光电检测的元器件系统
光电检测习题解答
光电检测习题解答第1章1、举例说明你说知道的检测系统的⼯作原理。
（1）光电检测技术在⼯业⽣产领域中的应⽤：在线检测：零件尺⼨、产品缺陷、装配定位…（2）光电检测技术在⽇常⽣活中的应⽤：家⽤电器——数码相机、数码摄像机：⾃动对焦---红外测距传感器⾃动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶遥控接收：红外检测---光敏⼆极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取---⾯阵CCD医疗卫⽣——数字体温计：接触式---热敏电阻，⾮接触式---红外传感器办公商务——扫描仪：⽂档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏⼆极管、光敏三极管（3）光电检测技术在军事上的应⽤：夜视瞄准机系统：⾮冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位⽬标光电检测技术应⽤实例简介点钞机（1）激光检测—激光光源的应⽤⽤⼀定波长的红外激光照射第五版⼈民币上的荧光字，会使荧光字产⽣⼀定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
由于仿制困难，故⽤于辨伪很准确。
（2）红外穿透检测—红外信号的检测红外穿透的⼯作原理是利⽤⼈民币的纸张⽐较坚固、密度较⾼以及⽤凹印技术印刷的油墨厚度较⾼，因⽽对红外信号的吸收能⼒较强来辨别钞票的真假。
⼈民币的纸质特征与假钞的纸质特征有⼀定的差异，⽤红外信号对钞票进⾏穿透检测时，它们对红外信号的吸收能⼒将会不同，利⽤这⼀原理，可以实现辨伪。
（3）荧光反应的检测—荧光信号的检测荧光检测的⼯作原理是针对⼈民币的纸质进⾏检测。
⼈民币采⽤专⽤纸张制造（含85％以上的优质棉花），假钞通常采⽤经漂⽩处理后的普通纸进⾏制造，经漂⽩处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420－460nm的蓝光），⼈民币则没有荧光反应。
所以，⽤紫外光源对运动钞票进⾏照射并同时⽤硅光电池检测钞票的荧光反映，可判别钞票真假。
（4）纸宽的检测—红外发光⼆极管及接收⼆极管的应⽤主要是⽤于根据钞票经过此红外发光及接收⼆极管所⽤的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器的运⾏状态进⾏判断，⽐如有⽆卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其⾯值。
光电检测思考题及部分答案
思考题及部分答案:1.什么是光电检测系统？其基本组成部分有哪些？答：指对待测光学量或由非光学待测物理量转换的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
组成部分：光源；被检测对象及光信号的形成；光信号的匹配处理；光电转换；电信号的放大与处理；微机；控制系统；显示。
2.简要说明光电检测技术的重要应用范围？答：辐射度量和光度量的检测；光电元器件及光电成像系统特性的检测；光学材料、元件及系统特性的检测；非光学量的光电检测。
3.光电探测器的原理有几种效应？分别是什么？内容是什么？答：四种。
光电子发射效应：在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射。
光电导效应：光照射某些半导体材料，某些电子吸收光子变成导电自由态，在外电场的作用下，半导体的电导增大。
光生伏特效应：光照射在PN结及其附近，在结区中因电场作用，产生附加电动势。
光磁电效应：半导体置于磁场中，用激光垂直照射，由于磁场产生洛伦兹力，形成电位差。
4. 光电探测器的种类及相应的光电器件？答：光电子发射器件：光电管、光电倍增管；光电导器件：光敏电阻；光生伏特器件：雪崩光电管、光电池、光电二极管、光电三极管。
5. 光电探测器的性能参数有哪些？详细叙述之。
答：量子效率：响应度：光谱响应：响应时间和频率响应：噪生等效功率：探测度：线性度：。
6. 光电探测器的噪声主要来源于什么？答：热噪声；暗电流噪声；散粒噪声；低频噪声。
7.作为性能优良的光电探测器应具有哪三项基本条件？答：光吸收系数好；电子亲和力小；光电子在体内传输过程中受到的能量损失应该小，使其逸出深度大。
8.常见的光阴极材料有哪些？答：银氧铯；锑钾；锑铯。
9.真空二极管与充气二极管的工作原理与结构以及它的优缺点比较。
答：充气的暗电流与照射比真空大很多；充气的频率响应比真空的较差；充气的噪声响应比真空的较大。
10.光电倍增管的工作原理及结构（组成部分），他有什么特点？答：工作原理：光照射在光电阴极上，从光阴极激发出的光电子，在电场U1的加速下，打在第一个倍增级D1上，由于光电子能量很大，它打在倍增极上时就又激发出数个二次光电子，在电场U2的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极上，又引起电子发射，如此下去，电子流迅速倍增，最后被阳极收集。
光检测器的工作原理
光检测器的工作原理
