3-1光电探测器的物理基础
光电子技术——精选推荐
光电⼦技术光电⼦技术题型:1，缩略词5分2，填空题5题共10分（基本概念、常识性）3，选择题10题共20分（综合性题⽬）4，简答题7题共35分（不要⼀句话解决）5，计算题+画框图（作图并说明原理）3题共30分考点：绪论1，光电探测器系统的组成：掌握主动探测系统以及被动探测系统的框图P2 举例-主动：光纤通信被动：红外夜视仪第⼀章光辐射源1.1辐射度学与光度学的基础知识1，光的能量公式P11（1-1）2，两套基本单位（辐射度量、光度量）辐射度量特点：与物理学中对电磁辐射量度的规定完全⼀致，适⽤于整个电磁波谱（当然也包括可见光）光度量特点：以⼈的视觉特性为基础⽽建⽴起来，只适⽤于可见光波段。
3，可见光范围：0.38~0.78um红外光范围：约从0.78um向长波⽅向延伸⾄1000um紫外光范围：约从0.38um向短波⽅向延伸到0.01um4，光度量和辐射度量之间的换算关系P15（1-13）坎[德拉]:发光强度的单位5，辐射度学和光度学中的两个基本定律①辐强度余弦定律②距离平⽅反⽐定律1.2半导体的基础知识1，吸收定律P22（1-29）2，本征吸收与⾮本征吸收的区别是什么？①杂质吸收光⼦的截⽌波长⼤于本征吸收的截⽌波长②本征吸收能同时产⽣电⼦-空⽳对；杂质吸收只能产⽣电⼦或空⽳。
1.3⿊体辐射1，什么是⿊体能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对⿊体－－简称⿊体。
2，研究⿊体辐射的意义⿊体是各种辐射体和物质吸收（发射）特性的⽐较基准。
1，⿊体模拟器2，近似⿊体，如太阳、地球、海⽔······ 3，⽤⿊体某些特性表征光源和辐射体。
3，⿊体辐射中的定律普朗克辐射定律：⿊体光谱辐出度与波长和温度的关系---随着温度的升⾼：1，⿊体的总辐出度迅速增加2，峰值波长向短波⽅向移动维恩位移定律：⿊体辐出度峰值对应的波长与⿊体的绝对温度的乘积为⼀定值P31（1-58）斯蒂芬-玻⽿兹曼定律：⿊体的全光谱辐出度与其温度的4次⽅成正⽐P31（1-59）1.4典型光辐射源1，⾊温如果热辐射光源发光的颜⾊与⿊体在某⼀温度下辐射光的颜⾊相同，则⿊体的这⼀温度称为该辐射源的⾊温。
光电检测技术试题及答案
第一章1.本课程的名称为？光电检测技术（只输入汉字，不加书名号，不加任何标点）2.本课程教材的名称为？光电测试技术（只输入汉字，不加书名号，不加任何标点，不写版次）3.本课程主要讲解内容为教材中的前五章和将在第二三章之间增加的补充内容。
√4.光电检测技术是将电子学与光学融合为一体，通过电信号到光信号的转换来实现信息获取、处理与测量的技术。
√5.光电检测技术的特点是（D）。
A.高精度，高速度，具有很强的信息处理与运算能力B.非接触，远距离、大量程C.抗电磁干扰D.以上都是6.在现代工程装备中，检测环节的成本约占生产成本的百分比约为（B）A.5%~7%B.50%~70%C.10%D.90%7.光学变换和光电转换是光电测量的核心部分。
√第二章1可见光是电磁辐射波谱中人眼可以感知的部分，一般情况下，可见光的波长范围在 _380_nm 到 _780_nm 之间。
（按照本书和本节课所讲的标准）2光度学量衡量的是电磁辐射对人眼刺激大小的感觉，因此在可见光波段才有意义。
√3视觉神经对不同波长光的感光灵敏度不同，人眼对各种波长光的相对灵敏度，称为“光谱光视效能”或者“视见函数”，其最大值为1，无量纲。
√4光度学的七个基本物理量为光通量、光量、_发光强度（光强度；光强）_ 、光亮度、出射度、光照度、曝光量，其中_光照度（照度）_和曝光量是描述物体受光的参量，其余五个皆为描述光源发射光的特性参量。
5、1W的波长为1064nm的光，其光通量为（B）。
A. 1lmB. 0lmC. 683lmD. （1/683）lm6、（ C ）是发光强度的单位，也国际单位制（SI）的7个基本单位之一。
A. 焦耳(J)B. 流明(lm)C. 坎德拉(cd)D. 勒克斯(lx)7已知某辐射源发出的辐射功率为1W，该波长对应的光谱光视效率为0.5，则该辐射源辐射的光通量为（B）。
（已知人眼在明视条件下的光功当量为680lm/W）A．680 lm B.340 lm C.1360 lm D.0 lm8辐射通量与光通量的单位是相同的。
1光电检测系统的基本工作原理
1光电检测系统的基本工作原理。
光电检测系统是指对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
