光电信号检测第八章
光电信号检测光电探测器概述概要课件
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理基于光子与物质相互作用产生电子-空穴对或光生电场效 应，从而将光信号转换为电信号。
具体来说，当光子照射到光电探测器的敏感区域时，光子能量被吸收并产生电子 -空穴对，这些电子-空穴对在电场的作用下分离并形成光电流，从而完成光信号 到电信号的转换。
光电探测器的应用领域不断拓 展，如物联网、智能制造、无 人驾驶等新兴领域，为市场发 展带来更多机遇。
05
光电探测器的挑战与展望
光电探测器的挑战与展望
• 光电探测器是用于检测光信号并将其转换为电信号的器件，广泛应用于光通信、环境监测、安全监控等领域。随着光电子技术的发展，光电 探测器的性能不断提高，应用范围不断扩大。
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04
光电探测器的市场前景
全球市场情况
光电探测器在全球范围内应用广泛，包括通信、工 业、医疗、安全等领域。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，全球光电 探测器市场规模持续增长。
市场竞争激烈，各大厂商在技术研发、产品创新等 方面不断投入，以提高市场份额。
中国市场情况
02
01
03
中国光电探测器市场发展迅速，成为全球最大的光电 探测器市场之一。
光电探测器的分类
01
光电探测器可以根据工作原理、材料、波长响应范围、光谱响应特、光电发射型等；按材料可分为硅基、锗 基、硫化铅等；按波长响应范围可分为可见光、红外、紫外等；按光谱响应特 性可分为窄带、宽带等。
03
•·
02
光电探测器的应用
通信领域的应用
光纤通信
光电探测器在光纤通信中起到至关重要的作用。它们能够将光信 号转换为电信号，使得信息的传输和处理成为可能。
《 光电检测技术 》教学大纲
《光电检测技术》教学大纲课程代码：课程中文名：光电检测技术课程英文名：课程类别：专业技术科适用专业：光伏材料应用、光伏发电应用、电子技术等专业课程学时： 48学时课程学分： 3学分一、课程的专业性质、地位和作用（目的）1、性质：必修2、地位：光电检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新型检测技术，它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示。
光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一。
3、作用：通过本课程的教学，使学生了解和掌握各种光电器件的结构、工作原理、工作过程、工作特性及其基本的应用，培养学生通过了解器件的性能特点来搭建检测系统的能力，培养学生学习的能力和综合运用知识的能力，培养学生理论联系实际的学风和科学态度，提高学生的分析处理实际问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。
二、教学内容、学时分配和教学的基本要求第一章光电检测应用中的基础知识6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0 学时1.1 辐射度学和光度学基本概念1.2 半导体基础知识1.3 基本概念1.4 光电探测器的噪声和特性参数重点:辐射度学和光度学基本概念难点:光电探测器的噪声和特性参数教学要求:本章介绍了光电检测应用中的基础知识，要求学生对基本概念有理解，进而掌握光电探测器的噪声及特性参数第二章光电检测中的常用光源3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时2.1 光源的特性参数2.2 热辐射源2.3 气体放电光源2.4 固体发光光源2.5 激光器重点：光源的特性参数难点：气体、固体发光光源和激光器的工作原理教学要求:本章要求学生掌握各种固体发光的工作原理及其应用第三章结型光电器件 6 学时，理论教学6 学时，实践或其他教学0学时3.1 结型光电器件工作原理3.2 硅光电池3.3 硅光电二极管和硅光电三极管3.4 结型光电器件的放大电路3.5 特殊结型光电二极管3.6 结型光电器件的应用举例——光电耦合器件重点：结型光电器件的工作原理；硅光电池的工作原理及特性；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较难点：结型光电器件的放大电路及应用举例——光电耦合器件教学要求：要求学生掌握硅光电池的工作原理；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较及结型光电器件的放大电路及应用——光电耦合器件第四章光电导器件6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时4.1光敏电阻的工作原理4.2 光敏电阻的主要性能参数4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声4.4 光敏电阻的特点和应用重点：光敏电阻的工作原理和特性参数难点：光敏电阻的应用教学要求：要求学生掌握光敏电阻的工作原理及性能参数及光敏电阻的应用第五章真空光电器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时5.1 光电阴极5.2 光电管与光电倍增管5.3 光电倍增管的主要特性参数5.4 光电倍增管的供电和信号输出电路5.5 微通道板光电倍增管5.6 光电倍增管的应用重点：光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数难点：光电倍增管的供电和信号输出电路及应用教学要求：要求学生掌握光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数及实际应用第六章真空成像器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时6.1像管6.2常见像管6.3摄像管6.4光导靶和存储靶6.5摄像管的特性参数6.6摄像管的发展方向重点：像管与摄像管的工作原理难点：光导靶和存储靶的原理及摄像管的特性参数教学要求：要求学生掌握像管与摄像管的工作原理及特性参数第七章固体成像器6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时7.1 