光检测器是一种用于检测和测量光的仪器，它基于光的性质进行工作。
以下是光检测器的工作原理：
1. 光电效应：光检测器利用光电效应将光能转化为电能。
当光线照射到光检测器的光敏材料上时，光子能量会导致原子或分子中的电子发生跃迁，从而产生自由电子和空穴对。
这些电子和空穴对可以被电场收集，并在电极上产生电流。
2. PN结：一些光检测器使用PN结来实现光电转换。
PN结是由一个P型半导体和一个N型半导体组成的结构。
当光线照射到PN结上时，光子的能量会打破晶格结构，产生电子和空穴对。
由于PN结的结构，电子和空穴会在电场的作用下被分离，形成电荷集中区。
这些电荷可以在电极上产生电流。
3. 光电二极管：光电二极管是一种常见的光检测器，它利用PN结的光电效应来测量光的强度。
当光线照射到光电二极管上时，光子的能量会产生电子和空穴对。
由于电极的存在，电子和空穴会被分离并形成电流。
通过测量电流的变化，可以确定光的强度。
4. 其他类型的光检测器：除了光电二极管以外，还有其他一些常见的光检测器，如光敏电阻、光电管等。
这些光检测器利用不同的工作原理，但都基于光的性质进行测量。
总的来说，光检测器的工作原理是通过将光能转化为电能来测
量光的强度或其他特性。
不同类型的光检测器可能使用不同的机制，但它们的基本原理都是利用光电效应来实现的。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
什么是光电检测？光电检测技术介绍
什么是光电检测？光电检测技术介绍(-)检测一、检测是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量病归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或参数量是否存在。
测量时将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量队标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。
在自动化和检测领域，检测的任务不仅是对成品或半成品的检验和测量,而且为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象使之处于人们选定的最佳状况，需要随时检测和测量各种参量的大〃坏口变化等情况。
这种对生产过程和运动对象实时检测和测量的技术又称为工程检测技术。
测量有两种方式：即直接测量和间接测量直接测量是对被测量进行测量时,对以表读数不经任何运算,直接的出被测量的数值，如：用温度计测量温度，用万用表测量电压间接测量是测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系是计算出被测量的数值。
如：功率P与电压V和电流I有关，即P=VI,通过测量到的电压和电流，计算出功率。
直接测量简单、方便，在实际中使用较多；但在无法采用直接测量方式、直接测量不方便或直接测量误差大等情况下，可采用间接测量方式。
光电传感器与敏感器的概念传感器的作用是将非电量转换为与之有确定对应关系得电量输出，它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口。
在检测和控制过程中，传感器是必不可少的转换器件。
从能量角度出发，可将传感器划分为两种类型：一类是能量控制型传感器，也称有源传感器；另一类是能量转换传感器，也称无源传感器。
能量控制型传感器是指传感器将被测量的变换转换成电参数（如电阻、电容）的变化，传感器需外加激励电源，才可将被测量参数的变化转换成电压、电流的变化。
而能量转换型传感器可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，不需外加激励源。
在很多情况下，所需要测量的非电量并不是传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面加一个能够把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量的装置或器件。
这种能够被测非电量转换为可用电量的元器件或装置成为敏感器。
光电元器件研究报告
光电元器件研究报告
光电元器件研究报告
一、研究背景
光电元器件是光刻仪、打印机内一类重要的组成部件，可以在电子产品中做放大、振荡或微弱等加工，是电子工业中重要的一类元件。
光电元件在电子产品中占有很重要的地位，它可以把激光束转换为电脉冲或电磁场，在集成电路芯片中充当一些重要的功能，可控制信号的放大和衰减，完成信号的编解码、处理等功能。
二、电子器件及其特性
1.光电二极管：光电二极管的特性就是在其外部施加光能时，电流值发生很大的变化。
其主要特性有：电流可以调整，电压变化不大，安全可靠性较高。
2.光电晶体管：光电晶体管的特性，一般与继电器相似，灵敏度高，电流增加或减少时可正常工作，其安全性也相对较高。
3.光电电容：光电电容具有较高的电阻（尤其是在较低电压时），其输入输出电压对应比率较小，电容量较大，一般可达到数百伏安和数千微贝的状态。
三、结论
总的来说，光电元件是电子技术所不可或缺的组成部分，在信号处理
