第5章 现代光电检测技术
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现代光电检测技术 - 005
I I p Is e
和
I RL U T
1
IV
RL 0
O
U1
U
U
U 2
I p I sc S
I S
优点：在短路状态下，器件噪声电流较低，改善信噪 比，适于微弱光信号检测。同时与受光面积成正比。
2、负载电阻较大时，即IV 区间。光电池处于断路或空载电 压输出，实现一种非线性电压变 换。光电池应通过高输入阻抗变 换器与后续放大器连接，相当于 输出开路。输出电压：
I I Q
图解 法分 析：
arctan GL
UQ
U
O
U
光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：
Ip
Id
I
如图中光通量从Φ1增加到Φ2时， 在短路状态RL=0时，输出电流增量 ΔI=Isc2-Isc1，输出电压为0。随着RL的 增大，电压增大。负载进一步增大， 电压饱和，电流变小。也就是说存在 一个临界电阻RM，经过RM之后，负载上 电压变为饱和，输出电流逐渐减小。 当处于最佳临界负载RM时， 光通量较小时，负载上输出电流 和电压近似随光通量成正比增加， 而当光通量较大时，输出电流和 电压逐渐呈现饱和。负载越大情 况越明显。
4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路
在工作电压较小时，曲线呈弯曲，存在一个转折点M， 随电压增大，输出电流变化不大，趋于恒流。与晶体管集电 极特性曲线类似，可以采用晶体管放大器类似的方法分析。 区别在于光电流控制输出电流，而光电流是由输入光功率控 i / uA 制的。 i / mA
100lm 75lm 50lm 25lm
10
15
光电倍增管
光电二极管
光电三级管
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PPT演示文稿
•
大。
• 改进型波导腔 FFPT
•
可通过中间光纤波导段的长度 光纤
•
来调整其自由谱区，其光纤长
•
度一般为 100 m 到 几厘米。
光纤
PZT
(a)
光纤 (b)
PZT
光纤 F－P 腔
光纤 (c)
PZT
光纤温度测量技术
光纤压力测量技术
光纤电流测量技术
光纤图像传感器
光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按阵列排
列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm 的光纤组成，每
条光纤传送一个像素信息。用传像束可对图像进行传递、分解、合成和修正。 传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。
⑴ 工业用内窥镜
I
光纤 载流导线
起偏器 显微物镜
激光器
光探测器
检偏器
＝ VHL V：Verdet 常数
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
频率调制型光纤传感器
利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或 频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调 制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂。 光纤光栅传感器 通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息
fc ＝
C 2nL
T1-3 ＝ 0， T1-4 ＝ 1
f ＝ f2
或： ＝ (12)/(2nL)
Fabry－Perot 光纤干涉仪
• 光纤波导腔 FFPF
•
光纤两端面直接镀高反射膜，
•
腔长一般为厘米到米量级，因
•
此自由谱区小。
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。
光电检测技术概述
光电检测技术概述光电检测技术是指利用光学和电子技术结合，通过检测光信号的特征和变化来实现对目标物体或环境的测量、监测和控制的一种技术。
光电检测技术被广泛应用于光学通信、光学测量、光学成像、光学传感、光学信息处理、光学控制等领域，具有高精度、非接触、快速响应、无污染、易自动化等优点。
光电检测技术的基本原理是利用光电器件将光信号转换为电信号，再通过电子器件进行信号处理和判定，最后通过控制单元实现对目标物体或环境的测量、监测和控制。
