物理学光电检测技术
什么是光电检测？光电检测技术介绍
什么是光电检测？光电检测技术介绍光电检测是一种物理测量技术，是指通过对物体表面上的光线、电磁波或其他电磁辐射进行检测和分析，获取物体相关的信息、性质或状态的一种检测方法。
光电检测技术具有非破坏性、灵敏度高、响应速度快等特点，广泛应用于国防、医疗、工业、交通以及生物科学研究等领域，具有广阔的应用前景。
光电检测技术主要包括以下几种类型：1. 光谱检测技术光谱检测技术是指通过对物体发出的、经过或反射的光谱进行测量和分析，确定物体成分、物质状态、色彩、温度、湿度等属性的一种检测方法。
常见的光谱检测技术包括紫外光谱、可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等。
这些技术广泛应用于顶级研究、材料科学、食品安全、药物研发以及环境保护等领域。
2. 光电子技术光电子技术是指将光电转换效应与电子学技术相结合，制造光电子器件，实现对物体光辐射信号的识别，从而获取相关信息、性质或状态的一种检测技术。
光电子技术的主要应用包括光电传感器、光电防御、光电测量等。
其中，光电传感器是一种能够将物理量转换成为光学信号的检测技术，具有反应速度快、灵敏度高、抗干扰性能好等特点，在机器人、智能家居、汽车安全等领域得到广泛应用。
3. 光学成像技术光学成像技术是指利用物体表面反射的光线，经过光学技术的成像处理和分析，获得物体的二维或三维图像和特征信息的一种检测技术。
常见的光学成像技术包括数字摄像、光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等。
这些技术广泛应用于医疗诊断、金属材料分析、标志检测、行车记录仪等领域。
4. 光学测量技术光学测量技术是指利用光学技术进行测量和分析，获得物体的尺寸、形态、位移、速度、加速度等相关物理量的一种检测技术。
常见的光学测量技术包括激光干涉测量、光学遥感测量、相位测量、散斑成像测量等。
这些技术广泛应用于机电设备检测、材料工程、建筑施工、航空航天等领域。
光电检测技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，能够帮助人们更好地认知世界、研究科学、提高生产效率。
光电检测技术
光电检测技术总结经过一学期的光电检测技术课程的学习，我们大致上了解了光电检测技术有许多方面的知识，按照传感器、转换电路、检测装置划分排列。
接下来我们来仔细探讨一下究竟有什么值得我们学习的。
首先是光电技术的定义。
何为光电技术？光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器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信息，或进入计算机处理，最终显示输出所需要的检测物理参数。
其中检测和测量有一些不同的地方：检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。
测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，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。
而光电检测技术的应用存在在生活中的每一个部分。
比如人的视觉功能，人眼是一个直径为23mm的近似球体，眼球前方横径为11mm的透明角膜具有屈光作用，角膜后的虹膜中央有称为瞳孔的圆孔，它可以扩大或缩小以调节进入眼球的光亮。
虹膜后的水晶体相当于光学系统中的透镜，其直径为9mm。
在眼球的后方有视网膜，这是光学细胞和杆状细胞，它们和视网膜上的其他细胞组成的微小感光单元。
这些感光单元接收光刺激后转化为神经冲动，经视神经传导到大脑的高级视觉中枢，从而产生亮度和彩色的感觉，同时也形成有关物体状和大小的判断。
因此，人眼是一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器。
正好光学仪器是人眼的视觉扩展，通过利用光辐射的各种现象和特性，摄取信息实现控制的有力工具，它是人类视觉参与下才能工作的。
光学仪器一共在人类视觉上做出了以下的扩展：1、时间上扩展，可以通过摄像机记录过去的样子；2、空间上的扩展，通过地球卫星观看世界个地的样貌；3、识别能力的扩展，通过放大镜和显微镜我们能够观测到人眼看不见的细微东西。
光电检测系统由哪些东西组成？典型的光电仪器包括了精密机械、光学系统、光电信号传感器、电信号处理器和运算控制计算机以及输出显示设备等环节。
光电检测技术与应用
光电检测技术与应⽤光电传感器是基于光电效应将光电信号转换为电信号的⼀种传感器光学系统的基本模型：光发射机->光学信道—>光接收机光学系统通常分为：主动式，被动式。
