光电检测技术 第二章
光电检测技术与应用
的总时间内必须是选通状电检测系统典型电路 完整的检测电路设计：前几部分由光电转换二极管与前级放大器组成，其器件选用高性能低噪声运算 放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。 CCD 驱动电路时序方法：直接数字电路驱动方法、单片机驱动方法、EPROM 驱动方法、专用 IC 驱动 方法 为了解决视频信号在实际应用时，物像边缘明暗交界处光强是连续变化而不是理想的阶跃跳变，可用 比较整形（阈值发）和二次微分（微分法）。 电子细分的方法：移相电阻链细分、幅度分割细分、计算法细分 光生伏特器件可否进行反向偏置？哪些光电器件工作时必须进行反向偏置？ 可以，所有的光生伏特器件都可以进行反向偏置。光敏晶体管、光电场效应晶体管、复合光敏晶体等 必须进行反向偏置。 已知某光敏晶体管的伏安特性曲线见图 6-6.当入射光通量为正弦调制量，即 时，要得到 4.5V 的输出电压，试设计该光敏晶体管的变换电路，并画出输入/输出的波 形图，分析输入与输出信号间的相位关系。 根据题目的要求，找到入射光通量的最大值和最小值：
1) 2) 3) 4)
5) 将循环码转变成二进制或二进制转变为循环码，课本 222 页 6) 用相位法测距时，选用准确度皆为千分之一的两把尺子，一把尺子的测尺长度为 10m，另一把尺子的 测尺长度为 1km，若测距为 462.153m，两把尺子测得的有效数字各为多少？ 尺子 ，准确度为 1cm 用 测得 2.153cm ，有效数字为四位 尺子 ，准确度为 1m 用 测得 462m ，有效数字为四位。
则暗点流电阻为：
有光照时，串联电路中的电流为：
则亮电流电阻为：
(ii)
该光敏电阻的光电导为：
由光电导灵敏度：
得：
6) 已知 CdS 光敏电阻的暗电流电阻 ，在照度为 100lx 时亮电阻 ，用此光敏电阻控 制继电器，如图 3-116 所示，如果继电器的线圈电阻为 ，继电器的吸合电流为 2mA ，问需要多 少照度时才能使继电器吸合？如果需要在 400lx 时继电器才能吸合，则此电路需要作如何改进？ (i) 该光敏电阻的光电导为：
南理工光电检测技术课程光电检测器件
优点：灵敏度高，工作电流大（达数毫安） ， 光谱响应范围宽，所测光强范围宽，，无极性之分。
缺点：响应时间长，频率特性差，强光线性差， 受温度影响大。
主要用于红外的弱光探测与开关控制。
路灯自动点熄原理图如图所示，分析它的工作原理。
二、光电池
★它是利用光生伏特效应制成的将光能转换成电能的 器件。它是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电 能P-N结光电器件。
3、优缺点
优点：光电阴极面积大，灵敏度较高；暗电流小，最低 可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百 伏到数百伏、玻壳容易破碎等。目前已基本被固体光电器 件所代替。
建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上 的，把微弱入射光转换成光电子，并获倍增的器件。
金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★金属吸收效率很低 ； ★金属中光电子逸出深度很浅，只有几纳米； ★金属逸出功大多为大于3eV，对λ>410nm的可见光来说，很难 产生光电发射，量子效率低；
半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★光吸收系数比金属大； ★体内自由电子少，散射能量变小——故量子效率比金
光电检测光电池具有光敏面积大，频率响应高，光电流随 照度线性变化。
太阳能光电池耐辐射，转换效率高，成本低，体积小，结 构简单、重量轻、可靠性高、寿命长，在空间能直接利用太 阳能转换成电能的特点。
I
U RL
Ip Ij
I
U RL
符号 连接电路
等效电路
三、光敏二极管
与普通二极管相比:
共同点：一个PN结，单向导电性 不同点：
第二章、光电检测器件
《光电检测技术》第2课PPT课件
假定人眼同时观察2个在同一位置的辐射体A和B，它 们在观察方向的辐射强度相等，A的波长为λ,B的波 长为555nm，则人眼对A的视觉强度与人眼对B的视觉 强度之比为波长λ的A辐射体对人眼的视见函数。
V(λ)是个无量纲的物理量
将555nm所对应的黄绿光波长的光谱光视效率值定为１，
所以V(λ)<1
.
18
能源与动力工程学院
2.2 辐射度参数与光度参数的关系
2、视见函数曲线：
暗视觉
明视觉
.
