光电检测技术

光电检测技术第一章：信息技术主要包括：1.电子信息技术、2.光学信息技术、3.光电信息技术。

图1-2光电系统框图图1-2中，光源产生的光是信息传递的媒介。

某光源与照明用光学系统一起获得测量所需的光载波，如点照明、平行光照明等。

某光学变换：光载波与被测对象相互作用而将被测量载荷到光载波上。

某光学变换是用各种调制方法来实现的。

某光信息：光学变换后的光载波上载荷的各种被测信息。

某光电转换：光信息经光电器件实现由光向电的信息转换。

某电信息处理：解调、滤波、整形、判向、细分，或计算机处理等。

光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。

某光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，如平面镜、光狭缝、光楔、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器、光成像系统、光干涉系统等，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。

某光电转换是用各种光电变换器件来完成的，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。

第二章：2.人眼对光的视觉效能也称为视见函数。

人眼的视网膜上布满了大量的感官细胞：杆状细胞和锥状细胞。

某杆状细胞灵敏度高，能感受微弱光刺激。

某锥状细胞感光灵敏度低，但能很好地区别颜色和辨别被视物的细节。

3.光度学中，为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数V(λ)，称为“视见函数”（“光谱光视效能”）。

在明视情况，即光亮度大于3cd/m2时，人眼的敏感波长λ＝555nm 的视见函数（光谱光视效率）规定为1，即V(555)＝1。

4..照度(EV)：照度是投射到单位面积上的光通量，或者说接受光的面元上单位面积被辐射的光通量。

若辐射光通量为dΦV，接收面元的面积是dA，那么照度EV=dΦV/dA，单位为勒克斯l某=lm·m-2。

5.光通量Φv：光通量又称为光功率，单位：流明［lm］。

光通量是按人眼视觉强度来度量的辐射量。

与电磁辐射的辐射通量Φe相对应。

光通量与辐射通量之间的关系可以用下式表示：0.78VKme()V()dV(λ)是视见函数；0.38Km是光功当量，它表示人眼在明视条件下，在波长为555nm时，光辐射所产生的光感觉效能，按照国际温标IPTS-68理论计算值Km=680(lm/W)。

6.计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各个方向上均匀发光，求它的发光强度？（充气灯泡的光功当量Km=15lm/W）解：由式（2-2）知，该灯泡所发光的总光通量为ΦV=KmΦe=15某60=900lm由于假定光源向整个空间各方向均匀发光，根据发光强度的定义式（2-5）得IV=ΦV/ΩV=Φ/4π=900/4π=71.62cd注：整个球面的面积为4πr2，所以对于整个空间的球面度为Ω=4πr2/r2=4π7.余弦定律又称布给定律，它描述光辐射在半球空间内照度的变化规律。

具体描述为：任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。

朗伯余弦定律（发光强度余弦定律）：当被光照的表面是理想漫反射表面时（朗伯辐射表面），则由该表面辐射的光强也服从余弦定律，即朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化：Iθ＝I0coθ(2-7)式中，I0是理想漫反射表面法线方向上的光强;Iθ是与法线方向夹角为θ方向的辐射光强。

亮度守恒定律：光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等，即亮度守恒。

照度与距离平方反比定律：当均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比。

8.对某些特定波长，大气呈现出强的吸收，光波几乎无法通过。

对于透过率较高的波段称为“大气窗口”，即对可见光和红外光呈现弱吸收的窗口。

9.光量（光谱光能QV）：指光的能量，与辐射能Qe相对应的物理量。

光量的单位是流明·秒(lm·)，辐射能的单位是焦耳(J)，光量是光通量Φv对时间的积分。

10.放大镜及放大率y：物高L：离人眼距离为11.显微镜的视觉放大率：显微镜的视觉放大率是显微镜物镜和目镜的放大率的乘积：Γ＝β某Γe式中，Γ是视觉放大倍率；β是物镜垂直放大倍率；Γe是目镜视觉放大倍率显微镜的视觉放大率：图2-9人眼ytanLω：物体对人眼（2-1的张角250ef1'f1'f2'第三章：三.光谱功率分布光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长λ有关，称为光谱的功率分布。

自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。

不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，可用光谱功率分布来描述。

若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分析。

常见的4种典型光源功率谱分布。

图3-1中，（a）为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。

（b）为带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。

如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。

（c）为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，（d）是复合光谱，它由连续光谱与线、带谱组合而成，一般荧光灯的光谱就属于这种分布。

图3-1典型光源功率谱分布a)线状光谱b)带状光谱c)连续光谱d)复合光谱1.He-Ne气体激光器单色性好、方向性也很好，尤其是其输出功率和频率能控制得很稳定，因此在精密计量中是应用最广泛的一种激光器。

它的典型结构如图3-17所示。

图3-17全内腔式He—Ne激光器结构L：玻璃或金属放电管T：放电毛细管A：放电管阳极（钨棒或钼筒）K：阴极（金属圆筒）M1,M2：反射镜放电管中充有按一定比例混合的He和Ne气体，作为激光的工作物质。