电荷耦合器件7.2 电荷耦合器件的分类7.3 CCD摄像机分类7.4 CCD的特性参数7.5 自扫描光电二极管阵列7.6 固体摄像器件的发展现状和应用重点：电荷耦合器件的工作原理；CCD的特性参数难点：自扫描光电二极管阵列教学要求：要求学生掌握CCD固体成像器件的工作原理第八章红外辐射与红外探测器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时8.1 红外辐射的基础知识8.2 红外探测器8.3 红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项8.4 红外测温8.5 红外成像8.6 红外无损检测8.7 红外探测技术在军事上的应用重点：红外探测器的工作原理、性能参数及使用中应注意的事项难点：红外探测器的具体应用教学要求：要求学生掌握红外辐射的基础知识，并掌握红外探测器的各种具体应用第九章光导纤维与光纤传感器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时9.1 光导纤维基础知识9.2 光导纤维的应用9.3 光纤传感器的分类及构成9.4 功能型光纤传感器9.5 非功能型光纤传感器重点：光导纤维的基础知识及功能型光纤传感器的工作原理难点：非功能型光纤传感器的工作原理教学要求：要求学生掌握光导纤维的基础知识，并掌握光纤传感器的工作原理第十章太赫兹波的产生与检测3学时其中理论教学 3 学时，实践或其他教学0学时10.1 概述10.2 THz辐射光谱学10.3 THz辐射成像重点：THz辐射成像的原理难点：THz辐射成像的原理教学要求：要求学生掌握THz辐射成像的原理三、各章节教学课时分配表本课程各部分教学内容计划学时数分配如下：四、课程的考核办法和成绩评定：1、考试 2.笔试（闭卷）3.平时成绩比重：平时成绩（包括考勤、作业、答疑、课堂练习、课外实验、等）占30%4.期末成绩比重:卷面考试占70%。
《传感器与检测技术》课后习题：第八章(含答案)
第八章习题答案1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。
解：光电效应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,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;b)受光照的物体导电率1R发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。
2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。
解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。
内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。
3．简述CCD 的工作原理。
解：CCD 的工作原理如下：首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。
CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。
CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。
4．说明光纤传输的原理。
解：光在空间是直线传播的。
在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。
当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。
设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。
当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时，根据斯涅耳（Snell ）光的折射定律，在光纤内折射成θj ，然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。
若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc （处于临界状态时，θr =90º），即:21arcsin k c n n θϕ≥=且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。
第8章 分光光度法
24
3、吸收池：(比色皿)用于盛待测及参比溶液。 可见光区：光学玻璃池
紫外区：
石英池
4、检测器：利用光电效应，将光能转换成电流讯号。 光电池，光电管，光电倍增管 5、显示系统： 低档仪器：刻度显示 中高档仪器：数字显示，自动扫描记录
25
单色器
棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同
800
λ1
白光
19
（二）化学因素
• Beer定律适用的另一个前提：稀溶液 • 浓度过高会使C与A关系偏离定律
20
8.2 比色法和分光光度法
8.2.1 比色法 1.目视比色法
观察方向
cc 12
c1
c2
c3
c3
c4
c4
方便、灵敏，准确度差。常用于限界分析。
21
2. 光电比色法
通过滤光片得一窄范围的所谓单色光(几十nm)
4
光学光谱区
远紫外
（真空紫外）
近紫外 可见
近红外
中红外
远红外
10nm~200nm 200nm ~380nm
380nm 780 nm ~ 780nm ~ 2.5 m
2.5 m ~ 50 m
50 m ~300 m
5
溶液中溶质分子对光的吸收与吸收光谱
不同颜色的可见光波长及其互补光
/nm
400-450 450-480 480-490
2) 磷的测定: DNA中含P～9.2%, RNA中含P～9.5%, 可得核酸量.
