光电检测与信号处理-光电探测器基础
光电探测器的作用和原理
光电探测器的作用和原理光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件。
它可以用于各种光学领域，如通信、医疗、环境监测等，具有广泛的应用价值。
光电探测器的工作原理主要有光电效应、光电导效应和光伏效应等。
光电探测器的作用是将光信号转化为电信号，进而进行信号处理和数据分析。
它可以起到光信号的接收、放大和转换作用，将光信号转化为电信号后，就可以进行电子器件的控制、信号处理、光电数据采集等操作。
光电探测器的工作原理主要有以下几种：1. 光电效应：光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量将会激发出电子，使其跃迁到导带或空位带，从而形成电流。
根据光电效应的不同，光电探测器可以分为光电二极管、光电倍增管、光阴极管等。
2. 光电导效应：光电导效应是指当光照射到某些特殊的半导体材料时，会通过光生电子空穴对的形成而形成电导，从而产生电流。
光电导效应在光探测器中应用较广泛，如光电二极管、光电晶体管等。
3. 光伏效应：光伏效应是指当光照射到半导体材料的PN结上时，光子的能量将激发电子与空穴的对生成，从而产生光生电流。
光伏效应广泛应用于太阳能电池等光电探测器中。
除了以上三种主要的工作原理外，还有其他一些光电探测器的工作原理，如荧光检测、非线性光学效应等。
不同的光电探测器采用不同的工作原理，可以适应不同频率范围、不同光功率等应用需求。
光电探测器的应用十分广泛。
在通信领域，光电探测器常用于接收光信号，起到光-电转换的作用。
在光纤通信中，光电探测器是光纤收发器的关键组成部分。
此外，光电探测器还可以应用于激光雷达、遥感、光谱分析、医疗影像等领域。
在环境监测方面，光电探测器可以用于光谱分析仪器，检测大气中的气体成分。
总的来说，光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件，通过光电效应、光电导效应、光伏效应等原理工作。
它在光通信、激光雷达、医疗影像等领域有着广泛的应用。
光电探测器的不断发展和创新，将进一步推动光学技术的发展，为人类的生活带来更多福利。
光电检测与信息处理技术
光电检测与信息处理技术光电检测与信息处理技术是一种基于光电效应的技术，主要应用于光电传感器和光电器件中。
光电检测技术利用光电器件对光信号的感应和转换，将光信号转化为电信号，再经过信息处理和分析，实现对光信号的检测和测量。
光电检测与信息处理技术在各个领域都有着广泛的应用，包括光通信、光学成像、光电显示、光电测量等。
光电检测技术的关键在于光电器件的选用和设计。
光电器件是将光信号转化为电信号的关键组成部分，常用的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电导、光电三极管等。
不同的光电器件具有不同的特性和应用范围，选择合适的光电器件对于光电检测技术的性能和应用至关重要。
光电检测技术的应用之一是光通信。
光通信是一种利用光信号传输信息的通信方式，具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点。
光电检测技术在光通信中起到了至关重要的作用，能够将光信号转化为电信号，并进行解调和调制，实现信号的传输和接收。
光电检测技术的不断发展和创新，使得光通信的速度和可靠性得到了显著提高，为现代通信技术的发展提供了有力支持。
另一个重要的应用领域是光学成像。
光学成像是利用光信号获取目标物体的图像信息的技术，广泛应用于摄影、电视、医学影像等领域。
光电检测技术在光学成像中起到了关键作用，能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理和分析，实现图像的采集和处理。
光电检测技术的不断创新和进步，使得光学成像的分辨率和清晰度大幅提高，为图像获取和处理提供了强大支持。
光电检测技术还应用于光电显示和光电测量等领域。
光电显示技术是利用光电器件将电信号转化为光信号，实现图像和文字的显示和表达。
光电测量技术是利用光电器件对光信号进行测量和分析，实现对光学特性和参数的测量。
光电检测技术在这些领域的应用，不仅提高了显示和测量的准确性和可靠性，同时也扩展了光电技术的应用范围和领域。
光电检测与信息处理技术的发展离不开科学研究和工程实践的支持。
