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
(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。

8416.011==∑=N n n x N x σˆ0025.0)(11ˆ12=--=∑=N n n x x N σ00095.0===N s x σσ00067.02==N σσσx k x σ=∆%
100⨯∆=x x J D
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
dt Φ=2cos cos d dI L d dA dA θθΦ==Ωd M dA
Φ=00()()()m e V m e e K 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 dA d d d r ααϕΩ==⋅2cos sin d P L dsd d αααϕ=2/200cos sin P Lds d d Lds ππϕαααπ==⎰⎰P M L ds
π==
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
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 光磁电效
Φ
=Φ/I R E
I R E /=L
I R L /=()()()() , () , ()()()()
E L I I I R R R E L λλλλλλλλλΦ===Φ()()()()()() , , ()()()E L E L R d R E d R L d I R R R d E d L d λλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλΦΦΦ====ΦΦ⎰⎰⎰⎰⎰⎰
()()()()()1239.8I q R hc ληλληλλλλΦ===Φmax 1.24/ 1.24/()g g A E E E λ⎧⎪=⎨+⎪⎩内光电效应外光电效应
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
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
2s N SNR I I =221K N k k I I ==∑2N I NEP SNR ΦΦ==
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。

激光光束细小，且带着巨大的功率，如用透镜聚焦，可将能量集中到微小的面积亡．产生巨大的热量。

可应用于打细小孔、切割等工作；在医疗上做手术刀；大功率的激光武器等。

(2)激光测距。

激光作为测距光源‚由于方向性好、功率大‚可测很远的距离，且精度很高。

(3)激光通讯。

(4)受控核聚空中的应用。

点火计划
光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用。

也就是物质内 电
子在光子作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。

这种变化主要有以下三类 外光电效应（光电
管与光电倍增管）内光电效应（光敏电阻）光生伏特效应（光电池，光电二极管，光电三极管） 光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化．
热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起介质表面电荷变化的现象．
辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．
温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．
（热敏电阻，热电偶和热释电探测器）
光电倍增管 原理：当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA ，不易探测——
常用光电倍增管。

光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。

结构：光电倍增管由阴极、倍增极（次阴极）和阳极组成，这些电极被封装在真空的玻璃管中。

（1）闪烁光子作用在光阴极上时 由于光电效应可产生出电子。

（2）电子倍增是通过一系列倍增极
所构成的倍增系统完成。

（3）从阳极上得到的电子流与入射到光电倍增管光阴极上的闪烁光强度成正
比
二次发射极简称二次极，有时又叫做打拿极。

二次发射极的主要材料有锑铯(CsSb)、氧化铍(BeO)、银镁
(AgMg)合金、磷化镓(GaP)和磷砷化镓等。

打拿极的重要参数是二次发射系数δ:
式中n1、 n2分别是输入二次发射体的一次电子数和
二次发射体对应发出的电子数。

二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关。

光电倍增管的主要特性 光电倍增管的光谱特性主要由光阴极和玻壳材料的特性来确定。

影响光电倍增管
光谱特性的还有一些其它因素，如温度、受照点位置和磁场等。

）阳极
阳极又称收集极。

光电流经过各二次发射极倍增后，由阳极收集并形成信号电流输出，阳极是管内电压最
高的地方 。

当最后一个二次极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电子发射，这将破坏稳定的输出。

怎么办？1 选择发射系数小的材料
2 外面加上收集栅网
(栅网电位与阳极相同，阳极发射的二次电子将有栅网收集，相当于又回到了阳极)
灵敏度 光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管常用阳极灵敏度来表征这一特性。

定义阳极光谱灵敏度Sa(λ)为
式中，单色光通量为Φ(λ)，阳极电流为Ia
线性度 在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。

光
特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即I ＝f(Φ)。

一般认为产生光特性非线性的原因主
要有两个：一是内部的非线性源，它们包括光阴极的电阻率及材料特性、管内空间电荷间的互相作用，以
及电子聚焦或收集效率的变化等。

另一方面是外部非线性源，其中包括负载电阻的负反馈作用，以及由于
信号电流过大造成极间电位的重新分布等 )
(/)()(λλλΦ=a a I S 21
n n δ=
入射通量Φ增加输出电流Ia 偏离直线的情况
(4) 最大额定值 光电倍增管是极其灵敏的微信号光电探测器,为正确使用应了解各参量的最大额定值。

①最大阴极电流Icm,有时给出最大电流密度(μA/cm2)。

工作时不应超过额定值。

有时阴极电流Ic 虽小于Icm ，但入射光点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏。

这时应按电流密度的额定值来限制输入。

②最大阳极电流Iam,该值通常是以不产生严重的和不可逆的损坏为限，通常阳极功率限制在0.5w 以下。

应当注意说明书中的Iam 不是指使用时的线性限，有的厂家还给出这时的非线性度，如10﹪等。

③最大额定电压Um,该指标是从管子的绝缘性能和工作可靠性出发给出的。

为使噪声不至太大，一般建议采用的总电压U ＜(60—80)﹪Um
光电倍增管的不稳定性 由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化
②在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移
③滞后作用造成阳极输出的不稳定
光电倍增管中的噪声源主要来自光阴极和二次极的热发射。

