【正文】 層 SiO2作為電解質(zhì)；再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極為柵電極 ， 形成金屬氧化物 半導(dǎo)體的 MOS結(jié)構(gòu)單元 。 硅光電池的溫度特性 (四 ) 光電伏特型探測(cè)器 － 基本特性 溫度特性 電荷耦合器件 ?概念： 電荷耦合器件 (ChargeCoupled Devices)，簡稱 CCD。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系 。 硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理 ： (四 ) 光電伏特型探測(cè)器 ＋ － 接線點(diǎn) 接線點(diǎn) 光 薄 P層 PN結(jié) N層 結(jié)構(gòu)原理 符號(hào) 硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理： ? N型硅片上擴(kuò)散 P型雜質(zhì)形成大面積 PN結(jié)， P層很薄。 光敏晶體管的頻率特性 (三 ) 光電結(jié)型探測(cè)器 － 基本特性 頻率特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 。 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 100 80 60 40 20 0 )( nm?入射光波長%相對(duì)靈敏度 硅光敏三極管鍺光敏三極管一般鍺管的暗電流較大 ，因此性能較差 ， 故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí) ， 一般都用硅管 。 ?光敏二極管的光譜帶寬與材料有關(guān)，硅光敏二極管 ，峰值 ，鍺光敏二極管帶寬 ，峰值 。 光敏電阻在最初的老化過程中 ， 阻值會(huì)有變化 ， 但最后達(dá)到穩(wěn)定值后就 不再變化 。 材料與相對(duì)靈敏度峰位波長： 硫化鎘 ， 300～ 800nm， 在可見光區(qū)域 ， 常被用作光度量測(cè)量（ 照度計(jì) ） 的探頭 。如 PbS探測(cè)器探測(cè)波長達(dá) ，靈敏度峰值在 2μm 。 氧銫陰極 銻銫陰極 (一 ) 光電發(fā)射探測(cè)器 － 基本特性 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件稱為 光敏電阻 （ 半導(dǎo)體材料 ），也叫 光導(dǎo)管 。 典型的倍增管一般有 10個(gè)左右的倍增極，相鄰極之間加有 200－ 400V的電壓，陰極和陽極間的總電壓差可達(dá)幾千伏，電流增益為 105左右。 激發(fā)出電子的條件： ?要使一個(gè)電子從物質(zhì)表面逸出，光子具有的能量必須大于該物質(zhì)表面的 逸出功 A0，不同的材料具有不同的逸出功； ?因此對(duì)某種材料而言便有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)；不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)電子，反之，被照射的物質(zhì)便能激發(fā)出電子，此 頻率限稱為“紅限” ； ?其臨界波長 λK為 λK =hc/A0 (一 ) 光電發(fā)射探測(cè)器 結(jié)構(gòu)組成： 在一個(gè)抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極： 光電陰極 和 光電陽極 。 在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 。 （ 4） 從光照至發(fā)射電子 ，時(shí)間 109 s。 熱探測(cè)器 光子探測(cè)器的作用原理是基于一些物質(zhì)的 光電效應(yīng) 。 目前半導(dǎo)體激光器可以選擇的波長主要局限在紅光和紅外 。它能夠輸出 從紅外的 光等一系列譜線 ，其中 中應(yīng)用最廣，該譜線的相干性和方向性都很好，輸出功率通常小于 1mW，可以滿足很多光電傳感器的要求。 激光器 ?固體激光器的典型實(shí)例就是 紅寶石激光器 ，它是人類發(fā)明的第一種激光器，誕生于 1960年。 ?發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)： 電致發(fā)光器件－發(fā)光二極管 電極 控制層 N型半導(dǎo)體 電極 絕緣層 P型半導(dǎo)體 ?發(fā)光二極管的發(fā)光原理： 在 N型半導(dǎo)體上擴(kuò)散或者外延生長一層 P型半導(dǎo)體， PN結(jié)兩邊摻雜濃度呈遞減分布。 ?特點(diǎn)： 氣體放電光源的 光譜不連續(xù) ，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。 可見光波長： 380~780nm； 紅外線波長： 780~106nm； 紫外線波長： 10~380nm； 電磁波譜圖 光源 波長 300~380nm稱為近紫外線 波長 200~300nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長 10~200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線 波長 頻率 紅外線： 波長 780— 106nm 波長 3μm（即 3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過 3μm 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 光譜分布如圖所示。