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。各种环节分别实现各自的职能，组成光、机、电的综合系统。一个典型的光电检测系统的组成由辐射源开始，依次为传输媒质、检测目标、光学系统、光点检测器件、信息处理、输出设备。其中辐射源通过传输媒质由对象空间进入到光电系统。

在长距离的传输和高精度的测量中发生在传输媒质中的扰动等将和背景辐射噪声一样对有用信号形成干扰。在利用外部辐射源的情况下，这种辐射流在通过被测目标物体时，载荷起了被测莫表的传送信息，进入到光学接受系统。光学系统的职能就是收集辐射流，并根据辐射的光谱成分和偏振程度进行光学色散几何成像、分束和改变辐射流的传送方向，以及辐射通量的求和迭加。光电检测器件接收到载荷起被测目标物体的信号后，实现辐射信号对电量的转换。信息处理包括放大转换和电信号滤波等电子线路。信号的输出装置由系统的功能确定，可以是电信号的指令，也可以是其他别的东西。

光电检测技术的特点：高精度。各种检测技术中最高。如激光干涉仪法检测长度的精度达0.05um/m；光栅莫尔条纹法测角可达0.04秒；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m。高速度。光电检测以光为介质，用光学方法获取和传递信息是最快的。远距离，大量程。光便于远距离传播的介质，适于遥控和遥测，如武器制导，光电跟踪，电视遥测等。非接触检测。光照可认为是没有测量力的，也无磨擦，可实现动态测量，效率最高。寿命长。光波可永久使用。具有很强的信息处理和运算能力。可将复杂信息并行处理。同时光电方法还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。

光电技术和光电检测技术在漫长的时间中取得了新的进展。首先是材料和器件上的进展，采用硅材料具有很好的电子特性和易加工特性，使用硅可以大大地降低生产的成本，另外在量子阱和超晶格材料及器件方面也有很大的成就，开始了光电子晶体研究和半导体量子点研究，还有其他许多高科技产品等。其次是光通信，在光通信中也取得了很大的进展：发展各种S,C,L波段光纤放大器、阵列波导光栅等。近期发展的廉价多功能城域网与同类产品比较，节省了96％楼层空间，省电93％。光电转换技术能够保证网络的可靠性，并能提供灵活的信号路由平台，克服纯电子交换形成的容量瓶颈，省去光电转换的笨重庞大设备，进而大大节省建网和网络升级的成本。随着光电技术及空间技术的发展，空间光通信又成为下一代光通信的重要发展领域，它包括星际间、卫星间、卫星与地面站，以及地面站之间的激光通信和地面无限光通信等。另外是在光信息演算、记忆等的信息处理领域上取得了新的进展。而在这方面的领域中，主要是研究高密度存储器、可擦除光盘等到各种系统，取得了突破性的进展。目前光电产业呈现出以

下的发展趋势：光通信向超大容量、高速率和全光网络方向发展。超大容量DWDM 的全光网络将成为主要的发展趋势。光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展。光器件的发展趋势是小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化。而它的应用是目前最广泛、最复杂、最精密、最快速、最先进的，而且是能互相渗透、互相支持的。现在它的应用已经渗入到国民经济、国防的各部门，遍及军事、工业、农业、文教、卫生、科学研究和家庭生活等各方面，已成为提高效率、增长效率的重要和必要手段。

当我们想要检测光，需要检测出以下几个量值：1、光辐射度量：包括辐射通量，辐射强度，辐射出射度，辐射亮度，辐射照度。2、光谱辐射度量：和辐射一样具有以上所有的参数。3、光度量：包括光通量，发光强度，光出射度，光照度，光亮度。辐射度量和光度量之间存在着一定的转换关系，而这个参数为人眼明视觉或者暗视觉下最灵敏波长的光度量对辐射度量的转换常数。

光电检测基本方法：直接作用法（受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换后由检测机构可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，所得差或数值比可反应被测量的大小）、补偿测量法（是用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出补偿量值，其大小反应被测量变化大小）和脉冲测量法（测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽，相位，频率，脉冲数量等）反映被测量的大小）脉冲测量法特点：抗干扰性能好，精度高，直接与计算机相连，易于实现在线测量和自动化控制。

当光照射到物体上使物体发射电子或导电率发生变化，或产生光电动势等，这种因光照引起物体电学特性的改变统称为光电效应。归纳为两大类，物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应；物质受到光照后产生的光电子只在物质内部运动，而不会溢出物质外部的现象称为内光电效应，分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。包括：本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。属于内光电效应。就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度、驰豫时间和光谱分布。光生伏特效应是光照使不均匀的半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。主要包括由势垒效应产生的光生