19
能源与动力工程学院
2.2 辐射度参数与光度参数的关系
二、辐射度参数与光度参数的转换：
XVKmV()Xe
光功当量常数＝ KmV()
明视觉条件：Km=683 lm/w
暗视觉条件：Km′=1725 lm/w
整个可见光范围内：
单位：lm（流明）
.
6
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2.1 辐射量和光学量及其单位
3、辐射出射度与光出射度：
• 辐射出射度: Me
面积为A的有限辐射体，表面某点面元处dA向半
球空间内发射的辐射通量dΦe
定义式:
Me
de
dA
• 光出射度: Mv
均匀辐射:
M
e
e A
面光源单位元表面内向外所发射的光通量
公式：Mv=dΦV/dＡ 发光均匀：Mv=Φv/Ａ
第二章 光辐射的光度学基础
.
1
.
2
可见光区波长分布
光色 红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue） 紫（Violet）
波长λ（nm) 780～630 630～600 600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
光电检测技术与应用课后答案
光电检测技术与应⽤课后答案第2章1、简述光电效应的⼯作原理。
什么是暗电流？什么是亮电流？P11答：暗电流指的是在⽆光照时，由外电压作⽤下P-N结内流过的单向电流；光照时，光⽣载流⼦迅速增加，阻值急剧减少，在外场作⽤下，光⽣载流⼦沿⼀定⽅向运动，形成亮电流。
2、简述光⽣伏特效应的⼯作原理。
为什么光伏效应器件⽐光电导效应器件有更快的响应速度？P15答：（1）光⽣伏特效应的⼯作基础是内光电效应.当⽤适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作⽤（不加外电场），光⽣电⼦拉向n区，光⽣空⽳拉向p区，相当于PN结上加⼀个正电压。
（2）光⽣伏效应中，与光照相联系的是少数载流⼦的⾏为，因为少数载流⼦的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件⽐以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。
3、简述光热效应⼯作原理。
热电检测器件有哪些特点？P15、P17第3章2、对于同⼀种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同⽽温度不同时情况⼜会如何？3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。
p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产⽣，这是因为p-n结在反偏电压下产⽣的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光⽣电流就会明显增加。
5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件⼯作频率哪个⾼？实际使⽤时如何改善其⼯作频率响应？6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升⾼⽽下降？影响光电倍增管⼯作的环境因素有哪些？如何减少这些因素的影响？答：温度升⾼时，半导体的导电性将发⽣⼀定的变化，即少数载流⼦浓度随着温度的升⾼⽽指数式增⼤，相对来说多数载流⼦所占据的⽐例即越来越⼩，这就使得多数载流⼦往对⽅扩散的作⽤减弱，从⽽起阻挡作⽤的p-n结势垒⾼度也就降低。
光电检测原理与技术--第2章光电检测技术基础
注意事项：
• 系统误差是测量过程中某一突出因素变化所引起的，随机 误差是测量过程中多种因素微小变化综合引起，两者不存 在绝对的界限。
c、粗大误差（Gross error）
2.1 检测量的误差及数据处理
一、 前言 二、 测量过程与误差的基本概念 三、 随机误差 四、 系统误差
一、前言
1、研究误差的意义
（1）、 确定测量误差是整个测量过程不可缺少的重要环 节。对于不知其测量误差的测量结果，往往是无法应用从而也
是无意义的。 例：机加工中，制造与某个孔相配合的轴。
（2）、误差理论是保证和提高测量准确性必要的理论依据。
例：用台式血压计测量人体血压。
测量仪器、测量方法、测量人员、测量环境、 测量对象等都会产生误差。
二、 测量过程与误差的基本概念
1、测量过程与标准
(1)测量：借助于专门设备，以确定被测对象的量值为目的所 进行的操作。它是一个比较过程，即通过一定的实验方法将被 测量与一个作为比较单位的标准量相比较的过程。 测量包括测量过程和测量结果。
试比较两电压测量结果准确度的高低。
解：A、B两电压测量结果的相对误差分别为：
rA
A xA
1.0 100.0
1%
通过比较可知A的准确度高于B
rB
B x
0.2 5.0
4%
的准确度。
c、额定相对误差
一种简化和方便实用的主要用于表示电表的误差，广泛用在电工和热工仪表方面，少 数无线电测量仪器也用这种误差表示方法。
定义：又称“疏失误差”或“寄生误差”，明显超出在 规定条件下预期的误差。 特征：明显的歪曲测量结果。成因可归纳为测量条 件突变或人为因素。
《光电检测技术》PPT课件
Lcos
与法线成θ角方向上的辐射强度ΔΙθ为
I
LA c os
I0 cos
即：在某一方向上的辐射强度等于这个面垂直方向上的辐射强度 乘以方向角的余弦
4. 朗伯辐射源的L与M关系
2
M L
cosd L0
d 2 cos sind L 0
= 1 metres
尺 1 Decimetre
分 米 = 1 dm
=
10-1 metres
1 Centimetre
厘 米 = 1 cm
=
10-2 metres
1 Millimetre
毫 米 = 1 mm
= 10-3 metres
1 Decimillimetre 丝 米 = 1 dmm =
10-4 metres
五、辐射传输中的相关定律
考虑到辐射在介质和光学元件的表面反射、内部吸收和散射 情况
1. 总功率定律
由能量守恒定律
Pi P P P
定义：反射率：
P
Pi
吸收率： 透过率：
P
则：
Pi
P
Pi
1
26
注意点： 1. 反射率、吸收率、透过率通常随辐射光波长发生变化； 2. 影响反射率的主要因素是：材料种类、表面特性、入射角； 3. 影响吸收率的主要因素是：材料种类、均匀性、温度； 4. 透射率是被动的，随材料的反射率和吸收率而变化。