和检测方面有着重要的作用。
它们的特性多受外部环境影响，必须综合考虑才能保证其性能。
同时，设计中还应该考虑对环境的影响，减少不必要的污染，从而保证电子产品能良好地运行。
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理
光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置。
它工作的原理可以简单概括为光电效应和电荷收集。
光电效应是指当光照射到金属或半导体材料表面时，能量足够高的光子与材料中的电子发生相互作用，使电子从材料中脱离，并形成自由电子-空穴对。
这种光电效应的产生与光子的能量
和材料的能带结构有关。
光电探测器中常用的光敏元件有光电二极管、光电三极管、光电管等。
光电二极管是一种基于半导体材料的光敏元件。
当光照射到光电二极管的PN结上时，产生的光电子和空穴会在电
场的作用下被分离，并形成电流。
光电二极管通常具有快速响应、高灵敏度和较宽的光谱响应范围。
在光电探测器工作时，光信号进入光电探测器后，会引起光电效应，从而产生光电子和空穴。
这些电荷载体会在电场的作用下被收集到电极上，形成电流或电荷信号。
不同类型的光电探测器具有不同的电路结构和工作模式，但基本的工作原理都是利用光电效应将光能转化为电能，并通过电路将其转化为可读的电信号。
光电探测器在光通信、光电子学、光谱分析、遥感等领域具有广泛的应用。
其工作原理的理解和研究对于提高光电探测器的性能和应用具有重要意义。
《光电检测》课件
在一定信噪比下，能够被探测器探测到 的最小光功率。
带宽
光电检测器件响应时间的变化率，反映 器件对快速变化光的响应能力。
线性范围
光电检测器件输出与输入在一定范围内 呈线性关系的区域。
光电检测器件的分类与选型
光电检测器件分类
光电二极管、光电晶体管、光电倍增 管、光电池等。
选型依据
根据实际应用需求，综合考虑响应度 、带宽、噪声等效功率和线性范围等 特性参数，以及成本、体积、功耗等 因素进行选择。
光电检测器件的工作原理
01
光电效应
当光照射在物质上时，物质吸 收光能并产生电子-空穴对的现
象。
02
光生电信号
通过光电效应，光能转换为电 能，产生电信号。
03
电信号处理
经过信号处理电路，将电信号 转换为可处理的数字信号或模
拟信号。
光电检测器件的特性参数
响应度
光电检测器件输出电信号与入射光强之 比，反映器件的光电转换效率。
果的影响。
光电检测系统的设计流程
需求分析
明确光电检测系统的应用需求和性能要求。
元器件选择
选择合适的传感器、电路元件和其他必要器件。
软件编程
编写控制程序，实现光电检测系统的功能。
方案设计
根据需求分析，设计系统的整体架构和各部分组成。
硬件搭建
按照设计方案，搭建光电检测系统的硬件部分。
系统调试
对搭建好的系统进行调试，确保各项性能指标达到要求 。
实验步骤
搭建实际应用的光电检测系统、测试和分析系统性能等。
05
光电检测的挑战与展望
光电检测面临的主要挑战
光源稳定性问题
噪声干扰
光源的不稳定会导致光电检测的误差，特 别是在长时间曝光或高灵敏度检测中。
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教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
目 录
第一章
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4 第三章 3.1 3.2
第一章
绪 论
光电检测是信息时代的关键技术
• 信息技术:
– 微电子信息技术（电集成）、光子信息技术 （光集成）、光电信息技术（光电集成）。 – 感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、 控制技术。 – 信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、 处理、显示。
光电信息技术
以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电 信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到： 1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测 5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析
第四章 发光、耦合和成像器件 4.1 发光二极管 4.2 激光器 4.3 光电耦合器件 4.4 CCD 第五章 光电检测系统 5.1 直接光电检测系统 5.2 光外差光电检测系统 5.3 典型的光电检测系统 第六章 光纤传感检测 第七章 光电信号的数据采集与微机接口 第八章 光电检测技术的典型应用
敏感器
• 定义：将被测非电量转换为可用非电量的器件。 敏感器与传感器的共性
对被测非电量进行转换。
敏感器与传感器的区别
敏感器是把被测量转换为可用非电量 传感器是把被测非电量转换为电量
光电传感器
• 定义：基于光电效应，将光信号转换为电信号 的一种传感器。 • 应用：自动控制，宇航和广播电视等各领域。
