光電檢測器件的類型復(fù)習(xí) (2)課件

光電檢測器件的類型光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件.光電檢測器件分為兩大類:光子(光電子)檢測器件熱電檢測器件探測器件熱電探測元件光子探測元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放大型光電導(dǎo)探測器光磁電探測器光生伏特探測器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強(qiáng)器光敏電阻紅外探測器光電池光電二極管光電三極管光電場效應(yīng)管雪崩型光電二極管光電器件分類及特點(diǎn)光子探測器探測器響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)。無波長選擇性，對可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出電信號與輸入光信號之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率４．響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間τ是描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)（如圖）。脈沖響應(yīng)特性上升時(shí)間tr：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。10%~90%下降時(shí)間tf：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。90%~10%５、信噪比信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為第二節(jié)光電發(fā)射器件光電發(fā)射效應(yīng)：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一、光電效應(yīng)及元件用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串具有能量（每個(gè)光子能量的大小等于普朗克常數(shù)h乘以光的頻率γ，即E=hγ）的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。分類：外光電效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)（一）外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。元件：紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。E=hγ=mυ2/2+A2．當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)度成正比。光愈強(qiáng)，意味著入射的光子數(shù)目越多，逸出的光電子數(shù)也就越多。3．光電子逸出物體表面時(shí)的初動(dòng)能決定于入射光的頻率。對于一定的物質(zhì)，電子逸出功A是一定的，所以光子的能量hγ越大，則電子的初動(dòng)能越大。光電倍增管及其基本特性由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級；陽極是最后用來收集電子l;k入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。光電倍增管(PMT)光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的一種光電探測器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個(gè)過程?！盐⑷醯墓廨斎朕D(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種光電探測器件。光電導(dǎo)效應(yīng)定義：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象?！獌?nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生的自由電子停留在物體內(nèi)部，不發(fā)生電子逸出。器件：光敏電阻、由光敏電阻制作的光導(dǎo)管。分類：本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)器件，也稱光敏電阻。光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。工作機(jī)理：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。7、暗電阻和暗電流：光敏電阻在黑暗時(shí)的阻值稱為暗電阻，一般情況下，暗電阻都大于10兆，受光照時(shí)的阻值稱為亮阻。暗阻與亮阻的比值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈敏度越高。8、前歷效應(yīng)：光敏電阻的應(yīng)用基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈?；窘Y(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路基本原理：光暗時(shí)，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。照明燈自動(dòng)控制電路K220V燈常閉CdS三種主要的熱電效應(yīng)溫差電效應(yīng)：溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢熱電偶和熱電堆電阻溫度效應(yīng)：輻射引起電阻率變化測輻射熱計(jì)(Bolometer)熱釋電效應(yīng)：輻射變化引起表面電荷變化熱釋電探測器起源：1826年紅外探測器件。應(yīng)用：高、低溫的溫度探測領(lǐng)域?；驹恚夯跍夭铍姷谝恍?yīng)——塞貝克效應(yīng)。兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當(dāng)它們構(gòu)成回路時(shí)，如果兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢。只要兩觸點(diǎn)間的溫差不變，溫差電動(dòng)勢將得到保持。許多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來即成為熱電堆。4.6.2溫差電偶

三、熱電偶的基本參數(shù)1.溫差電勢率M當(dāng)冷端開路時(shí)，開路電壓UOC與入射輻射產(chǎn)生的溫升ΔT的關(guān)系為通常半導(dǎo)體材料構(gòu)成的熱電偶比金屬材料的溫差電勢率高（鉍和銻溫差電勢率為100μV/oC，而半導(dǎo)體熱電偶可達(dá)500μV/oC）式中，M為塞貝克常量，也稱溫差電勢率，單位為V/℃原理：吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。主要材料類型：金屬、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體。共同點(diǎn)：都敏感于輻射，光譜響應(yīng)基本上與入射輻射的波長無關(guān)。吸收輻射—溫升---電阻變化熱敏電阻在電子電路中的符號光電成像器件的分類變像管直視型：像管像增強(qiáng)器光電發(fā)射型光電成像器件電真空攝像管光電導(dǎo)式熱釋電攝像guan攝像型：電荷耦合器件固體攝像器件CMOS圖像傳感器紅外焦平面陣列器件像管

——變像管＆像增強(qiáng)管一、典型結(jié)構(gòu)與工作原理物鏡目鏡陰極陽極熒光屏目標(biāo)物所發(fā)出某波長范圍的輻射通過物鏡在半透明光電陰極上形成目標(biāo)的像，引起光電發(fā)射。陰極面每一點(diǎn)發(fā)射的電子束密度正比于該點(diǎn)的輻照度。這樣，光陰極將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電子束密度圖像。通過陽極的電子透鏡作用，使陰極發(fā)出的光電子聚焦成像在熒光屏上。熒光屏在一定速度的電子轟擊下發(fā)出可見的熒光，最終，在熒光屏上便可得到目標(biāo)物的可見圖像。變像管：光陰極面上的材料—紅外或紫外光線敏感；像增強(qiáng)管光陰極面上的材料—微弱可見光敏感。像管成像物理過程1.輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換:

利用外光電效應(yīng).光敏面采用光電發(fā)射型材料.發(fā)射的電子流分布正比于人射的輻射通量分布.由此完成輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像的過程.2.電子圖像增強(qiáng):

電場加速或微通道板中二次電子發(fā)射.

3電子圖像的發(fā)光顯示

高能電子轟擊熒光屏,發(fā)出可見光.

攝像管電視攝像過程是將兩維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間變化的視頻電信號。步驟：攝像管的光敏元件接受輸入圖像的輻照進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將兩維空間分布的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮删S空間分布的電量；攝像管的電荷存貯元件在一幀的周期內(nèi)連續(xù)積累由光敏元件產(chǎn)生的電量，并保持電荷量在空間的分布。這一存貯電荷的元件稱之為靶；攝像管的電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描的電子束，在一幀的周期內(nèi)完成全靶面的掃描。逐點(diǎn)掃描的電子束到達(dá)靶面的電荷量與靶面貯存的電荷量相關(guān)，因此掃描電子束的電流被靶面電荷量所制，從而在輸出電路上即可得到視頻信號。

一般攝像管應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)它主要由兩大部分組成光電變換與存貯部分信號閱讀部分。1．光電變換與存貯部分

(1)光電變換部分構(gòu)成：光敏元件。根據(jù)材料分類：光電發(fā)射體光電導(dǎo)體——視像管。

(2)電荷存貯與積累部分幀周期內(nèi)要求信號不能漏走—存貯元件具有足夠的絕緣能力。2．信號閱讀部分

閱讀部分—掃描電子槍系統(tǒng)莫爾條紋測長儀兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺固定．一塊為長光柵．工作臺前后移動(dòng)的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)得到．指示光柵相對移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條