伏特效应，由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应，用外加磁场产生的光生伏特效应，光子牵引效应。针对外光电效应具有以下的光电发射定律：1、斯托列托夫定律（光电发射第一定律），当入射光的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流与阴极所吸收的光通量成正比。2、爱因斯坦定律（光电发射第二定律），发射出光电子最大动能随入社光频率的增高而线性的增大，而与入射光的光强无关，即爱因斯坦的光子能量关系式。另外还要考虑光电发射的红限和光电发射的瞬时性。

光电检测器件利用特质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，可分为光子检测器件和热电检测器件。热电检测器件：热释电检测器（热释电效应），热敏电阻（辐射热计效应），热电偶和热电堆（温差电效应）。具有响应波长无选择性和响应慢的特点。光子检测器件分为电真空或光电发射型检测器件（光电管和光电倍增管）和固体或半导体光电检测器件（光导型：光敏电阻，光伏型：光电池、光电二、三极管）。具有响应波长有选择性和响应快的特点。我们在学习这方面的知识时需要了解相关的参数。响应时间：响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。频率响应S(f)：由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。可见：光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽。真空下光点探测器件主要有光电发射材料，大体上分为三类：纯金属材料、表面吸附一层其他的元素原子的金属和半导体材料；光电倍增管，建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把入射光转换成光电子；微通道板光电倍增管，它利用固体材料在电子的撞击下能够发射出更多的电子特性来实现电流倍增，因而具有高增益，低噪音，高分辨率、宽频带、低功耗、体积小、重量轻、长寿命以及自饱和效应等优点。

光敏电阻（属于光电导检测器件）：利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge 等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件。结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。工作原理：当入射光子使半导

体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号。光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。设计原则，光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。工作性能特点：1光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。2所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光3灵敏度高，光电增益可以大于1。4无选择极性之分，使用方便。缺点：强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。前历效应：指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。

光敏电阻属于半导体光电导型检测器件，而基于半导体光伏型检测的器件有光电池，光敏二极管，雪崩光敏二极管，光敏三极管。光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。基本结构：1、金属-半导体接触型（硒光电池）2、PN结型。几个特征：1、栅状电极 2、受光表面的保护膜。3、上、下电极的区分。光电池光照特性特征：1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。

2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA/cm2。2、RL 越小，线性度越好，线性范围越宽。

3、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。光电池的应用：太阳能电池（把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站

等无输电线路地区的电源供给）检测元件（利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等）。光电二极管与光电池的特性比较1基本结构相同，由一个PN结；2光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。3掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管1012~1013/cm3，4电阻率：光电池0.1-0.01，光电二极管1000Ω/cm。5光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100kHz。光电三极管的工作原理：工作过程：一、光电转换；

二、光电流放大。光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。

光电检测器件大体上就是以上这么多种类，接下来讲解热电检测器件。热电器件是利用热效应，吸收入辐射后产生温升，从而引起材料物理性质的变化，而输出电信号。按照其工作机理大致上可以分为四类：热电偶及热电堆，热敏电阻，气动检测器和热释电检测器件。利用热电检测器件共有两个阶段的信号转换，由辐射能转化为热能，再由热能转换为电能。讨论具体材料的特性，热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。有三种基本类型：正温度系数，PTC，负温度系数，NTC，临界温度系数CTC。特点：温度系数大、灵敏度高。电阻值大、引线电阻可忽略。体积小，热响应快，廉价。互换性差、测温范围窄。在汽车、家电领域得到大量应用。热电偶的特点(又称温差电偶原理是热电效应)是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。热释电器件利用热释电效应制成的热或红外辐射检测器件，具有以下优点：1宽的频率响应，工作频率可近兆赦兹，一般热检测器时间常数典型值在1-0.01s 范围内。而热释电器件的有效时间常数可低至10-4-3×10-5s。2检测率高，3有大面积均匀的敏感面，工作时不接外偏置。4与热敏电阻比，受环境温度变化影响小。5热释电器件的强度和可靠性比其它多数热检测器好，制造容易。热释电器件不同于其它光电器件的特点：在恒定辐射作用情况下输出信号电压为零。只有在交变辐射作用下才会有信号输出。