科学研究的目标是在充分理解光电效应的基础上，探索新的光电器件和光电技术，并提出新的理论模型和方法。
什么是光的光电探测器和光电导
什么是光的光电探测器和光电导？光的光电探测器和光电导是光电传感器的重要类型，用于检测和测量光信号。
本文将详细介绍光的光电探测器和光电导的原理、结构和应用。
1. 光电探测器（Photodetector）的原理和结构：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它基于光子的能量被半导体材料吸收，激发带载流子，从而形成电流的原理。
最常见的光电探测器类型是光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube），前文已经详细介绍过。
除了这两种常见类型，还有其他一些光电探测器，如光电晶体管、光电场效应晶体管和光电导等。
光电探测器的结构和工作原理与具体的类型有关。
总体而言，光电探测器通常包括光敏元件、电极、引线和封装等部分。
光敏元件是用于吸收光信号并产生电荷载流子的材料，电极用于收集和测量电流，引线用于连接光电探测器与外部电路，封装则是保护和固定光电探测器的外壳。
2. 光电探测器的应用：光电探测器在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：-光通信：光电探测器用于接收光信号，将光信号转换为电信号，并通过电路进行处理和解码，实现光通信的接收端。
-光测量：光电探测器可以用于测量光的强度、波长、频率和相位等参数，用于光谱分析、光度计和光谱仪等。
-光电检测：光电探测器可以用于检测物体的存在、位置和运动等，用于光电开关、光电传感和光电探测等应用。
-光电能转换：光电探测器可以将光能转化为电能，用于太阳能电池板和光伏发电系统等。
3. 光电导（Photoconductor）的原理和结构：光电导是一种能够根据光信号的强度来改变电导率的材料。
光电导的原理是光照射到材料上时，光子的能量被吸收，激发带载流子，从而改变材料的导电性能。
光电导材料通常是半导体材料，如硒化铟（Indium Selenide）、硒化镉（Cadmium Selenide）和硒化铅（Lead Selenide）等。
《光电探测技术》课程标准
《光电探测技术》课程标准课程代码：学时：36 学分：2一、课程的地位与任务《光电探测技术》课程是光电制造与应用技术专业（五年一贯制）开设的一门2学分的专业拓展课程，针对光机电一体化设备中涉及的光检测和控制技术，讲述光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路。
通过本课程的学习，使学生掌握光机电一体化设备的测量与自动化技术及其应用等知识，开拓学生思维。
二、课程的主要内容和学时分配1.课程的主要内容光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路，基本光电元器件检测、识别、焊接、装配。
第1章光的度量1.1辐射度量1.2光度的基本物理量1.3光度量基本定律1.4照度计与亮度计第2章光电检测器件工作原理及特性2.1光电检测器件的物理基础2.2光电检测器件的特性参数2.3光电导探测器及应用3.1光电导探测器的工作原理3.2光敏电阻的结构及分类3.3光敏电阻的特性3.4光敏电阻的应用习题3.5结型光电探测器及应用1.1结型半导体光伏效应1.2光电池1.3光电二极管1.4光电三极管1.5光电开关与光电耦合器1.6光电位置探测器第5章光电成像器件及应用5.1ccd图像传感器5.2CmOS图像传感器第6章光纤传感检测技术及应用6.1光纤传感器的基础6.2光纤的光波调制技术6.3光纤传感器实例第7章光电信号检测电路6.1光电检测电路的设计要求6.2光电信号输入电路的静态计算6.3光电信号检测电路的动态计算6.4前置放大器7.5滤波器7.6光电信号主放大器8.学时分配1.本课程注重学生对光电检测器件的应用能力培养;2.采取理论教学和实验相结合的方式以增强课程学习的理实性；四、课程的实践环节安排实验一光敏电阻的应用实验二光电二极管的应用实验三光电位置探测器的应用实验四光纤传感器的应用实验五光电检测电路的单元电路设计五、推荐教材和主要参考书《光电探测技术与应用》作者：黄焰、肖彬、孙冬丽，华中科技大学出版社，出版时间：2016年六、考核方式及标准平时考核成绩占60%（出勤+作业+其它），期末考试（开卷）占40%。
