光电检测知识整理

1.光学检测系统的组成：光源(辐射源)、信息载体、光电探测器、信息处理装置2.典型光电检测系统：红外报警系统、锅炉水位自动控制系统主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束(此光束的波长约在0.8-0.95μm之间)，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。

此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。

由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。

正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。

3.辐照度的余弦定律：任意表面上的辐照度随该表面法线和辐能传输方向之间夹角的余弦而变化。

E′=E cosθ4.朗伯余弦定律：朗伯辐射表面在某方面上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化。

Iθ=I0cosθ（朗伯表面是一个对入射辐射提供均匀的漫射的表面，从不同角度观察该表面，其明暗程度是一样的）5.距离平方反比定律：点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。

6.亮度守恒定律：光辐射能在传播介质中没有损失时表面2和表面1的辐亮度是相等的。

7.由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。

热辐射具有连续的辐射谱，且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度8.绝对黑体：物体在任何温度下，对任何波长的辐能的吸收比αλ(T)≡19.基尔霍夫辐射定律：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。

10.维恩位移定律：λm T=2897.9 (μm∙K)11.斯忒藩-玻尔兹曼定律：M vb(T)=σT4σ=5.670×108(J m2⁄∙s∙K4)12.n型(电子型)半导体放电子(n n>p n)，施主；p型(空穴型)半导体收电子(n n<p n)，受主13.复合过程：直接复合、间接复合(①电子俘获；②空穴俘获；③电子发射；④空穴发射)14.在热平衡条件下，半导体中能级被电子的占据率分布服从费米统计分布规律15.光电导效应和光生伏特效应属于内光电效应，是光照到半导体材料时，材料由于光子的加入引起载流子的浓度变化，导致材料电导率或使产生内建电场16.光电发射效应属于外光电效应，是光子和物质材料相互作用，光子能量足够大，才使电子获得能量而逸出物质表面光电发射第一定律-斯托列夫定律：当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流与入射光强度成正比，即I k=S k F0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，即12m e v max2=ℎν−W17.光电测量系统的噪声：①光子噪声。

包括信号辐射产生的噪声和背景辐射产生的噪声；②探测器噪声。

包括热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1f⁄噪声、温度噪声等；③信号放大及处理电路噪声。

18.光辐射探测器(光电探测器)分类：①真空光电器件：光电管、光电倍增管、真空摄像管、变像管、像增强器；②固体光电器件：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管、光耦合器、位置传感器(PSD)、电荷耦合器件(CCD)；③热探测器：热电偶和热电堆、测热辐射计、热释电探测器19.探测器的主要特征参数：响应率(积分灵敏度)，光谱响应率，噪声等效功率、NEP探测率D、比探测率D*，响应时间，线性，极限功率20.光辐射度量在历史上形成了辐射度学和光度学两套度量系统辐射度学：是建立在物理测量的基础上的辐射能量客观度量，不受人眼主观视觉的限制，其概念和方法适用于整个光辐射范围（红外、紫外辐射等必须采用辐射度学）光度学：是建立在人眼对光辐射的主观感觉基础上，是一种心理物理法的测量，故只适用于电磁波谱中很窄的可见光区域1.光源分类：①热辐射光源：太阳、白炽灯、卤钨灯、黑体辐射器；②气体放电光源：汞灯、荧光灯、钠灯、氙灯、金属卤化物灯、氚灯、空心灯；③固体发光光源：场致发光灯、发光二极管；④激光器：气体激光器、固体激光器、燃料激光器、半导体激光器。

2.光源基本特性参数：辐射效率和发光效率、光谱功率分布、空间光强分布、颜色、色温3.用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表；当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性4.对于一般光源，常用分布温度、色温或相关色温表示5.场致发光有三种形态：粉末、薄膜和结型6.发光二极管原理：发光二极管实际上就是一个由p型和n型半导体组合面成的二极管。

在p-n结附近，n型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴。

p-n结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和n区的电子就向对方扩散，构成少数载流子的注人，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合。

一个电子和一个空穴的每一次复合，将释放出与材料、性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来（与射出的光子数、电子空穴对数、半导体材料的折射率有关）外量子效率ηqe=N TG7.为了减少全反射损失，通常采用：①把半导体与空气的交界面做成半球形；②将p-n结密封在透明的高折射率(n=1.5)的塑料中8.激光器一般由工作物质、谐振腔和泵浦源组成激光器的基本原理：当高能态粒子从高能态跃迁到低能态而产生辐射后，它通过受激原子时会感应出同相位、同频率的辐射。

这些辐射波沿由两平面构成的谐振腔来回传播时，沿轴线的来回反射次数最多，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大。