H3PO4+12(NH4)2MoO4+21HNO3 =(NH4)3PO4· 12MoO3+12NH4NO3+12H2O
磷钼黄(小) Sn2+
第八章 图像信息的光电变换2-1节
序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像
素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感 器以自扫描的方式输出一维时序电信号。
监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子束偏
转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数 进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。
(8-1)
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子 束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为
f=fx〃vhf
（8-2）
CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上 述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因
此， CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。
8.2.2 电视制式
电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像
当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。 由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征 层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载 流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被 拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场 看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结 果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面 上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成 了图像的变换和记录过程。
传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像 转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为 视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相 应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能 保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。
武汉理工大学 光电信号检测技术-复习内容2019
7. 视力为 1.0 的人，一般可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"； 人眼通过光学仪器，可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"。
光电检测技术习题试题
第 1 章光电检测技术概论
选择题：
1. 一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器是(1)人眼；(2)光电倍增管；(3)半导体 光敏器件； 在大脑传送信息的 300 万条神经纤维中，视神经纤维占了(1) 2/3； (2) 1/2；(3)1/3
2. 人体内，视神经细胞接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2 X 108； (3) 2X 104 ； (4)3X104 ； 人体内，听觉接收细胞的接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2X108； (3) 2 X 104 ； (4) 3X104。
7. 色温越高的辐射体，可见光的成分越(1)多；(2)少。 色温越高的辐射体，光视效能越(1)高；(2)低。
8. 色温越高的辐射体，光度量越(1)高；(2)低。 白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱(1)减弱 (2)增强；
9. 白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的光视效能(1)降低；(2)提高。 白炽灯的供电电 压降低时，灯丝温度降低，此时用光照度计检测出的光照度将(1)下 降；(2)增大。
问答题
1. 什么是视觉？为什么说一个人的视觉最重要？ 2. 什么是视见函数？明视觉与暗视觉各有什么作用？ 3. 什么是光电传感器？它有什么作用？ 4. 试述光电检测系统的特点？ 5. 近年来光电技术与光电检测技术在光电材料与器件方面有什么进展？
第8章 外差(相干)探测系统
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外差探测系统