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大，如温度、湿度、光照等，可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵，对于一些小型企业和实验室而言，购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能，操作和维护需要专业人员，限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大，对数据的解读和分析需要较高的专业水平，增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数，在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用，能够实现高精度的测量，尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料，降低环境因素对检测结果的影响，提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产，降低光电检测设备的成本，促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛，例如在自动控制系统中用于检测光束的通断，在测量领域用于检测物体的位置和尺寸，在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成，其中光电器件是核心部分，其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术，具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数，在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
光电检测系统的工作原理及应用
光电检测系统的工作原理及应用概述光电检测系统是利用光电传感器来实现对光信号的检测和测量的一种系统。
它通过将光信号转化为电信号进行处理和分析，广泛应用于工业自动化、仪器仪表、机器视觉、安防监控等领域。
本文将介绍光电检测系统的工作原理及其在各个领域的应用。
工作原理光电检测系统的工作原理是将光信号转化为电信号，并通过电路进行处理和分析。
光电传感器是光电检测系统的核心组件，它可以将光信号转化为电信号。
光电传感器光电传感器主要由光电二极管（Photodiode）、光敏电阻（Photocell）和光电管（Phototube）等组成。
光电二极管是最常见的光电传感器之一，其工作原理是利用半导体材料对光的敏感性，在光照下产生电流。
光电二极管可根据光照强度的变化产生不同的电流信号，实现对光信号的检测和测量。
信号处理电路光电检测系统中的信号处理电路主要用于放大、滤波和处理光电传感器产生的微弱电信号。
通过增加电流放大器、滤波器和信号处理器等电路，可以提高系统对光信号的灵敏度和稳定性。
同时，信号处理电路还可以对电信号进行模数转换和数字信号处理，进一步对光信号进行分析和判断。
应用领域光电检测系统在各个领域有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：工业自动化光电检测系统在工业自动化领域中起到了重要作用。
它可以用于物料检测、位置判断和传感器触发等任务。
光电传感器可以检测到物体的存在与否，实现对物体的自动识别和测量。
在流水线上，光电检测系统可以实现对物体的计数和判断，提高生产效率和质量。
仪器仪表光电检测系统在仪器仪表领域中也有广泛的应用。
例如，在光谱仪中，光电传感器可以将光信号分解为不同波长的光谱，并进行光谱分析和测量。
在激光测距仪中，光电检测系统可以利用光信号的反射时间来测量目标物体与传感器的距离。
机器视觉光电检测系统在机器视觉领域中也被广泛应用。
它可以用于图像传感和边缘检测等任务。
利用光电传感器对光信号的感知和分析，可以实现对图像的自动采集、处理和判断。
光电探测器中的信号预处理技术
光电探测器中的信号预处理技术光电探测器是一种通过光电转换实现对光信号的探测和测量的设备，广泛应用于光通信、光电子、光子学等领域。
在光电探测器中，信号预处理是一项重要的技术，它可以提高检测灵敏度、降低系统噪声和误差。