辐能密度定义为单位体积元内的辐射能，即
dQ
dV
4. 辐射通量（Φ，P）
单位时间内的辐射能
dQ 、 P dQ
dt
dt
7
5. 辐射强度（ I ）
《光电检测技术》全【2024版】
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
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3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
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3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
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Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
光电检测技术知到章节答案智慧树2023年哈尔滨工程大学
光电检测技术知到章节测试答案智慧树2023年最新哈尔滨工程大学第一章测试1.对于下列器件，其所使用波长范围主要是红外线的是哪种仪器？（）参考答案:数字体温计2.下列日常所用器件中，哪种应用属于光电变换？（）。
参考答案:电视3.下列应用中需要光电跟踪控制的是？（）。
参考答案:光纤通信;武器制导;红外遥感;工业产品的在线检测4.下列检测过程中，可以实现非接触检测的是？（）。
参考答案:汽车行驶速度检测;火灾现场温度检测;大气污染程度检测5.光电传感器是将被测量的量转换成光信号的变化，然后通过光电元件转换成电信号。
（）参考答案:对第二章测试1.下列哪种噪声属于非白噪声？（）参考答案:产生-复合噪声;温度噪声;1/f噪声2.光电倍增管的工作原理是基于下列哪种物理效应？（）参考答案:光电发射效应3.对于光电倍增管，产生光电效应的部位是？（）参考答案:阴极4.对于光电倍增管，假设阴极灵敏度为5 μA/lm，阳极灵敏度为50 A/lm，阳极允许的最大输出电流为 A，那么阴极允许的最大光通量为多少？（）参考答案:2x lm5.假设光电倍增管输入电路的电阻和电容分别是R＝2 kΩ和C＝0.1 μF，那么其带宽是多少？（）参考答案:1250 Hz6.下列光电检测器件中，可以用于位置检测的器件是？（）参考答案:楔环检测器;光电位置传感器;光电编码器;象限检测器7.下列光电检测器件中，其基本结构属于电容器结构的器件是？（）参考答案:CCDD的工作频率与下列哪些因素有关？（）参考答案:载流子迁移率;温度;少数载流子的寿命;电极长度;掺杂浓度9.在利用光电位置传感器进行检测时，光斑位置越远离器件中心，测量误差越小。
（）参考答案:错10.光电位置传感器与象限检测器件相比，光敏面不需要分割，可以消除盲区的影响，可以连续测量。
（）参考答案:对D的电极间隙越小，电荷越容易转移。
（）参考答案:对D的像元间距越大，分辨率越高。
（）参考答案:错第三章测试1.热电检测器件的噪声主要是下列哪种噪声？（）参考答案:温度噪声2.下列哪种电阻的电阻值随着温度的升高而升高？（）参考答案:合金电阻;白金电阻3.下列热电检测器件中，只能在交变热辐射条件下工作的热电检测是哪种？（）参考答案:热释电检测器4.参考答案:54 s5.热交换能量的方式有传导、辐射、对流三种。
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火焰中的原子、离子或电子具有足够的动能去 碰撞达到一定温度的钠原子，使钠原子受激而发光， 其光谱为线光谱。
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实际上，物质受激而发光是很复杂的，有 些同属几种受激过程。例如：
l 白炽灯中钨丝通以电流会发光，本质是电流 通过电阻丝产生的热发光；
分类：按照发光机理，光源可以分成如下几类：
太阳
热辐射光源 白炽灯、卤钨灯
黑体辐射器
汞灯
荧光灯
钠灯
气体放电光源 氙灯
光源
金属卤化物灯
空发光二极管
气体激光器
固体激光器
激光器
染料激光器
半导体激光器
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§2.2 光源的基本特性参数
一、辐射效率和发光效率 定义1： 在给定λ1—λ2波长范围内，某一光源发出的辐射
第二章 光电检测用光源
❖掌握内容 发光二极管和激光光源的产生机理及基 本特性，为正确使用打下一定基础。
❖理解内容 光产生的基本原理及方法
❖了解内容 气体光源和部分固体光源的机理和基本 特性。
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第二章 主要内容
§2.1光的产生 §2.2光电仪器中的常用光源 §2.3发光二极管 §2.4激光光源 §2.5其他光源
例如： 发光二极管所产生的光就是电致发光。
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2． 光致发光
物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射
称为光致发光。 例如： l 荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；
钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射)；
l 短波长的紫外光照射到杂质(油污)上发出波长较长的可
见荧光。
的，还是人造的，都称为光源。 l 天然光源：是自然界中存在的：如太阳、恒星
等，在天文光电探测中，常常会遇到这些光辐 射的测量。 l 人造光源：人为将各种形式的能量(热能、电能、 化学能)转化成光辐射能的器件。其中利用电能 产生光的器件称为电光源，在一般光电测量系 统中，电光源是最常见的光源。
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l 图b称为带状光谱，由一些分开的谱带组成， 每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、 高压钠灯就属于这种分布。
l
图c为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都
是连续光谱。
l 图d为混合光谱，它由连续光谱与线、带谱 混合而成。一般荧光灯的光谱就属于这种分布。