光频外差探测，就是把以 为载频的光频信息转换到以ω 光频信息转换到以 光频外差探测，就是把以ωs为载频的光频信息转换到以 IF 为载频的中频电流 中频电流上 这一“转换”是本振光的作用， 为载频的中频电流上。这一“转换”是本振光的作用，它 使外差探测具有一种天然的转换增益 转换增益。 使外差探测具有一种天然的转换增益。 在同样信号光功率P 条件下， 在同样信号光功率 s 条件下，相干探测和直接探测方法得 到的信号功率比， 转换增益为 到的信号功率比，即转换增益为：
2 2
有效中频功率与信号光功率和本振光信号平均功率乘 积有关。 积有关。
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外差探测系统
调幅信号的相干探测
信息信号加载在频率为ω 若调制频率为 的信息信号加载在频率为 s的光波振幅 调幅光波可表示为： 上，调幅光波可表示为：
调幅波振 幅平均值 第n次谐波分量的 次谐波分量的 圆频率和初始相位
ωLs 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。光波 振幅上所携带的调制信号完全无畸变地转移到频率为 ωLs=ωL－ωs的电流上去。 的电流上去。 调频、调相方式的相干探测与之类似， 调频、调相方式的相干探测与之类似，但直接探测则无 法达到。 法达到。
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外差探测系统
§8-2 光频外差探测的特点
1 高的转换增益
信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为： 信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为：
8第八章 比色分析法
医学化学
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（A）光电池：常用的光电池是硒光电池， 当光照射在光电池上时，半导体硒表面就有电 子逸出，被收集于金属薄膜上，因此带负电， 成为光电池的负极。由于硒的半导体性质，电 子只能单向移动，使铁片成为正极。通过与电 阻很小的外电路连接，能产生光电流，可直接用 检流计测定，电流大小与照射光强度成正比。
T 比色法中常把I/I0 称为透光度，用T表示，
def
透光度和吸光度的关系如下：
I I0
A =－lgT
医学化学
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当c以质量体积浓度（g· ml-1）表示时，吸光系数 称为质量吸光系数，用a表示。当c以mol· L-1为单 位时，吸光系数称为摩尔吸光系数，用ε表示， 其单位是L· mol-1· cm-1。吸光系数越大，表示溶液 对入射光越容易吸收，当c有微小变化时就可使 A有较大的改变，故测定的灵敏度较高。一般ε 值在103以上即可进行比色分析。
I
上式为朗伯-比尔定律的数学表示式。它表示一束 单色光通过溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度 和液层厚度的乘积成正比。 医学化学
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式中，K为吸光系数，当溶液浓度c和液层厚度b 的数值均为1时，A=K，即吸光系数在数值上等 于c和b均为1时溶液的吸光度。对于同一物质和 一定波长的入射光而言，它是一个常数。
500 ~ 560
青
红
650 ~ 760
医学化学
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同理，CuSO4溶液能吸收黄色光，所以溶液呈蓝 色。由此可见，有色溶液的颜色是被吸收光颜色 的补色。吸收越多，则补色的颜色越深。比较溶 液颜色的深度，实质上就是比较溶液对它所吸收 光的吸收程度。
光电检测技术—第八章
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第八章相干检测方法与系统第八章相干检测方法与系统掌握内容–相干检测系统理解内容–形成各光电检测系统的方法了解内容–各光电系统的运用第八章相干检测方法与系统8.1 相干检测的基本原理 8.2 基本干涉系统及应用 8.3 同频率相干信号的相位调制与检测方法 8.4 光外差检测方法与系统8.1 相干检测的基本原理相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息信号进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。
从理论上讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相位所携带的信息。
8.1 相干检测的基本原理但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探测光的强度。
因此，光的这些特征参量最终都须转换为光强的变化进行探测。
而这种转换就必须通过干涉测量技术。
8.1 相干检测的基本原理（一）光学干涉和干涉测量–光干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。
–干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的形式检测出来。
8.1 相干检测的基本原理–干涉条纹的强度信息和被测量的相关参数相对应。
对干涉条纹进行计数或对条纹形状进行分析处理，可以得到相应的被测信息。
8.1 相干检测的基本原理（二）干涉测量技术中的调制和解调–干涉测量实质是被测信息对光载波的调制和解调的过程。
–各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解调器。