光电传感器可以用于成像检测，按照原理分为扫描型和非扫描型。扫描型光电成像器件又称为摄像器件，通过电子束扫描或固体自扫描等方式，将被摄景物经光学系统成像在器件的光敏面上的二维图像转变为一维时序信号输出出来。非扫描型光电成像器件常由像敏面，电子透镜和显像面等三部分构成。可以完成光学图像的光谱变换，或图像强度的变换。光电的成像系统由光学成像系统、光电变换器、同步扫描和控制系统、视频信号处理系统和荧光显示系统等构成。其中摄像部分即由摄像物镜、光电变换器、像素分割器、同步扫描及视频信号形成电路等构成，显像部分即由同步分离器、同步发生器、视频调辉器与荧光显示器构成。目前世界各国采取的彩色电视制式主要有NTSC（美国制），PAL（西德制）和SECAM（法国制）三类。由于PAL制是NTSC制基础上改进而形成的，所以较NTSC制优越，我国采用的也是PAL制式。电视画面的宽高比、帧频、场频、行频等是电视系统的重器参数，它影响着电视系统的性能指标。1、电视图像的宽高比，用W和H分别代表电视屏幕上显示出来的图像宽度和高度，二者之比则称为图像的宽高比，用a来表示：a＝W/H，电视选用早期电影中所选定的画面的宽高比（4:3），电影的宽高比的确定是通过观测实验得到的。2、帧频和场频，帧频为每秒钟电视屏幕变化的数目。即电视图像的重复频率，这个参数也参考了电影中画面的重复率不得低于每秒48次要求，又考虑到电视的特有问题，即交流电的干扰问题，为了降低这种干扰，使电视图像的重复频率与本国电力网的周率（50HZ或60HZ）相一致。3、扫描行数与行频，确定扫描行数，实质上就是确定电子束在水平方向上的扫描速度，因为在场频一定的情况下，行数越多，扫描速度就需要越快。在待传送的图像细节条件下，时间频率与扫描速度成正比。我国现行的电视标准中规定每帧画面的扫描行数为625行，行帧为15625HZ，没振华的水平分辨率为466线，垂直分辨率为400线。现在用得很广泛的另一种成像器件是电荷耦合器件CCD，CCD向多像元素、高精度、高密度、标准化方面发展，并在许多领域获得了广泛的应用。讨论其基本结构，CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的，其基本结构是MOS电容结构。是在半导体P型硅作衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约100nm-150nm的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一层金属，在衬底和金属电极间加上一个偏置电压，就构成了一个MOS电容器。而CCD 是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。

人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。按照激发方法不同，发光可

分为光致发光，化学发光，摩擦发光，阴极射线发光，电致发光等。实用的电致

发光又有结型、粉末、薄膜电致发光三种形态。电致发光(英文

electroluminescent)，简称EL ，是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激

发的电子碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物

理现象。简单地说，就是发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。

它是将电能直接转换为光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。

常见的发光二极管、半导体激光器、液晶显示器、等离子显示，下面分别进行介

绍。发光二极管是一种注入式电致发光器件，它由P 型和N 型半导体组合而成。

要了解发光二极管的工作原理，我们需要先了解一下费米能级。在物质的原子中，

存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…) 称

为激发态。 电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁，下面以E1与E2能级

为例进行介绍。设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别

为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，原子分布遵循玻耳兹曼统计分布。

??? ?

?--=kT E E E N N 1212exp (1) 式中，

，为玻耳兹曼常数，T 为热力学温度。 在热平衡状态下，总是有N1>N2。受激吸收速率大于受激辐射速率。当光通

过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2>N1，即受激

辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种物质时，就会产生放大作用，这种物

质称为增益介质（或激活介质）。

本征半导体的能带结构

图3本征半导体的能带结构

在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分

布，能级E 被电子占据的几率为:

J/K 10381.123-?=

k

(2) 式中， 为玻耳兹曼常数，T 为热力学温度，EF 叫做费米

能级。 了解完费米原理后，我们需要知道发光二极管的工作原理。发光二极管

（light emitting diode ，LED ），是利用正向偏置PN 结中电子与空穴的辐射复

合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不

需要光学谐振腔，发射的是非相干光。 设计时需要考虑的是LED 的效率，发光

光谱，伏安特性，发光亮度与电流的关系，响应时间和寿命。半导体激光器是基

于半导体材料的激光器，有些人在狭义上也称为激光二极管(Laser Diode,LD)，

是一种光学振荡器。普通的光源的发光都是自发发射，但激光却是一种受激发射

光。激光器由增益介质以及谐振腔组成。要产生激光，激光介质必须实现粒子数

反转。但是粒子数反转的激光介质能否在谐振腔内形成稳定的激光场，还取决于

介质增益与激光器损耗的关系。在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不

变。半导体激光器具有以下特性。1、光谱特性，在直流驱动下，发射光具有一

定的波长，谱线具有一定的模式结构，这是由于导带与价带都是由许多连续能级

组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同的能级之间电子的跃迁会产生连续波

长的辐射光。其中只有符合谐振腔谐振频率的波长才能产生稳定的激光光场。波

长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模。当驱动电流足够大时，多纵模

变为单纵模，称为静态单纵模激光器。2、转换效率与输出光功率特性，激光器

的电光转换效率用外微分量子效率ηd 表示，其定义为在阈值电流以上，每对复

合载流子产生的光子数

(14) 由此得到 (15)

