燕山大学：《测控仪器设计 Design of Measurement & Control Instrument》第六章 测控仪器光电系统设计

第六章测控仪器光电系统设计 光电系统的特点: (1)非接触测量 (2)精度高 (3)信息处理能力强

第六章测控仪器光电系统设计 光电系统的特点： （1）非接触测量 （2）精度高 （3）信息处理能力强

第一节光电探测器的选用 光电探测器的种类 作用:把光信息(能量)直接转换成电信息(能量)。 工作原理是基于材料的光电效应 (一)光电发射器件 光电子发射效应 以频率的光照射到固体表面,逸出表面的光电子最大 动能: E=hv-w 外光电效应光电探测器的光谱响应表现出选择性的物理 基础:

第一节 光电探测器的选用 一、光电探测器的种类 作用：把光信息(能量)直接转换成电信息(能量)。 工作原理是基于材料的光电效应。 （一）光电发射器件 光电子发射效应 以频率 的光照射到固体表面，逸出表面的光电子最大 动能： 外光电效应光电探测器的光谱响应表现出选择性的物理 基础： v Ek = hv −W

典型光电子发射器件为光电管和光电倍增管 光电管:真空光电管和充气光电管 光电管特点: 光电倍增管是由光电阴极、电子倍增器和光电子收集器 组成的真空光电管 光电倍增管特点: 光 A D D U 4

典型光电子发射器件为光电管和光电倍增管 光电管：真空光电管和充气光电管 光电管特点： 光电倍增管是由光电阴极、电子倍增器和光电子收集器 组成的真空光电管。 光电倍增管特点：

(二)光电导器件 光电导效应: 皆∠ 导带 施主能级 禁带 价带/bd6>委能 电子 h) 空穴 光敏电阻:光谱响应范围宽,工作电流大,光强动态范 围大,灵敏度高,无极性之分,使用方便

（二）光电导器件 光电导效应： 光敏电阻：光谱响应范围宽，工作电流大，光强动态范 围大，灵敏度高，无极性之分，使用方便

(三)光生伏特器件 光生伏特效应 PN结 光伏器件:光电池、光电二极管 光电晶体管等。 硅光伏器件特点: 特殊结构的光伏器件 (1)阵列式光电器件 入射光 (2)象限式光电器件 0。。o (3)光电位置探测器 电了 Q

（三）光生伏特器件 光生伏特效应 光伏器件：光电池、光电二极管 光电晶体管等。 硅光伏器件特点： 特殊结构的光伏器件 （1）阵列式光电器件 （2）象限式光电器件 （3）光电位置探测器

(四)电荷耦合器件CCD 特点 应用: 时钟信号 时钟信 4 光电探测器的性能参数 (一)响应度:每单位输入所对应的输出 R=U =U/EA (二)光谱响应度:对不同波长的响应度 S()=R(A)/R(0)

（四）电荷耦合器件CCD 特点： 应用： 二、光电探测器的性能参数 （一）响应度：每单位输入所对应的输出 （二）光谱响应度：对不同波长的响应度 R U / U /(EA) = s  = s ( ) ( )/ ( ) S  = R  R 0

(三)噪声等效功率(NEP):当信噪比等于1时的 入射辐射功率 (四)探测度:NEP的倒数定义为探测度 (五)时间响应特性:表征探测器对变化信号响 应快慢的能力 (1)驰豫时间 (2)幅频特性 光探测器的噪声 (一)热噪声:在没有电流偏置的情况下.由于自由 载流子在电阻材料中的随机运动而造成 的基本噪声

（三）噪声等效功率(NEP)：当信噪比等于1时的 入射辐射功率 （四）探测度：NEP的倒数定义为探测度 （五）时间响应特性：表征探测器对变化信号响 应快慢的能力 （1）驰豫时间 （2）幅频特性 三、光探测器的噪声 （一）热噪声：在没有电流偏置的情况下．由于自由 载流子在电阻材料中的随机运动而造成 的基本噪声

Un=(4kTRAn) n=(4k) 室温下热噪声的有效带宽为0.28GHz,表明热噪声与频率 无关,因此称之为”白”噪声。对于给定的样品来说,噪声 和温度有关

1/ 2 U (4kTR f ) n =  1/ 2 I (4k T f ) n =  室温下热噪声的有效带宽为0.28GHz,表明热噪声与频率 无关，因此称之为”白”噪声。对于给定的样品来说，噪声 和温度有关

)产生复合噪声 在光导器件中,由于载流子密度起伏造成的噪声 生—复合噪声是在光和热的作用下.半导体内的自 由载流子的发生和复合的起伏引起了平均载流子浓度 的变化所致。宏观效果是电阻发生变化引起噪声 (三)散粒噪声 在结型器件中发现的噪声源,是因随机的热运动 而产生的。 四、光电探测器选用原则 (一)探测器与光源相匹配 (二)探测极限 (三)响应时间

（二）产生—— 复合噪声 在光导器件中，由于载流子密度起伏造成的噪声。产 生 ——复合噪声是在光和热的作用下．半导体内的自 由载流子的发生和复合的起伏引起了平均载流子浓度 的变化所致。宏观效果是电阻发生变化引起噪声。 （三）散粒噪声 在结型器件中发现的噪声源，是因随机的热运动 而产生的。 四、光电探测器选用原则 （一）探测器与光源相匹配 （二）探测极限 （三）响应时间

(四)线性 (五)最大额定值 第二节光电探测器的偏置电路 光电探测器的偏置方式 (一)自生偏置或零偏置:无需外加偏置电源 (二)外加偏置:外加电场

（四）线性 （五）最大额定值 第二节 光电探测器的偏置电路 一、光电探测器的偏置方式 （一）自生偏置或零偏置：无需外加偏置电源 （二）外加偏置：外加电场