A与K之间加以上千伏小电流的高压，作为激励能源。

反射镜M1和M2与光轴垂直安放，构成谐振腔。

工作方式为连续激励方式。

输出波长：632.8nm，1.15μm和1.52μm，3.39μm几种谱线。

Ne原子产生激光谱线，He原子起共振转移能量作用，影响输出功率。

输出功率：几mW到十几mW。

需用稳频的方法来提高激光频率和波长的稳定度。

3激光的模态：在光电测量中选用He-Ne激光器作为光源时，一般选用工作稳定性好的单模激光。

激光的模态：激光的模态记作TMEmnq，其中q为纵模序数，m、n为横模序数。

对于单模激光，其模态为TEM00。

纵模：指在谐振腔内沿光轴方向形成谐振的振荡模式。

4.照明系统的设计原则照明系统的设计要求：保证足够的光能。

保证足够照明范围，照明均匀。

照明光束应充满物镜的入瞳。

应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。

合理安排布局，避免光源高温的有害影响。

5.照明的种类：.直接照明，.临界照明，远心柯勒照明，光纤照明，同轴反射照明6.直接照明按照明方法来分：透射光亮视场照明反射光亮视场照明.透射光暗视场照明.反射光暗视场照明7.临界照明：光源发出的光通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式。

远心柯勒照明原理：集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上。

4.正确选择光源及照明系统应考虑的问题：光源的光谱能量分布特性，光度特性，发光面的形状、尺寸及光源的结构，满足光电系统的功能要求第四章：1.光电器件是一种能把光信号转化为电信号的器件，它工作的物理基础是各种光电效应。

按工作机理分类：.利用各种光子效应的光子探测器；吸收光辐射而导致温升产生温度变化效应，最终转换为电信号的热电探测器。

两者区别：热探测器对光信号的响应无波长选择性。

2.灵敏度：光电器件的探测灵敏度又称为响应度，它定量的描述光电器件输出的电信号和输入的光信号之间的关系。

它定义为光电器件的输出均方根电压U（或电流I）与入射光通量（或光功率P）之比3.响应：光谱灵敏度S(λ)随波长变化的关系称为光谱响应。

通常光电器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电器件电信号输出相对于输入光信号要发生时间上的扩展，其扩展特性可由响应时间来描述。

光电器件的这种相应落后于作用光信号的特性称为惰性，惰性会使先后作用的光信号在输出端产生交叠，从而降低了信号的调制度。

如果观察器观察的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响而造成输出产生严重畸变。

4.噪声等效功率（最小可测功率）：定义为光电器件输出的信号电压的有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率。

（当U=Un时，NEP=Φ）NEP用公式表示：SUnUSnSV式中，US/Un为器件输出的信噪比；ΦS为入射光功率；SV为光电器件的电压灵敏度。

NPE的单位为瓦(W)。

用噪声等效功率可以作为光电探测器件极限探测能力的标志。

归一化噪声等效率：光电器件的NEP与器件的光敏面积A和测量系统的带宽Δf的乘积的二次方根成正比。

因为面积大，接收到的背景噪声功率也大。

引入归一化噪声等效功率，可除去器件面积和测量带宽的影响，便于不同光电器件之间的性能比较。

NEP某SS(Af)UnUnSV(Af)5.光电倍增管：光电倍增管的基本工作过程是，具有足够能量的光子照射到光电阴极上，光电阴极激发出光电子，在电场的加速作用下，光电子打到第一倍增极(二次发射极）上，由于光电子能量很大，在倍增极上被激发出若干二次电子，这些电子在电场作用下．又打到第二倍增极处，又引起二次电子发射．直到阳极收集为止。

倍增系数（二次电子发射系数）δ：定义：单个入射电子所产生的平均二次电子数。

表示材料二次发射能力的大小。

δ=N2/N1(4-23)式中，N1为入射电子数；N2为发射电子数。

灵敏度。

描述光电器件对入射光信号的响应能力，它定义为光电器件在单位入射光通量下的输出电流，用公式表示为：灵敏度：SIP式中，Φ为入射光能量；IP为光电器件的响应电流。

6.光电倍增管的噪声主要是由散粒噪声和热噪声组成。

散粒噪声：光子随机到达光电探测器所引起的光电流的随机起伏。

散粒噪声是白噪声，与频率无关，但是它与热噪声根本不同。

热噪声电压：温度高于绝对零度时，导体中每一电子都携带着的电量做随机运动，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端产生噪声电压，称为热噪声电压。

热噪声与温度成正比，并与频率无关，是白噪声。

热噪声属电路中电阻的一项特性，设计者可对其进行某些控制，而散粒噪声是光电探测器的固有特性，因此散粒噪声不可能被消除。

对大多数光电探测器来说，散粒噪声具有支配地位。

7.噪声等效功率（NEP)又称为最小可探测功率：为光电器件输出信号的信噪比为1时的入射光通量（光功率）。

即NEP=Φ/SNR(4-28)式中，Φ为器件输出信号噪声比为SNR=1时的输入光通量。

对于光电倍增管的NEP，则表述为：光电倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射倍增管光电阴极的光功率（或光通量）的有效值。