式中，P 和I 分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth 和Ith 分别为对应的阈值，hf 与e 分别为光子能量与电子电荷。

三、温度特性

温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流

1()1F n E E kT f E e

-=

+J/K 10381.123-?=k hf e I P e I I hf P P d ??=--=

/)(/)(th th η)(th th I I e hf P P d -+=η

随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。图给出了LD的P-I 曲线随温度变化的实例。

图21 LD的P-I曲线随温度的变化。

激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图为典型LD的光功率特性曲线。当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。

图22 典型LD的光功率特性曲线

其他的激光器主要是光纤激光器，分为双包层光纤激光器，连续波光纤激光器，多波长光纤激光器，高功率光纤激光器，超短脉冲光纤激光器。

总的来说个人对本学科的感想，本学期学习的东西是以前学习过的工程光学和电路基础的扩展和深化，知识更加精密严格，有些天书的感觉。

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。各种环节分别实现各自的职能，组成光、机、电的综合系统。一个典型的光电检测系统的组成由辐射源开始，依次为传输媒质、检测目标、光学系统、光点检测器件、信息处理、输出设备。其中辐射源通过传输媒质由对象空间进入到光电系统。

光电检测技术课程作业及答案(打印版)

思考题及其答案 习题01 一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在（0.38m μ）围的电磁辐射称 μ）到（0.78m 为光辐射。 2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。 3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。 二、概念题 1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。 2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间发射、传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米) 。 4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间、给定方向上单位立体角所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接

收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答： 2 22 4444R I R I dA d E R dA d E R I I ===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()1 2222222221 122 12 11001001010E E L I E L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴= = 又的距离为第二个探测器到点光源， 源的距离为设第一个探测器到点光 习题02 一、填空题 1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。 2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。 3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。 4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。 二、概念题 1、禁带、导带、价带：

光电检测技术期末试卷试题大全

1、光电器件的基本参数特性有哪些? （响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度） 响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应 噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP 2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的 形成、传输、接收、变换、处理和应用。 （光电子学光电子器件） 3、光电检测系统通常由哪三部分组成 （光学变换光电变换电路处理） 4、光电效应包括哪些 外光电效应和内光电效应） 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为 哪几种？ （光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池） 6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？ （定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔） 7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？ （交变辐射） 8、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的 基本功能是什么？ （电荷CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。） 9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。 （直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法） 10、光热效应应包括哪三种。 （热释电效应辐射热计效应温差电效应） 11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？ （一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。） 12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。 （外光电效应光电管光电倍增管） 二、名词解释 1、响应度 （响应度（或称灵敏度）：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。）2、信噪比 （是负载电阻上信号功率与噪声功率之比）

光电检测技术试题及答案

光电检测技术试题及答案 光电检测技术试题及答案1、光电器件的基本参数特性有哪些? (响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度) @响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应 @噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声 1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP 2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。 (光电子学光电子器件) 3、光电检测系统通常由哪三部分组成 (光学变换光电变换电路处理) 4、光电效应包括哪些 外光电效应和内光电效应) 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种? (光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池) 6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么? ( 定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔) 7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出? (交变辐射) 8、 CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么? (电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。) 9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。 (直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法) 10、光热效应应包括哪三种。 (热释电效应辐射热计效应温差电效应) 11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么?

光电检测技术与应用-郭培源-课后答案

光电检测技术与应用课后答案 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。

光电检测技术课程作业及答案(打印版)

光电检测技术课程作业及答案(打印版)

思考题及其答案 习题01 一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在（0.38m μ）范围内的电磁辐 μ）到（0.78m 射称为光辐射。 2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。 3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。 二、概念题 1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。 2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米) 。 4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接

收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答： 2 22 4444R I R I dA d E R dA d E R I I ===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为ΘΘ ()1 2222222221 122 12 11001001010E E L I E L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴= =ΘΘ又的距离为第二个探测器到点光源， 源的距离为设第一个探测器到点光 习题02 一、填空题 1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。 2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。 3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。 4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。 二、概念题 1、禁带、导带、价带：

