《光电测量技术》(第七章)解读
光电测量技术的原理与应用
光电测量技术的原理与应用光电测量技术是指利用光电效应、光散射、光吸收等原理进行测量的技术，广泛应用于各个领域。
本文将从基本原理、常见应用以及未来发展趋势等方面来介绍光电测量技术。
一、基本原理光电测量技术主要依赖其中的光电效应原理，即在光的作用下，物质会发生电离或产生电流的现象。
这种效应广泛应用于光电探测器，例如光电二极管和光敏电阻。
当光照射到光电二极管上时，电二极管中的P型区域将变为N型，产生电流。
根据光电二极管能够感应的光的波长不同，可以用于不同波长范围的测量。
二、应用领域1. 光电测距光电测距是光电测量技术中最常见和基础的应用之一。
通过利用光电二极管对距离的精确度和速度的快速响应特点，可以实现高精度的距离测量。
这种技术被广泛应用于机器人导航、工业自动化和测量等领域。
2. 光电测温光电测温技术利用了物体在不同温度下辐射热量的差异。
通过测量物体辐射出的热量，并利用光电探测器将其转化为电信号，可以实现非接触式的温度测量。
这种技术在医疗、科研和工业检测等领域中得到广泛应用。
3. 光电测速光电测速是一种常见的应用，可以用于测量物体的速度。
通过光电二极管对光源和物体的运动进行测量，可以获得物体的速度信息。
这种技术广泛应用于交通监控、运动测量以及流体力学研究等领域。
4. 光电测量传感器光电测量传感器是一种基于光电原理的传感器，可以实现对物理量、化学物质和生物分子等的测量。
例如，光电测量传感器可以用于测量气体浓度、液体浊度和火焰强度等。
这种传感器在环境监测、生物医学和工业检测等领域得到广泛应用。
三、发展趋势1. 微型化和高灵敏度随着科技的不断发展，人们对小型和高灵敏度的光电测量技术的需求越来越高。
未来的光电测量技术将会越来越注重器件的微型化和灵敏度的提高，以满足各种需要。
2. 多功能集成未来的光电测量技术将会趋向于多功能集成。
传感器在测量过程中可以同时测量多个物理量，并能够进行实时分析和反馈。
这样可以大大提高测量效率和准确性。
第七章 光电衍射检测技术与系统
）。
图7-2 衍射光强分布的记录方法
为选择上述测量方法的一种作为仪器的最完善方案，必须从测量要求的度，尺寸变化的动态范围，线性，被测物体可能的空间位置变化等方面
矩形孔的衍射
）
不同焦距时的L-w特性
图7-3 间隙计量法的应用
图7-4 间隙计量法的基本装置
图7-5 线胀系数测量原理图
图7-7 衍射试件平台示意图
图7-7是测定薄膜厚度的一个例子，图7-7a)中，轧辊处于静止状态，
图7-8 反射衍射法(7-15）
图7-11 分离间隙法原理现衍射条纹光强呈不对称的分布。
图7-14巴俾涅原理
为获得明亮的远场条纹，一般用透镜在
所
则计算公式为：。
第七章 光电型传感器与测量电路
2．光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图7-12所示。 当光照射到结区时，光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下，电子推向N区，空穴推 向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化，PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势，这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量，因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时 具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子一 空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均，依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是： 光电流大，灵敏度高，其倍增 率为N=δn，其中δ为单极倍增 率(3～6)，n为倍增极数(4～14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓 光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。 因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A， 因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λ0)，称 为“红限”，不同金属光电效应的红限见表7-2。
《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。
《光电探测技术》课程标准
《光电探测技术》课程标准课程代码：学时：36 学分：2一、课程的地位与任务《光电探测技术》课程是光电制造与应用技术专业（五年一贯制）开设的一门2学分的专业拓展课程，针对光机电一体化设备中涉及的光检测和控制技术，讲述光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路。
通过本课程的学习，使学生掌握光机电一体化设备的测量与自动化技术及其应用等知识，开拓学生思维。
二、课程的主要内容和学时分配1.课程的主要内容光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路，基本光电元器件检测、识别、焊接、装配。
