光电探测器光学测试技术四、各类热电探测器五、电荷耦合器 CCD
六、其他光电器件热电检测器件是利用热效应的检测器件。
从光谱响应角度说，称为无选择性探测器。
主要分成热电偶及热电堆、热敏电阻、热释电探测器、气动探测器等。
热电检测器件工作分二步：将辐射能转换成热能；再将热能转换成电能。
特点：不需制冷、波长响应平坦；响应较低、响应时间长。
四、各类热电探测器四、各类热电探测器
1,热释电探测器
2,热敏电阻
3,测光辐射热电偶、热电堆
1、热释电探测器一种利用某些晶体材料具有自极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。
热释电效应
自发极化强度,对于大多数电介质来说，在电压除去后极化状态随即消失，带电粒子又回复到原来状态。
但在某些电解质晶体中，不加外电场就存在了这种极化现象。且具有一定的极化强度。
热释电晶体,这种晶体的自发极化强度与温度有关，
温度升高极化强度降低，并且升高到一定温度时自发极化就突然消失。我们把这个温度称为,居里温度,
或,居里点,。这种晶体就称为热释电晶体。
热释电效应,就是某些晶体吸收光辐射后转变成热能，
温度升高引起晶格间距变化，从而导致电极化强度随温度变化，引起表面电荷的变化。
热释电探测器的工作过程
当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于,释放,了一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。
如果红外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。这说明：热释电探测器不适合探测稳态光辐射。
热释电探测器信号
e
de
d
d
d
d
d
d
L
s
T
U A R
t
T
iA
t
P
T
当沿着垂直于自发极化强度 Ps的方向将晶体切成薄片,并在表面淀积金属电极时,随着温度的变化,两电极间就会出现一个与温度变化速率成正比的电压 。 Ae为电极面积,ρ是晶体材料的热释电系数 。 若在两电极间接上负载 RL,则负载中就有热释电电流 。
热释电探测器的结构由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极。
热释电材料在具有热释电效应的晶体中,热释电系数最大的是铁电晶体材料,如硫酸三甘肽 TGS,铌酸锶钡 SBN,钽酸锂 LiTaO3,铌酸锂 LiNbO3,钛酸铅 PbTiO3等,从形态上分为单晶,陶瓷,薄膜三类 。
热释电探测器的特性
热释电的电信号正比于探测器温度随时间的变化率,不象其他热探测器需要一个热平衡过程,所以其响应速度比其他热探测器快很多,有效时间常数 10-4－ 10-5sec (其他热探测器的时间常数 0.01－ 1sec)；
光谱响应范围大,响应平坦；
自发电极化强度 Ps随温度上升而减小；
热释电探测器几乎为纯电容性器件,电容量小,故阻抗很大,
常用结型场效应管 JFET做前置放大器；
热释电探测器材料具有压电特性,因此对震动很敏感,使用时应注意防震 。
热释电探测器的特性热释电的输出阻抗很高,可达 1012欧姆以上,并且其输出电压非常微弱,因此需要进行阻抗变换和信号放大 。 选择具有高输入阻抗以及低噪声的场效应管作前置放大器,高阻 Rg的作用是释放栅极电荷,使场效应管安全正常工作 。 RL是负载,需外接 。
一般热释电在 0.2～ 20μm范围内的灵敏度是非常平坦的,由于不同检测需要,采用不同材料的滤光片作为窗口,如用于人体探测和防盗报警的热释电,由于人体辐射在 9.4μm处最强,故红外滤波片选取 7.5～ 14μm波段 。
热释电探测器的应用
主要用于防盗报警和安全报警装置,自动门,
自动照明装置,火灾报警等一些自动控制系统中 。
可制成探测器阵列,主要用于红外摄像机 。
2、热敏电阻吸收光辐射而升温，引起电阻变化。达到测量光辐射的目的。
通常由 Mn,Ni,Co,Cu氧化物，或 Ge,Si,InSb
等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。
热敏电阻工作原理
热敏电阻随温度的变化取决于电阻的温度系数
αT，温度系数可正可负。
d1
d
B
T
B
B T B
R
RT
R R T
热敏电阻工作原理
热敏电阻在使用时受环境温度影响，
因此，通常二个热敏电阻同时使用，
采用桥式结构，一个供测光辐射，一个补偿环境温度影响。
热敏电阻特性
响应率：热敏电阻的电压响应率为输出电压与辐射功率之比；
增大电源电压 Vb可提高响应率；
电压响应率与热敏电阻的温度系数有关，半导体的温度系数大于金属；
将热敏电阻表面涂黑可增大辐射吸收率，从而提高响应率；
主要工作在低频段，频率低于 100Hz；
噪声主要与环境温度有关。
3、测辐射热电偶、热电堆利用温差电势或称塞贝克电势测量光辐射。