光电检测技术知识点

1、光电效应应按部位不同分为内光电效应和外光电效应，内光电效应包括（光电导）和（光生伏特效应）。 2、真空光电器件是一种基于（外光电）效应的器件，它包括（光电管）和（光电倍增管）。结构特点是有一个真空管，其他元件都放在真空管中 3、光电导器件是基于半导体材料的（光电导）效应制成的，最典型的光电导器件是（光敏电阻）。 4、硅光电二极管在反偏置条件下的工作模式为（光电导），在零偏置条件下的工作模式为（光生伏特模式）。 5、变象管是一种能把各种（不可见）辐射图像转换成为可见光图像的真空光电成像器件。 6、固体成像器件（CCD）主要有两大类，一类是电荷耦合器件（CCD），另一类是（SSPD）。CCD电荷转移通道主要有：一是SCCD（表面沟道电荷耦合器件）是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；二是BCCD称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件，电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并沿着半导体内一定方向传输 7、光电技术室（光子技术）和（电子技术）相结合而形成的一门技术。 8、场致发光有（粉末、薄膜和结型三种形态。 9、常用的光电阴极有正电子亲合势光电阴极（PEA）和负电子亲合势光电阴极（NEA），正电子亲和势材料光电阴极有哪些（Ag-O-Cs,单碱锑化物，多碱锑化物）。 10、根据衬底材料的不同，硅光电二极管可分为（2DU）型和（2CU）型两种。 11、像增强器是一种能把微弱图像增强到可以使人眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为（微光管）。 12、光导纤维简称光纤，光纤有（纤芯）、（包层）及（外套）组成。 13、光源按光波在时间，空间上的相位特征可分为（相干）和（非相干）光源。 14、光纤的色散有材料色散、（波导色散）和（多模色散）。 15、光纤面板按传像性能分为（普通OFP）、（变放大率的锥形OFP）和（传递倒像的扭像器）。 16、光纤的数值孔径表达式为，它是光纤的一个基本参数、它反映了光纤的（集光）能力，决定了能被传播的光束的半孔径角 17、真空光电器件是基于（外光电）效应的光电探测器，他的结构特点是有一个（真空管），其他元件都置于（真空管）。

光电探测技术

第一章： 1，光电检测系统的基本组成及各部分的主要作用？ 光源——光学系统——被测对象——光学变换——光电转换——电信号放大与处理[存储，显示，控制] 作用：光学变换：将被测量转换为光参量，有时需要光信号的匹配处理，目的是更好的获得待测量的信息。 电信号放大与处理的作用：存储，显示，控制。 第二章： 1、精密度、准确度、精确度、误差、不确定度的意义、区别。 答：精密度高指偶然误差较小，测量数据比较集中，但系统误差大小不明确； 准确度高指系统误差较小，测量数据的平均值偏离真值较少； 精确度高指偶然误差和系统误差都比较小，测量数值集中在真值附近； 误差=测量结果-真值；不确定度用标准偏差表示。 2、朗伯辐射体的定义？有哪些主要特性？ 答：定义：辐射源各方向的辐亮度不变的辐射源。特性：自然界大多数物体的辐射特性，辐亮度与观察角度无关。 3、光谱响应度、积分响应度、量子效率、NEP、比探测率的定义、单位及物理意义。 答：灵敏度又叫响应度，定义为单位辐射度量产生的电信号量，记作R，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度。对应不同辐射度量的响应度用下标来表示。辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不同的响应度。 对辐射通量的电流响应度(AW-1 ) 对辐照度的电流响应度(AW-1 m 2 ) E 对辐亮度的电流响应度(AW-1 m 2 Sr)L 量子效率：在单色辐射作用于光电器件时，单位时间产生的的光电子数与入射的光子数之比，为光电器件的量子效率。 NEP：信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率。单位：W。物理意义：反映探测器理论探测能力的重要指标。 比探测率：定义；物理意义：用单位探测系统带宽和单位探测器面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力。 第三章： 1、光源的分类及各种光源的典型例子；相干光源和非相关光源包括哪些？ 答：按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源和非相干光源；按发光机理可分为：热辐射光源，常用的有：太阳、黑体源、白炽灯，典型军事目标辐射；气体辐射光源，广泛用作摄影光源；固体辐射光源，用于数码、字符和矩阵的显示；激光光源，应用：激光器。相干光源：激光；非相关光源：普通光源。 2、对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面要求？ 答：1.波长（光谱）特性2.发光强度（光功率）3.光源稳定性（强度、波长） 3、辐射效率和发光效率的概念及意义 答：在给定λ1～λ2波长范围内，某一辐射源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需比，称为该辐射源在规定光谱范围内的辐射效率；某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功/率之比，就是该光源的发光效率。 4、色温，配光曲线的概念及意义 答：色温：如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同，则黑体的

