第3章 光电检测器件 《光电检测技术及应用》课件
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光电检测技术与应用
光电传感器是基于光电效应将光电信号转换为电信号的一种传感器光学系统的基本模型光发射机-> 光学信道一>光接收机光学系统通常分为：主动式，被动式。
主动式：光发射机主要由光源和调制器构成。
被动式：光发射机为被检测物体的热辐射。
光学信道：主要由大气，空间，水下和光纤。
光接收机是用于收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波的信息。
光接收机分为：功率（直接）检测器，外差接收机。
光电检测技术特点：1. 高精度：是各种检测技术中精度最高的一种：激光测距法测地球与月亮的距离分辨率达1m2. 高速度：光是各种物质中传播速度最快的。
3. 远距离，程量：光是最便于远距离传播的介质4. 非接触性：光照到被测物体上可以认为是没有测量力，因此无摩擦。
5. 寿命长：光波是永不磨损的。
6. 具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。
光电传感器：1•直射型2反射型3辐射型光电检测的基本方法有：1•直接作用法.2.差动测量法3补偿测量法4•脉冲测量法直接作用法：收被测物理控制的光通量，经光电转换后有检测机构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，所得差或数值比克反应被测量的大小。
光电检测技术的发展趋势：1. 发展纳米，亚纳米高精度的光电测量新技术。
2. 发展小型的，快速的微型光，机，电检测系统。
3. 非接触，快速在线测量。
4. 发展闭环控制的光电检测系统。
5. 向微空间或大空间三维技术发展。
6. 向人们无法触及的领域发展。
7. 发展光电跟踪与光电扫描技术。
在物质受到辐射光的照射后，材料的电学性质发生了变化的现象称为光电效应光电效应分为：外光电效应和内光电效应光电导效应是一种内光电效应。
光电导效应也分为本征型和非本征型两类光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的|弛豫现象|:光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定能的时间。
弛豫现象也叫惰性。
光生伏特效应：与光照相联系的是|少数载流子|的行为。
光电检测技术及应用讲作徐熙平201007
激光驱动
激光扫描发射系统
基准
激光扫描接收系统
光电变换
扫描驱动
分度执行机构
工件 进给执行机构
激光控制
扫描控制
信号采集与数据处理
89C51
串行通信接口
主控制器
进给驱动
回转驱动
伺服控制器
线位移控制
角位移控制
计算机 显示器
键盘
激光圆度测量系统总体结构
扫描转镜 发射光学系统
刀口基准
h
H
激光器
工件
Ri Hhi i 1 ,2 ,3 , ,m
在相机安装架上集成激光测距点 稳定的系统标定 减少系统标定的频率 具有更高的精度
24
二、光电尺寸检测现状
扫描大型零件
25
二、光电尺寸检测现状
扫描复杂零件
26
二、光电尺寸检测现状
石膏模型
原件 - 2005
扫描模型
差别显示 石膏 1911 / 原型 2005
27
绝对激光跟踪仪
二、光电尺寸检测现状
41
四、综合检测方面的应用
综合检测系统
自动测量控制系统
工件
激光扫 描发射器
测量工作台
光栅 位移 检测 系统
光栅位移传感器
计
步
闭环
算
进
伺服
机
电
控制
系
精密机械系统
机
系统
统
激光扫 描接收器
激光 扫描 检测 系统
二维光电综合测量机总体结构图
42
四、综合检测方面的应用
原理框图
探头结构 实 物 图 片
管道内部疵病检测系统
三坐标测量机
龙门式测量机
光电检测技术与应用光纤传感技术与系统PPT课件
-
23
探针型光纤传感器：
是非功能型光纤传感器，不需要外加敏感元件。光纤把测量对象辐射 或反射、散射的光信号传播到光电元件。
使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器 和光纤辐射温度传感器等。
测 量
光纤
对
象
敏感元件
光源
测
量
对
光电元件 象
-
光纤
光电元件
24
3.2 光纤传感检测系统的器件
果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧 失。
光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。
-
17
2.2 光纤中光的传输及性质
光纤的色散分为三种：
★ 材料色散： 因光纤的折射率随波长变化产生的。
★ 结构色散： 由光纤的几何结构决定的色散，它是模式本身的色散。
★ 模式色散： 多模式传输下，因模式不同引起的色散。
应用广泛，发光原理与发光二极管相似，输出光由非相干光变为了相干 光。 (5) 光纤激光器：
与光纤耦合好，与光纤器件兼容，能进行全光纤测试。
-
26
3.2 光纤传感检测系统的器件
光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测
器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直 接影响传感器的总体性能。
多模梯度光纤
50～100 125～150 0.1～0.2
-
19
3 光纤传感原理
一、光纤传感技术的分类 （1）功能型（传感型光纤传感器）
光纤既感知信息，又传输信息。 主要使用单模光纤，改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善 灵敏度。
测
光纤
量
对
第3章光电检测技术-文档资料
I光 SgE U
: 照度指数(0.5 1)，Sg : 光电导， :电压指数(欧姆接触为 1)，U：外加电压
什么是欧 姆接触？
图3-10 CdS光敏电阻的光照特性
4)伏安特性
图3-11 光敏电阻的伏安特性
5)温度特性
图3-12 光敏电阻的温度特性
6)频率响应
1.硒
2.硫化镉 3.硫化铊
3.2 真空光电探测器件
3.2.1 光电发射材料
1)光电发射材料的类型及其应具备的条件
光吸收系数大
光电在在体内传输过程中收到的能量损失小
表面势垒低，表面逸出率大
2)光电发射阴极材料 (1)单碱与多碱锑化物光阴极 (2)银氧铯与铋银氧铯光阴极 (3)紫外光电阴极 (4)负电子亲和势
图3-1 集中光电阴极材料的光谱响应
3.4 半导体光伏型检测器件
3.4.1 光电池
1）光电池的结构和工作原理