光电检测系统的基本组成及各部份的主要作用。
光电检测系统的组成：三要素：检测对象、光、光电变换。
能否使光束准确地携带所要检测量的信息，是决定所设计系统成败的关键光电检测技术的现代发展1）非接触化发展2）尽可能多的信息量3）集成化，智能化发展光电检测方法（1）.光信息携带的物理量可分为：光强型、频率型、相位型、脉冲型、偏振型、位置型等（2）.所用的光学现象分为：衍射法、干涉法、全息法、散射法、光谱法、莫尔条纹法、光扫描法等（3 ）从检测系统角度分为：直接作用法、差动法（差分法）、补偿法光辐射所带的信息如光强分布、时间、光谱能量分布、温度分布等由光电探测器转变成电信号测量出来2系统误差在检测过程中产生恒定不变的误差叫恒差或按一定规律变化的误差叫变差，统称为系统误差＜系统误差产生的原因有工具误差、装置误差、方法误差、外界误差和人身误差等随机误差在尽力消除并改正了一切明显的系统误差之后，对同一待测量进行反复多次的等精度测量，每次测量的结果都不会完全相同，而呈现岀无规则的随机变化，这种误差称为随机误差。
灵敏度系统在稳态下输岀量变化引起此变化的输入量变化的比值算术平均值：1X =—NN' X n =0.8416 n 土均方差或标准误差：:？丨1 N- 2 ■?(xn x)2 - 0.0025N -1n/算术平均值的标准偏差x- s - - 0.00095■v' N均方差的标准误差OCT a = —^==0 00067V2N最大误差；x = k；x测量精度J D=^x/x X100%大误差测值岀现的处理主要方法是：（1）认真检查有无瞬时系统误差产生，及时发现并处理。
⑵增加检测的次数，以减小大误差测值对检测结果的影响。
（3）利用令人信服的判据，对检测数据进行判定后，将不合理数据给予剔除辐射度量（Radiometry）：能量的分布的强弱、时间、空间等特性辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量。
《光电效应的理论解释》 知识清单
《光电效应的理论解释》知识清单一、什么是光电效应在光的照射下，金属表面会发射出电子的现象被称为光电效应。
这是一个十分神奇且重要的物理现象，它为我们理解光的本质以及物质与光的相互作用提供了关键的线索。
比如，当我们用一定频率的光照射金属板时，金属板上的电子会吸收光子的能量，从而获得足够的能量挣脱金属的束缚，飞离金属表面。
但需要注意的是，并非所有频率的光都能引发光电效应，存在一个特定的频率阈值。
二、光电效应的实验规律1、饱和电流在一定的光照条件下，单位时间内从金属表面逸出的光电子数是一定的，当所加电压增大到一定值时，光电流达到饱和值，不再增加。
2、遏止电压使光电流减小到零的反向电压称为遏止电压。
遏止电压与光电子的最大初动能有关。
3、截止频率当入射光的频率低于某一值时，无论光的强度多大，都不会产生光电效应，这个频率称为截止频率。
4、瞬时性光电效应的产生几乎是瞬时的，一般不超过 10⁻⁹秒。
三、经典物理学的解释困境按照经典物理学的理论，光是一种连续的电磁波，能量是均匀分布的。
金属中的电子吸收光的能量，积累到一定程度后才能逸出金属表面。
然而，经典理论无法解释光电效应的以下几个关键特征：1、按照经典理论，光的强度越大，电子吸收的能量越多，逸出的电子的动能应该越大。
但实验表明，光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与光的强度无关。
2、经典理论无法解释截止频率的存在。
3、经典理论也无法解释光电效应的瞬时性。
四、爱因斯坦的光量子假说为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光量子假说。
他认为，光不是连续的电磁波，而是由一个个不可分割的光子组成的，每个光子的能量与光的频率成正比，即 E ＝hν，其中 E 是光子的能量，h 是普朗克常量，ν 是光的频率。
当光子照射到金属表面时，其能量被金属中的电子吸收。
如果光子的能量大于电子逸出金属表面所需的逸出功（W₀），电子就会立即逸出金属表面，成为光电子，其最大初动能为 Eₖ ＝hν W₀。
光电子技术复习
光电⼦技术复习第⼀章1、光电⼦技术的定义光电⼦技术是光学技术与电⼦技术结合的产物，是电⼦技术在光频波段的延续和发展。
是研究光（特别是相⼲光）的产⽣、传输、控制和探测的科学技术。
2、电磁波的性质1.电磁波的电场和磁场都垂直于博得传播⽅向，三者相互垂直，电磁波是横波，和传播⽅向构成右⼿螺旋关系。
