1、第一节第一节 光源光源第二节第二节 光电器件光电器件第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件电荷耦合器件和位置敏感器件第四节第四节 光纤传感器光纤传感器第五节第五节 光栅式传感器光栅式传感器第六节第六节 激光式传感器激光式传感器第七章第七章 光电式传感器光电式传感器返回主目录返回主目录 光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。利用这种传感器光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。利用这种传感器测量非电量时，只需将这些非电量的变化转换成光信号的变化，就可测量非电量时，只需将这些非电量的变化转换成光信号的变化，就可以将非电量的变化转换成电量的变化而进行检测。光电式传感器具有以将非电量的
2、变化转换成电量的变化而进行检测。光电式传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点。结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点。第第七七章章 光电式传感器光电式传感器 光具有波粒二象性，光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每一光具有波粒二象性，光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每一个光子具有一定的能量，光子的能量个光子具有一定的能量，光子的能量 ，其中，其中 为普朗克常数，为普朗克常数，为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能量也就越大。光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应。例如量也就越大。光照射在物体上会产生一系列的物理
3、或化学效应。例如光合效应、光热效应、光电效应等。光电传感器的理论基础就是光电光合效应、光热效应、光电效应等。光电传感器的理论基础就是光电效应，即光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为效应，即光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为 的光子所轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效的光子所轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象，根据产生电效应的不同，光电效应大致可以分为三类：应的物理现象，根据产生电效应的不同，光电效应大致可以分为三类：外光电效应外光电效应 、内光电效应、内光电效应 、光生伏特效应、光生伏特效应 hfE h346.626 1
4、0hJsfhfl工作原理：工作原理：被测量被测量光信号光信号电信号（借助光电器件）；电信号（借助光电器件）；l基本组成基本组成（见下图）（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件辐射源、光学通路、光电器件3 部分；部分；第第七七章章 光电式传感器光电式传感器辐射源辐射源光电器件光电器件光学通路光学通路输出输出被测量被测量被测量被测量图图7-1 光电式传感器原理图光电式传感器原理图l工作过程：工作过程：被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到光波上，可改变光波的光波上，可改变光波的强度强度、相位相位、空间分布空间分布和和频谱分布频谱分布
5、；光电器件将光信号转换为电信号；光电器件将光信号转换为电信号；电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。l 特点：特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低等。重量轻、造价低等。第第七七章章 光电式传感器光电式传感器n光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、相干性、体积、波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。造价、功率等。n光源分类：光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光光源等。热辐射光源、气体放电光源、激光
6、器和电致发光光源等。n光谱（附加知识点）光谱（附加知识点）光波：波长为光波：波长为10106nm的电磁波的电磁波 紫外线：波长紫外线：波长10380nm 波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm称为极远紫外线称为极远紫外线 可见光：波长可见光：波长380780nm第一节第一节 光源光源 红外线：红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。远紫外远紫外近紫