第1章光的度量1.1辐射度量1.2光度的基本物理量1.3光度量基本定律1.4照度计与亮度计第2章光电检测器件工作原理及特性2.1光电检测器件的物理基础2.2光电检测器件的特性参数2.3光电导探测器及应用3.1光电导探测器的工作原理3.2光敏电阻的结构及分类3.3光敏电阻的特性3.4光敏电阻的应用习题3.5结型光电探测器及应用1.1结型半导体光伏效应1.2光电池1.3光电二极管1.4光电三极管1.5光电开关与光电耦合器1.6光电位置探测器第5章光电成像器件及应用5.1ccd图像传感器5.2CmOS图像传感器第6章光纤传感检测技术及应用6.1光纤传感器的基础6.2光纤的光波调制技术6.3光纤传感器实例第7章光电信号检测电路6.1光电检测电路的设计要求6.2光电信号输入电路的静态计算6.3光电信号检测电路的动态计算6.4前置放大器7.5滤波器7.6光电信号主放大器8.学时分配1.本课程注重学生对光电检测器件的应用能力培养;2.采取理论教学和实验相结合的方式以增强课程学习的理实性；四、课程的实践环节安排实验一光敏电阻的应用实验二光电二极管的应用实验三光电位置探测器的应用实验四光纤传感器的应用实验五光电检测电路的单元电路设计五、推荐教材和主要参考书《光电探测技术与应用》作者：黄焰、肖彬、孙冬丽，华中科技大学出版社，出版时间：2016年六、考核方式及标准平时考核成绩占60%（出勤+作业+其它），期末考试（开卷）占40%。
《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
传感器与检测技术光电式传感器解读
二、光子探测器
光子探测型器件基于光电效应原理，即利用光 子本身能量激发载流子。这类器件有一定的截 止波长，但响应速度快，灵敏度高，使用最为 广泛。
什么是光电效应？
光是由光子组成的，其能量和频率关系为
E=hf
光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的光 子轰击物体，如果光子能量足够大，物质内部
第七章 光电式传感器
整理ppt
组成
光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器 件组成。
工作原理
首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光电转换元件变换成电信号。
被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待 测信息调制到光波上，通过改变光波的强度、 相位、空间分布和频谱分布等，由光电器件 将光信号转化为电信号。电信号经后续电路 解调分离出被测量信息，实现测量。
特点：灵敏度高，体积小，重量轻，光 谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和 振动，寿命长。纯电阻元件，无源器件， 有电流通过时，会产生热的问题。电路 简单。适用于红外探测。
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（三）光电结型探测器 与光电导型工作原理相似，利用光子引 起的电子跃迁将光信号转变为电信号， 只是光照射在半导体结上而已，。 主要有：光电二极管和光电三极管。
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图7-8 硅光电池构造原理和图示符号
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半导体光电器件的特性 包括：光电特性、伏安特性、光谱特性、件的光电特性
a）硒光敏电阻的光电特性 b）光敏晶体管的光电特性 c）硅光电池的光电特性
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图7-11 半导体光电器件的伏安特性
a）光敏电阻的伏安特性 b）锗光敏晶体管的伏安特性 c）硅光电池的伏安特性
气体放电光源 激光器 电致发光器件
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为了克服直流放大器中零点漂移和环境 温度的影响，以及减少背景辐射的噪声 干扰——常采用光学调制技术或电子斩 波器调制，通过滤波器可提高信噪比。
9
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式
设物体全辐射通量密度 M T 4
ε—发射率；σ—波尔兹曼常数；T—绝对温度
在近距离测量时，前置放大器输出电压信号 （不计大气吸收）
光、光学成像等非相干光学现象 位、光准直、外观质量检测、测长测
或方法
角、测距等
物理光学法
干涉、衍射、散斑、全息、波长 莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散
变换、光学拍频、偏振等相干光 斑计量、外差干涉、外差通信、光谱
学现象或方法
分析、多普勒测速等
光电子学法
电光效应，声光效应、磁光效 应、空间光调制、光纤传光与传 感等
3）改善系统的检测信噪比，提高系统可靠性
3
变换的方法
➢借助于几何光学、物理光学、光电子学等
➢ 几何光学：直线性、透射、反射、折射、成像等
➢ 物理光学：干涉、衍射、光强、波长变换、偏振等
➢ 光电子学：电光效应、声光效应、磁光效应、空间 调制等
4
光电信号变换方法与应用范围
变换方法
光学原理
应用范围
几何光学法 透射、反射、折射、散射、遮 光开关、光学编码、光扫描、瞄准定
检测器件输出的电流为
iS
1 A2
2
A2 X t
若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有 第二项输出——这就是包络检测的意思
22
光电检测系统（非相干）的基本特性
1、检测系统的信噪比
设入射到检测器的信号光功率为PS 设入射到检测器的噪声功率为Pn 检测器输出的信号电功率为P0 检测器输出的噪声功率为Pn0
6
➢ 非相干检测光电系统