图3-16 硅光电池结构、外型与电路符号 (a)结构 (b)外型 (c)符号
锑化铯（CsSb）材料 氧化的银镁合金材料 铜-铍合金（铍的含量为2%） 负电子亲和势材料GaP[Cs]
(5)阳极结构
栅网状阳极
图3-3 光电倍增管结构图 (a)百叶窗倍增级 (b)盒栅倍增级
(c)瓦片倍增级
(d)圆形鼠笼
3)PMT的基本特性参数 (1)光谱响应度 (2)放大倍数 (3)暗电流
光电倍增管的暗电流是指无光照时（加有电源），光电 主要暗 倍增管的输出电流
价带
图3-8 本征半导体与杂质半导体
3.3.2 光敏电阻特性参数
1)光电导增益
G U l2 : 量子产额，：载流子寿命，
：迁移率，U：外加电压， ：电极间距
第三章_光电检测技术常用器件及应用
无极性，使用方便；
在强光照射下，光电线性度较差 响应时间较长，频率特性较差。
第六页，编辑于星期一：五点 五十九分。
•光敏电阻 (LDR) 和它的符号：
符号
第七页，编辑于星期一：五点 五十九分。
1. 光敏电阻的工作原理
光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，
贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上， 两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳 内。（如图）
不同光照度对应不同直线
第二十二页，编辑于星期一：五点 五十九分。
Ø受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压， Ø图中虚线为允许功耗曲线
Ø由此可确定光敏电阻正常工作电压。
第二十三页，编辑于星期一：五点 五十九分。
频率特性
光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频 率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，
红外波段。
空穴
电子 ΔＥ
空穴
价带
第十一页，编辑于星期一：五点 五十九分。
光电导与光电流
光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻
值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时， 光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减
少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形
成光电流（亮电流）。
光电流：亮电流和暗电流之I光 差；
不同照度时的伏-安特性曲线一般硅光电池工作
在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏 安特性将延伸到第三象限？？
I L I p I D I p I 0 ( e q / k V 1 T ) S E E I 0 ( e q / k V 1 T )
硅光电 池的电 流方程
式
IL I0(eq/k V T1 ) ID
在强光照射下，光电线性度较差 响应时间较长，频率特性较差。
第六页，编辑于星期一：五点 五十九分。
•光敏电阻 (LDR) 和它的符号：
符号
第七页，编辑于星期一：五点 五十九分。
1. 光敏电阻的工作原理
光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，
贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上， 两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳 内。（如图）
不同光照度对应不同直线
第二十二页，编辑于星期一：五点 五十九分。
Ø受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压， Ø图中虚线为允许功耗曲线
Ø由此可确定光敏电阻正常工作电压。
第二十三页，编辑于星期一：五点 五十九分。
频率特性
光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频 率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，
红外波段。
空穴
电子 ΔＥ
空穴
价带
第十一页，编辑于星期一：五点 五十九分。
光电导与光电流
光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻
值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时， 光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减
少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形
成光电流（亮电流）。
光电流：亮电流和暗电流之I光 差；
不同照度时的伏-安特性曲线一般硅光电池工作
在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏 安特性将延伸到第三象限？？
I L I p I D I p I 0 ( e q / k V 1 T ) S E E I 0 ( e q / k V 1 T )
硅光电 池的电 流方程
式
IL I0(eq/k V T1 ) ID
《光电检测技术》课件
生物医学
光电检测技术在生物医学领域的 应用包括光谱分析、荧光成像、 激光共聚焦显微镜等，有助于疾 病的诊断和治疗。
工业生产
光电检测技术在工业生产中的应 用包括产品质量检测、生产线自 动化控制等，可以提高生产效率 和产品质量。
光电检测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，光电检测技术 将逐渐实现智能化，能够自动识别和分类
目标，提高检测精度和效率。
微型化
随着微纳加工技术的发展，光电检测器件 将逐渐微型化，能够应用于更广泛的领域
，如生物医疗、环境监测等。
高光谱成像
高光谱成像技术能够获取目标的多光谱信 息，有助于更准确地分析物质成分和状态 ，是光电检测技术的重要发展方向。
多模态融合
将多种光电检测技术进行融合，实现多模 态信息获取和分析，能够提高检测的准确 性和可靠性。
利用光电检测技术快速读取条形码的设备
详细描述
光电式条形码阅读器通过发射光源和接收装置，快速扫描条形码并将光信号转 换成电信号，实现快速、准确地读取条形码信息。广泛应用于超市、图书馆、 物流等领域，提高信息录入效率和准确性。