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P（λ）
通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光 源在规定光谱范围内的辐射效率。
epe 12(p)d
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定义2： 在给定λ1— λ2波长范围内，某一光源发 出的光通量与产生这些辐射通量所需的电功率 之比，称为该光源的光效率。
pK•m 12(p)V()d
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（1）从ηe 、 ην可以看出，如果光电测量系统 的光谱范围为λ1~ λ2，那么应尽可能选用η较高 的光源。 （2）Km称为明视觉最大光谱光视效能，它表 示人眼对波长为555nm[V（ λ =555）=1]光辐 射产生光感觉的效能，且λ1 = 380nm， λ2 = 780nm。实际上是光度参量对辐射度参量的转 换常数。 （3）V（ λ）称为“标准光度观察者”光谱光 视效率，或称视见函数。
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二、光谱功率分布 定义：自然光源和人造光源大都是由单
色光组成的复色光。不同光源在不同 光谱上辐射出不同的光谱功率，常用 光谱功率分布来描述。若令其最大值 为l，将光谱功率分布进行规一化处理， 那么经过归一化后的光谱功率分布称 为相对光谱功率分布。
精品课件
光源的光谱功率分布通常可分成四种情况： l 图a为线状光谱，由若干条明显分隔的细线 组成。如低压汞灯。
l 物质加热后燃烧发的光通常是氧化化学反应 发光；
平衡和非平衡辐射：
l 激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能 量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带 光谱和连续光谱。
l 温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也 称热辐射，即热平衡状态的辐射。
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三、光源分类 定义： 一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然
光致发光原理
当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电 子起作用(吸收、动量传递等)，引起电子能态的改变， 电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。
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3． 化学发光
由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。 例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。
4． 热发光
物体被加热到一定温度而发光，称热发光。 例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。
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§2.1 光的产生
一、光的辐射
l光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物 质 l粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子 核不断运动 l 运动有多种可能状态 l不同运动状态的电子具有不同能量 l当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。
精品课件
假设E0 、 E1为电子的两个运动状态，E0为基态， 电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当 电子从激发态回到基态时，能量从E1变到E0， 此时发射光子的频率为：
频率的光。）
（一）热辐射
l温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度
l任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。
l自然界中的任何物体都是热辐射体。
温度低的物体发红外辐射，500。C左右时物体的温 度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的 辐射波长越短；大约在1500。C时的温度辐射体开始发 白光。热辐射光谱是连续光谱。
v
E1vE0 h
式中： h 为 普 朗 克 常 数 ， h=6 ． 62×10-27 尔 格 · 秒 =4.13×l0-15 eV·S
精品课件
应用：由于原子中有很多可能的能级，而原子受激后可
发射出多种频率的光。因此，利用光的频率分立特性，
用适当的仪器可以把它们分辩出来。
（分立的线光谱称为原子光谱，其中每一条谱线代表一个
应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。
（二）发光辐射
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二、光的产生方法
激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形 式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、 光致发光、化学发光、 热发光和场致发光。
1． 电致发光
物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击， 使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能 态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时， 就会发出辐射。这一过程称为电致发光。