本文将从信号预处理的基本原理、实现方法及其应用等方面对光电探测器中的信号预处理技术进行探讨。
一、信号预处理的基本原理信号预处理的基本原理是将原始信号进行一定的处理，使其更适合后续处理和分析，以提高信号质量。
在光电探测器中，信号预处理的主要目的是除去光源的影响，降低系统噪声和误差，同时提高信号的检测灵敏度。
常见的信号预处理方法有滤波、放大、采样、平滑、数字化、去噪等。
这些方法可以根据实际需要进行组合和应用，以满足不同的信号处理需求。
二、信号预处理的实现方法光电探测器中的信号预处理方法主要有模拟信号处理和数字信号处理两种方式。
1. 模拟信号处理模拟信号处理方法是指在信号进行数字化转换之前，对其进行模拟信号处理，例如滤波、放大、灵敏度调节等。
其中滤波是模拟信号处理中的重要方法，可以通过滤波器实现。
常用的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等，其选择和设计取决于所需信号的频率分布和噪声特性。
此外，放大器也是模拟信号处理中的一种重要手段，可以放大信号并调整放大倍数，使信号更适合后续数字化处理。
2. 数字信号处理数字信号处理方法是将信号进行数字化转换，通过数字信号处理器（DSP）等设备进行处理，例如滤波、去噪、谱分析等。
数字信号处理具有处理速度快、精度高、可编程等优势，适用于各种不同类型的信号处理。
数字信号处理中，滤波和去噪是两个重要的方法。
滤波可以通过FIR滤波器、IIR滤波器、小波变换等实现。
去噪是指去除数字信号中的随机噪声，常见的方法有小波去噪、Kalman滤波、基于正则化的拟合等。
三、信号预处理的应用光电探测器中的信号预处理技术在光通信、光电子、光子学等领域有着广泛的应用。
1. 光通信中的应用在光通信系统中，信号预处理技术可以有效降低系统噪声和误差，提高信号的灵敏度和传输距离。
光电技术 第4-2节 光电导探测器
所谓短态前历效应是指被测光敏电阻在 无光照条件下放置一段短时间（如三分钟） 后，再在1lx光照下测量它在不同时刻的阻值 （如1秒后的阻值）R1 ，求出此阻值与稳态 时阻值R0的百分比R1/R0，这就是短态前历效 应或暗态前历效应。所谓中态前历效应是将 光敏电阻在无光照条件下存放24小时，在 100lx光照度下放置15分钟，再放在100lx下 测阻值 R2 ，则中态前历效应为（又称亮态前 历效应）。 R2 R1
R1 100%
附：光敏电阻暗态前历效应：
时间s 阻值k
时间s 阻值k
1 6.5 20 5.2
R1/R2
2 6 30 5.2
77 ﹪
5 5.5 60 5.1
10 5.2 90 5.0
15 5.2 120 5.1
Cd S 亮态前历效应：
元件编号 1 2 3 4 5 6 7 8 R1（ k） R2( k) 2.74 2.89 5.06 5.24 2.25 2.39 2.42 2.60 1.45 1.48 2.23 2.31 3.58 3.69 5.40 5.62
在弱光下， 1 称直线性光电导。在强光照时 =0.5，在其它光照时，0.5≤ ≤1。 一般，光电流和照度关系曲线如右。在 实际应用范围（0.1～104lux），有可能制造 出 接近于1的光敏电阻，这时应有
I p S gVE g p E
式中 g p S gV 称为光电导 在器件中流过的电流是光电流 I p与暗电流 I d 之 和。
由光电导效应可知，光敏电阻在受到光照或停 止光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段 时间，这就是光敏电阻的响应时间或驰豫时间。它 t 反映了光敏电阻的惰性。 p (t ) p0 exp( ) 此处 是光敏电阻的下降时间。在突然加光照时，
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（1）、光子探测器
1.光电子发射探测器:利用外光电效应,包括 真空光电管,充气光电管和光电倍增管. 2.光电导探测器:利用光电子效应,包括光敏 电阻等. 3.光伏探测器:利用内光电效应 4.光电磁探测器
器件特点：是一种选择性探测器,要产生光 子效应,光子的能量要超过某一确定的值,即 光子的波长要短于长波限,波长长于长波限 的入射辐射,不能产生所需的光子效应,因而 也就不能被探测出来.另一方面,波长短于长 波限的入射辐射,当功率一定时,波长愈短,光 子数就愈少,因此,理论上光子探测器的响应 率应与波长成正比.