光电式指纹识别系统
总结词
利用光电检测技术进行指纹识别的系统
详细描述
光电式指纹识别系统通过发射光源和图像传感器，获取指纹的反射光信号，再转换成电信号进行处理。系统能够 实现高精度、高速度的指纹识别，广泛应用于身份认证、门禁控制等领域，提高安全到探测器表面时，光子与材料中的电子相 互作用，使电子从束缚状态跃迁到导带，形成光生电压或电流，从而实现对光 信号的探测。
03
常见的光伏探测器有硅、锗等。
光子探测器
光子探测器是利用光子效应制成的探测器，主要应用于紫外、可见和近红外波段的探测。
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大，如温度、湿度、光照等，可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵，对于一些小型企业和实验室而言，购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能，操作和维护需要专业人员，限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大，对数据的解读和分析需要较高的专业水平，增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数，在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用，能够实现高精度的测量，尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料，降低环境因素对检测结果的影响，提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产，降低光电检测设备的成本，促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛，例如在自动控制系统中用于检测光束的通断，在测量领域用于检测物体的位置和尺寸，在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成，其中光电器件是核心部分，其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术，具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数，在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
《光电检测技术》全【2024版】
能源与动力工程学院
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
能源与动力工程学院
Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
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3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
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3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
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3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
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Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
《光电检测技术》课件-光电池
f/ Hz
图7-18 硅光电池的频率特性
2023/4/26
7
(4) 温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路 电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温 度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标， 因此温度特性是光 电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图19所示。从图中看出， 开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓 慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元 件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。
2023/4/26
11
不宜用作电压源。
2023/4/26
4
图16 硅光电池的光谱特性
10 0
80 硒
60
硅
S /%
40
20
2023/4/26
0 400 600 800 1000 1200
/ nm
5
图 17 硅光电池的光照特性
Байду номын сангаас
光 生 电 流 / mA 光 生 电 压 /V
0.3 0.2 0.1
0
2023/4/26
0.6
开 路 电压
0.4
短 路 电流
0.2
2 000
0 4 000
照 度 / lx
6
相 对 光 电 (流%) /
（3） 频率特性 图18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标 表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。
10 0 硅 光 电池
80
60 硒 光 电池
40
20
0 1500 3000 4500 6000 7500
S4.7、光电池
光电检测器件光电检测器件资料
光电检测器件
非聚焦型光电倍增管， 由于极与极之间没有聚焦 场，电子损矢较大，为了要得到较大的电子倍增，就 要增加倍增极数目，相应地也就增加了飞行时间及其 涨落，所以这种管子的时间分辨本领较差，其优点是 同样大小的光脉冲照射到光阴极不同部位时，阳极灵 敏度变化不大，最后输出的脉冲幅度比较一致，因此 作能谱测量时的能量分辨率较好。
光电检测器件
3、分类 ①“聚焦型”和“非聚焦型”
