光電測試技術第1章光電檢測應用中的基礎知識1.熟悉輻射度量與光度量參量的意義。立體角：以錐體的基點為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dA和球半徑r平方之比。(sr，球面度)2名稱符號定義方程單位符號光通量流明lm發光強度Ｉv坎德拉cd（光）亮度Ｌv

坎德拉／平方米cd·m-2光出射度Ｍv流明／平方米lm·m-2光照度Ｅv勒克斯（流明／平方米）Lx(lm·m-2)光量Qv流明秒流明小時lm·slm·h光度量只在可見光區（380－780nm)才有意義。3朗伯源：對于某些自身發射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關，即輻射源各方向的輻亮度不變，這類輻射源稱為朗伯源，又稱為余弦輻射體。朗伯余弦定律：朗伯源向空間規定方向單位立體角內輻射的通量和該方向與源表面法線方向的夾角θ的余弦成正比。朗伯源輻射出射度與輻亮度的關系：點光源在傳輸方向上某點的照度與該點到點光源距離的平方成反比。照度與距離平方反比定律：42.熟悉光電檢測器件的物理基礎；N型半導體：自由電子P型半導體：空穴長波限：絕對黑體：在任意溫度條件下，對任何波長的入射輻射能的吸收比等于1的物體叫做絕對黑體，或簡稱黑體。3.掌握光電檢測中的基本定律；基爾霍夫定律：任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比等于同一溫度時絕對黑體的單色輻出度。5普朗克輻射公式：黑體在絕對溫度為T時、波長λ處的光譜輻射出射度：維恩位移定律：斯忒藩—玻爾茲曼定律：斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67×10-5W·m-2·K-4物體的光譜發射率：輻射體的光譜輻射出射度與處于相同溫度的黑體的光譜輻射出射度之比。結論：物體的光譜發射率總等于其光譜吸收比。即強吸收體必然是強發射體。6光電效應：光照射到物體表面上使物體發射電子、或導電率發生變化、或產生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學特性發生改變的現象統稱為光電效應。光電效應：發射電子導電率發生變化產生光電動勢——外光電效應——光電導效應——光生伏特效應內光電效應7作業：1-1、1-2、1-34.了解噪聲的類型，熟悉光電探測器的特性參數。噪聲的類型：熱噪聲、散粒噪聲、產生-復合噪聲、

1/f噪聲、溫度噪聲光電探測器的特性參數：響應率（靈敏度）噪聲等效功率NEP探測率與比探測率白噪聲：功率譜密度與頻率無關1/f噪聲：功率譜密度與頻率成反比8第2章光電檢測中的常用光源2.熟悉常見光源的原理，學會選擇光電檢測用光源。光源：通常把發出可見光為主的物體。輻射源：把以發非可見光為主的物體。輻射光源：利用物體升溫產生輻射的原理制成的光源。太陽、黑體和白熾燈一、輻射光源1.熟悉光源的特性參數；光源的特性參數：輻射效率、發光效率、光譜功率分布、空間光強分布、顏色、色溫9白熾燈：燈絲（鎢絲）在電源供電下熾熱發光的器件。--連續光譜。白熾燈的分類：真空白熾燈、充氣白熾燈和鹵鎢白熾燈。鹵鎢循環：蒸發的鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物，該鹵鎢化合物擴散到溫度較高的燈絲周圍時又分解成鹵素和鎢，這樣，鎢重新沉積在燈絲上，鹵素被擴散到溫度較低的燈泡壁區域，再繼續與鎢化合。充氣白熾燈----氬、氮或氬和氮的混合氣體10二、氣體放電光源氣體放電光源：利用氣體放電原理制成的光源。氣體放電原理：制作時在燈中充入發光用的氣體，如氦、氖、氙、氪，或金屬蒸汽（汞、鈉、鉈、鏑），這些元素的原子在電場作用下電離出電子和離子。當離子向陰極、電子向陽極運動時，從電場中得到加速，當它們與氣體原子或分子高速碰撞時會激勵出新的電子和離子。在碰撞過程中有些電子會躍遷到高能級，引起原子的激發。受激電子回到低能級時會發射出相應的輻射，如此不斷進行，實現氣體持續放電、發光。氣體燈：脈沖燈、原子光譜燈、汞燈11氣體放電光源的特點：（1）發光效率高，比白熾燈高2～10倍（2）結構緊湊，耐震、耐沖擊（3）壽命長，是白熾燈的2～10倍（4）光色范圍大，如高壓汞燈發光波長400～500nm，低壓汞燈為紫外燈，鈉燈呈黃色（589nm）12三、固體發光光源利用電致發光現象制成的發光器件。場致發光屏、發光二極管發光二極管的工作原理：