二、光电探测器的分类
（1）、利用光电效应的光子探测器
（2）、利用温度效应的热探测器
光电效应
一、外光电效应 外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸 出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的 电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光 电倍增管。 光子能量： E=h J∙s 式中，h=普朗克常数，h=6.62610-34 J∙s；—光的频率（s-1）。 Einstein光电方程： h=mv02/2+A0 式中，m—电子质量；v0—逸出电子的初速度；A0—物体的逸 出功（或物体表面束缚能）。
二、内光电效应 当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生光生 电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和 光生伏特效应。 1、光电导效应 在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过渡到 自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效应。基于 光电导效应的光电器件有光敏电阻。 入射光能导出光电导效应的临界波长0为 0=hc/Eg 式中，h=普朗克常数；c—光速；Eg—半导体材料禁带宽度。
一般光电系统的噪声：
光子噪声：信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合噪声，温度 噪声，1/f噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声 噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用
S(f)
白噪声
1/f噪声
在中频时，产生复合噪声起主导作用
外光电效应的两个基本定律： 1.光电发射第一定律-斯托列托夫定律：当照射到 光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱 和光电流（即单位时间内发射的光电子数目） 与入射 光强度成正比。 2.光电发射第二定律-爱因斯坦定律：光电子的最 大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强 度无关： Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0=hν- W
三、探测器的性能参数
1.响应率:探测器的输出信号电压Vs或电流Is与入 射的辐通量Φe之比，即
Sv=Vs/Φe 或SI=Is/ Φe 2.光谱响应率：光电探测器的输出电压或电流与 入射到探测器上单色辐射通量(光通量)之比，即 Sv(λ)=Vs(λ)/Φe(λ)或 SI(λ)=Is(λ)/ Φe(λ)
光电探测与信号处理---
光电探测器基础
李盼来
河北大学---物理科学与技术学院
光电探测器基础涉及的主要内容 一、光电探测器的发展
二、光电探测器的分类
三、光电探测器的性能参数
四、光电探测器的噪声
一、光电探测器的发展
1826年发明热电偶,1880年发明金属薄膜测 辐射计,1946年出现了金属氧化物热敏电阻 测辐射热计.1947年气动探测器出现.之后出 现光子探测器.1970年出现了利用光子迁移 效应制成的光子牵引探测器.上世纪80年代 中期出现了量子阱探测器,近些年出现了电 荷耦合器件.
2、光生伏特效应
在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称为光生 伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。 1．势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，若光子能 量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导带，产生电子—空穴 对，由于阻挡层内电场的作用，形成光电动势的现象称为结光电 效应 2．侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照产生 的电子—空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效应。光照 强的部分带正电，光照弱的部分带负电。
基本规律： 红限频率0（又称光谱域值）：刚好从物体表面打 出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不同而 不同，与之对应的光波波长0（红限波长）为 0 =hc/ A0 式中，h=普朗克常数；c—光速；A0—物体的逸出功。 当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光电 流）与光强成正比。 逸出光电子具有初始动能Ek=mv02/2，故外光电器 件即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光电 流为零，必须加负的截止电压。
（二）、热探测器
1.测辐射温差热电偶和热电堆 2.电阻测辐射热器 3.热释电探测器 4.气动探测器 5.热探测器
器件特点:利用了光热效应, 入射光辐射与物 质中的晶格相互作用,晶格因吸收光能而增 加振动能量.这又引起物质的温度上升,从而 导致与温度有关的材料的某些物理性质的变 化,光热效应与入射辐射的光子的性质无关, 因此,热效应一般与波长无关即光电信号取 决于入射辐射功率，而与入射辐射的光谱成 份无关,即对光辐射的响应无波长选择性.
3.等效响应功率和探测率: 若入射到探测器上的辐通量按某一频率变化，当 探测器输出信号电流Is（或电压Vs）等于噪声的均 方根电流（或电压）时，所对应的入射辐通量Φe 称为等效噪声功率NEP。 探测率：D=1/ NEP 4.线性:指探测器的输出光电流或电压与输入光的 辐通量成比例的程度和范围，与其工作状态有关.
在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
f
等效噪声带宽：若光电系统中的放大器或网络的 功率增益为A(f),功率增益的最大值为Am,则噪声 带宽为：
f
Am
A(f)
N(f) f
1 f Am
f
f
0
A( f )df
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
5.响应时间: f 0 2
1
积分得到：
n(t ) n0 (1 exp( ))
t
同样停止光照时：
n(t ) n0 (t ) exp( )
t
频率响应：
n g 1 2 2 Nhomakorabea
n0 1 2 2
四、探测器的噪声
1.散射噪声:由于光电探测器在光辐射作用或热激发下,光 电子或载流子随机产生所造成的 2.热噪声:由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的. 3.产生复合噪声 4.温度噪声:无辐射存在时,探测器在某一平均温度附近呈 现一个小的起伏,这种温度引起的热探测器输出起伏称为 温度噪声. 5.电流噪声