光电器件包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电导、光电二极管等，电子器件包括放大器、比较器、数字信号处理器、逻辑电路等，控制单元可以是微处理器、机器人等。
1.光学通信：光电检测技术在光学通信中起着关键作用，光电检测器件用于接收和检测光信号，通过电子器件进行信号处理和解码，实现信息的传输和交流。
光电检测技术在光纤通信、激光通信、无线光通信等领域得到广泛应用。
2.光学测量：光电检测技术在光学测量中可以实现对物体或环境的位置、形状、尺寸、颜色等参数的测量。
例如，在工业生产中，利用光电检测技术可以实现对产品的自动检测和测量，提高生产效率和质量；在环境监测中，可以利用光电检测技术对大气污染、水质污染等进行监测和检测。
3.光学传感：光电检测技术在光学传感中可以实现对环境参数的测量和监测。
例如，利用光电检测技术可以实现对温度、湿度、压力等物理量的测量；利用光电检测技术可以实现对气体、液体、固体等化学参数的测量。
4.光学成像：光电检测技术在光学成像中可以实现对目标物体的拍摄和图像处理。
例如，在医学影像中，利用光电检测技术可以实现对人体内部器官的成像和检测；在遥感影像中，利用光电检测技术可以实现对地球表面的成像和监测。
总结起来，光电检测技术是一种利用光学和电子技术结合的技术，广泛应用于光学通信、光学测量、光学成像、光学传感等领域。
光电检测技术具有高精度、非接触、快速响应、无污染、易自动化等优点，为现代工业生产、环境监测、医学诊断等提供了有力的技术支持。
2021现代光电测试技术完美版PPT
时，不产生干涉现像，可直接进行强度叠加。 图 2-35 星孔最大直径与艾里斑角半径的关系图
响，点光源通过光学系统成像后，在像面以及像面前 ２、使衍射环有足够的亮度对比和足够的衍射细节，对星孔的大小必须有一定的要求，一般星点直径d应不大于星点有效光束孔径所对
应的衍射像的半径R，即 1、平行光管应有足够长的焦距和优良的像质，且其通光孔径应大于待检物镜的入瞳直径。
在圆形光瞳的情况下，理想光学系统焦面内星点像的
光强分布就是圆函数的傅立叶变换的平方，即:
I (r) I0
2J1(
2
)
其中
krD f' rFr
式中，I (r ) / I 0 为相对强度， r 为在像平面上离开星点衍
射像中心的径向距离，J 1 ( ) 为一阶贝塞尔函数。
无像差星点衍射像如图2-32所示，在焦点上，中 心圆斑最亮，外面围绕着一系列亮度迅速减弱的同心 圆环。衍射光斑的中央亮斑集中了全部能量的80%以 上，其中第一亮环的最大强度不到中央亮斑最大强度 的2%。在焦点前后对称的截面上，衍射图形完全相 同，如图2-31所示。
为点扩散函数PSF(u,v),即：
PSF(u,v) F(u,v)
F(u,v)dudv
(2-30)
点扩散函数F(u,v)相同的区域，就是光学系统的
等晕区，即满足空间不变性条件的区域在等晕区内，
式（2-30）表示为： 式中， 为相对强度， 为在像平面上离开星点衍射像中心的径向距离， 为一阶贝塞尔函数。
差和 / 60快速变化的像差。
检验光路如图2-34所示。检验时，使被检验的 系统对无限远星点成像。产生无限远星点的方法是 在平行光管物镜的焦平面上安置一个星孔板，光源 通过聚光镜成像在星孔板上，使星孔得到照明。星 孔经平行光管物镜成像于无穷远处，通过被检验的 光学系统以后，用观察显微镜观察或CCD摄像系统 记录。在检验显微物镜时，被检验物镜可直接对星 孔板成像。需要时，可在显微镜后按上照相装置或 CCD摄像系统进行拍照或记录与处理。
响，点光源通过光学系统成像后，在像面以及像面前 ２、使衍射环有足够的亮度对比和足够的衍射细节，对星孔的大小必须有一定的要求，一般星点直径d应不大于星点有效光束孔径所对
应的衍射像的半径R，即 1、平行光管应有足够长的焦距和优良的像质，且其通光孔径应大于待检物镜的入瞳直径。
在圆形光瞳的情况下，理想光学系统焦面内星点像的
光强分布就是圆函数的傅立叶变换的平方，即:
I (r) I0
2J1(
2
)
其中
krD f' rFr
式中，I (r ) / I 0 为相对强度， r 为在像平面上离开星点衍
射像中心的径向距离，J 1 ( ) 为一阶贝塞尔函数。
无像差星点衍射像如图2-32所示，在焦点上，中 心圆斑最亮，外面围绕着一系列亮度迅速减弱的同心 圆环。衍射光斑的中央亮斑集中了全部能量的80%以 上，其中第一亮环的最大强度不到中央亮斑最大强度 的2%。在焦点前后对称的截面上，衍射图形完全相 同，如图2-31所示。
为点扩散函数PSF(u,v),即：
PSF(u,v) F(u,v)
F(u,v)dudv