P型半導體與N型半導體接觸時，由于載流子的擴散運動和由此產生內電場作用下的漂移運動達到平衡而形成PN結。在PN結上加正向電壓，則促進了擴散運動的進行，即從N區流向P區的電子和從P區流向N區的空穴增多，于是有大量的電子和空穴在PN結中相遇復合，產生光子，光子朝各個方向運動，這就形成了結型發光。13發光二極管的優點：(1)屬于低電壓、小電流器件，在室溫下即可得到足夠的亮度，一般為3000cd/m2以上(2)發光響應速度極快，時間常數約為l0-6~10-9s

(3)性能穩定，壽命長(4)驅動簡單，易于和集成電路匹配(5)單色性好，發光脈沖的半寬度為幾十納米(6)重量輕，體積小，耐沖擊14四、激光器特點：(1)極小的光束發散角，即方向性好或準直性好；(2)激光的單色性好，或相干性好；(3)激光的輸出功率密度很高，即亮度高受激輻射：激光是受激輻射的光放大。激光產生的必要條件：粒子數反轉、光泵、諧振腔激發源激活介質激光器的組成：工作物質、諧振腔和泵浦源。全反鏡半反鏡15分類：(1)氣體激光器(2)固體激光器(3)染料激光器

(4)半導體激光器原子（氦－氖）激光器離子（氬，氪，金屬蒸汽）激光器分子（CO2,CO,準分子)激光器。紅寶石激光器：發現最早，用途最廣的晶體激光器激光二極管：當自發輻射所產生的光子通過半導體時，經過已發生過輻射的電子-空穴對附近，就能激勵二者復合，產生新光子（受激輻射）。如果注入電流足夠大，則會形成粒子數反轉，以法布里-珀羅腔或分布布拉格光柵為諧振腔，進行受激輻射光的放大，從而發出激光。作業：2-2、2-4、2-616掌握結型光電器件的原理及特性，學會在系統中如何選擇。一、結型光電器件的工作原理當有外界光輻射照射在結區及其附近時，入射光子能量ε=hυ>禁帶寬度Eg，激發產生電子-空穴對：光生電子、光生空穴。在內建電場的作用下光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區，相當于PN結上加一個正電壓，即半導體內部產生光生電動勢，當連接外電路時，將有光生電流通過。流過負載RL的電流：第3章結型光電器件17光伏工作模式：工作在零偏置狀態，PN結型光電器件產生光生伏特效應。--光電池光電導工作模式：工作在反偏狀態，無光照時結電阻很大，電流很小；有光照時，結電阻變小，電流變大，而且流過它的光電流隨照度變化而變化。--光敏二極管、光敏三極管光伏器件的伏安特性曲線無光照時，光電流Ip=0，等效電路只起一個二極管的作用有光照時，光電流Ip≠0，外電路電流為I=ID-Ip，伏安特性下降18開路電壓：I＝0時短路電流：U＝0時二、光電池開路電壓輸出：非線性，靈敏度高短路電流輸出：線性好，靈敏度低用途：①開關測量（開路電壓輸出）；②線性檢測（短路電流輸出）。恒壓源19三、光電二極管光電二極管工作于反向偏置條件下PIN光電二極管：PN結間距增大，結電容減小，響應時間變短，頻帶展寬。雪崩光電二極管（APD）：高反向偏壓（100～200V），使其接近擊穿電壓。靈敏度高；響應速度快。目前響應最快的一種光電二極管。恒流源20集電結反偏，發射結正偏光電轉換：當光照在集電結的基極區時產生電子-空穴對，光生電子在內電場作用下漂移到集電極，形成光生電流Ip

