1、第六章光电探测器第六章光电探测器 第一节光电探测器的性能参数 第二节光电探测器的工作原理与分类 第三节光电探测器应用实例22引言 光电仪器系统组成3光源光谱分布光度分度光学系统光辐射的调制光强、波长、相位、偏振态探测器信息接收光电转换光电探测器的功能要求及性能参数 最早的光电探测器：人眼个体差异性、滞后性、不准确性 现代光电仪器以人眼观察为辅助手段，结合光电探测器实现准确、可靠、高效的信息获取，并结合微处理器、处理电路等完成信息的记录和传递 性能参数描述光电探测器件的性能比较不同探测器之间的差异 4第一节光电探测器的性能参数 光学光敏面积，空间分辨率，光谱范围，动态范围 光电转换光电转换特性函
2、数灵敏度，响应度，探测度，响应时间 电学分立元件伏安特性，集成元件接口特点 噪声5光学参数光敏面积 光敏面积/感光面积（photosensitive area）光电探测器上对光波信号有响应的面积大小点探测器的光敏区域边长一般为毫米量级线阵或面阵探测器由大量小探测单元组成 CCD或CMOS常用尺寸：1/3,2/3,1/2英寸6光学参数空间分辨率 空间分辨率（resolution）线阵或者面阵探测器能够分辨的临界空间几何长度的最小极限，即对细微结构的分辨率 一般由小探测单元（像素）的尺寸决定CCD芯片：5 mm、13 mm等CMOS芯片：4.5 mm等 感光面积一定时，人们用像素数来衡量 空间分辨
3、率是成像器件的一项重要指标7光学参数光谱范围 光谱范围（spectral range）引起探测器响应的光波所在的光谱区域大小 红外器件红外激光检测卡：8001600 mm激光技术，军事探测，安保 可见光器件常规成像 紫外器件火焰探测，军事探测8与光源匹配光学参数动态范围 动态范围（dynamic range）最早是信号系统的概念，是指一个信号系统的最大不失真电平和噪声电平的差，多用对数和比值表示光电探测器：光学动态范围+输出动态范围光学动态范围：饱和曝光量与噪声曝光量（即暗电流对应曝光量）之比，主要由光电探测元件决定输出动态范围：主要与探测器中的电路有关 动态范围越大的探测器能反映的层次越丰富
4、9不同动态范围的效果108位灰度图8色灰度图4色灰度图黑白图光电转换特性函数 表征探测器进行能量转换的规律 定义光电流i（或光电压u）和入射光功率P之间的关系 i=f(P)或 u=f(P)一般不是线性或其他简单函数关系，需测试确定 11光电特性积分灵敏度 积分灵敏度/响应度（sensitivity/responsivity）单位入射光功率作用下探测器的输出信号电压或电流光电特性曲线斜率（单位：V/W或A/W）或者 线性度（linearity）探测器输出光电流（电压）与输入光功率成比例的程度和范围 弱光照时：较大范围内成线性关系 强光照时：趋于平方根关系12ddiiRPdduuRP光电特性光谱灵
5、敏度 光谱灵敏度/响应度（spectral）探测器对光辐射的反应大多存在波长选择性，光电流是光波长l对应功率Pl的函数光谱灵敏度Pl：功率谱密度相对光谱灵敏度Sl 将光谱灵敏度对其最大值（峰值波长对应灵敏度）归一化 光谱灵敏度曲线13ddiRPlll光电特性量子效率 量子效率（quantum efficiency）探测器每秒产生电子数/每秒接收到波长l的光子数是灵敏度/响应度的另一种表示h：普朗克常量，c：光速，e：电子电量14()()ee()eseeeIRP dRhcP dP dhhcllllll lllll光电特性噪声等效功率 NEP（noise equivalent power）指明器件
6、可检测的最小辐射功率探测器输出信号电压的有效值Vs等于噪声均方根电压值Vn时，对应的入射光功率（单位：W）探测度（detectivity）等效噪声概率NEP越小，探测器性能越好按照习惯，定义NEP的倒数为探测度（单位：W-1）归一化探测度（比探测度）可以用来比较不同尺寸的探测器151/21/2*()()/NEPDD A fD A f光电特性响应时间 响应时间（response time）表征探测器对变化信号响应快慢的能力光电探测器输出电流is(t)上升到稳态值i0的0.63倍时的时间（t=）称为探测器的响应时间16)1()(/0tseiti光电特性幅频特性 幅频特性(amplitude fre
