。

非接触检测。

光照可认为是没有测量力的，也无磨擦，可实现动态测量，效率最高。

寿命长。

光波可永久使用。

具有很强的信息处理和运算能力。

可将复杂信息并行处理。

同时光电方法还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。

光电技术和光电检测技术在漫长的时间中取得了新的进展。

首先是材料和器件上的进展，采用硅材料具有很好的电子特性和易加工特性，使用硅可以大大地降低生产的成本，另外在量子阱和超晶格材料及器件方面也有很大的成就，开始了光电子晶体研究和半导体量子点研究，还有其他许多高科技产品等。

其次是光通信，在光通信中也取得了很大的进展：发展各种S,C,L波段光纤放大器、阵列波导光栅等。

近期发展的廉价多功能城域网与同类产品比较，节省了96％楼层空间，省电93％。

光电转换技术能够保证网络的可靠性，并能提供灵活的信号路由平台，克服纯电子交换形成的容量瓶颈，省去光电转换的笨重庞大设备，进而大大节省建网和网络升级的成本。

随着光电技术及空间技术的发展，空间光通信又成为下一代光通信的重要发展领域，它包括星际间、卫星间、卫星与地面站，以及地面站之间的激光通信和地面无限光通信等。

另外是在光信息演算、记忆等的信息处理领域上取得了新的进展。

而在这方面的领域中，主要是研究高密度存储器、可擦除光盘等到各种系统，取得了突破性的进展。

目前光电产业呈现出以下的发展趋势：光通信向超大容量、高速率和全光网络方向发展。

超大容量DWDM 的全光网络将成为主要的发展趋势。

光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展。

光器件的发展趋势是小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化。

而它的应用是目前最广泛、最复杂、最精密、最快速、最先进的，而且是能互相渗透、互相支持的。

现在它的应用已经渗入到国民经济、国防的各部门，遍及军事、工业、农业、文教、卫生、科学研究和家庭生活等各方面，已成为提高效率、增长效率的重要和必要手段。

当我们想要检测光，需要检测出以下几个量值：1、光辐射度量：包括辐射通量，辐射强度，辐射出射度，辐射亮度，辐射照度。

2、光谱辐射度量：和辐射一样具有以上所有的参数。

3、光度量：包括光通量，发光强度，光出射度，光照度，光亮度。

辐射度量和光度量之间存在着一定的转换关系，而这个参数为人眼明视觉或者暗视觉下最灵敏波长的光度量对辐射度量的转换常数。

光电检测基本方法：直接作用法（受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量）、差动测量法（利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反应被测量的大小）、补偿测量法（是用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出补偿量值，其大小反应被测量变化大小）和脉冲测量法（测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽，相位，频率，脉冲数量等）反映被测量的大小）脉冲测量法特点：抗干扰性能好，精度高，直接与计算机相连，易于实现在线测量和自动化控制。

当光照射到物体上使物体发射电子或导电率发生变化，或产生光电动势等，这种因光照引起物体电学特性的改变统称为光电效应。

归纳为两大类，物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应；物质受到光照后产生的光电子只在物质内部运动，而不会溢出物质外部的现象称为内光电效应，分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。

是光电导器件工作的基础。

包括：本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。

属于内光电效应。

就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度、驰豫时间和光谱分布。

光生伏特效应是光照使不均匀的半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。

主要包括由势垒效应产生的光生伏特效应，由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应，用外加磁场产生的光生伏特效应，光子牵引效应。

针对外光电效应具有以下的光电发射定律：1、斯托列托夫定律（光电发射第一定律），当入射光的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流与阴极所吸收的光通量成正比。

2、爱因斯坦定律（光电发射第二定律），发射出光电子最大动能随入社光频率的增高而线性的增大，而与入射光的光强无关，即爱因斯坦的光子能量关系式。

另外还要考虑光电发射的红限和光电发射的瞬时性。

光电检测器件利用特质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，可分为光子检测器件和热电检测器件。

热电检测器件：热释电检测器（热释电效应），热敏电阻（辐射热计效应），热电偶和热电堆（温差电效应）。

具有响应波长无选择性和响应慢的特点。

光子检测器件分为电真空或光电发射型检测器件（光电管和光电倍增管）和固体或半导体光电检测器件（光导型：光敏电阻，光伏型：光电池、光电二、三极管）。

具有响应波长有选择性和响应快的特点。

我们在学习这方面的知识时需要了解相关的参数。

响应时间：响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。

即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。

频率响应S(f)：由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。

可见：光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽。

真空下光点探测器件主要有光电发射材料，大体上分为三类：纯金属材料、表面吸附一层其他的元素原子的金属和半导体材料；光电倍增管，建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把入射光转换成光电子；微通道板光电倍增管，它利用固体材料在电子的撞击下能够发射出更多的电子特性来实现电流倍增，因而具有高增益，低噪音，高分辨率、宽频带、低功耗、体积小、重量轻、长寿命以及自饱和效应等优点。

光敏电阻（属于光电导检测器件）：利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge 等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件。

结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。

工作原理：当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号。

光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。

设计原则，光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。

工作性能特点：1光谱响应范围相当宽。

可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。

2所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光3灵敏度高，光电增益可以大于1。

4无选择极性之分，使用方便。

缺点：强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。

应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。

前历效应：指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。

即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。

暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。