=

ESE。--類似光電二極管光電流放大：在基極留下空穴，促使基極對發射極的電位升高，更有利于發射極中的電子經過基極而流向集電極，從而形成光電流Ic=βIp=βESE。隨著光照增加，光電流也隨之增加。工作過程：①光電轉換②光電流放大四、光電三極管21作業：3-2、3-5、3-6光電耦合器件是發光器件與接收器件組合的一種元件，以光作媒介把輸入端的電信號耦合到輸出端—光電耦合器。發光器件：發光二極管接收器件：光電二極管、光電三極管及光集成電路等。五、光電耦合器件22第4章光電導器件1、掌握光敏電阻的原理及特性；半導體受光照后，內部產生光生載流子，使半導體中載流子數顯著增加而電阻減少的現象叫做光電導效應。----光敏電阻符號暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經過一定時間測量的電阻值。暗電流：此時流過電阻的電流為暗電流。亮電阻：光敏電阻在一定照度下的電阻值。亮電流：此時流過電阻的電流為亮電流。232、熟悉光敏電阻的偏置電路和應用。（1）簡單輸入電路—恒功率偏置電路（2）恒流偏置電路（3）恒壓偏置電路光電流：亮電流和暗電流之差。Photocurrent光電導：光電導靈敏度：RpRLUbULI24特點：(1)光譜響應范圍寬，尤其對紅光和紅外輻射有較高的響應度；(2)偏置電壓低，工作電流大；(3)動態范圍寬，即可測強光，也可測弱光；(4)光電導增益大，靈敏度高；(5)光敏電阻無極性，使用方便。作業：4-1、4-425分類：反射型、透射型（半透明光電陰極）。能夠產生光電發射效應的物體稱為光電發射體，光電發射體在光電器件中常作為陰極，故又稱為光電陰極。掌握光電管與光電倍增管的原理及特性第5章真空光電器件材料：Ag-O-Cs、單堿銻化物、多堿銻化物(Sb-Na-K-Cs)、負電子親合勢光電陰極(NEA)、紫外光電陰極材料。26真空型：在光線的照射下，光電陰極發射光電子，光電子在電場的作用下被加速，并被陽極收集。充氣型：在光線的照射下，光電陰極發射光電子，光電子在加速向陽極運動中與氣體原子碰撞，而使后者發生電離，電離產生的新電子數倍于原光電子。光窗一、光電管27二、光電倍增管側窗式：反射式光電陰極，采用鼠籠式倍增極結構；端窗式：透射式光電陰極（半透明），沉積在入射窗的內側面。