7、quency response characteristic)响应度与调制频率的关系 时，f*为截止频率探测器的响应时间决定了探测器频率响应的带宽1721)41()0()(222fRfR707.0)0()(RfR*21f光电特性 小结 光电流是探测器两端电压u、入射光功率P、光波长l 和光强调制频率f 的函数 取不同的参数为参变量可得到伏安特性，灵敏度/响应度，光谱灵敏度，幅频特性等18,iF u Pfl第二节光电探测器的工作原理与分类 客观光探测原理的分类光照后探测器材料产生物理或化学变化光子效应：探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。对光波频率有选择性。响应速度一般较快
8、。外光电效应：光电子发射、光电子倍增 内光电效应：光电导、光生伏特效应等光热效应：吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升。原则上对光波频率没有选择性。响应速度一般较慢。光化学效应19外光电效应原理 当光照射某种物质时，若入射光子能量足够大，和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面的现象 依照发射光电子的去向分为直接探测：光电管产生二次电子发射：光电倍增管20外光电效应器件光电管 光电管（photocell）工作原理 不透明阴极光电管和半透明阴极光电管 光电阴极受入射光照射发射光电子，光电子在电场的作用下加速并被阳极收集，产生光电流 21阳 极阴 极电流计阳 极阴 极电流计外光
9、电效应器件光电管 光电管结构 光电管特点 真空光电管 线性度好 增益低、灵敏度低 充气光电管 灵敏度比真空管高10倍 稳定性差、线性度低、暗电流大、响应时间长22外光电效应器件光电倍增管 光电倍增管（photomultiplier tube）工作原理阴极外光电效应+打拿极（dynode）二次电子发射23外光电效应器件光电倍增管 光电倍增管结构 光电倍增管特点 响应速度快 响应度极高 稳定度线性度较好24n 光电倍增管的应用l 单光子探测技术l 正电子发射断层扫描仪PETl 紫外/可见/近红外光光度计l 发光分光光度计内光电效应原理 当光照射某种物质时，若入射光子能量足够大，和物质中的电子相互作
10、用，受激发产生的自由电子仍留在物体内部，导致物体导电性加强、出现电势差或产生其他效应 原理分类光电导效应：光敏电阻，位敏探测器PSD光生伏特效应/光伏效应：光电池、光电二极管及雪崩光电二极管 CCD和CMOS以光电二极管为光电转换元件 25光电导效应 光电导效应 光照变化引起半导体材料电导变化的现象 对应光探测器光敏电阻（光导管）位敏探测器PSD26光电导效应器件光敏电阻 光敏电阻工作原理当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大，负载电阻上电压变化。27A电 极感 应半 导 体玻 璃 片 基sV光电导效应器件光敏电阻
11、光敏电阻结构 光敏电阻特点 光谱响应范围宽 灵敏度高 线性差 响应时间长 温度变化影响大 光敏电阻的应用光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭等光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等28光电导效应器件位敏探测器 PSD（position sensitive detector）对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出电流随光点位置的不同而连续变化 基于半导体横向光电效应 特点：体积小、灵敏度分辨率高、频率响应宽、速度快 应用：光学定位、跟踪、位移、角度测量和虚拟现实设备291212IIxLII位敏探测器应用实例 基于激光三角法的三坐标测量系统包含两个点光源
12、的光笔，延长线为被测点 目的：防止被测面起伏过大造成被测点被遮挡30位敏探测器应用实例 基于激光三角法的三坐标测量系统坐标测量原理左：系统标定后，由A确定AD，由B确定BE，可求交点S0(x,y,0)31x,y坐标测量原理 z坐标测量原理 光伏效应 光伏效应光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象 对应光探测器光电池光电二极管四象限探测器32光伏效应器件光电池 光电池工作原理光生电势差的大小与光电池接收到的光通量有关，也与外回路电阻大小有关33A半 透 明电极金属 底板入射光半 导 体 硅环 极电 极+-光伏效应器件光电池 光电池特点接收面积大无需外加偏压响应速度低光