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。當(dāng) PN結(jié)接正向電壓時(shí)， N區(qū)電子向 P區(qū)運(yùn)動(dòng)，與 P區(qū)空穴結(jié)合時(shí)發(fā)出一定頻率的光 ， 光子頻率取決于 PN結(jié)的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙 ， 改變能隙大小可以改變二極管的發(fā)光頻譜 。紅寶石激光器的工作介質(zhì)是摻 %鉻的氧化鋁（即紅寶石），激光器采用強(qiáng)光燈作泵浦，紅寶石吸收其中的藍(lán)光和綠光，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激發(fā)出深紅色的激光 （波長約 694nm）； ?Nd:YAG（摻釹的釔鋁石榴石激光器）是另一種常見的固體激光器，與紅寶石激光器相比，對(duì)光泵的要求較低，可見光甚至近紅外都可以作其光泵，這種激光器發(fā)出的 波長為 。 （ 2） 氬離子、氪離子激光器 功率比氦氖激光器大，氬離子發(fā)出可見的藍(lán)光和綠光，比較典型的譜線有488nm和 ,氪離子發(fā)出的是紅光（ － ）。 (三 ) 半導(dǎo)體激光器 光電器件的作用： 光信號(hào) ?電信號(hào) 光電器件的種類： ?熱探測(cè)型： 將光信號(hào)的能量變?yōu)樽陨頊囟茸兓?，然后再將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，探測(cè)器 對(duì)波長沒有選擇性 ，只與接收到的總能量有關(guān)，在一些特殊場(chǎng)合具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其是遠(yuǎn)紅外區(qū)域； ?光子探測(cè)型： 基于光電效應(yīng)原理，即 利用光子本身能量激發(fā)載流子 ，這類探測(cè)器 有一定的截止波長，只能探測(cè)短于這一波長的光線 ，但它們響應(yīng)速度快，靈敏度高，使用最為廣泛。 光能是由分離的能團(tuán) —— 光子組成，光子的能量 E和頻率 f的關(guān)系 E=hf h—— 普朗克常數(shù)， h= l034（ J 愛因斯坦光電效應(yīng)方程： （ 1） 光電子能否產(chǎn)生 ， 取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 。 基于該效應(yīng)的器件有 光電池 和光敏二極管 、 三極管 等 。光電陰極通常是用逸出功小的 光敏材料 （如銫）涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。 光電倍增管 光電特性： 光電管兩端所加電壓不變時(shí)，光通量 Φ與光電流 I間的關(guān)系。 (二 ) 光電導(dǎo)探測(cè)器 基本原理： 導(dǎo)帶 價(jià)帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價(jià)電子所占能帶 Eg hvEg 或 λhc/Eg (二 ) 光電導(dǎo)探測(cè)器 基本原理： ?半導(dǎo)體材料在黑暗環(huán)境下，內(nèi)部電子為原子所束縛，處于價(jià)帶上，不能自由移動(dòng)，半導(dǎo)體的電阻值很高。 (二 ) 光敏電阻 ?主要參數(shù) 暗電阻 、 暗電流 、 亮電阻 、 亮電流 、 光電流 暗電阻： 光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值 ， 此時(shí)流過的電流為 暗電流 。 硫化鉛 ， 1000～ 2500nm， 響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū) , 常用做火焰探測(cè)器的探頭 。 這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn) 。 光敏二極管 雪崩光敏二極管 工作原理： 通過反向電壓擊穿，引起電流增大，類似于光電倍增管原理：當(dāng)反向偏置接近反向擊穿電壓時(shí)，一個(gè)入射光子激發(fā)出一個(gè)電子，電子通過碰撞電離又產(chǎn)生更多的二次電子－空穴對(duì)。 (三 ) 光電結(jié)型探測(cè)器 － 基本特性 光譜特性 硅光敏晶體管的伏安特性 ，縱坐標(biāo)為光電流 ， 橫坐標(biāo)為集電極 發(fā)射極電壓 。 從光敏晶體管的溫度特性曲線可看出：溫度變化對(duì)光電流影響很小 ， 而對(duì)暗電流影響很大 。 ? PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)阻止空穴、電子自由擴(kuò)散。 開路電壓與光強(qiáng)是非線性的 ， 且在 2022lx時(shí)趨于飽和 。 ?歷史： 美國科學(xué)家 威拉德 空穴耗盡區(qū)： 金屬電極上施加正電壓 、 襯底接地時(shí) ， 在電場(chǎng)作用下 ， 靠近氧化層的 P型硅中的多數(shù)載流子 （ 空穴 ） 受到排斥 ，從而形成一個(gè) 空穴耗盡區(qū) 。