光源为非相干光，用调制的方法使被测信息 加载于调制光的幅度、频率、相位之中，再 用光电检测的方法从调制光检测出被测信息 的系统
7
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式
辐射源 光学系统 光电器件
8
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式 光电探测器件直接探测物体本身的辐射
13
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式 光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射
的物理性质有所不同
14
光电变换的基本形式
4)光由被测对象遮挡的形式
遮光物质
光源
光电器件
15
光电变换的基本形式
4)光由被测对象遮挡的形式
设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的 宽度大于b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡 入射到器件的光照面积的变量为
0ed
Ф0—入射到介质表面的通量；α—介质吸收系数；d—介质的厚度 实验表明：在液体或气体中，α(=μγ)值与物质的浓度成正比。
(μ—表示液体或气体对光的吸收性质；γ—浓度)
0ed 光电变换器的输出电压为
U 0 0R
12
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式
光源
具有反射介质 光电器件
光调制、光偏转、光开关、光通信、 光记录、光存储、光显示等
5
✓ 光源、光学变换系统和光电接收器件 构成了光电检测系统
✓ 直接检测光电系统
光信息为光强，被测量被携带于光载波的强 度之中，光电器件直接接收光强度变化， 再用解调的方法检测出被测信息的系统
✓ 相干检测光电系统
光信息加载于相干光源的光载波的振幅、频 率、相位之中的系统
在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空 间滤波（如光阑）等处理
此时光学变换也接收到背景辐射，并与信号一 起入射到检测器的光敏面上
19
假定入射的信号光强为 ES t Acost
A—信号光强振幅 ω— 信号光的圆频率
其平均光功率为 PS ES2t A2 2
而光检测器输出的电流为
IS
PS
e h
ES2 t
e h
A2
式中
e h
光电灵敏度
ES2t 时间的平均值
20
若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电
功率为
P0
I
2 S
RL
e h
2
PS2
RL
上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光 功率的平方
21
如果入射光是调幅波，即 ES t A1 X tcost
X(t)—调制信号
2
Pn
①若
PS Pn 1 ，则有
2
SNRP
PS Pn
➢ 这说明输出信噪比等于输入信号比的平方
➢ 由此可见，直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1 或者微弱光信号的检测
25
光电检测系统（非相干）的基本特性
➢ ②若 PS Pn 1
，则有
SNRP
1 2
PS Pn
➢ 上式表明输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电 转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的
A b l
变换器输出位移量的信号电压为：
U0 E A R EbRl
16
光电变换的基本形式
5)被测对象经光信息量化的形式
光 学 变
换
光源
光电器件
信息
17
光电变换的基本形式
6)光传输信息的形式
调制器 信息
解调器 信息
18
第二节 光电直接检测系统的基本工作原理
检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被 测信号
第七章 非相干光变换与检测
1
第一节 光电信号变换与光电测量系统概述
非相干光学信号是指光载波为非 相干光，用于检测光功率、光频率 或相位，或者光载波是相干的，但 检测的是光功率
2
变换的目的
1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载 波的信号
2）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质， 用以提高传输效率和检测精度
U0 MmSGA MR
τ—光学系统的透过率；m—光学调制系统的透过率；S—光电器件光电
灵敏度；G—电路变换系数；A—放大器放大倍数；R—光电变换系数
10
光电变换的基本形式
2)光透过被测对象的形式
光源
透光均匀介质
光电器件
11
光电变换的基本形式
2)光透过被测对象的形式
当光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为
➢ 从上述得知：直接检测方法并不能改善输入信噪比—— 这是其检测系统的弱点（与相干或外差系统相比）
➢ 但它对不是十分微弱光信号的检测性高，成 本低，应用广泛
P0
Pn0
e h
2
RL PS
Pn
2
23
光电检测系统（非相干）的基本特性
考虑到信号与噪声的独立性，则有
P0
e h
2
RL PS2
Pn0
e h
2
RL
2PS Pn
Pn2
24
光电检测系统（非相干）的基本特性
根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为
SNRP
P0 Pn0
1
PS Pn 2PS