光电检测技术的现状及发展趋势

光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点，在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。本文从光电检测技术本身特点出发，分析其发展现状及发展趋势。 一、光电检测技术的概述 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高测系统输出信号的信噪比。 光电检测的系统机构比较简单，分为信号的处理器，受光器，光源。在实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处在的不同位置，就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光，例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展，光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后，会以不一样的方式触摸这些被检测物中，直到照射到检测系统中的受光器中，同时受光器在此刺激下，会产生一定量的电流，这就是我们常说的光敏性的原件，实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。 光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有高精度、高速度、远距离、大量程、非接触测量等特点。 二、光电检测技术的发展现状

光电检测技术英文

英文原文 1.5 Experimental Setup Due to the many concepts and variations involved in performing the experiments in this project and also because of their introductory nature, Project 1 will very likely be the most time consuming project in this kit. This project may require as much as 9 hours to complete. We recommend that you perform the experiments in two or more laboratory sessions. For example, power and astigmatic distance characteristics may be examined in the first session and the last two experiments (frequency and amplitude characteristics) may be performed in the second session. A Note of Caution All of the above comments refer to single-mode operation of the laser which is a very fragile device with respect to reflections and operating point. One must ensure that before performing measurements the laser is indeed operating single-mode. This can be realized if a single, broad fringe pattern is obtained or equivalently a good sinusoidal output is obtained from the Michelson interferometer as the path imbalance is scanned. If this is not the case, the laser is probably operating multimode and its current should be adjusted. If single-mode operation cannot be achieved by adjusting the current, then reflections may be driving the laser multimode, in which case the setup should be adjusted to minimize reflections. If still not operating single-mode, the laser diode may have been damaged and may need to be replaced. Warning The lasers provided in this project kit emit invisible radiation that can damage the human eye. It is essential that you avoid direct eye exposure to the laser beam. We recommend the use of protective eyewear designed for use at the laser wavelength of 780 nm. Read the Safety sections in the Laser Diode Driver Operating Manual and in the laser diode section of Component Handling and Assembly (Appendix A) before proceeding. 1.5.1 Semiconductor Diode Laser Power Characteristics 1.Assemble the laser mount assembly (LMA-I) and connect the laser to its power supply. We will first collimate the light beam. Connect the laser beam to a video monitor and image the laser beam on a white sheet of paper held about two to ten

光电检测技术与应用期末考试复习资料

光电检测技术与应用期末考试复习资料 1、光电信息技术是以光电子学为基础，以光电子器件为主题，研究和发展光电信息的形成、 传输、接收、减缓、处理和应用的技术。 2、检测是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被测 参数是否合格或参数量是否存在。测量是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。 3、光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。 4、光电检测技术是将光学技术与电子技术相结合实现各种量的检测，具有以下特点：a、 高精度，b、高速度，c、远距离、大量程，d、非接触测量，e、寿命长，f、具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。 5、在物质受到辐射光照射后，材料的电学性质发生了改变的现象称为光电效应，光电效应 可分为外光电效应和内光电效应。 6、内光电效应是指受到光照射的物质内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子 的现象。 7、响应时间是描述检测器对入射辐射响应快慢的一个参数。 8、光电检测器的工作温度就是最佳工作状态时的温度，它是光电检测器重要的性能参数之 一。 9、光电耦合器件的主要特性为传输特性与隔离特性。 10、散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。 11、Is=1/2＠A2+＠A2d（t）式中：第一项为直流项，若光电检测器输出端有隔直流电 容，则输出光电流只包含第二项，这就是包络检测的意思。 12、热噪声是指载流子无规则的运动造成的噪声，存在于热河电阻中，与温度成正比， 与频率无关。 13、光外差检测系统对检测器性能的要求：a、响应频带宽，b、均匀性好，c、工作温 度高。 14、光波导是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束并引导光波在 光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。 15、光纤一般由两层光学性质不同的材料组成，它由折射率n1较大的纤芯和折射率n2 较小的包层同心圆柱结构。 16、将光电信号转换成0、1数字量的过程称为光电信号的二值化处理。 17、在图像识别与图像测量等应用领域常将视频信号的A/D数据采集方法分为“板卡 式”和“嵌入式”。 18、在要求光电检测系统的精度不受光源的稳定性的影响下，应采用浮动阀值二值化 处理电路。 19、HI1175JCB为高速A/D转换器，其最高工作频率为20MHz，DIP封装的器件，转换 器提供参考电源电压。 20、锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器，三个主要部分：信号通道、 参考通道和相敏检波。 21、相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成，所用参考方式是方波形式。 22、光纤的特性：损耗和色散 23、引起光纤损耗的因素可归结为：吸收损耗（吸收引起）色散损耗（材料引起）。 24、光纤色散可分为：a、材料色散b、波导色散c、多模色散。 25、功能型传感器可实现传光和敏感的作用，而非功能型传感器光纤只起传光作用。