主动式：光发射机主要由光源和调制器构成。
被动式：光发射机为被检测物体的热辐射。
光学信道：主要由⼤⽓，空间，⽔下和光纤。
光接收机是⽤于收集⼊射的光信号并加以处理，恢复光载波的信息。
光接收机分为：功率（直接）检测器，外差接收机。
光电检测技术特点：1.⾼精度：是各种检测技术中精度最⾼的⼀种：激光测距法测地球与⽉亮的距离分辨率达1m2.⾼速度：光是各种物质中传播速度最快的。
3.远距离，程量：光是最便于远距离传播的介质4.⾮接触性：光照到被测物体上可以认为是没有测量⼒，因此⽆摩擦。
5.寿命长：光波是永不磨损的。
6.具有很强的信息处理和运算能⼒，可将复杂信息并⾏处理。
光电传感器：1.直射型.2.反射型.3.辐射型光电检测的基本⽅法有：1.直接作⽤法.2.差动测量法.3.补偿测量法4.脉冲测量法直接作⽤法：收被测物理控制的光通量，经光电转换后有检测机构直接得到所求被测物理量。
差动测量法：利⽤被测量与某⼀标准量相⽐较，所得差或数值⽐克反应被测量的⼤⼩。
光电检测技术的发展趋势：1.发展纳⽶，亚纳⽶⾼精度的光电测量新技术。
2.发展⼩型的，快速的微型光，机，电检测系统。
3.⾮接触，快速在线测量。
4.发展闭环控制的光电检测系统。
5.向微空间或⼤空间三维技术发展。
6.向⼈们⽆法触及的领域发展。
7.发展光电跟踪与光电扫描技术。
在物质受到辐射光的照射后，材料的电学性质发⽣了变化的现象称为光电效应光电效应分为：外光电效应和内光电效应光电导效应是⼀种内光电效应。
光电导效应也分为本征型和⾮本征型两类得稳定的光电流需要⼀定能的时间。
弛豫现象也叫惰性。
光⽣伏特效应速度更快。
光热效应：某些物质在受到光照射后，由于温度变化⽽造成材料性质发⽣变化的现象。
光电检测器对辐射条件的不同，分为：光⼦检测器件和热点检测器件热点检测器的特点：Array1.响应波长⽆选择性。
光电检测技术 00 绪论
波峰 波谷
波传播的速度(简称波速)V和波 长λ，周期T(或频率f)的关系是：
V f
T
一个完整的波的长度，叫做波长，用符号λ表示。
波前进一个波长所需要的时间，叫做波的周期，用符号T表示。它也等于媒 质中的点振动一次的时间(单位用秒)。
周期T的倒数是波的频率，用符号f表示，是指单位时间内波前进距离内完
[真空中光速与用以进行观测的参照系无关。这就是相对论 的基础；
[光在真空中的速度为C，在其他媒质中，光的速度均小于 C，且随媒质的性质和光波的波长而不同。
【色散】 复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，称之为 “色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器 来实现。
【光谱】 复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被 色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。
整波的数目，(单位用次／秒，叫做赫兹)。
电磁波在不同媒质中传播时，它的速度是不同的，但都比真 空中的速度C要小。光在空气中的速度略小于C，通常可用C 来近似，光在水中的传播速度只有C的四分之三，在玻璃中的 传播速度是C的三分之二。
在真空中，电磁波的速度、波长、频率之间的关系为：
C f
电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电技术只涉 及光学谱区。
光的颜色
红色 橙色 黄色 绿色 青色 蓝色 紫色
大致的波长范围 （纳米为单位）
760——630 630——600 600——570 570——500 500——450 450——430 430——400
严格说来，不同波长所反映的颜色应该是不同的，所以用 波长来鉴别光波比用颜色来鉴别光波更为科学而且定量。
1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出，入射角的余割和折射角的余割之比 是常数。
光电检测技术
光电检测技术预览说明:预览图片所展示的格式为文档的源格式展示,下载源文件没有水印,内容可编辑和复制习题一1、光电检测系统是由哪几部分组成的？各部分的作用是什么？2、光电检测技术的特点有哪些？3、简答以下概念：辐射通量、辐射亮度、辐照度、光通量、光亮度、光照度。
4、简答半导体材料的特性。
5、绝缘体、半导体、导体的能带图有何区别?6、什么是N型半导体？7、随温度的提高为什么N、P型半导体的费米能级会向中间移动？8、什么是载流子的复合？9、载流子的运动分哪两种？10、半导体对光的吸收有哪几种？哪种吸收最强？11、简答以下概念：半导体的异质结、肖特基势垒、注入接触、欧姆接触。