测辐射热电偶的工作原理
J
2
J
1 R
L
由二种金属或半导体材料组合的闭合回路中,结点 J1和 J2 中某一个受到光辐射而升温,导致二者出现温差而产生温差电动势 ε,在回路中出现电流 。
12 221
tT
P
G
α12赛贝克系数； α辐射吸收率； P光辐射功率；
Gt 热导； ω光辐射角频率； τT 时间常数 。
测辐射热电偶特性
测辐射热电偶的电阻值一般在数十欧姆，为使热电偶与放大器匹配，需用变压器接入；
测辐射热电偶主要工作在低频段，响应时间在几十毫秒到数秒之间；
若干个热电偶串联构成热电堆，输出电压提高、阻值增大易于与放大器匹配、降低响应时间。
五、电荷耦合器 CCD
Charge Coupled Device
特点是以电荷作为信号,而不同于其它大多数器件 是以电流或电压为信号 。 CCD有线阵和面阵两种形式,是一种半导体集成器件 。
由 MOS光敏元,移位寄存器,电荷转移栅等部分组成 。 可把光信息转换成电脉冲信号,且每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反映了该光敏元受光照的强弱,输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置,起到图像传感的作用 。
它的基本功能是电荷的存储与电荷的转移 。 因此它工作过程的主要问题就是信号电荷的产生,存储,传输和检测 。
MOS光敏元
Metal-Oxide-Semiconductor
MOS结构：由金属 — 氧化物 — 半导体三层所组成。一般都以硅作为半导体衬底，在上面生长一层二氧化硅
(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层 (栅极 )。
MOS的工作原理
MOS结构实际上是一个 MOS电容，它主要具有电荷储存功能和电荷转移功能；
电荷产生：受光照时,MOS结构中的半导体 Si与氧化物 SiO2界面产生电荷包；
电荷储存：将光信号产生的电荷储存在起来；
电荷转移：实现信号电荷的定向转移 (移位寄存器或读出寄存器 )；
信号电荷输出：由一个二极管和一个栅极构成。如果信号比较小，还可以加一个结型场效应管进行信号放大。
CCD基本参数
电荷转移效率：势井中被转移电荷与储存总电荷之比；
分辨率：与象素大小、象素之间距离、象素之间的干扰有关；
暗电流：导致动态范围减小、形成背景噪声；
灵敏度：由 CCD器件的响应度和各种噪声源共同决定；
动态范围：上限由电荷最大储存量决定、下限由噪声决定；
光谱响应：由半导体光敏单元决定。
响应时间：最高可达 800MHz
CCD的优点、应用和类型
优点：结构精细、体积小 (象素尺寸数微米 )、结实可靠、工作电压低 (数伏 )；
类型：线阵 CCD、面阵 CCD、红外 CCD焦平面阵列；
应用领域：用于信息储存和信息处理 (信息处理 )、将光学图像转换成电子图像输出 (数码照相与摄像 )。
CCD应用举例
━━━ 多道光谱分析仪
CCD
len s
ligh t
gra ti ng
CCD应用举例
━━━ 几何尺寸测量六、其他光电器件
1,光控可控硅
2,光电耦合器：光电隔离器和光电传感器
3,多元光探测器：四象限探测器光控可控硅在控制极区以光触发代替电触发 。 光触发与电触发相比,具有很多优点 。
在一些场合可以用光控可控硅元件取代光敏二,三极管,因为光敏二极管,光敏三极管的输出电流小,在实际的应用中往往需要附加放大,整形,输出等电路；而单个光控可控硅元件输出电流可达安培级,同时电流大小不随光强变化而变化 。 因此光控可控硅已作为自动控制元件而广泛应用于光继电器,自控,隔离输入开关,光计数器,红外探测器,光报警器等方面 。
光电耦合器将发光器件 (LED)和光敏器件 (光敏二,三极管 )紧密组装在一起,密封在一个对外隔光的封装之内形成的一个电 -光 -电器件 。
这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起 。
光电耦合器的二种用途根据结构和用途,光电耦合器件分为两类：一类是光电隔离器,它的功能是在电路之间传送信息,以便实现电路间的电气隔离和消除噪声影响；另一类称为光传感器,是一种固体传感器,主要用以检测物体的位置或检测物体有无的状态 。
光电传感器
1 2
3
4
透过型； 反射型
1、发光器件 2、光敏器件 3、基座 4、被测物体
1 2 3
4
四象限探测器
lens
li ght
六、其他光电器件热电检测器件是利用热效应的检测器件。
从光谱响应角度说，称为无选择性探测器。
主要分成热电偶及热电堆、热敏电阻、热释电探测器、气动探测器等。
热电检测器件工作分二步：将辐射能转换成热能；再将热能转换成电能。
特点：不需制冷、波长响应平坦；响应较低、响应时间长。
四、各类热电探测器四、各类热电探测器
1,热释电探测器
2,热敏电阻
3,测光辐射热电偶、热电堆
