光电检测技术总结

许多个热电偶串联起来即成为热电堆。
三、热电偶的基本参数
1. 温差电势率M

当冷端开路时，开路电压 UOC 与入射辐射产生的温升 ΔT的关系为
U oc MT
式中，M为塞贝克常量，也称温差电势率，单位为V/℃
通常半导体材料构成的热电偶比金属材料的温差电 势率高（铋和锑温差电势率为100µ V/º C，而半导体 热电偶可达500µ V/º C）

入射辐射-器件温升-材料参量变化。

优点：大部分不需制冷、在很宽的光谱波段有平坦的 响应两大持点。 缺点：探测率较低和时间常数较大。要同时获得灵敏 度高、响应快的性能是困难的。新型热电探测器—— 热释电探测器的出现及其近年来的发展，逐步解决了 这一矛盾。

4.6.2 温差电偶
（thermocouples & thermopile）
一、光电效应及元件


用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串 具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常 数h乘以光的频率γ ，即E=hγ ）的光子的轰击， 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电 效应的物理现象称为光电效应。 分类：


外光电效应 光导效应 光生伏特效应
（一）外光电效应

像管成像物理过程


1.辐射图像的光电转换: 利用外光电效应.光敏面采用光电发射型材料.发射的 电子流分布正比于人射的辐射通量分布.由此完成辐射 图像转换为电子图像的过程. 2.电子图像增强: 电场加速 或微通道板中二次电子发射. 3电子图像的发光显示 高能电子轰击荧光屏,发出可见光.
E=hγ =mυ 2/2 +A

2．当入射光的频谱成分不变时，产生的光电 流与光强度成正比。光愈强，意味着入射的光 子数目越多，逸出的光电子数也就越多。

3．光电子逸出物体表面时的初动能决定于入 射光的频率。对于一定的物质，电子逸出功A 是一定的，所以光子的能量hγ 越大，则电子 的初动能越大。
光电倍增管及其基本特性
光电检测技术


检测与测量 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。

光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被
测量转换成光通量,再将光通量转换成电量，并综合利用信息 传送技术和处理技术，完成在线和自动测量

光电检测系统
光电成像器件的分类

变像管
直视型： 像管 像增强器 光电发射型 电真空摄像管 光电导式 热释电摄像guan 摄像型： 电荷耦合器件 固体摄像器件 CMOS图像传感器 红外焦平面阵列器件

光电成像器件
像管
——变像管＆像增强管
一、典型结构与工作原理
阴极 阳极 荧光屏
物镜
变像管：光阴极面上的材料—红 外或紫外光线敏感；
像增强管光阴极面上的材料—微弱 可见光敏感。
目镜
目标物所发出某波长 范围的辐射通过物镜 在半透明光电阴极上 形成目标的像，引起 光电发射。阴极面每 一点发射的电子束密 度正比于该点的辐照 度。这样，光阴极将 光学图像转变成电子 束密度图像。通过阳 极的电子透镜作用， 使阴极发出的光电子 聚焦成像在荧光屏上。 荧光屏在一定速度的 电子轰击下发出可见 的荧光，最终，在荧 光屏上便可得到目标 物的可见图像。
4.1

光电器件的性能参数
响应特性 噪声特性 量子效率
一、响应特性
１．响应度（或称灵敏度）：是光电探测器 输出电信号与输入光信号之间关系的度量。
描述的是光电探测器件的光电转换效率。

响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率
４．响应时间：响应时间τ是描述光电探测器对 入射光响应快慢的一个参数（如图）。
由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半 导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜 -铍的衬底上涂上锑铯 材料而形成的，次阴极多的可达 30级；阳极是最后用来收集电子 l;k
光电阴极 阳极
第一倍增极
入射光
第三倍增极
的，收集到的电子数是阴极 发射电子数的105~106倍。即 光电倍增管的放大倍数可达 几万倍到几百万倍。光电倍 增管的灵敏度就比普通光电 管高几万倍到几百万倍。因 此在很微弱的光照时，它就 能产生很大的光电流。


光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发 生变化． 光电子发射：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和
金属氧化物．

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．

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。
3.4.3 （热敏电阻）测辐射热计 (Bolometer)

原理：吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻 的变化。
吸收辐射—温升---电阻变化

主要材料类型：金属、半导体和超导体。

共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与入射 辐射的波长无关。
热敏电阻 在电子电路中的符号
3.4.4 热释电探测器
(Pyroelectric infrared detector)

外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物 体表面的现象称为外光电效应。 元件：紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管 等。
E=hγ =mυ 2/2 +A

1．光电子能否产生，取决于光子的能量是否 大于该物体的表面逸出功。每种物体都有相对 应的光频阈值，称为红限频率，用γ 0表示。 γ 0=A/h

若入射光的频率小于红限频率，光子的能量不足以 使物体内的电子逸出，因此小于红限频率的入射光， 光再强也不会产生光电效应。反之，若入射光的频 率高于红限频率，即使光强微弱，也会使照射的物 体有光电子发射出来。
(Thermal Detector)
三种主要的热电效应