–幅值调制、相位调制、频率调制、偏振调制、光波谱调制。
8.1 相干检测的基本原理8.2 基本干涉系统及应用能形成干涉现象的装置是干涉仪。
作用：将光束分成两个沿不同路径传播的光束，在其中一路中引入被测量，产生光程差后，再与另一路参考光重新合成为一束光，一边观察干涉现象。
《光电检测》课件
在一定信噪比下，能够被探测器探测到 的最小光功率。
带宽
光电检测器件响应时间的变化率，反映 器件对快速变化光的响应能力。
线性范围
光电检测器件输出与输入在一定范围内 呈线性关系的区域。
光电检测器件的分类与选型
光电检测器件分类
光电二极管、光电晶体管、光电倍增 管、光电池等。
选型依据
根据实际应用需求，综合考虑响应度 、带宽、噪声等效功率和线性范围等 特性参数，以及成本、体积、功耗等 因素进行选择。
光电检测器件的工作原理
01
光电效应
当光照射在物质上时，物质吸 收光能并产生电子-空穴对的现
象。
02
光生电信号
通过光电效应，光能转换为电 能，产生电信号。
03
电信号处理
经过信号处理电路，将电信号 转换为可处理的数字信号或模
拟信号。
光电检测器件的特性参数
响应度
光电检测器件输出电信号与入射光强之 比，反映器件的光电转换效率。
果的影响。
光电检测系统的设计流程
需求分析
明确光电检测系统的应用需求和性能要求。
元器件选择
选择合适的传感器、电路元件和其他必要器件。
软件编程
编写控制程序，实现光电检测系统的功能。
方案设计
根据需求分析，设计系统的整体架构和各部分组成。
硬件搭建
按照设计方案，搭建光电检测系统的硬件部分。
系统调试
对搭建好的系统进行调试，确保各项性能指标达到要求 。
实验步骤
搭建实际应用的光电检测系统、测试和分析系统性能等。
05
光电检测的挑战与展望
光电检测面临的主要挑战
光源稳定性问题
噪声干扰
光源的不稳定会导致光电检测的误差，特 别是在长时间曝光或高灵敏度检测中。
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技术是指利用光电器件对光信号进行检测和分析的一种技术，是现代光电技术领域中的重要分支之一。
该技术具有非接触、高精度和实时性强等优点，被广泛应用于各种领域，如制造业、生命科学、医学等领域。
一、光电检测的原理光电检测的原理是利用光电器件将光信号转化为电信号，然后通过电路对电信号进行处理，从而实现对光信号的检测和分析。
常见的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电子倍增管、光电晶体管等。
这些器件都是通过光电效应将光信号转化为电信号。
其中，光电二极管和光敏电阻适用于光强检测，并且在环境光强变化较大时表现出较好的稳定性；光电子倍增管和光电晶体管适用于弱光信号检测，并且可以提高信号的增益和灵敏度。
二、光电检测的应用领域1. 制造业中的光电检测制造业中的光电检测主要是通过对产品的外观进行检测和分类。
例如，利用光电传感器对印刷品进行检测，检测印刷品的颜色、位置和质量等方面。
此外，还可以利用光电检测技术来检测机器人在工作过程中的运动和位置，从而保证生产线的正常运行。
2. 生命科学中的光电检测生命科学中的光电检测主要用于对细胞、分子和生物反应的研究。
例如，利用荧光探针和激光扫描共聚焦显微镜，可以对细胞进行活细胞成像；利用光谱学和红外光谱技术，可以对细胞、组织和血液等生物样品进行化学成分分析。
3. 医学中的光电检测医学中的光电检测主要用于医疗诊断和治疗。
例如，利用光相干层析成像技术，可以对眼部疾病进行检测和诊断；利用光动力疗法，可以对表皮瘤、糖尿病、癌症等疾病进行治疗。
三、光电检测技术的发展现状光电检测技术是一项高端技术，它不仅涵盖了科学领域中的众多前沿领域，而且在现代社会中得到广泛的应用。
目前，世界各国都在积极推进光电检测技术的研究和发展，探索其潜在的应用领域。
在我国，光电检测技术的应用已经越来越广泛。
例如，在制造业中，我国已经开始使用许多光电传感器对产品进行质量检测；在生命科学中，我国也开始利用光电显微技术开展一系列生物医学研究；在医疗领域中，我国也开始尝试利用光电检测技术来治疗眼部疾病。
光电信号检测
光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信息
•光接收机的基本结构
接收到的 光场
接收透镜系统
光电检测器
后继检测处理器
接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上
光电检测器：完成光电信号的转换
检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。
•光接收机的分 类
信号，经电信号处理后再经过电光变换形成光信号输出。 例如：电视技术中的摄像管，显像管以及声像光盘的录制 和再现都是这类系统的代表。
（3）电-光-电型： 电信号经过电光变换得到可在光路中传输的光信号，
在经过光电变换为电信号后作进一步处理或输出。典型应 用如光纤通讯，其主要利用光纤对光信号进行传输。像光 纤立靶的应用。
1.1 信息技术及光电检测技术
• 信息技术： 微电子技术、光子信息技术和光电信息技术
传统的电子技术
微电子技术
光子信息技术
光电信息技术
传统的电子技术
微电子技术术：通过控制固体内电子的微观运动来实现对信息的加工处理，并在 固体的微区（小到几个晶格）内进行，将一个电子功能部件甚至一个系统 集成在一个很小的芯片上。
•功率检测接收机—直接检测或非相干检测 外差检测接收机—相干检测（空间相干）
•光接收机的分类图示
空间滤波器
透镜
接收到 的光场
光电检测器
频率滤波器
直接检测接收机
外差检测接收机
透镜
合束镜
接收到 聚焦光场 的光场
光电检测器
本地光场
本地激 光器
•光电系统框图
电
光
被
光
光
信
光
学
光电检测技术及应用 第8章光电检测常用电路
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r2