非PN结 电子管类 其他类
返回
光电检测系统
• 光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，
通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、 衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接 收光辐射并转换为电信号。
• 由输入电路、放大、滤波等检测电路提取有用的信息，再 经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示 或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。
光电信息技术
9、光电人工智能和机器视觉 10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储 11、生物光子学 本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识， 即：光电检测的元器件、系统、方法和应用。
光电检测技术
• 检测与测量 • 光电传感器：
– 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 – 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。
绪论
光电检测技术基础 光的基本性质 辐射与光度学量 半导体基础知识 光电效应 光电检测器件 光电器件的类型与特点 光电器件的基本特性参数
3.3 半导体光电器件 • 光电导器件: 光敏电阻 • 光伏器件: 光电池/光电二极管/三极管 3.4 真空光电器件 • 光电管 • 光电倍增管 3.5 热电检测器件 • 热敏电阻 • 热电偶和热电堆 • 热释电探测器件
• 方式：直接测量和间接测量
• 直接测量：是对被测量进行测量时，对仪表读数不经任
何运算，直接得出被测量的数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
• 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数
关系式计算出被测量的数值。例如：
– 电功率：P = I * V（电流/电压）
被测信息：
例：空调机测量控制室温
被测对象： 被测信息： 检测器具： 室内空气 温度 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
返回
测量的基本概念
• 定义：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定 被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过 程。
– 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）
4 2 L g 2 T
返回
光电传感器与敏感器的概念
• 传感器
• 作用：将非电量转换为与之有确定对应关系的电 量输出。 • 本质：非电量系统与电量系统之间的接口。 • 类型（从能量角度出发）： 1、能量控制型传感器，也称有源传感器 2、能量转换型传感器，也称无源传感器
• 种类：光电二极管、光电晶体管、光敏电阻 CdS、光电耦合器、集成光电传感器、光电池 和图像传感器等。
光电探测器的种类
类 型 PN结 实 例
PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管 色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD） 光电池
• 光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量转换
成光通量,再将光通量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息处 理技术，完成对各种物理量的在线和自动检测。
• 光电检测系统
– 光学变换 – 光电变换 – 电路处理
检测的基本概念
定义： 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） …… 全部操作： 检测器具 检测过程 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
光电检测系统
光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换
光 电 传 感
变 换 电 路
电 信 号 处 理
存 显 控
储 示 制
光学变换
电路处理
光电检测系统
• 光学变换
– – – – 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空间变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。