13、电池工作接近于短路状态时线性较好 应用电源光电探测：与人眼光谱灵敏度接近34光伏效应器件光电二极管 光电二极管外加反偏压下工作的光伏探测器 光电二极管特点 响应速度快 体积小 价格低35光伏效应器件光电二极管 应用实例墨滴检测系统用途：喷墨法制作彩色滤光片背景：液晶显示装置通常需要利用彩色滤光片进行彩色显示。将红、绿、蓝三色按一定图案均匀涂布在透明基板上可形成彩色滤光片。36光伏效应器件光电二极管 应用实例墨滴检测系统用途：喷墨法制作彩色滤光片背景：传统的彩色滤光片普遍采用染色法，颜料分散法及电沉积法等方法制造。近年来，喷墨法由于具有步骤简单、成本较低等优点，开始被人们用于制造彩色滤光片。喷墨
14、系统主要包括至少一个喷头。每个喷头有若干个喷嘴。喷头可使喷嘴喷出红、绿、蓝三种颜色的墨滴，墨滴滴在透明基板上形成相应的着色层。每个喷嘴喷出墨滴的状态由墨滴的一些特征决定，这些特征包括墨滴的形状、频率、尺寸、方向性等。了解了墨滴的状态就可以在使用前对喷墨系统进行实时调整。37光伏效应器件光电二极管 系统结构38俯视图侧视图光伏效应器件光电二极管 系统结构激光二极管装置包括激光二极管和透镜模块。激光二极管发出的激光光束经透镜模块聚焦在喷嘴正下方，且在焦点处最大横截面积小于墨滴的最大横截面积。激光光束穿过墨滴后被光电二极管接收，电信号传入信号处理与显示装置，该装置可以是示波器或者模数转换电路板。由于
15、墨滴的形状不一样，其吸收激光的量也不一样，因此从该装置显示的信号形状能大致估计墨滴的形状。39光伏效应器件光电二极管 检测结果40光伏效应器件光电二极管 器件选型从功能的角度考虑，只要是能进行光强探测的器件都满足要求，因此常见的光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管及雪崩光电二极管都可以考虑。不过，由于系统必须真实反映墨滴对激光的吸收程度，因此，对探测器的线性度、灵敏度、响应速度都有一定要求，否则光强曲线的变化与墨滴形状之间的关系将无法一一对应。这样如光电管（灵敏度低）、光敏电阻（线性度差）、光电池（响应速度慢）之类的器件难以满足要求。其它如光电倍增管、雪崩光电二极管虽然有优越的探测
16、性能，尤其是灵敏度极高，但本系统是常规激光光强探测，没有微弱信号探测方面的需求，没有必要选用这两种器件。因此，光电二极管以合适的性能和较低的成本成为本系统最佳探测器选择。41光伏效应器件光电二极管 器件选型与参数设计首先应选择灵敏度较高、响应时间较短的光电二极管。其次光路设计上，激光二极管装置的透镜模块应使光束在喷嘴正下方焦点处会聚的最大横截面积小于墨滴的直径，才能获得更丰富的信号，同时注意光电二极管与焦点后发散光束的相对位置，务必使得光束的口径在光电二极管的光敏范围以内。最后，在信号处理电路中应充分考虑光电二极管的最高反向工作电压和伏安特性等，将其输出电压有效表示出来。42阵列探测器CCD、
17、CMOS 应用实例微型光谱仪应用背景：物理学、化学、天文学、地理学、地质学、生物学、工学、农学、医学等学科领域。反射/透射比测量Reflectance/Transmittance Measurement LED测试LED Measurement 激光波长测量Laser Wavelength Measurement 颜色测量Color Metric 拉曼光谱Raman Spectrum 高光谱地物遥感Hyper-Spectral Remote Sensing 太阳模拟器光谱匹配度测试Solar Simulator Evaluation 43阵列探测器CCD、CMOS 应用实例微型光谱仪应用背景：
18、物理学、化学、天文学、地理学、地质学、生物学、工学、农学、医学等学科领域。食品和饮料Food and Beverage 制药业和化学Pharmaceuticals/Chemicals 石油Petroleum 照明Lighting 生物医学技术Biomedical Technologies 冶金Metallurgy 半导体和薄膜分析Semiconductor/Thin Film 44阵列探测器CCD、CMOS 应用实例微型光谱仪工作原理：待测光通过光纤导入光谱仪，经入射狭缝后被准直镜准直，入射分光元件光栅。此时，入射狭缝可被看成物点，光栅之后的聚焦成像镜把狭缝的像成在探测器上。由于入射光非单色光