2.沿给定⽅向传播的电磁波，电场和磁场分别在各⾃平⾯内振动，称为偏振。
3.空间个点磁场电场都做周期性变化，相位同时达到最⼤或最⼩。
4.任意时刻，在空间任意⼀点，H E µε=5.电磁波真空中传播速度为001µε=c ，介质中的为εµ1=v3、⾊温的概念规定两波长处具有与热辐射光源的辐射⽐率相同的⿊体的温度。
4、辐射度学与光度学的基本物理量作业：1、2第⼆章⼀、光波在⼤⽓中的传播1、光波在⼤⽓中传播时，引起的光束能量衰减和光波的振幅和相位起伏因素光波在⼤⽓中传播时，⼤⽓⽓体分⼦及⽓溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空⽓折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏2、⼤⽓分⼦散射的定义、特点；瑞利散射的定义和特点定义：当光线穿过地球周围的⼤⽓时，它的⼀些能量向四⾯⼋⽅反射。
特点：波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。
瑞利散射定义：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远⼤于分⼦的线度，这⼀条件下的散射为瑞利散射。
瑞利散射特点：波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
所以天空呈蓝⾊。
3、⼤⽓⽓溶胶的定义、瑞利散射、⽶-德拜散射；⼤⽓⽓溶胶：⼤⽓中有⼤量的粒度在0.03 µm到2000 µm之间的固态和液态微粒，它们⼤致是尘埃、烟粒、微⽔滴、盐粒以及有机微⽣物等。
由这些微粒在⼤⽓中的悬浮呈胶溶状态，所以通常⼜称为⼤⽓⽓溶胶。
瑞利散射：散射粒⼦的尺⼨远⼩于光波长时，散射光强。
⽶德拜散射：散射粒⼦的尺⼨⼤于等于光波长时，散射光强对波长的依赖性不强。
⼆、光波在电光晶体中的传播1、电光效应的定义及分类电光效应：在外电场作⽤下，晶体的折射率发⽣变化的现象。
光电技术试题
光电技术自动成卷系统单选题（10题，20分）；简答题（5题，40分）；综合题（1题，15分）；计算题（1题，10分）；设计题（1题，15分）1、锁定放大器是基于A. 自相关检测理论B. 互相关检测理论C. 直接探测量子限理论D. 相干探测原理2、下列哪一种应用系统为典型的相干探测应用实例A. 照相机自动曝光B. 飞行目标红外辐射探测C. 激光陀螺测量转动角速度D. 子弹射击钢板闪光测量3、依据光电器件伏安特性，下列哪些器件不能视为恒流源A. 光电二极管B. 光电三极管C. 光电倍增管D.光电池4、对于P型半导体来说，以下说法不正确的是GA. 空穴为多子，电子为少子cB. 能带图中费米能级靠近价带顶C. 光照时内部不可能产生本征吸收D. 弱光照时载流子寿命与热平衡时空穴浓度成反比5、在飞轮转速和方向的光电测量系统中，若光源采用激光二极管，激光波长632nm输岀光调制频率为1kHz，探测器为CdSe光敏电阻，后接的检测电路为带通滤波放大器，其中心频率为1kHz，带宽为100Hz。
这样，检测系统可以消除光敏电阻哪些噪声的影响？nA. 1/f 噪声，热噪声nB. 产生-复合噪声，热噪声C. 产生-复合噪声，热噪声D. 1/f 噪声，产生-复合噪声6、在非相干探测系统中A. 检测器能响应光波的波动性质，输出的电信号间接表征光波的振幅、频率和相位rB. 检测器只响应入射其上的平均光功率oC. 具有空间滤波能力D. 具有光谱滤波能力7、关于半导体对光的吸收，下列说法正确的是A. 半导体非本征吸收时，产生电子-空穴对B. 杂质半导体本材料不会发生本征吸收C. 半导体对光的吸收与入射光波长有关D. 非本征吸收时，吸收的能量全部转换为材料的热能8、下列关于热电偶和热电堆的说法不正确的是A. 热电堆的测量误差比热电偶小cB. 热电堆的测量分辨率比热电偶高C. 热电堆的光电灵敏度比热电偶高D. 两者均基于光热效应9、下列哪一种探测器的积分灵敏度定标时，要用到色温A. 热电偶B. 碲镉汞红外探测器C. PMTD. 热释电探测器10、克尔盒工作的基础是某些光学介质的简答题（共5道，每题8分）1、 光电探测器的物理效应主要有哪几类？每类有哪些典型效应？2、 试说明热释电摄像管中的斩光器的作用。
光电效应1
光电式传感器
在PN结交界面出N型一侧，剩下一层失掉电子 的带正电的施主原子，P型一侧剩下一层失去空穴的 受主原子，并在二者之间形成内电场，方向由N指向 P。当电场达到一定大小时，电子和空穴不再运动， 稳定下来。