2、光电检测技术特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。
高速度：光速是最快的。
远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。
非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。
寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。
数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。
3、半导体对光的吸收形式有；本征吸收、杂质吸收、自由载流子、激子吸收、晶格吸收其中本征吸收最强。
4、温度特性、掺杂特性、受热、光、电磁场的影响。
5、禁带宽度不同，绝缘体太大，导体价带导带重合，只有半导体禁带宽度适合电子跃迁6、硅晶体中掺入五族元素，施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。
7、在常温下，N型半导体中n〉〉p，这时从价带激发到导带的电子比施主所提供的电子要少得多，但随着温度的提高，由价带到导带的热激发作用越来越强，由价带激发到导带的电子的比重越来越大，最后达到n≈p，即随温度的进一步上升，EF逐渐向禁带中央移动，材料显示本征特性。
8、电子与空穴相遇消失的过程。
9、由浓度梯度引起的扩散运动，在电场的作用下的漂移运动。
10、由两种不同质的半导体材料接触而组成的结，或由两种禁带宽度不同半导体材料组成的结。
《光电检测技术》课件
生物医学
光电检测技术在生物医学领域的 应用包括光谱分析、荧光成像、 激光共聚焦显微镜等，有助于疾 病的诊断和治疗。
工业生产
光电检测技术在工业生产中的应 用包括产品质量检测、生产线自 动化控制等，可以提高生产效率 和产品质量。
光电检测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，光电检测技术 将逐渐实现智能化，能够自动识别和分类
目标，提高检测精度和效率。
微型化
随着微纳加工技术的发展，光电检测器件 将逐渐微型化，能够应用于更广泛的领域
，如生物医疗、环境监测等。
高光谱成像
高光谱成像技术能够获取目标的多光谱信 息，有助于更准确地分析物质成分和状态 ，是光电检测技术的重要发展方向。
多模态融合
将多种光电检测技术进行融合，实现多模 态信息获取和分析，能够提高检测的准确 性和可靠性。
利用光电检测技术快速读取条形码的设备
详细描述
光电式条形码阅读器通过发射光源和接收装置，快速扫描条形码并将光信号转 换成电信号，实现快速、准确地读取条形码信息。广泛应用于超市、图书馆、 物流等领域，提高信息录入效率和准确性。
光电式指纹识别系统
总结词
利用光电检测技术进行指纹识别的系统
详细描述
光电式指纹识别系统通过发射光源和图像传感器，获取指纹的反射光信号，再转换成电信号进行处理。系统能够 实现高精度、高速度的指纹识别，广泛应用于身份认证、门禁控制等领域，提高安全到探测器表面时，光子与材料中的电子相 互作用，使电子从束缚状态跃迁到导带，形成光生电压或电流，从而实现对光 信号的探测。
03
常见的光伏探测器有硅、锗等。
光子探测器
光子探测器是利用光子效应制成的探测器，主要应用于紫外、可见和近红外波段的探测。
光电检测技术
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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。
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光电检测系统各部分的功能：
（1）光源和照明光学系统：
考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间 分布；
发出的光作为载波或者被测对象； 照明光学系统的分类
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（2）被测对象及光学变换：
➢ 光学变换：通过光学元件和光学系统把待测量转换为 光参量
➢ 光学系统可以根据不同的光学性质、光学效应，其结 构形式不同
光量：光通量或光强度 光特性：光波的幅值、频率、相位、偏振
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三、光电检测技术的主要内容