1 2
arctg
(wL2
1 wC 2
r2
)
w0 L2 r2
w w0
1 r2 w0C2
w0 w
Q2
(
w w0ห้องสมุดไป่ตู้
w0 w
)
Q2
2w w0
Q2
w0 L2 r2
为二次侧回路的品质因数，
称为广义失调
量，Z2为二次侧回路的阻抗。
w w w0 为角频率变化量。I2 的相位较U1 滞后 ，它在
电二极管处于接近开路状态，
可以得到与开路电压成正比例
的输出信号即
，A = R2 R1
v
R1
根据（8-1）式代入得
V0 AV Voc
V0
AV
kT q
ln(Se E / I 0 )
四、光电器件与集成运算放大器的连接
（3）阻抗变换型
电路的输出电压
V0 I sc R f R f Se E
当实际的负载电阻 RL 与放大器连接时，RL 远远大于R0 ，则负
常见的鉴频器有斜率鉴频器、相位鉴频器、 比例鉴频器等，对这些电路的要求主要是非线 性失真小，噪声门限低。
1．斜率鉴频器 斜率鉴频器是属于调幅调频变换型。它先通
过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波 瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检 波器进行振幅检波。
图8-10 斜率鉴频器原理框图及各环节波形图
二、放大器设计中频率及带宽的确定 在实际系统中，从提高信噪比考虑，很少
要求精确保持波形，而按实际需要适当牺牲高 频成分，保持必要的脉冲特性。图8-4说明了 所需保持波形和电路3dB带宽△f之间的关系。
《传感器与检测技术》第八章光电式传感器
光 检 测 放 大
烟 筒
刻 度 校 对
显 示 报 警 器
吸收式烟尘浊度监测系统组成框图
3．包装充填物高度检测
光电开光
光电信号
h 放大 整形 放大
执行机构
利用光电检测技术控制充填高度
五、光电耦合器件
1．光电耦合器 （1）耦合器的组合形式
（2）耦合器的结构形式
（3）耦合器常见的特性
对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。 1）电流传输比 2）输入输出间的绝缘电阻 3）输入输出间的耐压 4）输入输出间的寄生电容 5）最高工作频率 6）脉冲上升时间和下降时间
的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。
光敏晶体管的结构与原理电路
原理：光照射在集电结上时 ，形成光电流，相当于 三极管的基极电流。因而集电极电流是光生电流的 β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
（3）基本特性 1）光谱特性
应用：光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但 对红外光进行探测时，锗管较为适宜。
运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具
有的能量为： E=h·υ
υ—光波频率； h—普朗克常数，h＝6.63*10-34J/Hz
对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率 越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看 做是一连串能量为hγ的光子轰击在这个物体上，此 时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部 能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传 递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射
2．光电开关 （1）典型的光电开关结构
（2）光电开关的应用
第二节 光纤传感器
光纤传感器FOS（Fiber Optical Sensor)用光作为敏 感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。 因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
光电检测 第八章 固体成像器件
辒入栅的偏置电压,Uth为硅材料的阈值电压,μ为载流
子的迁秱率,Cox为注入栅IG的电容。
8.1
电荷耦合器件
经过Tc时间注入后,CR2下势阱的信号电荷量为
W Cox Qs ( U in U iD U th ) 2 Tc (8-5) Lg 2
可见这种注入斱式的信号电荷Qs,丌仅依赖于Uin和 Tc,而且不辒入二极管所加偏压的大小有关。因此 ,Qs不Uin没有线性关系。 用作信息存储和处理时，采用电注入的斱式辒 入电荷。信号电荷来自先注入时，也需要电注入电 路在零信号时注入少量电荷(即“胖零”模式)。
比。如图(a)所示为空势阱的情冴。图 (b)所示为反
型层电荷填充1/3势阱时
第 八 章 固 体 成 像 器 件
表面势收缩的情冴,当反型
层电荷继续增加,表面Φs 将逐渐减小,反型层电荷 足够多时,表面势Φs减小到最低值ΦF,如图（c）所示
8.1
电荷耦合器件
此时,表面势丌再束缚多余的电子,电子将产生 “溢出”现象。这样,表面势可作为势阱深度的量度, 而表面势又不栅极电压、氧化层厚度dox有关,即不
电极和②电极共有。如图（c）
所示。
8.1
电荷耦合器件
t=t3时,各电极上的电压如图 (d)所示,此时①电极上的电压 由+10 V发为+2V,下面的势 阱由深发浅,势阱内电荷开始 秱入②电极下的深势阱中。
第 八 章 固 体 成 像 器 件
深势阱仍①电极下秱动到②
电极下面,势阱内的电荷也向
右转秱(传辒)了一位。如图
得规频信号;不真空成像器件丌同,固体成像器件本
身就能完成先学图像转换、信息存储和按顺序辒出