7、外近紫外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长波长/m第一节第一节 光源光源一、热辐射光源一、热辐射光源n定义：定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，也就是利用物体升温热物体都会向空间发出一定的光辐射，也就是利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源，称为热辐射光源。物体温升越高，辐产生光辐射的原理制成的光源，称为热辐射光源。物体温升越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。加热可以借电流沿导体射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。加热可以借电流沿导体流动时所释放的热量来实现。流动时所释放的热量来实现。n实例：实例：白炽灯、卤钨灯白炽
8、灯、卤钨灯；n白炽灯特点：白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约11.5m，因此可用作，因此可用作近红外近红外光源光源。n卤钨灯特点：卤钨灯特点：卤钨灯灯丝温度较高，紫外线较丰富，因此可用作为卤钨灯灯丝温度较高，紫外线较丰富，因此可用作为紫外光源紫外光源，发光效率比白炽灯高，发光效率比白炽灯高23倍。倍。第一节第一节 光源光源第一节第一节 光源光源白炽灯白炽灯卤钨灯卤钨灯 二、气体放电光源二、气体放电光源n定义：定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原
9、理制成的光源称为气体电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。放电光源。n特点：特点：气体放电光源的气体放电光源的光谱不连续光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。光谱范围的辐射源。n实例：实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为低压汞灯的辐射波长为2
10、54nm，钠灯的辐射波长约为，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。n特例：特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。第一节第一节 光源光源第一节第一节 光源光源低压汞灯低压汞灯氢灯氢灯钠灯钠灯镉灯镉灯氦灯氦灯三、电致发光器件发光二极管三、电致发光器件发光二极管n定义：定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电
11、致发光固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发电致发光器件光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。n发光二极管（发光二极管（LED）的发光原理）的发光原理：在：在N型半导体上扩散或者外延生长型半导体上扩散或者外延生长一层一层P型半导体，型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压结接正向电压时，时，N区电子向区电子向P区运动，与区运动，与P区空穴结合时发出一定频率的光
12、区空穴结合时发出一定频率的光，光子光子频率取决于频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱极管的发光频谱。第一节第一节 光源光源第一节第一节 光源光源发光二极管发光二极管四、激光器四、激光器n激光产生的过程：激光产生的过程：某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收受激吸收）；）；如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反如果处于高能级的粒子数大于低能级上的
13、粒子数，就形成了粒子数反转，在转，在特定频率的光子激发特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（出与激发光子频率相同的光子（受激辐射受激辐射）；）；由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大光的受激辐射放大。具有光的受激辐射放大功能的器件称为具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器激光器。第一节第一节 光源光源n激光器的优点：激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。单色性好、方向性好和亮度高。n种类：种类：激光器种类激光
14、器种类繁多，按工作物质分类繁多，按工作物质分类固体固体激光器（如红宝石激光器）激光器（如红宝石激光器）气体气体激光器（如氦激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体半导体激光器（如砷化镓激光器）激光器（如砷化镓激光器）液体液体激光器。激光器。第一节第一节 光源光源固体激光器固体激光器-红宝石红宝石半导体激光器半导体激光器液体激光器液体激光器二氧化碳激光器二氧化碳激光器1、固体激光器、固体激光器l固体激光器的典型实例就是固体激光器的典型实例就是红宝石激光器红宝石激光器，它是人类发明的第一种激，它是人类发明的第一种激光器，诞生于光器，诞生于1960年。红宝石激
15、光器的工作介质是掺年。红宝石激光器的工作介质是掺0.5%铬的氧化铝铬的氧化铝（即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿（即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光深红色的激光（波长约（波长约694nm）；）；lNd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激光器，与）是另一种常见的固体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其光泵，这种激光器发出的光泵，这种激光器发出