1、热释电探测器一种利用某些晶体材料具有自极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。
热释电效应
自发极化强度,对于大多数电介质来说，在电压除去后极化状态随即消失，带电粒子又回复到原来状态。
但在某些电解质晶体中，不加外电场就存在了这种极化现象。且具有一定的极化强度。
热释电晶体,这种晶体的自发极化强度与温度有关，
温度升高极化强度降低，并且升高到一定温度时自发极化就突然消失。我们把这个温度称为,居里温度,
或,居里点,。这种晶体就称为热释电晶体。
热释电效应,就是某些晶体吸收光辐射后转变成热能，
温度升高引起晶格间距变化，从而导致电极化强度随温度变化，引起表面电荷的变化。
热释电探测器的工作过程
当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于,释放,了一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。
如果红外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。这说明：热释电探测器不适合探测稳态光辐射。
热释电探测器信号
e
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当沿着垂直于自发极化强度 Ps的方向将晶体切成薄片,并在表面淀积金属电极时,随着温度的变化,两电极间就会出现一个与温度变化速率成正比的电压 。 Ae为电极面积,ρ是晶体材料的热释电系数 。 若在两电极间接上负载 RL,则负载中就有热释电电流 。
热释电探测器的结构由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极。
热释电材料在具有热释电效应的晶体中,热释电系数最大的是铁电晶体材料,如硫酸三甘肽 TGS,铌酸锶钡 SBN,钽酸锂 LiTaO3,铌酸锂 LiNbO3,钛酸铅 PbTiO3等,从形态上分为单晶,陶瓷,薄膜三类 。
热释电探测器的特性
热释电的电信号正比于探测器温度随时间的变化率,不象其他热探测器需要一个热平衡过程,所以其响应速度比其他热探测器快很多,有效时间常数 10-4－ 10-5sec (其他热探测器的时间常数 0.01－ 1sec)；
光谱响应范围大,响应平坦；
自发电极化强度 Ps随温度上升而减小；
热释电探测器几乎为纯电容性器件,电容量小,故阻抗很大,
常用结型场效应管 JFET做前置放大器；
热释电探测器材料具有压电特性,因此对震动很敏感,使用时应注意防震 。
热释电探测器的特性热释电的输出阻抗很高,可达 1012欧姆以上,并且其输出电压非常微弱,因此需要进行阻抗变换和信号放大 。 选择具有高输入阻抗以及低噪声的场效应管作前置放大器,高阻 Rg的作用是释放栅极电荷,使场效应管安全正常工作 。 RL是负载,需外接 。
一般热释电在 0.2～ 20μm范围内的灵敏度是非常平坦的,由于不同检测需要,采用不同材料的滤光片作为窗口,如用于人体探测和防盗报警的热释电,由于人体辐射在 9.4μm处最强,故红外滤波片选取 7.5～ 14μm波段 。
热释电探测器的应用
主要用于防盗报警和安全报警装置,自动门,
自动照明装置,火灾报警等一些自动控制系统中 。
可制成探测器阵列,主要用于红外摄像机 。
2、热敏电阻吸收光辐射而升温，引起电阻变化。达到测量光辐射的目的。
通常由 Mn,Ni,Co,Cu氧化物，或 Ge,Si,InSb
等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。
热敏电阻工作原理
热敏电阻随温度的变化取决于电阻的温度系数
αT，温度系数可正可负。
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B T B
R
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热敏电阻工作原理
热敏电阻在使用时受环境温度影响，
因此，通常二个热敏电阻同时使用，
采用桥式结构，一个供测光辐射，一个补偿环境温度影响。
热敏电阻特性
响应率：热敏电阻的电压响应率为输出电压与辐射功率之比；
增大电源电压 Vb可提高响应率；
电压响应率与热敏电阻的温度系数有关，半导体的温度系数大于金属；
将热敏电阻表面涂黑可增大辐射吸收率，从而提高响应率；
主要工作在低频段，频率低于 100Hz；
噪声主要与环境温度有关。
3、测辐射热电偶、热电堆利用温差电势或称塞贝克电势测量光辐射。
测辐射热电偶的工作原理
J
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J
1 R
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由二种金属或半导体材料组合的闭合回路中,结点 J1和 J2 中某一个受到光辐射而升温,导致二者出现温差而产生温差电动势 ε,在回路中出现电流 。