温差电效应：温差产生电动势

热电偶和热电堆
测辐射热计(Bolometer) 热释电探测器

电阻温度效应：辐射引起电阻率变化


热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化

二、热电探测器的特点

原理：基于光辐射与物质相互作用的热电效应制作的 器件。
3. 热释电探测器的工作原理


热释电晶体吸收交变频率为ω 的入射辐射后， 其温度和自发极化强度也随频率ω 而变化， 从而导致晶体表面电荷密度也发生变化。 在晶体的相对两面敷上电极，如果接上负载 就有电流流过。
热释电红外探测器模块
菲涅尔透镜
4.7 光电成像器件
光电成像器件 （Photoelectronic Imaging Devices）
光生伏特探测器
本征型
掺杂型
非放大 光电池 光电二极管
放大型 光电三极管 光电场效应管
光敏电阻 红外探测器
雪崩型光电二极管
光电器件分类及特点
光子探测器 探测器
响应波长有选择性，一般有截 无波长选择性，对可见光到远 止波长，超过该波长，器件无 红外的各种波长的辐射同样敏 响应。 感 响应快，吸收辐射产生信号需 响应慢，一般为几毫秒 要的时间短， 一般为纳秒到 几百微秒

定义：一类能够输出图像信息（图像或视频信号）的 功能器件，也称为光电图像传感器 。 分类：直视型、摄像型。


直视型光电成像器件 具有图像的转换、增强、显示等功能部 件和高真空管壳，通常简称为像管。 摄像型光电成像器件 将二维空间的光强分布（光学图像）转 换为一维时序电信号，不直接输出图像（只有对时序电信号 进行再处理后才可获得目标图像）。
光电检测器件的类型

光电检测器件是利用物质的光电效应把光
信号转换成电信号的器件. 光电检测器件分为两大类:


光子(光电子)检测器件 热电检测器件
探测器件
热电探测元件 光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管 像增强器 摄像管 变像管
光电导探பைடு நூலகம்器
光磁电探测器
4.6.2 温差电偶

起源：1826年 红外探测器件。 应用：高、低温的温度探测领域。 基本原理：基于温差电第一效应 ——塞贝克效应。两 种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们 构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就 会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差 电动势将得到保持。



e NEP (W ) SNR 一般一个良好的探测器件的 NEP约为10-11W。
NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。
第二节 光电发射器件

光电发射效应：物体吸收了光能后转换为该物 体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光 电传感器的工作原理基于光电效应。分为外光 电效应和内光电效应。
Eg
价带
空穴

导带
电子 ΔＥ
施主
空穴
价带
本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。

7、暗电阻和暗电流：
光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一 般情况下，暗电阻都大于10兆，受光照时 的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可 作为衡量灵敏度的高低，比值越大，灵敏 度越高。 8、前历效应：


光敏电阻的应用
脉冲响应特性

上升时间tr：入射光照射到光电探测器后，光电探测
器输出上升到稳定值所需要的时间。10%~90%

下降时间tf ：入射光遮断后，光电探测器输出下降 到稳定值所需要的时间。 90%~10%
５、信噪比

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
PS I S2 RL I S2 S 2 2 N PN I N RL IN
工作机理：

当入射光子使半导体中的电子由价带跃 迁到导带时，导带中的电子和价带中的 空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电 导增加。
光敏电阻分类
导带 电子

本征型：当入射光子的能量等于 或大于半导体材料的禁带宽度Eg 时，激发一个电子－空穴对，在 外电场的作用下，形成光电流。 杂质型：对于Ｎ型半导体，当入 射光子的能量等于或大于杂质电 离能ΔＥ时，将施主能级上的电 子激发到导带而成为导电电子， 在外电场的作用下，形成光电流。
一、热释电探测器的工作原理
1. 热释电效应 热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致 晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。 热电晶体：－－具有非中心对称的极性晶体
当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时， 引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放” 了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐 射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放 电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不 同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出 的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信 号输出。
光电倍增管(PMT)
光电倍增管是利用外光电效应制成的一种光电探 测器件。其光电转换分为光电发射和电子倍增 两个过程。
——把微弱的光输入转化为光电子，并 使光电子获得倍增的一种光电探测器件。
光电倍增管使用注意要点


不宜用强光，容易引起疲劳 额定电压和电流内工作 入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应 电场屏蔽和磁屏蔽 测交变光时，负载电阻不宜过大



基本功能：根据自然 光的情况决定是否开 灯。 基本结构：整流滤波 电路；光敏电阻及继 电器控制；触电开关 执行电路 基本原理：光暗时， 光敏电阻阻值很高， 继电器关，灯亮；光 亮时，光敏电阻阻值 降低，继电器工作， 灯关。
灯 220V
CdS
K 常闭
照明灯自动控制电路
光伏效应 器件
4.6
热电探测器

光学变换 光电变换 电路处理
光电检测系统的组成

包括光信息获取、光电变换技术和光信息测量技术 以及信息的光电处理技术。 光学变换与光电转换是光电测量的核心部分

光 源
光 学 系 统
被 测 对 象
光 学 变 换
光 电 转 换
电 信 息 处 理
存储 显示 控制
光信号获取
光电器件的类型与特点
光电导效应

定义：光照变化引起半导体材料电导变化的现 象。
——内光电效应

内光电效应产生的自由电子停留在物体内部， 不发生电子逸出。
器件：光敏电阻、由光敏电阻制作的光导管。
分类：本征光电导效应与杂质光电导效应
光敏电阻


利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导 器件，也称光敏电阻。 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体， 例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。

若用分贝（dB）表示，为
I S2 IS S 10 lg 2 20 lg IN IN N
６、噪声等效功率(NEP)

定义：光电器件输出的信号电压有效值等与噪声方均根电 压值时的入射光功率
这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或 电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）