光电检测技术介绍

?（一）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小和变化等情况。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。例如用电阻应变片测量电压时，就需要将应变片粘贴到售压力的弹性原件上，弹性原件将压力转换为应变力，应变片再将应变力转换为电阻的变化。这里应变片便是传感器，而弹性原件便是敏感器。敏感器和传感器随然都可对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是把被测非电量转换为电量。 二、光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器，广泛应用 于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。 光电传感器主要噢有光电二极管、光电晶体管、光敏电阻Cds、光电耦合器、继承光电传感器、光电池和图像传感器等。主要种类表如下图所示。实际应用时，要选择适宜的传感器才能达到预期的效果。大致的选用原则是：高速的光电检测电路、宽范围照度的照度计、超高速的激光传感器宜选用光电二极管；几千赫兹的简单脉冲光电传感器、

光电检测技术题库

《光电检测》题库 一、填空题 1.对于光电器件而言，最重要的参数是、和。 2.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成。 3.光电三极管的工作过程分为和。 4.激光产生的基本条件是受激辐射、和。 5. 非平衡载流子的复合大致可以分为和。 6.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是填满的能带，称为价带。价带以上的能带，其中最低的能带常称为，与之间的区域称为。 7.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有，价带中没有，所以不能。 8.载流子的运动有两种型式，和。 9. 发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。 10. 光电检测电路一般情况下由、、组成。 11. 光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光敏电阻属于效应。 12.半导体对光的吸收一般有、、、和这五种形式。 13. 光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。 14.半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。 15.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成，光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。 16.描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和。 17.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和等。 18..使用莫尔条纹法进行位移-数字量变换有两个优点，分别是和。 19.电荷耦合器件（CCD）的基本功能是和。 20.光电编码器可以按照其构造和数字脉冲的性质进行分类，按照信号性质可以分为 和。 21.交替变化的光信号，必须使所选器件的大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。 22.随着光电技术的发展，可以实现前后级电路隔离的较为有效的器件是。 23.硅光电池在偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。

简答题——光电检测技术期末整理

1、雪崩光电二极管的工作原理 （当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。） 2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？ （共性：同属于内光电效应。区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。） 什么是敏感器？敏感器与传感器的区别和联系？ （将被测非电量转换为可用非电量的器件。共性：对被测非电量进行转换。 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） 发光二极管的工作原理。 （在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。 说明光子器件与热电器件的特点。 光子器件热电器件 响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号需 要的时间短，一般为纳秒到几 百微秒 响应慢，一般为几毫秒 PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点 （它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。两侧P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。特点： PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。缺点:由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。） 热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应。 （第一步：是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样； 第二步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。 第二阶段） 8、光电检测系统由哪几部分组成？作用分别是什么？ 1.论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。（10分） 下面是一个光电检测系统的基本构成框图：

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。从Fermi能级的变化上来理解：温度越高，半导体Fermi能级就越靠近禁带中央（即趋于本征化），则两边半导体的Fermi能级之差也就越小，所以p-n结势垒高度也就越低，也就是开压降低。 光电倍增管的响应度受多方面的因素影响，比如：偏置电压的高低、环境光和温度变化等多方面因素的影响。无光时光电倍增管对光的响应度更趋于平稳，使实验数据也更具有可靠性。因此，无光环境是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要因素之一。光电倍增管工作时由于阴极材料发热，这样对光电倍增管的响应度产生较大的影响，因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度的影响。 降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射,从而降低暗电流。另外,光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。 10、简述光电耦合器件的工作原理？ 光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。 15、光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点? (1)光生伏特器件有反向偏置电路，零偏置电路，自偏置电路。 (2)特点： 自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载为最佳负载电阻时具有最大的输出功率，但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，因此在测量电路中好少采用自偏置电路。 反向偏置电路：光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围加宽，因此反向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电检测与光电变换中。