與 MOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一層遮光層，防止外來光線干擾。 ⑥ t=t6：電荷又轉(zhuǎn)移到下一位的電極 ?1下。 ? 說明： CCD輸出脈沖的幅度取決于對(duì)應(yīng)光敏元所受光強(qiáng)；輸出脈沖頻率和驅(qū)動(dòng)脈沖 ?1等的頻率相一致。 ?判斷缺陷的依據(jù)：缺陷與材料背景有足夠反差，且缺陷面大于兩個(gè)光敏單元， CCD可察覺。 主要用來測(cè)量光點(diǎn)在一維方向上的位置或位置移動(dòng)量 。 (一 ) PSD的工作原理 PSD通常工作在反向偏壓狀態(tài) ， 即 PSD的公共極 3接正電壓 ， 輸出電極 2分別接地 。 信號(hào)光源與敏感波長范圍 在 PSD受光面上光點(diǎn)高速移動(dòng)時(shí) ， 若信號(hào)光源為調(diào)制信號(hào) ， PSD的響應(yīng)時(shí)間就應(yīng)該考慮 。 位置分辨力 1966年 ， 高錕就在光纖物理學(xué)上取得了突破性成果 ， 計(jì)算出如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸 。 ?光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)： ?抗電磁干擾能力強(qiáng)； ?柔軟性好； ?集傳感與傳輸一體，可構(gòu)成分布式傳感測(cè)量。 (一 ) 光纖的結(jié)構(gòu) 光在光纖中傳播基于光的全反射。 (二 ) 光纖的傳光原理 ? ?12 /ar cs in nnc ?? ?? ?c 纖芯與包層間的臨界角 NA=n0sinqc稱為光纖的數(shù)值孔徑。一個(gè)駐波一個(gè)模。 (一 ) 功能型光纖傳感器 光纖既是光傳播的介質(zhì)，又對(duì)被測(cè)量敏感。 壓力、應(yīng)變、溫度、磁場(chǎng)等被測(cè)量可通過影響光纖的 長度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力 等引起光信號(hào)相位的變化。 優(yōu)點(diǎn)： 量程大，靈敏度高 光偏振態(tài)調(diào)制型 光偏振態(tài)調(diào)制型 通過標(biāo)準(zhǔn)化處理可使得測(cè)量結(jié)果不受 絕對(duì)光強(qiáng)、激光器漂移、光纖衰減 的影響。 a) 原理圖 b) 位移和輸出的關(guān)系 瞬逝波光纖位移傳感器 原理圖 a：兩光纖 端面斜切 ，兩斜切面拋光。 光柵式傳感器 光柵式傳感器的特點(diǎn)： ? 精度高。 a bW 透射長光柵示意圖 a—— 柵線的寬度（不透光） b—— 柵線間寬（透光） a+b=W—— 光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)），通常 a=b=W/2 (一 ) 長光柵 長光柵有 振幅光柵 和 相位光柵 兩種形式。 主要參數(shù)： 整圓刻線數(shù)；柵距角（也稱節(jié)距角） d，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線之間的夾角。 1,177。 其中， p+q=1和p+q=1級(jí)組光束強(qiáng)度變化幅度最大 ，它們形成莫爾條紋的 基波條紋 。 所以盡管柵距很小，難以觀察，但莫爾條紋卻清晰可見。 圓光柵的莫爾條紋 橫向 縱向 斜向 圓弧形莫爾條紋 主要特點(diǎn)： ① 莫爾條紋是 對(duì)稱的兩簇圓形條紋 ，它們的 圓心排列在兩光柵中心連線的垂直平分線上 。 環(huán)形莫爾條紋的突出優(yōu)點(diǎn)是具有全光柵的平均效應(yīng)，因而用于高精度測(cè)量和圓光柵分度誤差的檢驗(yàn)。 的信號(hào)，然后將它們送入專門的 電子細(xì)分 和 辨向電路 ，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量。 工作原理： 光的干涉原理 典型應(yīng)用： 邁克爾遜雙光束干涉系統(tǒng) 激光干涉?zhèn)鞲衅? 反射鏡 M2移動(dòng)半個(gè)光波波長，干涉條紋明暗變化一次，測(cè)量位移 x計(jì)算公式如下： 目。 物體輪廓的光強(qiáng)分布因激光衍射影響形成緩慢過渡區(qū)，不能準(zhǔn)確形成邊緣脈沖。如直徑， 1mm的分辨力和 177。 (一 ) 單頻激光干涉儀 5－ 1/4波片 2－偏振分光鏡 4－角錐棱鏡 6－分光鏡 7－反射鏡 9－偏振片 11－光電器件 ?絕對(duì)距離傳感器，利用激光的方向性好的特點(diǎn)。 1－反射主光柵 2－指示光柵 3－場(chǎng)鏡 4－反射鏡 5－聚光鏡 6－光源 7－物鏡 8－光電元件 (二 ) 反射式光柵傳感器 反射式長光柵傳感器 (二 ) 反射式光柵傳感器 反射分光式光柵傳感器 ?組成：光源 準(zhǔn)直透鏡 分光棱鏡 閃耀光柵 4（等腰三角形）； ?光柵工作在 自準(zhǔn)狀態(tài) ，光束垂直投射線槽面，最大強(qiáng)度衍射光沿原路反射回 3。 ?常見形式： 透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器。 ③ 位于偏心方向垂直位置上的條紋近似垂直于柵線，稱這部分為 橫向莫爾條紋 。 位移放大作用 莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成的， 對(duì)光柵的