电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的 打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去， 两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分 为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、拿栅式和 百叶窗式。
聚焦型光电倍增管，电子在其中飞行的时间较短， 飞行时间的涨落也小，它适用于要求分辨时间短的场 合；
Sp
IA
G
各倍增极和阳极
都加上适当电压；
注明整管所加的
V
电压
2．电流增益
阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）
M IA SAΦ SA IK SKΦ SK
M
IA IK
0
n
IA IK • 0 (11)(22 ) (nn )
M n
3、光电特性
阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数 关系，称为倍增管的光电特性。
1、常规光电阴极
（1）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
最早的光电阴极，主要应用于近红外探测
•峰值波长： 350nm, 800nm
•光谱响应范围约300-1000nm； •量子效率约0.5％； •使用温度100°C； •暗电流大。
（2）单碱锑化物：
CsSb阴极最为常用，紫外和可见光区的灵敏度最高
光电检测器件
光电检测技术与应用 ppt课件
光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
ppt课件
返回14
光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
ppt课件
11
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
Hale Waihona Puke 空调机ppt课件返回12
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
ppt课件
1
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
ppt课件
2
目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
10
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
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光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
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例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
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直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
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教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
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目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
10
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
《光电检测技术》课件
总结
光电检测技术的应用广泛，原理简单而高效。随着技术的不断发展，它将在各个领域中发挥更重 要的作用，并为我们带来更多惊喜和机遇。
《光电检测技术》PPT课 件
欢迎各位参加今天的课程！本课程将介绍光电检测技术的应用、原理、种类 以及未来发展趋势。让我们一起探索这个令人兴奋的领域！
光电检测技术的应用领域
1 自动化工业
光电检测技术在工业生产中广泛应用，用于检测产品质量、生产过程控制等。
2 医疗诊断
通过光电检测技术，医生可以进行无创性、快速且准确的医学检查，有助于疾病早期诊 断。
3 环境监测
光电检测器可用于测量空气污染、水质监测以及气候变化等环境参数。
光电检测技术的原理
光电效应
当光照射到物质表面时，光的能量会激发物质中的电子跃迁，产生电流。
信号处理
通过电路将光电器件的输出信号转换为可测量或可视化的形式，方便分析和应用。
光电检测器的种类
光敏电阻
根据光照强度对电阻值进 行变化。
3 快速响应
光电检测器的响应时 间非常短，适用于需 要实时检测和控制的 应用。
光电检测技术的发展趋势
1
更高分辨率
光电检测技术将实现更高分辨率的
更小尺寸
2
光电传感器，提高检测和测量的精 度。
光电器件将变得更小巧紧凑，适用
于微型化和集成化的应用。
3
更广应用领域
光电检测技术将渗透到更多领域， 如智能家居、无人驾驶、虚拟现实 等。
光电二极管
将光能转换为电能的二极Байду номын сангаас管器件。
光电二极管阵列
由多个光电二极管组成的 二维阵列，可用于图像捕 捉和识别。
光电检测技术的优势
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第3章 光电检测器件
3）温度特性
CdS与CdSe光敏电阻的温度特性曲线
一、光电导器件
•光敏电阻的相对光电导 随温度升高而下降，光 电响应特性受温度影响 较大。 •在温度变化大的情况下 应用时要采取制冷措施 以降低光敏电阻工作温 度，这是提高光敏电阻 性能参数的有效办法。
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
的变化范围为1～30μm。
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
3、光敏电阻的基本特性 1）光电特性
CdS光敏电阻光照特性
Ip gpUUSgE
•当照度很低时，曲线近似为线 性，随着照度的增高，线性关 系变坏，当照度升为很高时， 曲线近似为抛物线形。