16、的波长为波长为1.06m的红外光的红外光。l固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收测量方面有固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量于地球到月球的距离测量。第一节第一节 光源光源2、气体激光器、气体激光器n特点：特点：气体介质的气体介质的密度低得多密度低得多，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光器的得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光
17、器的体积一般都比较大体积一般都比较大。气体介质均匀，激光稳定性好气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循环，另外气体可在腔内循环，有利于散热有利于散热，这是固体激光器所不具备的。这是固体激光器所不具备的。由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用光泵作激励，更由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用光泵作激励，更多的是多的是采用电作激励采用电作激励。n种类：种类：氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆盖了从光器、准分子激光器。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域紫外到远红外
18、的频谱区域。第一节第一节 光源光源（1）氦）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激光的能力。氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激光的能力。它能够输出它能够输出从红外的从红外的3.3m到可见光等一系列谱线到可见光等一系列谱线，其中，其中632.8nm谱线在谱线在光电传感器中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通光电传感器中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于常小于1mW，可以满足很多光电传感器的要求。，可以满足很多光电传感器的要求。（2）氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子发出可见的蓝）氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子发出
19、可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有光和绿光，比较典型的谱线有488nm和和514.5nm等等,氪离子发出的是红光氪离子发出的是红光（647.1752.5nm）。）。（3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6m，是远红外的重要光源。，是远红外的重要光源。（4）氮气分子激光器输出波长为）氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式下功率可达到，在脉冲工作方式下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能够工作在紫外的还有一些兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能够工作在紫外的还有一些准分准分子激光器子激光器，目前能
20、够提供从，目前能够提供从353nm到到193nm的激光输出。的激光输出。第一节第一节 光源光源3、半导体激光器、半导体激光器l半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有体积小、能量高体积小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单，使之在很多科技领域得的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单，使之在很多科技领域得到了广泛应用。到了广泛应用。l半导体激光器虽然也是固体激光器，但是同红宝石、半导体激光器虽然也是固体激光器，但是同红宝石、Nd:YAG和其它固和其它固体激光器相比，半导体的能级宽得多，更类似于发光二极管，但谱线却体激光器相比，半导
21、体的能级宽得多，更类似于发光二极管，但谱线却比发光二极管窄得多。半导体激光器的特征是比发光二极管窄得多。半导体激光器的特征是通过掺加一定的杂质改变通过掺加一定的杂质改变半导体的性质，杂质能够增加导带的电子数目或者增加价带的空穴数目，半导体的性质，杂质能够增加导带的电子数目或者增加价带的空穴数目，当半导体接正向电压时，载流子很容易通过当半导体接正向电压时，载流子很容易通过PN结，多余的载流子参加复结，多余的载流子参加复合过程，能量被释放发出激光合过程，能量被释放发出激光。目前半导体激光器可以选择的波长主要目前半导体激光器可以选择的波长主要局限在红光和红外局限在红光和红外。第一节第一节 光源光源4