光电检测技术知识点

1、光电效应应按部位不同分为光电效应和外光电效应，光电效应包括（光电导）和（光生伏特效应）。 2、真空光电器件是一种基于（外光电）效应的器件，它包括（光电管）和（光电倍增管）。结构特点是有一个真空管，其他元件都放在真空管中 3、光电导器件是基于半导体材料的（光电导）效应制成的，最典型的光电导器件是（光敏电阻）。 4、硅光电二极管在反偏置条件下的工作模式为（光电导），在零偏置条件下的工作模式为（光生伏特模式）。 5、变象管是一种能把各种（不可见）辐射图像转换成为可见光图像的真空光电成像器件。 6、固体成像器件（CCD）主要有两大类，一类是电荷耦合器件（CCD），另一类是（SSPD）。CCD电荷转移通道主要有：一是SCCD（表面沟道电荷耦合器件）是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；二是BCCD称为体沟道或埋沟道电荷耦合器件，电荷包存储在离半导体表面一定深度的体，并沿着半导体一定方向传输 7、光电技术室（光子技术）和（电子技术）相结合而形成的一门技术。 8、场致发光有（粉末、薄膜和结型三种形态。 9、常用的光电阴极有正电子亲合势光电阴极（PEA）和负电子亲合势光电阴极（NEA），正电子亲和势材料光电阴极有哪些（Ag-O-Cs,单碱锑化物，多碱锑化物）。 10、根据衬底材料的不同，硅光电二极管可分为（2DU）型和（2CU）型两种。 11、像增强器是一种能把微弱图像增强到可以使人眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为（微光管）。 12、光导纤维简称光纤，光纤有（纤芯）、（包层）及（外套）组成。 13、光源按光波在时间，空间上的相位特征可分为（相干）和（非相干）光源。 14、光纤的色散有材料色散、（波导色散）和（多模色散）。 15、光纤面板按传像性能分为（普通OFP）、（变放大率的锥形OFP）和（传递倒像的扭像器）。 16、光纤的数值孔径表达式为，它是光纤的一个基本参数、它反映了光纤的（集光）能力，决定了能被传播的光束的半孔径角 17、真空光电器件是基于（外光电）效应的光电探测器，他的结构特点是有一个（真空管），

光电检测技术与应用(题)

第1、温度变化与自发极化强度有何关系？ 答：晶体的整体温度的微小变化ΔT产生自发极化强度Ps的变化可表示为ΔˉPs=ˉPΔT式中ˉP为热释电系数矢量，一般有三个分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsi∕dT(单位c∕㎡k) 在与电热释电晶体的自发极化强度Ps轴垂直的表面内出现的束缚电荷面密度等于Ps，晶体内部电荷中和束缚电荷的平均时间て=ε∕r这里ε为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，多数热释电晶体て值在1——1000s之间。 第2、热电势探测器能否测量直流信号？为什么？ 答：用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7——15μm，人体辐射为9μm，图中被测物体（或人体）所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为?的红外光照摄热释电晶体，当?>1∕て时，晶体内自由电荷来不及中和表面束缚电荷的变化结果就使在垂直于极化强度Ps的两端面间出现交流电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负载R两端就有交流电压输出，设温度变化率为dT∕dt，极化强度Ps对时间的变化率为dPs∕dt，电极面积为A，则AdPs∕dt就相当于电路上的电流，于是电压输出与温度变化率成正比。 第3、硅光电池为什么使用梳状电池？ 答：梳状电极：大面积光敏面采用梳状电极可以减少光载流子的复合，从而提高转换率，减少表面接触电阻。 第4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？ 答：无光照时反向电阻很大（MΩ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。 光敏二极管的缺点：暗电流较大 为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负极从而可以减少负极与正极之间的暗电流。 第5、两种高速的光电二极管的结构特点和原理？（PIN、APD） 答：PIN光电二极管结构特点：P层和N层之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导I 增加I区优点：（1）因为I区相对的P区和N区是高阻，在反偏的工作情况下，它承受极大部分电压降，使耗尽区增大，这样展宽了光电转换有效工作区，使灵敏度增大（2）又因为PIN结光电二极管的工作电压是很高的反偏电压，使PIN结的耗尽层加宽，电场强光生电流加速因而大幅度减少了载流子在结构内漂移时间元件的响应速度加快 电路特点：反偏电压高 APD光电二极管结构特点：在光照时P+层受光子能量激发的电子从所带电跃迁到导带，在高电场作用下，电子从高速通过P层产生碰撞电离，形成大量新生电子空穴对，并且它们也从电场中获得高能量与从P+层来的电子一起再次碰撞P区的其他原子，又产生大批新生电子 第6、光纤传感器种类？ 答：光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器，它是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，既感知信息又传输信息，所以又称传感型光纤传感器。另一类是非功能型传感