logR1 logR2
logE2 logE1
•光电转换因子γ在弱辐射作用
a）结构原理
b）工作原理Байду номын сангаас
当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结中的原子吸收了光 子能量，并产生本征吸收，激发出电子—空穴对，在耗尽区内建电 场的作用下，空穴被拉到P区，电子被拉到N区，形成反向电流即光
电流。光电流在负载电阻RL上产生与入射辐射相关的信号输出。
第3章 光电检测器件
全电流方程与输出特性产生光的辐光射生作电用流下。
晚上，CdS光敏电阻阻值大，J的 电流小，不能工作而关闭，灯亮。 白天，阻值小，J工作，常闭触头 断开，灯灭。
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
PbS光敏电阻：近红外波段最灵敏的光电导
器件。由于在2μm附近的红外辐射的探测灵
敏度很高，因此，常用于火灾的探测、红外
报警系统等领域。室温下的PbS光敏电阻的
二、光生伏特器件
无辐射时对应 的暗电流。与普通 二极管一样。
的情况下为1，随着辐射的增强
，γ值减小，当辐射很强时γ值
降低到0.5。
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
2）伏安特性
CdS光敏电阻的伏安特性曲线
•光敏电阻的本质是电阻， 符合欧姆定律。因此，它 具有与普通电阻相似的伏 安特性，但是它的电阻值 是随入射光度量的变化而 变化的。
•图中的虚线为额定功耗线。 使用时，应使光敏电阻的实 际功耗不超过额定值。
8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。
Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材
料的晶体混合制造的，其中x是Cd含量的组分。在制造 混合晶体时采用不同Cd的组分x，可得到不同的禁带宽 度Eg，进而可以制造出不同波长范围响应的Hg1-xCdxTe 探测器件。一般组分x的变化范围为0.18～0.4，长波长
第3章 光电检测器件
二、光生伏特器件
1、光敏二极管 光敏二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N
型硅为衬底的2CU型两种结构形式。 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下
方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量 增加，光电流与照度成正比。
第3章 光电检测器件
结构和工作原理
二、光生伏特器件
《光电检测技术及应用》 第3章 光电检测器件
任课教师：徐熙平
2020年7月4日星期六
第3章 光电检测器件
1、光敏电阻的原理与结构
一、光电导器件
当光敏电阻受到 光照时，光生电子— 空穴对增加，阻值减 小，电流增大。
符号
暗电流（越小越好）
第3章 光常电用检于红测器件
类型：光波段常的用外远射探于波红的测可段外探见甚波测至 段 。于 辐 本征半导体光敏电阻 杂质型半导体光敏电阻
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
5）噪声特性
•光敏电阻的主要噪声有热 噪声、产生复合噪声和低频
噪声(或称1/f 噪声)。
IN2J(f
)
4KTf
Rd(1202)
In2gr4qI
(0 /l)f 1202
I
2 nf
c1 I 2 bdl
f fb
光敏电阻的噪声与调制频率的关系
1
IN(IN 2J In2gr In2f)2
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
6）光谱响应
光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、 材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。
三种典型光敏电阻的光谱响应特性曲线
•CdS材料制成的光敏电阻的 光谱响应很接近人眼的视觉 响应，CdSe材料的光谱响应 较CdS材料宽，PbS材料的光 谱响应范围最宽，覆盖了0.4 ～2.8μm的范围，PbS光敏 电阻常用于火点探测与火灾 预警系统。
InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值 波长在6μm附近。当温度降低到-160 （液氮）时，其长 波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也移至5μm，恰 为大气的窗口范围。
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件：是目前所有红外探测 器中性能最优良最有前途的探测器，尤其是对于4～
4）时间响应
光敏电阻的频率特性 1—Se光敏电阻 2—CdS光敏电阻 3—TeS光敏电阻 4—PbS光敏电阻
•光敏电阻的时间响应（惯 性）比其他光电器件要差些 （惯性要大），频率响应要 低。
•光敏电阻在被强辐射照射 后，其阻值恢复到长期处于 黑暗状态的暗电阻RD所需 要的时间将是相当长的。因 此，光敏电阻的暗电阻RD 常与其检测前是否被曝光有 关，这个效应常被称为光敏 电阻的前历效应。
光谱响应范围为1～3.5μm，峰值波长为
2.4μm。
将PbS光敏电阻放
在光学系统的焦点上，
使进入接收系统的红外
线能全部会聚到探测器
上。报警装置与放大器
相连接，它可输出报警
信号。
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
InSb光敏电阻：是3～5μm光谱范围内的主要探测器件之 一。InSb光敏电阻由单晶制备，制造工艺比较成熟，经 过切片、磨片、抛光后，再采用腐蚀的方法减薄到需要 的厚度。光敏面尺寸由0.5mm×0.5mm到8mm×8mm 不等。大光敏面的器件由于不能做得太薄，其探测率降 低。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜做 阵列器件。
基本结构：
一、光电导器件
a）梳状结构
b）蛇形结构
c）刻线结构
1—光电导材料 2—电极 3—衬底材料
第3章 光电检测器件
一、光电导器件
2、典型光敏电阻 CdS光敏电阻：是最常见的光谱响应特性最接近人眼光
谱光视效率 V的光电器件，CdS光敏电阻的峰值波长
为0.52μm，在可见光波段范围内最灵敏。它广泛地应 用于灯光的自动控制，照相机的自动调光等。