PN结产生光生伏特的原因，就是因为光照在 PN结上时，如果光子能量大于半导体的禁带宽度， 则载流子吸收光子能量穿过禁带，形成自由电子和 自由空穴。这些自由电子——空穴对在PN结内部电 场作用下向外运动，于是在PN结两侧产生光生电动 势。由于光生电子、空穴在扩散中会复合，因此， 只有PN结的厚度小于扩散长度，才会有电动势产生。 可以利用这一点调节器件的特性。
为响应。反应用电压或电流表示。对可见光常用
的有流明灵敏度和勒克斯灵敏度。流明灵敏度
S1m
光电流（A） 光通量（lm）
光电式传感器
勒克斯灵敏度
S1 x
光电流（A） 受光面照度（lx）
投射到传感器的光通量即使相同,如果光谱能量 分布不同时 ,灵敏度也不同。因此 ,在测定灵敏度时
吸收系数、发射电子的深度、表面的亲和力等因素有 关;e为电子电荷量。
光电式传感器
(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。因此
光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。
为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止
电压与入射光的频率成正比。
光电式传感器
1.2内光电效应
内光电效应分为两类：光电导效应和光生伏特效应。 1. 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象,叫光电导 效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由 于在入射光作用下，电子吸收光子能量，从价带激发到 导带，过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴， 致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻 率减小。为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量 E0应大于禁带宽度Eg即光的波长应小于某一临界波长λ0。
复习总结
2 .5设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2KΩ，且已 知它在90~120lx范围内的γ=0.9。试求该光敏电阻在 110lx光照下的阻值？
解：
g =SgEγ
R =1/SgEγ
R /R0=(E0/E)γ
R =(E0/E)γ R0 =(100/110)0.9×2=1.84KΩ 2 .6已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550Ω，在 700lx的光照下的阻值为450Ω。试求该光敏电阻在550lx 和600lx光照下的阻值？
2013-10-24 9
1.17 在微弱辐射作用下，光电导材料的光电导灵敏度有什 么特点？为什么要把光敏电阻的形状制造成蛇形？
q 在微弱辐射作用下，半导体的光电导 g hl 2 e, 可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量成线性关系。 光电导灵敏度为 dg q Sg d e , hcl2
Le, m V ( ) Le,
6
1.7 一束波长为0.5145μｍ输出功率为3W的氩离子激光束均 匀地投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多 少？若屏幕的反射系数为0.8，其光出射度为多少？屏幕每 分钟接收多少个光子？
解：φe,λ =3mW，查表得V（0.5145um）=0.6082
hc 1239 (nm) 解题思路：L Eth Eth
Eth E A
N型半导体
Eth Eg EA
P型半导体
1.11 ΔEi=Eth=1.24/13=0.095ev
1.19 Eth=1239/680=1.82ev
1.20 Eg=1.239/λL=1.239/1.4=0.886ev
光生伏特效应属于内光电效应
q I (1 e d )Φe, h
光电成像原理 03
Review§1.4光电成像器件的类型按工作方式来分，光电成像器件可分为两大类：1.直视型光电成像器件:可用于直接观察。
器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