12 221
tT
P
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α12赛贝克系数； α辐射吸收率； P光辐射功率；
Gt 热导； ω光辐射角频率； τT 时间常数 。
测辐射热电偶特性
测辐射热电偶的电阻值一般在数十欧姆，为使热电偶与放大器匹配，需用变压器接入；
测辐射热电偶主要工作在低频段，响应时间在几十毫秒到数秒之间；
若干个热电偶串联构成热电堆，输出电压提高、阻值增大易于与放大器匹配、降低响应时间。
五、电荷耦合器 CCD
Charge Coupled Device
特点是以电荷作为信号,而不同于其它大多数器件 是以电流或电压为信号 。 CCD有线阵和面阵两种形式,是一种半导体集成器件 。
由 MOS光敏元,移位寄存器,电荷转移栅等部分组成 。 可把光信息转换成电脉冲信号,且每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反映了该光敏元受光照的强弱,输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置,起到图像传感的作用 。
它的基本功能是电荷的存储与电荷的转移 。 因此它工作过程的主要问题就是信号电荷的产生,存储,传输和检测 。
MOS光敏元
Metal-Oxide-Semiconductor
MOS结构：由金属 — 氧化物 — 半导体三层所组成。一般都以硅作为半导体衬底，在上面生长一层二氧化硅
(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层 (栅极 )。
MOS的工作原理
MOS结构实际上是一个 MOS电容，它主要具有电荷储存功能和电荷转移功能；
电荷产生：受光照时,MOS结构中的半导体 Si与氧化物 SiO2界面产生电荷包；
电荷储存：将光信号产生的电荷储存在起来；
电荷转移：实现信号电荷的定向转移 (移位寄存器或读出寄存器 )；
信号电荷输出：由一个二极管和一个栅极构成。如果信号比较小，还可以加一个结型场效应管进行信号放大。
CCD基本参数
电荷转移效率：势井中被转移电荷与储存总电荷之比；
分辨率：与象素大小、象素之间距离、象素之间的干扰有关；
暗电流：导致动态范围减小、形成背景噪声；
灵敏度：由 CCD器件的响应度和各种噪声源共同决定；
动态范围：上限由电荷最大储存量决定、下限由噪声决定；
光谱响应：由半导体光敏单元决定。
响应时间：最高可达 800MHz
CCD的优点、应用和类型
优点：结构精细、体积小 (象素尺寸数微米 )、结实可靠、工作电压低 (数伏 )；
类型：线阵 CCD、面阵 CCD、红外 CCD焦平面阵列；
应用领域：用于信息储存和信息处理 (信息处理 )、将光学图像转换成电子图像输出 (数码照相与摄像 )。
CCD应用举例
━━━ 多道光谱分析仪
CCD
len s
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gra ti ng
CCD应用举例
━━━ 几何尺寸测量六、其他光电器件
1,光控可控硅
2,光电耦合器：光电隔离器和光电传感器
3,多元光探测器：四象限探测器光控可控硅在控制极区以光触发代替电触发 。 光触发与电触发相比,具有很多优点 。
在一些场合可以用光控可控硅元件取代光敏二,三极管,因为光敏二极管,光敏三极管的输出电流小,在实际的应用中往往需要附加放大,整形,输出等电路；而单个光控可控硅元件输出电流可达安培级,同时电流大小不随光强变化而变化 。 因此光控可控硅已作为自动控制元件而广泛应用于光继电器,自控,隔离输入开关,光计数器,红外探测器,光报警器等方面 。
光电耦合器将发光器件 (LED)和光敏器件 (光敏二,三极管 )紧密组装在一起,密封在一个对外隔光的封装之内形成的一个电 -光 -电器件 。
这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起 。
光电耦合器的二种用途根据结构和用途,光电耦合器件分为两类：一类是光电隔离器,它的功能是在电路之间传送信息,以便实现电路间的电气隔离和消除噪声影响；另一类称为光传感器,是一种固体传感器,主要用以检测物体的位置或检测物体有无的状态 。
光电传感器
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透过型； 反射型
1、发光器件 2、光敏器件 3、基座 4、被测物体
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四象限探测器
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