9.半导体激光器的工作原理：利用半导体材料(即电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。

特点：体积很小，重量轻、寿命长、效率高，结构简单、抗冲击力强，运转可靠、耗电少对工作电源的要求：需要有足够的粒子数反转，即满足一定的阈值电流10.激光的特性：单色性、方向性、亮度、相干性1.光敏电阻(用来测量光通量)基本原理：在均质的光电导体两端加上电极后构成的光敏电阻，两电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流，达到了光电转换的目的。

根据半导体材料可分为本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻2.光敏电阻与其他半导体光电器件相比有以下特点：①光谱响应范围相当宽；②工作电流大，可达数毫安；③所测的光强范围宽，既可测强光，也可测弱光；④灵敏度高，光电导增益大于1；⑤偏置电压低，无极性之分，使用方便3.光敏电阻的不足之处：在强光照射下光电转换线性较差，光电弛豫过程较长，频率响应很低，因此它的使用受到一定限制4.光敏电阻的基本特性参数：光电导增益M、光谱响应率S(λ)、伏安特性、时间响应、前历效应、温度特性、光电特性I p(照度指数γ=lgR A−lgR BlgE B−lgE A)（时间响应：①弱辐射:光电流上升到稳态值I p0的63%,下降到稳态值的37%;τ上≈τ下②强辐射:光电流上升到稳态值的76%,下降到稳态值的50% ）5.光敏电阻的应用实例：①照明灯的光电控制电路该电路的构成：第一部分为由整流二极管VD和滤波电容C构成的半波整流滤波电路，它为光电控制电路提供直流电源；第二部分为由限流电阻R、CdS光敏电阻及继电器绕组构成的测光与控制电路；第三部分为由继电器的常闭触头构成的执行电路，它控制照明灯的开光。

当自然光较暗需要点灯时，CdS光敏电阻的阻值很高，继电器K的绕组电流变得很小，不能维持工作而关闭，常闭触头使照明灯点亮；当自然光增强到一定的照度E v时，光敏电阻的阻值减小到一定的值，流过继电器的电流使继电器K动作，常闭触头断开将照明灯熄灭。

②火焰探测报警器③照相机电子快门照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关S和电容C1构成的充电电路、时间检出电路(电压比较器)、三极管VT构成的驱动放大电路、电磁铁M带动的开门叶片(执行单位)等组成。

在初始状态，开关S断开，电压比较器的正输人端的电位为R1与R W1对电源电压V b分压所得的阈值电压V th，而电压比较器的负输入端的电位V R近似为电源电压V b，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。

当按动快门的按钮时，开关S与由光敏电阻R及R W2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C1两端的电压V c为0。

由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管VT导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。

快门打开的同时，电源V b通过电位器R W2与光敏电阻R向电容C1充电，其充电的速度取决于景物的照度，景物照度越高光敏电阻R的阻值越低，充电速度越快。

1.正向偏置：p正n负；反向偏置：n正p负2.热平衡状态下的p-n结：势垒高度qV D=kT ln N A∙N Dn i2; 结区宽度W=[2εε0q∙(N A+N DN A∙N D)(V D−V)]12⁄p-n结电容C j=A[ε0εq2(N A∙N DN A+N D)1(V D−V)]12⁄; p-n结电流I D=I0e qV KT⁄−I在一定温度下p-n结两边掺杂浓度越高，qV D越大；禁带宽度的材料n i较小，故qV D越大V为正向偏置时W变窄；V为反向偏置时W变宽外加正向偏置电压V时C j变大；外加反向偏置电压V时C j变小3.光照下的p-n结：光伏工作模式：当工作在零偏置的开路状态，p-n结型光电器件产生光生伏特效应光电导工作模式：当工作在反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流变大，而且流过它的光电随照度变化而变化当p-n结上加有反偏置时，暗电流随反向偏压的增大而增大，最后等于反向饱和电流I0，而光电流I p几乎与反向电压的高低无关4.硅光电池：依据光生伏特效应工作，当表面受光照，在p-n结两边产生光生电动势基本结构：按基底材料不同分为2DR型(p型硅做基底)和2CR型(n型硅做基底)以p(n)型硅做基底，然后在基底上扩散磷(硼)而形成受光面，构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。

（受光面上的输出电极做成梳齿状或E字型电极，目的是便于透光和减小硅光电池的内电阻）特性参数：光照特性(伏安特性、照度-电流电压特性、照度-负载特性)、光谱特性、频率特性(提高频响的措施：减小时间常数τ=R L∙C j或采用光电导模式)、温度特性(开路电压V oc具有负温度系数；短路电流I sc具有正温度系数)5.硅光电二极管：基本结构：分为以p型硅为衬底的2DU型与以n型硅为衬底的2CU型①2DU型硅光电二极管是在高阻轻掺杂p型硅片上通过扩散或注入的方式生成很浅(约1μm)的n型层，形成p-n结。