22、、液体激光器、液体激光器l染液激光器是液体激光器中最普遍采用的激光器，它以燃料作为工作染液激光器是液体激光器中最普遍采用的激光器，它以燃料作为工作物质。物质。l液体激光器多用光泵激励，有时也用另一个激光器作激励源。液体激光器多用光泵激励，有时也用另一个激光器作激励源。l采用不同的燃料溶液和激光器，输出的波长范围可达采用不同的燃料溶液和激光器，输出的波长范围可达0.321 m。第一节第一节 光源光源n光电器件的作用：光电器件的作用：光信号光信号电信号。电信号。n光电器件的种类：光电器件的种类：热探测型：热探测型：将光信号的能量变为自身的温度变化，然后再依赖于器件将光信号的能量变为自身的温度变化，
23、然后再依赖于器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号，探测器某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号，探测器对波长没有对波长没有选择性选择性，只与接收到的总能量有关，在一些特殊场合具有非常重要的应，只与接收到的总能量有关，在一些特殊场合具有非常重要的应用价值，尤其是远红外区域；用价值，尤其是远红外区域；光子探测型：光子探测型：基于光电效应原理，即基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子利用光子本身能量激发载流子，这类探测器这类探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们，但它们响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。响应速
24、度快，灵敏度高，使用最为广泛。第二节第二节 光电器件光电器件一、热探测器一、热探测器n原理及特点：原理及特点：基于基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器，它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应，它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应，尤其适用于红外的探测。尤其适用于红外的探测。n种类：种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。1、测辐射热电偶、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层电偶的一个接头上
25、增加光吸收涂层，当，当有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。2、测辐射热敏电阻、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。第二节第二节 光电器件光电器件二、光子探测器二、光子探测器n光子探测器的作用原理是基于一些物质的光子探测器的作用原理是基于一些物质的光电效应光电效应。n光能是由分离的能团光能是由分离的能团光子组成，光子的能量光子组成，光子
26、的能量E和频率和频率f的关系的关系 h普朗克常数，普朗克常数，h=6.626l0-34（J s）。）。n 光电效应：光电效应：光照射在物体上可看成是一连串具有能量为光照射在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰的光子轰击物体击物体,如果光子的能量足够大如果光子的能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出可能从物质表面逸出，也，也可能参可能参与物质内部的导电过程与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。，这种现象称为光电效应。第二节第二节 光电器件光电器件E=hfn光
27、电效应的种类：光电效应的种类：l外光电效应：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。l 基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管光电管、光电倍增管、光电摄像管等。等。第二节第二节 光电器件光电器件212mhfW电子逸出物体电子逸出物体表面时的初速表面时的初速度度电子质电子质量量金属材料的逸出金属材料的逸出功（金属表面对功（金属表面对电子的束缚）电子的束缚）（5-1）光子光子能量能量19051
28、905年德国物理学年德国物理学家爱因斯坦用光量家爱因斯坦用光量子学说解释了光电子学说解释了光电发射效应，并为此发射效应，并为此获得获得19211921年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖爱因斯坦光电方程的含义爱因斯坦光电方程的含义 爱因斯坦光电方程，它揭示了光电效应的本质。根据爱因斯爱因斯坦光电方程，它揭示了光电效应的本质。根据爱因斯坦的假设：一个光子的能量只能给一个电子，因此一个单个坦的假设：一个光子的能量只能给一个电子，因此一个单个的光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的能量增加为的能量增加为 ，这些能量一部分用于克服逸出功，这
29、些能量一部分用于克服逸出功 ，另一部分作为电子逸出时的初动能另一部分作为电子逸出时的初动能 。由于逸出功。由于逸出功 与与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率入射光的频率 有一最低的限度，当有一最低的限度，当 小于小于 时，即使光时，即使光通量很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为通量很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限频率。当红限频率。当 大于大于 时，光通量越大，逸出的电子数目时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流也就越大。也越多，光电流也就越大。hfW212mvfWhfWh