(称自扫描)规频信号的全过程。
光电检测方法和方案设计指导书
光电检测方法和方案设计指导书一、光电检测方法。
1.1 基本原理。
光电检测方法啊，那可是基于光电效应的。
简单说呢，就是光照到某些材料上，会产生电信号。
这就好比是一种神奇的魔法，光一照，电就有了。
像光电二极管啊，那就是这个魔法的小使者。
光照在它身上，就会引起电流或者电压的变化。
这种变化可不得了，它能把光信号转化成我们能处理的电信号，就像把一种语言翻译成另一种语言一样。
这其中有外光电效应，就像电子挣脱束缚跑出来，是一种比较直接的反应；还有内光电效应，像是电子在内部进行重新排列组合，虽然没跑出来，但是也发生了很重要的变化。
1.2 常见检测方法。
这里面常见的方法可不少呢。
比如说光电流检测，就像是看水流大小一样，通过检测光产生的电流大小来知道光的强度等信息。
还有光电压检测，这就好比是看水位高低，从电压的数值上判断光的一些特性。
另外，还有光通量检测，这个就有点像计算流过的水量总量，是对光总量的一种检测方式。
二、光电检测方案设计。
2.1 明确检测目标。
在设计光电检测方案的时候啊，首先得搞清楚要检测啥。
这就如同打仗要知道敌人是谁一样。
是检测光的强度呢，还是光的颜色呢？或者是其他更复杂的光学特性？要是搞不清楚目标，那后面的设计就像没头的苍蝇，到处乱撞。
比如说要检测太阳光的强度，那设计方案就得围绕这个强度检测来做文章。
2.2 选择合适的光电检测器件。
选器件就像是挑武器。
光电二极管、光电三极管、光电倍增管等等，各有各的优缺点。
如果检测的光比较微弱，那光电倍增管可能就像一把锐利的宝剑，它能把微弱的信号放大好多倍。
要是光强比较适中，光电二极管就像一把趁手的小刀，简单实用。
可不能选错了器件，不然就会“事倍功半”。
2.3 设计信号处理电路。
信号处理电路这部分啊，那可是方案的大脑。
它要对光电检测器件产生的电信号进行处理。
这就好比是把原料加工成产品。
可能需要放大电路，把小信号放大；可能需要滤波电路，把不需要的干扰信号去掉，就像把杂质去除一样。
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成像物镜
被测钢板边缘
图8-2钢板边缘位置光电检测
5
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8.1.1单元光电信号的二值化处理
1、固定阈值法二值化处理电路
图8-3为典型固定阈值法二值化处理电路。图中电压比较 器的“—”输入端接能够调整的固定电位Uth。由电压比较 器的特性可知，当输入的光电信号值使同相输入的电压 U+高于固定电位Uth时，比较器输出高电平，即为1；当 U+低于Uth时，不管其值如何接近于Uth，其输出都为低电 平，即为0。
Vcc Ui Rp R1 R2 + A _
U。
Uth
光电检测系统 的精度不受光 源的稳定性影 响情况下适用
7
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
图8-4浮动阈值的二值化处理电路
8.1.2视频信号的二值化处理
二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。
8
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.2视频信号的二值化处理
CCD 视频信号 低通滤波 微分II
微分 I 过零触发
绝对值
二值化
滤波后变成连续信号，再通过微分I电路， 输出视频信号的变化率，信号电压的最 大值对应视频信号边界过渡区变化率最 大点A及A‘。微分I电路对应视频信号的 上升边与下降边输出了两个极性相反的 信号，经过绝对值电路将微分I电路输出 的信号转变成同级性。信号的最大值对 应边界特征点。信号通过微分II电路后， 获得对应最大绝对值处的过零信号，再 经过过零触发电路后，输出了两个过零 信号，它们就是视频信号起初边界的特 征信息。计算连个脉冲的间隔，可获得 图像的二值化宽度。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.1单元光电信号的二值化处理
例1、运动机件的控制：
运动过程： S
V1高速
V2低速
A
V2低速 V1高速
B
D1 S V1 A
D2 B V2
D3
V1
S1
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
图8-5浮动阈值的二值化电路 CCD视频输出的脉冲调制信号经过低通 视频信号 微分I 绝对值 微分II
O
O O O O
A
A'
t t t t t t
过零触发
二值化信 O 号
9
信息光电子研究所 图8-6电路工作波形 Information optoelectronics research
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
Information optoelectronics research
14
线阵CCD在对物体外形尺寸、位置、振动等的测量应用中常采用二值化 处理方法。
1、硬件二值化数据采集电路
硬件二值化数据采集电路由与门电路、二进制计数器、锁存器和显示器 等硬件逻辑电路构成。 电路原理方框图如图8-7所示，，工作波形如图8-8所示。
10
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
2、浮动阈值法二值化处理电路 图8-4为阈值电压随光源浮动的二值电路。图中的阈值电 压为从光源分得一部分光加到光电二极管上。光电二极 管在适当的偏置下输出与光源的发光强度呈线性变化的 电压信号。用这个电压信号作为阈值，即可得到随发光 强度浮动的阈值Uth。将Uth加到电压比较器的“—”输入端， 将检测信号的输出加到电压比较器的正输入端，在输出 端所得到的信号U。即为随发光强度浮动的二值化信号。