入射光辐射本身亦带来噪声。

由光电阴极和K 个二次发射极组成的光电倍增管中．综合在阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为
要提高光电倍增管的信噪比可采取以下方法 ①管子致冷可减少Ic0值； ②当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子；
③选用δ较高的材料做二次发射极，并提高工作电压；
④减小检测系统频带宽度∆f ，以提高信噪比
光电导器件是利用内光电效应制成的光子型探测器，其材料大都是半导体。

在入射光的的作用下，激发出附加的自由电子或自由空穴，这些附加的载流子叫做光生载流子，由于光照增加了自由载流子，使电导率发生变化，这种现象叫做光电导效应
光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间的关系 光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。

它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。

具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比。

输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的光灵敏度
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
本征型光敏电阻：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。

杂质型光敏电阻：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 本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。

()2
121211212
11112)(⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++∆=k an f qIc G i δδδδδδ 21212)12()(-∆=δδf qI G i c an
光敏电阻工作性能特点 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。

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

CdS 光敏电阻：峰值响应波长0.52um 可见光波段最灵敏的光敏电阻
PbS 光敏电阻：响应波长在近红外波段缺点主要是响应时间太长
锑化铟（InSb ）光敏电阻：长波限7.5um
碲镉汞HgCdTe 系列光敏电阻可实现1-3um,3-5um,8-14um
碲锡铅（PbSnTe 主要用在8-10um 波段探测
1. PN 结与光伏效应（Photo V oltage Effect ）
当P 型半导体和N 型半导体直接接触时，P 区中的多数载流子—空穴向空穴密度低的N 区扩散，同时N 区中的多数载流子—电子向P 区扩散。

这一扩散运动在P 区界面附近积累了负电荷，而在N 区界面附近积累了正电荷，正负电荷在两界面间形成内电场。

在该电场逐步形成和增加的同时，在它的作用下产生载流子的漂移运动。

随着扩散运动的进行和界面间内电场的增高，促使漂移运动加强。

这一伴生的对立运动在一定温度条件下—定时间后达到动态平衡 当有外界光辐射照射在结区及其附近时．只要入射光子的能量ε=h υ大于半导体的禁带宽度Eg ，就可能产生本征激发，激发产生电子—空穴对。

P 区中的光生空穴和N 区中的光生电子，因受P-N 结的阻挡作用而不能通过结区，结区中产生的电子—空穴对在内电场作用下，电子驱向N 区，空穴驱向P 区。

而结区附近P 区中的光生电子和N 区中的空穴如能扩散到结区，并在内电场作用下通过结区，这样在P 区中积累了过量的空穴．在N 区中积累了过量的电子，从而形成一个附加的电场，方向与内电场相反，如图4-44(a)所示。

该附加电场对外电路来说将产生由P 到N 方向的电动势。

当联接外电路时，将有光生电流通过，这就是光伏效应
2. 光伏效应器件的伏安特性
曲线族与电压轴的交点．即I ＝0，表示光电池外电路开路的情况
曲线族与电流轴的交点．即Uoc ＝0，表示光电池外电路短路的情况。

/(1)eU kT d s I I I I e I ΦΦ=-=--)1ln(+=Φs
oc I I q kT U s s e I I P h ην
Φ==
3. 光伏效应光电池
第一象限是正偏压状态，iD 本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。

第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于i －is ）是通过探测器的主要电流
由于这种情况外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管
在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL 上的电压或流过RL 上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。

相应的探测器称为光电池
光电池分类
用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）
测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等
材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好，转换效率高，寿命长，适于接受红外光.
硒光电池：转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm)，波谱峰值位于人眼视觉内(用于分析仪器、测量仪表).
砷化镓光电池:转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。

且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。

因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。

薄膜光电池：CdS 增强抗辐射能力
紫光电池：PN 结非常薄：0.2-0.3 µm,短波峰值600nm
光电池的特性(1)、伏安特性
无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。

有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。

曲线与电压轴交点称为开路电压VOC ，与电流轴交点称为短路电流ISC
（要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL ；
光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj 越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池）
2时间和频率响应 硅光电池频率特性好（动态响应快）。

硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池
(3)、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。

光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿
4)、光谱响应度 硅光电池 响应波长0.4-1.1微米， (红-红外) 峰值波长0.8-0.9微米。

(近红外) 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米， (紫-红) 峰值波长0.54微米。

(绿) 可见光
太阳能特点：
①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。

要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太
阳能发电同现在的电网联网。

、
利用PN 结光伏效应的另一种重要光电器件是光电二极管。

PN 结工作在反向偏置的条件下，工作原理与晶体三极管类似，P 型区相当于基极区，N 型区相当于集电极区，由光照下产生的光生载流子引起N 区电流的变化，由于反向偏置，PN 结应具有较高的反向耐压性质。

(e
1)U qU kT d s I I I I I I I ΦΦΦ=-=--=-曲线族与电流轴短路电流的交点，及=0，与光电流大小相等线性ln(1)oc s I kT U q I Φ=+开路电压非线性。