19、，经光栅色散后，不同波长的光将成像在探测器上不同的位置。45光栅准直镜光纤转接头探测器聚焦透镜阵列探测器CCD、CMOS 器件选型可选探测器包括：在紫外可见波段的前照式CCD传感器，背照式CCD传感器，光电二极管阵列传感器以及在近红外波段使用的阵列铟镓砷传感器。Avantes的专业意见1阵列光传感器的关键指标有：灵敏度、像素的数目、像素的尺寸、像素阱深、信噪比、响应非均匀性等等。Avantes的专业意见246光伏效应器件光电三极管 光电三极管等效于光电二极管+晶体三极管 比较光电二极管：光电流小，输出线度好，响应时间快 适用于要求光电流与照度成线性关系或要求工作频率高场合光电三极管：光电流大，
20、输出线度差，响应时间慢 适用于要求灵敏度高、工作频率低的开关电路47光伏效应器件四象限探测器 四象限光电池（quadrant photocell）面积很大的结型光电器件，利用光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分割成四个区域，每一个区域相当于一个光电二极管48光伏效应器件四象限探测器 四象限光电池（quadrant photocell）光斑偏移量 高精度反映光斑中心的位置变化，常用于定位对准 491234123414231234()()()()IIIIxkIIIIIIIIykIIII 光电效应探测器对比光强50探测器探测器优点优点缺点缺点典型应用典型应用光电管线性度好灵敏度低、体积大、易破损
21、光电式自动检测仪表光电倍增管 响应速度快，灵敏度极高，线性度好 单光子探测技术，光度计光敏电阻光谱响应宽，灵敏度高线性差，响应时间长，温度影响大光电控制系统，烟雾报警器光电池接收面积大，近人眼光谱灵敏度响应速度低电源光电二极管响应速度快，线性度好，体积小，价格低光通信，雷达，快速光电自动控制雪崩光电二极管灵敏度极高工作电压高，噪声大激光测距仪，光纤通信光电效应探测器对比位置51探测器探测器功能功能优点优点缺点缺点应用应用位敏探测器PSD测光斑位置体积小，灵敏度分辨率高，频响宽、快光学定位、跟踪，位移角度测量四象限光电池测光斑位置中心精度高测量范围小定位、对准光探测器热电探测器 光热效应（the
22、rmoelectric effect）吸收部分入射辐射，转变成物质温度的上升，使有关物理量发生变化 热探测器特点对光波响应无选择性，响应光波段范围较宽响应较低，响应时间长不同类型器件的响应率、机械强度、响应速度和使用条件等不同因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑 对应探测器热敏电阻、温差电偶、热释电器件52热电探测器温差电偶 温差电偶/电堆（thermocouple）工作原理：温差电效应（塞贝克效应）制作材料 金属 半导体 结构 实体型（测温）薄膜型（测辐射）53热电探测器温差电偶 温差电偶的特点测量量程大，利用不同材料可测量2001800的温度制造成本低，无需外部电源，能忍受恶劣的环境
23、对温度变化反应迟钝 应用炼钢炉或液态空气温度测定炉温的自动控制和远距离测定等54热电探测器热敏电阻 热敏电阻（thermistor）工作原理 吸收辐射产生温升引起材料电阻的变化 分类 金属灵敏面 正电阻温度系数 电阻值与温度的关系基本线性 耐高温能力较强 半导体灵敏面 负电阻温度系数（绝对值比金属的大十多倍）电阻值与温度的关系非线性 耐高温能力较差55热电探测器热敏电阻 热敏电阻特点响应率很高，测温准确度高机械强度较差，容易破碎要求相接的放大器要有很高的输入阻抗流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度 应用工业生产中广泛用来测量100500范围的温度 56热电探测器热释电探
24、测器 热释电探测器（pyroelectric sensor）工作原理 热释电效应：晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，即由于热变化产生的电极化现象 以热电晶体为电介质的平板电容器。温度变化，引起电容器电容的变化57热电探测器热释电探测器 热释电探测器特点辐射恒定时无输出测得的是背景与热辐射体的温差机械强度、响应率、响应速度都很高无需制冷、可在室温下工作 只能在低于居里温度的范围内使用58热电探测器对比59探测器探测器可测温度可测温度优点优点缺点缺点应用应用温差电偶2001800成本低，适应恶劣环境反应慢超高超低测温热敏电阻100500响应率高，准确度高易碎，工作环境要求苛刻普通工业测温热释电温差无需制冷，机械强度、响应率、响应速度高低于居里温度范围内使用红外探测，成像