光电检测技术的主要内容是通过光学系统把携带被测信 息的非电量信息变换成便于接收的光学信息，然后用 光电探测器将光学信息变换成电量，并进一步经电路 放大、处理等，达到输出的目的。
信息变换技术和电信号处理技术。 信息变换技术：非电量变换成光学量
光电检测技术
Optoelectronics Detection Technology
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课程主要内容
光电检测技术是以半导体、激光、红外、光纤等现代光电子器件
作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐 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 信息，再经模、数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出 所需的检测物理量等参数。
光电检测技术
光电检测技术摘要：光电检测技术是一种利用光电效应来检测和测量物体的技术。
本文将介绍光电检测技术的原理和应用领域，探讨光电检测技术的优势和局限，并展望其未来发展方向。
第一部分：光电检测技术的原理1.1 光电效应的基本原理光电效应是指当光照射到特定材料表面时，产生光电子和电子的释放现象。
光电效应包括光电发射效应和光电吸收效应两种情况。
在光电检测技术中，一般利用光电发射效应来实现光电测量。
1.2 光电检测元件在光电检测技术中，常用的光电检测元件包括光电二极管、光敏电阻、光电倍增管等。
这些元件能够将光信号转化为电信号，并进行相应的电路处理。
1.3 光电检测技术的基本原理光电检测技术利用光电效应的原理，将光信号转化为电信号，并通过电路处理和分析得到所需的测量结果。
光电检测技术可以实现对光强度、光功率、光频率等参数的测量。
第二部分：光电检测技术的应用领域2.1 工业自动化光电检测技术在工业自动化领域中有广泛的应用。
例如，光电传感器可以用于检测物体的位置、速度和形状等信息，从而实现对生产流程的控制和优化。
2.2 无损检测光电检测技术可以用于无损检测领域，例如对材料的缺陷、组织结构和磨损程度进行检测和分析，从而提高材料的品质和可靠性。
2.3 生物医学在生物医学领域中，光电检测技术可以用于血氧测量、生物分子测量、细胞成像等应用。
例如，光电子学显微镜可以观察和研究微观生物结构。
2.4 环境监测光电检测技术在环境监测领域中被广泛应用。
例如，光电二极管可以用于光强度的测量，从而监测光照强度对环境的影响。
第三部分：光电检测技术的优势和局限3.1 优势光电检测技术具有响应速度快、精度高、可靠性强等优点。
光电检测元件体积小，可放置在狭小的空间中，并能耐受高温和高压等恶劣环境。
3.2 局限光电检测技术在进行远距离测量和透明物体测量时存在一定的局限。
此外，光电检测技术的应用受到光照强度和环境噪声等因素的影响。
第四部分：光电检测技术的未来发展方向随着科技的不断进步，光电检测技术将会在以下几个方面得到进一步发展：4.1 小型化和集成化光电检测元件将趋向于小型化和集成化，以适应小型化和高性能化的设备和系统要求。
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和指针转角 之间的定量关系。 无关。它和差动法同样地具有抑
(3) 交替比较法 差动法和比较法使用两个接收器/光检测器，如果两个接收器 的积分灵敏度随时间或温度的变化有差异时，将会影响测量 结果。为了得到更高的精度，利用带有一个光电接收器的双 通道测量系统。在此系统中，两个通道的光通量轮流投射到 光电接收器上，两路信号的转换频率通常是几百赫兹，因此 系统中的光电放大器是交流的。
未装被测样品前调节光屏的位置使系统处于平衡状态（即两通道的输出光 通量相同）；插入被测样品后，移动光屏改变透过率值，使光屏上透过增 大恰好等于被测样品的吸收值，使两通道重新达到平衡，得到所测透过率。 这种反馈通过光屏移动、指针位置、检测器件、差动放大器、伺服电机等 进行控制。
标准样品透过直读法在实际应用中受到限制。
(2) 指零法-提高单通道系统测量精度 指零测量法可以消除由于辐射光通量，光检测器和放大器工 作参数不稳定造成的影响，提高单通道系统的测量精度。
有偏光性质的 被测样品
被测偏振面转角
透光率
光电器件灵敏度
测量电表输出转角
偏振器组合相对 转角 对 于透光率 转换因子 的
光通量的幅度测量法适合于检测直流或缓慢变化的光信号， 在光度测量中有广泛的应用。 1. 单通道测量系统 辐射源 (1) 直读法
入射光 通量 透过样品并为 光电检测器件 接收的光通量
放大器增益
转角示值 （电表示数）
样品透过率 （待测量）
检测器电 流灵敏度
电表传递系数
