光电检测总结.doc

第一章概论
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定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
检测技术分类
按工作原理:机械式 阻抗式电量式光电式辐射式
按工作方式:接触式,非接触式
按工作物质:电量式,非电量式
光电检测技术特点,光电检测系统组成。
特点: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。
由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息,再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理,最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。
系统组成:
变换电路
光电传感
光源
光学系统
被测对象
光学变换
电信号处理
存储
显示
控制
光学变换电路处理
基础知识
电磁波谱图
光谱光视效率函数
器件的基本特性参数
响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度
响应特性
(或称灵敏度):是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。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
电压响应率: 光电探测器件输出电压与入射光功率之比
电流响应率:光电探测器件输出电流与入射光功率之比
光谱响应度: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
:检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度.
: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.
上升时间: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。
下降时间: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。
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
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
用均方噪声来表示噪声值大小
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:雷电、太阳等。如光电导盲器在太阳下
内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。
人为噪声:如工频交流电(50Hz)、测试仪器的散热风扇引起的光路变化。
固有噪声:散粒噪声、热噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声
光电探测器常见的噪声
热噪声:载流子无规则的热运动造成的噪声。热噪声存在于任何电阻中,热噪声与温度成正比,与频率无关,热噪声又称为白噪声。
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是随机的,PN结中通过结区的载流子数也是随机的。
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。
产生-复合噪声:半导体受光照,载流子不断产生-复合。在平衡状态时,在载流子产生和复合的平均数是一定的。但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。
1/f噪声:或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比。多数器件的1/f 噪声在200~300Hz以上已衰减到可忽略不计。典型代表:电流幅值漂移
温度噪声:由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的温度起伏,称为温度噪声。
光电器件
D)原理和工作过程
CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)
CCD的突出特点:是以电荷作为信号,而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
CCD的结构
MOS 光敏元:D的基本单元是MOS(金属—氧化物—半导体)结构。
电荷存储
在栅极加正偏压之前,P型半导体中的空穴(多子)的分布是均匀的。
加正偏压后,空穴被排斥而产生耗尽区,偏压增加,耗尽区向内延伸。
当UG> Uth时,半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高,以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面,形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。
反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。
电荷的转移(耦合)
第一个电极保持10V,第二个电极上的电压由2V变到10V,因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米),它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。
若此后第一个电极电压由10V变为2V,第二个电极电压仍为10V,则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样