(2-30)
点扩散函数F(u,v)相同的区域，就是光学系统的
等晕区，即满足空间不变性条件的区域在等晕区内，
式（2-30）表示为： 式中， 为相对强度， 为在像平面上离开星点衍射像中心的径向距离， 为一阶贝塞尔函数。
差和 / 60快速变化的像差。
检验光路如图2-34所示。检验时，使被检验的 系统对无限远星点成像。产生无限远星点的方法是 在平行光管物镜的焦平面上安置一个星孔板，光源 通过聚光镜成像在星孔板上，使星孔得到照明。星 孔经平行光管物镜成像于无穷远处，通过被检验的 光学系统以后，用观察显微镜观察或CCD摄像系统 记录。在检验显微物镜时，被检验物镜可直接对星 孔板成像。需要时，可在显微镜后按上照相装置或 CCD摄像系统进行拍照或记录与处理。
《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。
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大，如温度、湿度、光照等，可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵，对于一些小型企业和实验室而言，购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能，操作和维护需要专业人员，限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大，对数据的解读和分析需要较高的专业水平，增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数，在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用，能够实现高精度的测量，尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料，降低环境因素对检测结果的影响，提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产，降低光电检测设备的成本，促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛，例如在自动控制系统中用于检测光束的通断，在测量领域用于检测物体的位置和尺寸，在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成，其中光电器件是核心部分，其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术，具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数，在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
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4. 光焦点法
20
像散法原理图
差动像散法测量系统原理图
21
5. 光盘读写
直径1 m 螺旋状凹坑
22
23
6. 激光准直技术
24
25
二、光纤测量技术
光纤测量技术以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输 外界被测信号
(1) 光纤的基本结构 纤芯、包层、涂敷层、护套 主体 ---- 纤芯与包层
特殊场合：没有涂敷层和护套 --- 裸纤
1） 激光扫描测量
激光扫描测量---将激光聚焦成光点或变换成线光、面光等进 行扫描 --- 适合于测量软、脆材料制成的物体，运动物体和高温物体
轧钢时在压轧机上连续进给的钢板宽度、钢棒直径测量、拉 制的玻璃棒直径测量等
18
激光扫描直径测量
19
激光束的角扫描运动
t
扫描速度
被测件直径
D Vt 2 ft
9
2) 激光外差表面微观轮廓仪
分辨力：0.1nm
10
3) 激光外差测振仪
11
4) 激光三角测距技术
（1）组成：
激光器：发射激光束 发射端镜头：准直、汇聚 接收端镜头：成像 接收器：光电转换（CCD, PSD）
（2）工作原理：
“三角测距原理”
光束
光束
光斑
成像
信号
激光器
镜头
目标
镜头
接收器
目标移动
成像位置变化
3
激光干涉测长仪
组成 ---激光光源（稳频）、干涉仪光学系统、基座（安置被测件 及光学系统）、工作台及传动装置，电子信号处理系统
--- 光学、电子、机械、计算机相结合的高精度计量仪器
----干涉图样的亮暗变化决定于相干光束 的光程差