由辐射源产生的光辐射通量 经过置于光路上的被测样品的部分吸收或散 射，出射到光电接收器的光敏面上。利用光电转换和信号放大器可以测量 出载有信息的光通量 ，最后由指示电表显示记录下被测量的结果。
带有一个光电接收器的双通道系统
综上，光通量的幅度测量方法适合于检测直流或缓 慢变化的光信号，在光度测量中有广泛应用。 对于复杂的高精度的测量，多采用单个接收器的双 通道系统。而在要求一般的场合，则常采用两个接 收器的双通道系统，或指零法单通道系统。
2. 双通道测量系统
单通道测量的主要缺点是入射光通量的波动会直接影响测量 结果，采用具有两个光学通道的测量方法将克服这一缺点。
基准通道
标准样品 光检测器
光辐射源
测量通道
光检测器 待测样品
放大器
差动法双通道测量系统
图中，光辐射源1借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道I和测量通道II并 行传送。在基准通道I的光路中放置具有固定透过率的标准样品2，通过 光检测器5监视入射光通量 的变化。在测量通道II中放置被测样品4，透 过被测样品的光通量 经光检测器6后在放大器7中和基准通道的参考信 号相比较，通过不同形式的比较处理，最终得到测量结果。
光通量不随时间变化； 光通量随时间缓慢变化； 光通量随时间周期性变化：可用信号的振幅（振幅型）、频率 （频率型）和相位（相位型）来表征，直流的或变化缓慢的信 号采用振幅测量法，而时间脉冲信号多采用频率或相位测量法。
了解和掌握光通量的一般测量方法，对于光电检测系 统的分析和设计是最基本的知识。
一、光通量的幅度测量
直读法系统的测量值可表示为：
(9-1)
可见，被测值 和电表示值 之间存在一一对应关系， 可借以确定被测的 值。但实际上 值不是完全不 变的：
入射光通量 与照明状态有关，存在长期工作的不稳定性和 不重复性； 比例因子 的波动，也会直接造成测量示值的偏差； 定标过程中存在偏差，也会影响测量结果。
第一节 时变光信号的直接检测
光信号的直接检测，就是光通量的测量：光学信号有 各种不同的变化形式，一般光电系统所处理的输入信 号是辐射光通量的变化。即信号处理的直接对象都是 光通量，即便是光强随空间变化的成像测量，归根结 底也可以变换为光通量的随时间变化。 光通量随时间变化有三种类型：
标准通道
可变透过率
被测样品透过率
差动放大器的 失调信号（平 衡时为零）
指针转角
光电接收 器灵敏度
测量通道
差动法系统的测量值可表示为： (9-7) (9-8)
式(9-7)表示了在两通道平衡时被测透过率与指针位置对应关 系。由此可见，比例因子 与入射光通量无关，从而减小了 光辐射源的不稳定对测量误差的影响，双通道的这种补偿作 用，是由于它的入射光通量是以同样的效果影响两个通道， 而它们的差值在准确平衡的条件下接近于零，因而对测量结 果没有影响。
入射光通量 检偏器的读出转角
放大器增益
以测量偏振物质偏振面转角为例，其系统中布置起偏器和检 偏器。利用检偏器可测由被测样品引起的偏振面的转角。
指零法系统的测量值可表示为：
(9-3)
无试样的标准状态下，即 时，调整 加入试样，调整 使 再次为零，此时由 有： (9-4)
，使
。
式(9-4)表明：在指示电表指零状态下，检偏器的转角示值 ， 就代表了被测偏振面的旋转角。这种方法是通过指零将被测 量( )和已知量( )进行比较测量。它的测量精度取决于读数 装置的精度和指零装置的零位漂移。光通量的不稳定性对误 差影响不大，因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的。
光电检测技术
第六章 光电信号 的变换和检测技术
2015年11月
为了便于信号的形成、传送、检测和处理，在 光电检测系统中通常要使用一些光电信号的变 换技术。这些变换技术和方法，常常单独地或 若干组合地应用于各种不同目的的光电仪器和 系统中。 本章根据光电信号的时空特点，介绍随时间变 化的光电信号和随空间变化的光电信号的变换 和检测的技术。
(2) 比较法 不采用差动放大器接收而用比较测量法也可以得到同样的补 偿效果。其中，光电接收器采用组成电桥的光敏电阻（参考 用光敏电阻 接于基准通道，测量用光敏电阻 接于测量通 道，电路平衡时， ）。 比较法系统的测量值可表示为： (9-10)
(9-11)
式(9-10)表明了被测透过率 比例因子 与入射光通量 制共模扰动的作用。
双通道系统不仅能完全消除入射光辐射的起伏影响，而且可 在一定程度上消除杂光引起的不稳定性，是光通量幅度测量 中常用的方法。一般采用差动法、比较法和交替比较法。 (1) 差动法 光检测器
标准样品
基准通道
光辐射源
光屏（透过 待测样品 率可变） 光检测器
放大器
测量通道
指针机构
伺服电机（接放大器输出电压）