入射窗口：電子光學系統：①使光電陰極發射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極上。②使陰極面上各處發射的光電子在電子光學系統中渡越時間盡可能相等。電子倍增系統(二次發射極D)：提供大的電子增益；電子聚焦。決定靈敏度最關鍵的部分。28陽極：收集光電子。管內電壓最高的地方。二次電子發射過程三個階段：①材料吸收一次電子的能量，激發體內電子到高能態，這些受激電子稱為內二次電子；②內二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動；③到達界面的內二次電子中能量大于表面勢壘的電子發射到真空中，成為二次電子。二次發射系數σ（倍增系數）：二次發射的電子數N2與入射的一次電子數Nl的比值。29三、微通道板光電倍增管（MCP）尺寸小，電流增益高，暗電流小，時間響應快作業：5-2、5-7光電倍增管的工作原理：①光子透過入射窗口入射在光電陰極K上；②光電陰極受光照激發，表面發射光電子；③光電子被電子光學系統加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，倍增極將發射出比入射電子數目更多的二次電子。入射電子經N級倍增極倍增后，光電子數就放大N次。④經過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip，在負載RL上產生信號電壓U0。30一、CCD圖像傳感器CCD：電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)第7章固體成像器件當UＧ＞Uth時，半導體與SiO2界面上的電勢變得非常高，將半導體內的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層——電子濃度超過空穴濃度，半導體由Ｐ型變為Ｎ型。UG>0時，空穴被排斥到遠離柵極的一端，在Si表面留下一層不可移動的受主離子，稱為多數載流子的“耗盡狀態”。偏壓增加，耗盡區向內延伸。1.MOS光敏元的工作原理31CCD中電荷的存儲和傳輸是通過改變各電極上所加電壓實現的。如果不斷改變電極上的電壓，就能使電荷可控地一位一位按順序傳輸，即電荷耦合。2.CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的傳輸。3.CCD的組成：信號輸入部分、電荷轉移部分、信號輸出部分。信號輸入部分作用：將信號電荷引入到CCD的第一個轉移柵下的勢阱中。引入方式：電注入、光注入。

信號轉移部分：由一串緊密排列的MOS電容器構成。——移位寄存器信號輸出部分作用：將CCD最后一個轉移柵下勢阱中的信號電荷引出。324.性能參數轉移效率：轉移損失率：當信號電荷轉移n個電極后的電荷為Qn時，總轉移效率為：33作業：7-1、7-3、7-4電荷存儲工作方式：準備過程(b)曝光過程(c)再充電過程光電流信號的存儲是在第（b）步中完成的。輸出信號是在第（c）步再充電過程中取出的。輸出的光電流：二、自掃描光電二極管陣列SSPDSelfScannedPhotodiodeArray34第9章光導纖維與光纖傳感器1、了解光纖傳感檢測技術的原理和應用光纖的傳光原理：當入射角時，光線不再進入包層，而是在光纖內不斷反射并向前傳播，直至從光纖另一端射出。臨界角：纖芯、包層、外套纖芯的折射率n1>包層的折射率n2外套的折射率n3>包層的折射率n2。纖芯nl包層n2空氣n035孔徑角：光束入射到光纖端面的臨界角θ0。當θ<θ0

時，光纖產生全反射；當θ>θ0

時，光纖不滿足全反射條件。數值孔徑NA(NumericalAperture)：光纖孔徑角的正弦與所處介質折射率的乘積。數值孔徑只決定于光纖的折射率，與光纖的尺寸無關。NA越大，光纖的集光能力越強。362、掌握光纖的光波調制技術。

光纖傳感器：通過被測量對光纖內傳輸光進行調制，使傳輸光的強度（振幅）、相位、頻率或偏振等特性發生變化，再通過對被調制過的光信號進行檢測，從而得出相應被測量。功能性傳感器：光纖作為敏感元件，既感知信息又傳輸信息。傳感型

非功能性傳感器：光纖只是信息傳輸介質，傳感器要采用其它元件。傳光型調制類型：光強型、相位型和偏振態型光纖傳感器的基本組成：光纖、光源、光電元件37相位型：調制的原理：利用外界因素變化引起光纖中傳導光的相位變化，通過測定相位差，獲得待測物理量的信息。波長為λ光入射到長度為L、纖芯折射率為n1的單模光纖中，相對于輸入端來說，輸出光的相角為：

光強型：光纖微彎傳感器：利用改變光纖的微彎狀態，產生彎曲損耗的原理，實現對光強的調制。偏振態型：利用某些外界物理量的變化，引起光纖中傳輸的偏振光的偏振態變