光电检测技术概述

Institute of Modern Optics,Nankai University,电子信息工程学术讲座,光电检测技术概述,白 华,讲座内容,什么是光电检测,光电检测的基本原理及特点,典型的光电转换器件,光敏器件的基本特性参数,光电检测技术的应用及发展趋势,什么是光电检测,光不仅传输能量，也是信息的载体,光通信,光纤传感,光谱,生物发光,什么是光电检测,光电转换,电信号处理,信息获取,利用光电传感器实现各类检测。将被测量转换成光通量,再转换成电信号，并综合利用信息传送和处理技术，完成信息获取。,信号光,电信号,被测物,探测光,光调制,（波长、幅度、相位）,采集、放大、滤波、,解调、,A/D,、接口等,光敏器件,光电效应,信号分析,光电检测的基本原理及特点,光电效应,光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光生电动势等。这种因光照而引起物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应。,光电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光伏效应,外光电效应：,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的现象。,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。,光电检测的基本原理及特点,高精度：,从地球到月球激光测距的精度达到,1,米,。,高速度：,以光速传播。,远距离、大量程：,遥控、遥测和遥感。,非接触式检测：,不改变被测物体性质的条件下进行测量。,寿命长：,光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。,光电检测的基本原理及特点,光电检测技术的特点,典型的光电转换器件,光敏电阻,光电二极管,光电倍增管,电荷耦合器件,典型的光电转换器件,一、光敏电阻,光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。,黑暗条件下，阻值,1M100M,欧,强光条件下，阻值几百到数千欧,光敏电阻实物图,入射光,典型的光电转换器件,光敏电阻的结构,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。,工作原理,黑暗环境里，电阻值很高。,当受到光照时，价带中的电子吸收光子能量跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电的空穴，形成电子,空穴对。,半导体材料中载流子的数目增加，使其电阻率变小，从而造成阻值下降。,入射光消失后，由光子激发产生的电子,空穴对将复合，阻值也恢复原值。,典型的光电转换器件,光敏电阻的特点,光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；,偏置电压低，工作电流大；,动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；,光电导增益大，灵敏度高；,无极性，既可加直流电压，也可加交流电压；,在强光照射下，光电响应线性度较差,光电驰豫时间较长，频率响应较差。,光敏电阻可广泛应用于照相机，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。,照明灯自动控制电路,K,220V,灯,常闭,CdS,典型的光电转换器件,光敏电阻的应用,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。,例：照明灯自动开关控制,典型的光电转换器件,光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。,与普通二极管一样有一个,PN,结，属于单向导电性的非线形元件。结构不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。,为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即,PN,结面积比普通二极管大得多，电极面积则尽量小。,为了提高光电转换能力，,PN,结的深度较普通二极管浅,一般小于,1,微米,。,二、光电二极管,光电二极管实物图,典型的光电转换器件,光电二极管工作原理,光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于,0.1,微安），称为暗电流。,当有光照时，光子进入,PN,结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子,-,空穴对，称为光生载流子。,光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，从而实现电信号随着光的变化而相应变化。,典型的光电转换器件,光电二极管的特点,大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子,空穴在耗尽层复合机会少，提高了光敏二极管的灵敏度。,大反偏压的施加，结电容减小，提高了器件的频响特性。,因此，光敏二极管具有体积小，灵敏度高，响应时间短等优点，同时光谱响应覆盖可见到近红外区，被广泛应用于光电检测。,典型的光电转换器件,三、光电倍增管,光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。,由光阴极、倍增极和阳极构成。,光电倍增管结构示意图,光电倍增管实物图,K,为光阴极，由光敏材料制成，如镓砷化物、铟砷化钾等；,D1,，,D2,，,，,Dn,为倍增级（打拿级），打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等；,A,为阳极；,R,为分压电阻；,-V,H,为偏置负高压。,典型的光电转换器件,待测光照射由光阴极,K,，光阴极以一定的概率（量子效率）释放电子。,光阴极释放的电子在负高压驱动下加速撞击第一倍增级,D1,（打拿级），溅射出数量更多的二次电子。