2.非直视型光电成像器件:可见光或辐射图像→视频电信号。
只完成摄像功能，不直接输出图像。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电1一、直视型光电成像器件工作原理：入射辐射图像光电效应电子图像电场、电磁场二次发射作用增强的电子图像激发荧光屏可见光图像根据工作的辐射波段区分为两种：（1）变像管：入射图像的光谱与输出图像的光谱完全不同。
完成图像的电磁波谱转换，使不可见辐射图像通过像管变成可见图像。
（2）像增强器：接受微弱可见光图像。
输入的光学图像及其微弱，经过器件内电子图像的能量和数量的增加使输出图像增强。
Review《光电成像原理》赵新彦南京邮电2《光电成像原理》赵新彦南京邮电3二、非直视型光电成像器件工作原理：基本结构：电真空式：光敏靶、电子枪、扫描系统，真空管固体式：光敏面阵、电荷耦合转移读出电路电子束扫描入射辐射图像光电效应电荷图像电荷耦合转移视频信号处理、传输显像装置输出图像（）ReviewReview辐射度学与光度学基础知识辐射度学与光度学：研究光的度量的学科。
辐射度量：物理的计量方式，适用于整个电磁辐射谱区。
光度量：从生理角度，以人眼所见的光辐射对大脑的刺激程度来进行计量。
适用于可见光谱区。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电5直视型光电成像器件变像管像增强器非直视型光电成像器件直视型光电成像器件：非直视型光电成像器件：光电转换上升过程的滞后<< 下降过程的滞后。
光电成像脉冲响应函数上升斜率近似为∞脉冲响应函数主要决定于光电转换的衰减特性。
噪声（广义）：干扰：噪声：噪声：直视型光电成像器件非直视型光电成像器件视频信噪比:前置放大器输出端的视频信号与噪声之比。
显示信噪比:考虑到人眼接收的效能，取人眼的时间常数作为有效积分时间的信噪比值。
光电子技术基础14
3. 频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应 时间t)
若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流if将 随调频f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，
定义为
Rf
if P
if是光电流时变函数的付里叶变换，通常
if
i f 0
1 (2f )2
τ称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外 电路决定。
D 1 (瓦1) NEP
这样，D值大的探测器就表明其探测力高。 常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D
值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。
主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。
探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
于是由D的定义知
in (f )
1
D (f ) 2
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A
7. 其它参数
光电探测器还有其它一些特性参数，在 使用时必须注意到，例如光敏面积，探测器 电阻，电容等。
特别是极限工作条件，正常使用时都不允 许超过这些指标，否则会影响探测器的正常 工作，甚至使探测器损坏。
通常规定了工作电压、电流、温度以及光 照功率允许范围，使用时要特别加以注意。
光敏电阻
光电二极 管
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)， 称为探测器的光电特性。
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri
di dP
i P
(线性区内) (安/瓦)
Ru
du dP
u P
(线性区内) (伏/瓦)
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为 电表测量的电流、电压有效值。
光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。