30、fWl内光电效应：内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变发生变化，或产生光生电动势的现象化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类。两类。l在光线作用下，物体产生一定方向在光线作用下，物体产生一定方向电动势电动势的现象称为的现象称为光生伏特光生伏特效应效应。基于光生伏特效应的光电元器件是。基于光生伏特效应的光电元器件是光电池光电池。l根据内光电效应制成的光电元器件有根据内光电效
31、应制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管光敏晶体管和光敏晶闸管等等n注意事项：注意事项：光子探测器一般都有一定的光子探测器一般都有一定的截止波长截止波长，当光的频，当光的频率低于某一阈值时，光的强度再大也不能激发导电电子。率低于某一阈值时，光的强度再大也不能激发导电电子。第二节第二节 光电器件光电器件（一）光电发射探测器（一）光电发射探测器n利用利用外光电效应外光电效应制成的光电器件称为制成的光电器件称为光电发射探测器光电发射探测器。光电发射探。光电发射探测器主要有测器主要有真空光电管真空光电管和和光电倍增管光电倍增管等。等。n激发出电子的条件：激
32、发出电子的条件：要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表面的面的逸出功逸出功A0，不同的材料具有不同的逸出功；，不同的材料具有不同的逸出功；因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时；不论光强多大，也不能激发电子，反之，被照射的物质便能激发限时；不论光强多大，也不能激发电子，反之，被照射的物质便能激发出电子，此出电子，此频率限称为频率限称为“红限红限”；其临界波长其临界波长K为为 第二节第二节 光电器件光电器件0/KchA1、真空光电管、真空
33、光电管l结构组成：结构组成：在一个抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内装有两个电极：在一个抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内装有两个电极：光电光电阴极阴极2和和光电阳极光电阳极1。光电阴极通常是用逸出功小的。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料光敏材料（如铯）涂敷在玻（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。l工作原理工作原理：当光线照射到光敏材料上，当光线照射到光敏材料上，光子光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，就有可能克服金属表面对电子能量足够大时，就有可能克服金属表面对电子的束缚（
34、逸出功）而逸出金属表面形成电子发的束缚（逸出功）而逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。射，这种电子称为光电子。当光电管阳极加上当光电管阳极加上适当电压时，从阴极表面逸出的电子被具有正适当电压时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称第二节第二节 光电器件光电器件图图7-3 真空光电管的结构及外接电路真空光电管的结构及外接电路a)结构结构 b)外接电路外接电路为光电流。光电流正比于光电子数，而光电子数又正比于光通量。如果在外电路为光电流。光电流正比于光电子数，而光电子数又正比于光通量。如果在外电路中串入一只适当阻值的
35、电阻，中串入一只适当阻值的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。这电流或则电路中的电流便转换为电阻上的电压。这电流或电压的变化与光强成一定函数关系，电压的变化与光强成一定函数关系，从而实现了光电转换。从而实现了光电转换。2、光电倍增管、光电倍增管l结构组成：结构组成：光电阴极、光电阴极、光电倍增极、光电倍增极、阳极。倍增极上涂有阳极。倍增极上涂有Sb-Cs或或Ag-Mg等光敏材料等光敏材料，并且电位逐级升高。，并且电位逐级升高。入射光入射光光电阴极光电阴极第一倍增极第一倍增极阳极阳极第三倍增极第三倍增极l工作原理：工作原理：工作时在各电极之间加工作时在各电极之间加上规定的电压。上规定的电压
36、。当有入射光照射时，当有入射光照射时，阴极发射的光电子以高速射到倍增极阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起上，引起二次电子发射二次电子发射。这样，在阴。这样，在阴极和阳极间的电场作用下，逐级产生极和阳极间的电场作用下，逐级产生二次电子发射，电子数量迅速递增。二次电子发射，电子数量迅速递增。典型的倍增管一般有典型的倍增管一般有10个左右的倍增个左右的倍增极，相邻极之间加有极，相邻极之间加有200400V的电的电压，阴极和阳极间的总电压差可达几压，阴极和阳极间的总电压差可达几千伏，电流增益为千伏，电流增益为105左右。左右。第二节第二节 光电器件光电器件图图7-4 光电倍增管的结构原理图光电倍