,依此类推，前一个倍增级发出的次级电子在电压驱动下加速撞击下一个倍增级，产生更多的次级电子，实现信号的放大。,阳极,A,接收最后一个倍增级发出的电子，转换为电流或电压。通常情况下，电流或电压的大小与光信号的强弱成正比，从而实现弱光的探测。,光电倍增管的工作原理示意图,典型的光电转换器件,对于不同强度的光信号，光电倍增管输出的电信号的形式可分为以下两种情况：,一般光照下光电倍增管输出信号示意图,弱光条件下光电倍增管输出信号示意图,电平测量,光子计数测量,典型的光电转换器件,光电倍增管的特点,增益高，增益可达,10,4,10,8,；,暗噪声低，小于,20,电脉冲,/,秒；,响应快，一般为,120ns,；,光谱覆盖范围广，,200nm1200nm,。,光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可实现微弱光信号的检测，被广泛应用于冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。,典型的光电转换器件,四、电荷耦合器件（,CCD,）,CCD,一般作为,图像传感器,应用，可方便地将光学影像转变为数字信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。,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。,典型的光电转换器件,CCD,的基本结构,CCD,的受光面上整齐排列（一维或二维）着大量微小的光敏元件，元件之间彼此独立，每个光敏元件称为一个像素。,对应于每一个光敏元件（像素），都存在一个独立的电荷存储、转移和输出通道，其结构如下图：,光敏元件,典型的光电转换器件,CCD,的工作原理,CCD,的工作包括电荷的产生、存储、转移和输出四个部分。,1,、电荷的产生,当光照射,CCD,时，通过光敏元件的光电效应，在栅极附近的半导体体内产生电子,-,空穴对，电荷产生。,2,、电荷的存储,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,U,G,U,th,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。,典型的光电转换器件,典型的光电转换器件,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，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。,电荷转移示意图,3,、电荷的转移,典型的光电转换器件,在,CCD,转移栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，实现电荷的定向传输。,3,、电荷的转移,4,、电荷输出,利用输出二极管和外接电路，将电荷转变为电流或电压输出。,典型的光电转换器件,体积小，重量轻，功耗低，启动快，可靠性高，寿命长。,空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。,光电灵敏度高，动态响应范围宽，红外敏感性强，信噪比高。,高速扫描，基本上不保留残象,(,电子束摄象管有,1520,的残象,),集成度高,可用于非接触精密尺寸测量系统。,有抗过度曝光性能。,有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。,CCD,的特点,典型的光电转换器件,CCD,的应用,线阵,CCD,面阵,CCD,CCD,在工业、军事和科学研究等领域应用广泛，如在方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别等方面更呈现出其高分辨力、高准确度、高可靠性等突出优点。,用于扫描仪,用于数码相机,光敏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,光敏器件的基本特性参数,一、响应特性,1,、响应度（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,光敏器件的基本特性参数,一、响应特性,2,、光谱响应度：,响应度是随入射光波长变化而变化的。探测器在波长为,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。,3,、响应时间：,响应时间,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。,光敏器件的基本特性参数,一、响应特性,4,、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。,光电探测器响应率与入射调制频率的关系,其中，,S(f),是调制频率为,f,时的响应率；,S,0,是调制频率为零时的响应率；,t,=,RC,是时间常数。,当调制频率增大，,S(f),下降到,0.707 S,0,时，对应的频率为,上限截止频率。,由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。,光敏器件的基本特性参数,二、噪声特性,1,、光电探测器常见噪声,(1),热噪声：,即载流子无规则的热运动造成的噪声。热噪声是白噪声，存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关。,(2),散粒噪声：,由随机入射到光探测器表面的光子，随机逸出光阴极表面的光电子，随机通过,PN,结区的载流子所引起。散粒噪声也具有白噪声特性，在大多数光电探测器中具有支配地位。,光敏器件的基本特性参数,(3),产生,-,复合噪声：,在平衡状态时，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存在起伏，这引起半导体电导率的起伏，形成产生,-,复合噪声。,(4)1/f,噪声或低频噪声：,低频噪声的功率近似与频率成反比，多数器件的,1/f,噪声在,200300Hz,以上已衰减到可忽略不计。,二、噪声特性,1,、光电探测器常见噪声,光敏器件的基本特性参数,二、噪声特性,2,、信噪比,信噪比是判定噪声大小的重要参数，是负载电阻上信号功率与噪声功率之比：