光程差等于光源半波长的偶数倍时，则形 成最大亮度；若是半波长的奇数倍时，则 亮度最小
物体距离
端面跳动
表面不平度
PCB板焊点高度
硬盘表面测试
14
零件计数
测量表面形状、变形
轮胎磨损
槽深检测
15
翘曲检测
测量零件尺寸
测量CD厚度
测量胶合板厚度 测量橡胶带厚度 测量台阶高度
测量胶片厚度
测量塑料板厚度
16
测量橡胶厚度
定位控制
确定电极位置
自动焊接定位控制
27
(2) 光纤原理
全反射：光密介质1 → 光疏介质2 ( n1>n2)
n1 sin 1 n2 sin 2 → θ1<θ2
n2
θ1↑→θ2↑
n1
→θ2=90º →θ2>90º→ 全反射
临界角：θ2=90º→θ1=θC →
sin C n2 / n1
θ2
θ θ1c
28
光纤波导原理：
空气n0 、纤芯n1、包层n2 (n1>n2>n0) 光束 ：空气 → 纤芯n1
第5章 现代光电检测技术
1
1. 激光测量技术 --- 单色性好、方向性好、相干性好、亮度高
激光外差干涉仪--- 纳米测量；激光准直、激光全息、激光扫描、 激光跟踪、激光光谱、激光多普勒技术
2. 光纤测量技术
光纤传感器---灵敏度高、响应速度快、动态范围大、远距离遥 测、体积小、成本低
3. 视觉检测技术
判断有无/到位
机器人手臂控制
17
3. 激光扫描测量、扫描定位、扫描跟踪
激光扫描与扫描定位---用激光作光源，用扫描的方法实现对 被测物的扫描运动，利用幅度检测、相位检测或频差检测法 实现测量 用途---自动测量或远距离测量（非接触的、高效的） 关键技术---扫描运动（扫描器件完成，如光学多面体扫描、 直线电机扫描、振子扫描、声光偏转器扫描、电光器件扫描 和压电器件扫描等）
信号变化
距离信号
12
（3）特点： 1、非接触：测量光斑，无测力，无损害 2、适用广：对材质无要求（颜色、软硬、明暗、冷热） 3、测量范围：1mm ~ 200mm 4、精度高：10m ～ 0.01m 5、响应快：动态测试、实时控制 6、寿命长：工作可靠、无磨损、 7、绝对测距：可中断，可断电
13
（4）典型应用： 测量距离、位移
31
应用--- 水听器; 光栅间距10m
32
微弯---光强损耗; 压力、应变、振动，复合材料
33
不同包层材料吸收损失不同
--- 红外、微波、超声波； 人眼能完成的任务和不能完成的工作；
2
一、激光测量技术
激光测量技术--- 激光干涉测长，激光共路干涉，激光外差干涉， 激光测距，激光测振，激光测速，激光准直，激光全息，激光散 斑测量，激光扫描，激光跟踪，激光光谱技术等
1. 激光干涉测长技术
---精度最高且测量范围最大的一种技术 光源 --- 稳频激光； 基准---光波长； 测量方法---光干涉法（长度尺寸） --- 尺寸传递的最重要的手段 激光光电波长比长仪---检定一米基准线纹尺和其它精密线纹尺 激光量块干涉仪---检定一米以内的一等量块尺寸 激光丝杠检查仪--- 检定精密丝杠
→从一端到另一端
空气→纤芯：n0 sin 0 n1 sin 1 纤芯→包层： n1 sin(90 1) n2 sin 90
1 0 （全反射）
sin 0
1 n0
n12 n22 NA
集光性能
29
测量范围:100m, 标准分辨力0.05 m, 精度最高0.1 m
30
距离1~2m; d=50m时, 位移变化1m,光强变化20%
--- 光外差探测的作用距离比直接探测的距离远，测量精度高
5
1) 双频激光外差干涉仪
分辨力为0.01m，
L）
m
测量范围为61m
测量准确度
(0.0310-7)m
6
双频激光外差干涉仪测角
t
sin 1
sin 1
dt
0
分辨力0.1“;不确定度1"
R
2R 7
8
双频激光外差干涉仪测量直线度 不确定度：0.4m
被测件移动时，两相干光束的光程差将随 之变化，因而干涉图象就依次出现亮暗交 替变化。工作台移动时，交变的光强信号
被测长度 L N
2mn
就被光电器件接收，并输出交变信号。 n--- 测量环境的空气折射率
4
2. 激光外差干涉测量技术
特点 ---高灵敏度、高信噪比、极好的滤波能力（抗干扰能力 强）且检测稳定可靠 应用 ---激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面 有着广泛的应用
26
纤芯 --- 石英玻璃；直径：5~75μm；材料：二氧化硅（主体）， 掺杂其他微量元素 --- 提高折射率 包层 --- 直径：100~200μm；材料：二氧化硅（主体）--- 折射率略 低于纤芯。 涂敷层--- 材料：硅酮或丙烯酸盐--- 隔离杂光。 护套 --- 材料:尼龙/其他有机材料 --- 提高机械强度，保护光纤