37、增管的结构原理图第二节第二节 光电器件光电器件3、光电管的基本特性、光电管的基本特性l光电特性：光电特性：当阳极电压一定当阳极电压一定时，光时，光通量通量 与光电流与光电流 I（阳极电流）间（阳极电流）间的关系。如图所示为光电倍增管光的关系。如图所示为光电倍增管光电特性曲线，光电特性曲线的斜率电特性曲线，光电特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。在相当宽的称为光电管的灵敏度。在相当宽的范围内转换灵敏度为常数，对于真范围内转换灵敏度为常数，对于真空光电管灵敏度要比它低。空光电管灵敏度要比它低。图图7-5a 光电管的光电特性光电管的光电特性第二节第二节 光电器件光电器件光通量光通量是描述单位时间内光源
38、辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明，也叫明亮度。明，也叫明亮度。流明流明就是指蜡烛一烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。一个普通就是指蜡烛一烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。一个普通40瓦瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦每瓦10lm，因此可以发出，因此可以发出400lm的光。的光。l伏安特性：伏安特性：入射光的频率及光入射光的频率及光通量一定时，阳极电流与阳极电压通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系。阳极电压较低时，阴之间的关系。阳极电压较低时，阴极发射极发射电子只有一电子只有一部分到达阳极，部分到达阳
39、极，其余返回阴极（光电子负电场作其余返回阴极（光电子负电场作用）；随着阳极电压增高，电流增用）；随着阳极电压增高，电流增大，阴极发射的电子全部到达阳极大，阴极发射的电子全部到达阳极时，电流稳定，处于饱和状态。时，电流稳定，处于饱和状态。图图7-5b 光电管的伏安特性光电管的伏安特性第二节第二节 光电器件光电器件l光谱特性：光谱特性：光电阴极材料对光谱有选择性，光电管对光谱也有选择光电阴极材料对光谱有选择性，光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波波长之间的关系阳极电流与光波波长之间的关系称为称为光电管的光谱特性。光电管的光谱特性。第二节第二
40、节 光电器件光电器件 图图7-5c 光电管的光谱特性光电管的光谱特性（二）光电导探测器（二）光电导探测器n当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。n半导体在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为半导体在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为光电导效应光电导效应。n基于光电导效应的光电器件称为基于光电导效
41、应的光电器件称为光敏电阻光敏电阻（半导体材料半导体材料），也叫），也叫光导管光导管。基本原理：基本原理：半导体材料在黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不半导体材料在黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。能自由移动，半导体的电阻值很高。当受到光照时，价带中的电子受到光子激发，由价带跃迁到导带，使导当受到光照时，价带中的电子受到光子激发，由价带跃迁到导带，使导带的电子和价带的空穴数目增加，半导体材料电导率变大。带的电子和价带的空穴数目增加，半导体材料电导率变大。电子跃迁条件：电子跃迁条件：hfEg 或或 T1。温度系数温度系数 值越小越好值
42、越小越好。一、电荷耦合器件一、电荷耦合器件l概念：概念：电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Coupled Devices），简称），简称CCDl历史：历史：CCD的概念是于的概念是于20世纪世纪70年代由美国贝尔实验室提出年代由美国贝尔实验室提出；l结构：结构：集集MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器于一体；光敏单元阵列和读出移位寄存器于一体；l产品：产品：数码照相机、摄像机数码照相机、摄像机l应用：应用：广播电视、可视电话；工业监控和测量。广播电视、可视电话；工业监控和测量。1、MOS（Metal Oxide Semiconductor）光敏单元）光敏单元lMOS光敏单元的结构：光敏单
43、元的结构：P型（或型（或N型）单晶硅基体上，生长一层很薄型）单晶硅基体上，生长一层很薄的的SiO2绝缘层，又在其上沉积一层金属电极，形成了金属绝缘层，又在其上沉积一层金属电极，形成了金属-氧化物氧化物-半导体半导体结构单元；结构单元；第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件电荷耦合器件和位置敏感器件第第七七章章 光电式传感器光电式传感器l 势阱的形成：势阱的形成：施加一正电压施加一正电压UG时，在电场作用下，附近的时，在电场作用下，附近的P型型硅中的多数载流子硅中的多数载流子-空穴就被排空穴就被排斥到表面入地，从而形成一个斥到表面入地，从而形成一个耗尽区，称为耗尽区，称为电子势阱电子势阱；l