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
图8-8中fc的低电平使计数器清“0”；它在变成高电平以后， 计数器可进行计数工作。 •主时钟脉冲fM的频率是采样 脉冲SP或抚慰脉冲RS频率的 整数(N)倍，而SP或RS脉冲周 期恰为CCD输出1个像元周期 的1/ N。方波脉宽中的fM脉冲 数为方波范围内像敏单元的N 倍。可见，采用高于采样脉冲 SP频率N倍的主时钟fM为计数 脉冲，能够获得细分像敏单元 的效果，使测量的精度更高。
11
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
线阵CCD的驱动器除产生CCD所 需要的各种驱动脉冲以外，还要 产生行同步控制脉冲fc和用做二 值化计数的输入脉冲（或主脉冲） fM，并要求fc上升沿对应于CCD 输出信号的第一个有效像素单元。 fM脉冲的频率是复位脉冲RS频率 的整数倍，或为CCD的采样脉冲。
第8章 光电信号的数据采集与微机 接口
王静
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1光电信号的二值化处理
光电信号的二值处理：将光电信号转换成计算机能识别的“0” 或“1”数字信号的过程。
8.1.1单元光电信号的二值化处理
单元光电信号：由一个或几个光电转换器件构成的光电转换 电路所产生的独立信号称为单元光电信号。
例：光学系统把被测对象成像在CCD光敏件上，由于被测物与 背景在光强上强烈变化，反映在CCD视频信号中所对应的图像 尺寸边界处会有明显的急剧的电平变化。通过二值化处理会 把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。
实现CCD视频信号二值化处理方法很多，可以用电压比较器进 行固定阈值或浮动阈值处理方法，也可以采用微分法等进行 二值化处理方法。
2、边沿送数法二值化数据电路
数据总线DB
CCD 视频信号
反相器 二值化电路
锁存器1 fM fc
锁存器2
计数器
图8-9边沿送数法二值化数据采集电路原理方框图 •由线阵CCD行同步脉冲fc控制的二进制计数器计得每行的标准脉冲fM(可以 是CCD的复位脉冲RS或像元采样脉冲SP)数。当标准脉冲为CCD的复位脉 冲RS或像元采样脉冲SP时，计数器某时刻的计数值为线阵CCD在此刻输 出像敏单元的位置序号，若将此刻的数值用边沿锁存器锁存，那么边沿锁 存器就能够将CCD某特征像元的位置输出，并存储起来。
S2
S3
图8-1运动机件的控制
3
8.1.1单元光电信号的二值化处理
需要在S、A、B三个点设置三个光电转换器，从 而得到三个单元信号。根据控制的要求，只需要 给出机件是否到达A、B 、 S点，即A、B 、 S点的 光信号输出时0还是1的问题，计算机可根据0，1 的变化时间判断出方向，决定发出的控制（速 度）。这是一个简单的单元光电信号的二值化处 理问题。可用固定阈值法进行二值化处理。
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信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
SH fc
CCD视频信号 二值化输出
阈值电平
N1
N2
图8-10边沿送数法二值化数据采集电路工作波形 在这种方式下计数器在fc高电平期间计下CCD输出的像元位置序号。另外， CCD输出的载有被测物体直径像的视频信号经过二值化处理电路产生被测 信号的方波脉冲，其前、后边沿分别对应于线阵CCD的两个位置。将该方 波脉冲分别送给两个边沿信号产生电路，产生两个上升沿，分别对应于方 波脉冲的前、后边沿，即线阵CCD的两个边界点。用这两个边沿脉冲的上 升沿锁存二进制计数器在上升沿时刻所计得数值N1和N2，则N1为二值化 方波前沿时刻所对应的像元位置值，N2为后沿所对应的像元位置值。在行 周期结束时，计算机软件分别将N1和N2的值通过数据总线DB存入计算机 内存，便可获得二值化方波脉冲的宽度信息与被测图像在线阵CCD像敏面 上的位置信息。 信息光电子研究所
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8.1.1单元光电信号的二值化处理
例2、切钢板时，当被 照光电池刚好被遮挡一半时， 切刀落下，将钢 板切下，这需要对单元 光电信号进行二值化处 理，给出0，1信号。在 考虑到光源发光强度的 稳定度直接影响测量误 差时，就要考虑用浮动 阈值法。
SP fc 二值化 fM 锁存CK
图8-8硬件二值化数据采集电路工作波形
•适用于在一个行周期内只有一个二值化脉冲情况，只能采集二值 化脉冲宽度或被测物体的尺寸而无法检测被测物体在视场中的位置。
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8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
显示器 延时电路 二值化信号 与门
CK锁存器
fM
计数器
fc
图8-7硬件二值化数据采集原理 框图 •CCD的视频信号经二值化处理电路产生的方波脉冲，加到与门 电路的输入端，控制输入脉冲fM是否能够送到二进制计数器的 计数输入端。用fc的低电平作为计数器的复位脉冲。锁存器的 触发输入端CK直接接在二值化输出信号后沿触发的送数脉冲电 路（延时电路）的输出端上，多存起的输出经数据总线送至计 算机。
R2 Ui R1 +5V Uth Rp + A _ U。
优点：电路简单、可靠； 缺点：受光源的不稳定影响 大，需要稳定光源，或在要 求控制精度较低的场合应用。
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图8-3固定阈值法二值化处理电路
8.1.1单元光电信号的二值化处理