44、捕获光子：捕获光子：光线照射到半导体光线照射到半导体硅片上，在光子作用下，半导硅片上，在光子作用下，半导体吸收光子，产生电子体吸收光子，产生电子-空穴对，空穴对，其中的其中的光生空穴被电场排斥出光生空穴被电场排斥出耗尽层，而光生电子被附近的耗尽层，而光生电子被附近的势阱吸收势阱吸收，吸收的光生电子数，吸收的光生电子数量与势阱附近的量与势阱附近的光强度成正比光强度成正比。第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件电荷耦合器件和位置敏感器件图图7-15 MOS光敏元的结构原理图光敏元的结构原理图2023-1-861即当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经即当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经S
45、iO2层射入，或经衬底层射入，或经衬底的薄的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生光生电子型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生光生电子空穴对，空穴对，这时光生电子被吸引并存储在势阱中，光越强，产生的光生电子这时光生电子被吸引并存储在势阱中，光越强，产生的光生电子空穴对空穴对越多，势阱中收集到的电子就越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成越多，势阱中收集到的电子就越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成与其成比例的电荷的多少，实现了光电转换。势阱中的电子是在被存储状与其成比例的电荷的多少，实现了光电转换。势阱中的电子是在被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记
46、忆。态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。l像素：像素：一个一个MOS光敏元为一个像素；光敏元为一个像素；l电荷包：电荷包：一个势阱所收集的光生电荷为一个电荷包；一个势阱所收集的光生电荷为一个电荷包；lMOS光敏单元光敏单元阵列阵列：在半导体硅片上制成几百或几千个相互独立的在半导体硅片上制成几百或几千个相互独立的MOS光敏单元（如光敏单元（如1024768），在金属电极上加上正电压，就会形成几，在金属电极上加上正电压，就会形成几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么
47、这些光敏单元就形成一幅与光照强度相对应的伏的图像，那么这些光敏单元就形成一幅与光照强度相对应的光生电荷图光生电荷图像像，即将整个图像的光信号转换为电荷包阵列。，即将整个图像的光信号转换为电荷包阵列。第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件电荷耦合器件和位置敏感器件l 读出移位寄存器的作用：读出移位寄存器的作用：将光生电荷转移将光生电荷转移输出；输出；l 读出移位寄存器的结构：读出移位寄存器的结构：其也是其也是MOS结构结构，但与但与MOS又有区别又有区别在其底部覆盖有一层遮光层，防止外来光在其底部覆盖有一层遮光层，防止外来光线干扰；线干扰；它由三组相毗邻的电极组成一个耦合单元，它由三组相毗邻的
48、电极组成一个耦合单元，每个耦合单元用来转移一个每个耦合单元用来转移一个MOS光敏单元形光敏单元形成的电荷包，在三个电极上分别施加成的电荷包，在三个电极上分别施加1、2、3三个驱动脉冲，三个脉冲的形状完全相同，三个驱动脉冲，三个脉冲的形状完全相同，但彼此间有相位差（差但彼此间有相位差（差1/3周期）。周期）。2、读出移位寄存器、读出移位寄存器 第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件电荷耦合器件和位置敏感器件图图7-16a 读出移位寄存器结构原理图读出移位寄存器结构原理图t=t1：1相处于高电平，相处于高电平，2、3相处于相处于低电平，电极低电平，电极1下出现势阱，存入电荷。下出现势阱，存入电荷
49、。t=t2：1、2相处于高电平，相处于高电平，3相处于相处于低电平，电极低电平，电极1、2下都出现势阱。因下都出现势阱。因两电极靠的很近，电荷就从两电极靠的很近，电荷就从1电极下耦电极下耦合到合到2电极下。电极下。t=t3：更多的电荷耦合到电极：更多的电荷耦合到电极2下。下。t=t4：只有：只有2相处于高电平，电荷全相处于高电平，电荷全部耦合到电极部耦合到电极2下。下。l电荷转移过程：电荷转移过程：第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件电荷耦合器件和位置敏感器件图图7-16 b 信号电荷传输示意图信号电荷传输示意图3、线阵电荷耦合器件、线阵电荷耦合器件l组成：组成：单排单排MOS光敏元阵列、
50、转移栅、读出移位寄存器。光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器。第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件电荷耦合器件和位置敏感器件图图7-17 线阵线阵CCD结构原理图结构原理图l工作过程：工作过程：光学成像系统将图像成像在光学成像系统将图像成像在CCD的光敏面上，光敏单元开始电荷积累，这一的光敏面上，光敏单元开始电荷积累，这一过程也称过程也称光积分光积分。施加电压脉冲。施加电压脉冲p，势阱吸收附近的光生电荷，从而将图像信，势阱吸收附近的光生电荷，从而将图像信号按其强度大小转变为一系列电荷包。号按其强度大小转变为一系列电荷包。转移栅施加转移脉冲转移栅施加转移脉冲t，转移栅开启，各光敏单元的光生电荷
