南理工光电检测技术课程02 光电检测器件
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（0.38mμ）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：2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=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 ()122222222211221211001001010E E L IE 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）。
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
光电检测课程设计
光电检测课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握光电检测的基本原理，理解光电效应、光电器件的工作原理及其在检测技术中的应用。
2. 使学生了解不同类型的光电传感器及其特性，能够分析其在实际工程中的应用场景。
3. 引导学生掌握光电检测系统的构建方法，学会进行简单的光电检测系统设计和分析。
技能目标：1. 培养学生运用光电传感器进行数据采集和处理的能力，提高实际操作技能。
2. 培养学生运用所学知识解决实际光电检测问题的能力，提高创新意识和实践能力。
3. 提高学生的团队协作能力，学会在团队中分工合作，共同完成项目任务。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光电检测技术的兴趣，激发学习热情，形成主动学习的态度。
2. 培养学生具有严谨的科学态度和良好的实验习惯，注重实验数据的真实性和准确性。
3. 引导学生关注光电检测技术在生产、生活和社会发展中的应用，认识光电检测技术对社会进步的重要性。
课程性质：本课程为高二年级物理选修课程，结合物理知识和实践操作，注重培养学生的实际应用能力。
学生特点：高二年级学生具有一定的物理基础，思维活跃，好奇心强，具备一定的自主学习能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，通过项目式教学，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 光电检测基本原理：光电效应、光电器件原理、光电传感器工作原理。
教材章节：第二章光电检测技术基础2. 光电传感器类型及特性：光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电管、光电倍增管等。
教材章节：第三章光电器件及其特性3. 光电检测系统构建：系统设计原理、传感器选型、信号处理与分析、应用案例。
教材章节：第四章光电检测系统设计与应用4. 实践操作：光电传感器数据采集、处理与分析，实际应用场景下的检测项目实施。
教材章节：第五章实践操作与案例分析5. 创新设计：结合所学知识，开展小组项目，设计并实现一个简单的光电检测系统。
南京理工大学光电检测-习题解答
南京理工大学光电检测-习题解答南京理工大学光电检测课后习题答案第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。
（5）喂钞台、接钞台传感器—红外对管的应用在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。
2、如何实现非电量的测量？为实现非电量的电测量，首先要实现从非电量到电量的变换，这一变换是靠传感器来实现的。
传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方便后续电路的处理。
一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。
放大后的信号经模拟/数字变换后得到数字信号，以便于微处理器或微控制器。
微处理器或微控制器是测控系统的核心，它主要有两个作用：一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、存储和控制。
二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化，即根据信号和测量条件的变化，自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其它的电路参数。
光电检测技术课程设计
光电检测技术 课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握光电检测技术的基本原理，理解光电效应、光电器件的工作机制及其在检测中的应用；2. 使学生了解不同类型的光电传感器及其特点，能根据实际需求选择合适的光电传感器；3. 引导学生掌握光电检测系统中的信号处理方法，了解相关检测电路的设计与实现。
技能目标：1. 培养学生运用光电检测技术解决实际问题的能力，能进行简单的光电检测系统设计；2. 提高学生动手实践能力，能正确操作光电传感器及相关检测设备，进行数据采集和处理；3. 培养学生团队协作和沟通能力，能在小组合作中共同完成光电检测系统的设计与调试。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光电检测技术及其应用的兴趣，激发创新意识，提高学习积极性；2. 增强学生的环保意识，了解光电检测技术在环保、节能等领域的重要作用；3. 引导学生树立正确的价值观，认识到光电检测技术在国家经济发展和国防建设中的地位和作用。
课程性质：本课程为高二年级物理选修课程，结合物理知识和实际应用，注重理论与实践相结合。
学生特点：高二学生在物理知识方面具备一定基础，具有较强的逻辑思维能力和动手实践能力，对新技术和新设备充满好奇心。
教学要求：结合学生特点，注重启发式教学，提高学生的主动学习能力；注重实践操作，培养学生的实际操作能力和问题解决能力。
通过本课程的学习，使学生能够将光电检测技术应用于实际生活和工作中，为我国光电产业的发展做出贡献。
二、教学内容1. 光电检测技术基本原理- 光电效应（光电导效应、光伏效应、光生伏特效应）- 光电器件（光敏二极管、光敏三极管、光电管、光电耦合器）2. 光电传感器及其应用- 不同类型的光电传感器（环境光传感器、位置传感器、转速传感器等）- 光电传感器的选型与应用3. 光电检测系统设计- 信号处理方法（模拟信号处理、数字信号处理）- 检测电路设计与实现（放大电路、滤波电路、信号转换电路等）4. 实践操作与案例分析- 光电传感器操作与调试- 光电检测系统设计实例分析- 小组项目：设计并实现一个简易的光电检测系统教学大纲安排：第一周：光电检测技术基本原理学习，了解光电器件的工作机制；第二周：学习光电传感器及其应用，进行光电传感器选型分析；第三周：学习光电检测系统设计，掌握信号处理方法和检测电路设计；第四周：实践操作与案例分析，小组项目设计与实施；第五周：项目展示与评价，总结课程学习成果。
《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。
光电检测技术第三章光电检测器
光电检测器件
阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用 是把阴极在光照下由外光电效应（见光电式传感器） 产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的 表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极 主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏 度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料有 锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿 极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。
11
光电探测器的响应随入射辐射的调制频 率而变化的特性。其关系如下：
S f So
1 2f 2
1 2
Sf
So
1 0.707
频率响应曲线
上限截 止频率
f上
1
2
1
2RC
f f上
12
二、有关噪声方面的参数（内部噪声） 光电检测器件 对这些随时间而起伏的噪声电压(流)按时间取平均值，
则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个 均方根电压(流)称探测器的噪声电压(流)。 1、光电探测器件的噪声 ①热噪声
计起伏)所造成的噪声。在每个时间间隔内，穿过势垒 区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均 值上下起伏。同样是白噪声。 ③产生复合噪声
载流子的产生率与复合率在某个时间间隔也会在平均 值上下起伏。这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而 也产生均方噪声电流。频率越低，电流较大时，该噪 声就越大。
14
光电检测器件
光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很 大关系。因此要获得所要的线性区，必须设计有相应 的电子线路。
20
光电检测器件
线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定； 上限由饱和效应或过载决定。
光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率 等条件的变化而变化。 3、工作温度
南理工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）到（0.78m μ ）范围内的电磁辐射称为光辐射。
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： 2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=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 ()122222222211221211001001010E E L IE 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）。
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。
光电检测器件工作原理及特性
光电检测器件的应用
02
光电检测器件工作原理
光电转换原理是指光子与物质相互作用，将光能转换为电能的过程。在光电检测器件中，光子通过照射在光敏材料上，激发出电子-空穴对，形成光生电流或电压。
光电转换效率是衡量光电检测器件性能的重要参数，它与光敏材料的性质、光的波长和入射角度等因素有关。
光电转换原理
光电检测器件的光谱响应特性
光电检测器件对不同波长的光具有不同的响应能力，这种响应能力即为光谱响应特性。
总结词
光谱响应特性描述了光电检测器件在不同波长光线下的敏感度。不同类型的光电检测器件具有不同的光谱响应范围，例如硅光电二极管对可见光和近红外光敏感，而硒镉汞光电探测器则对中红外光敏感。了解光谱响应特性对于选择适合特定应用的光电检测器件至关重要。
光电检测器件通常由光敏材料、电极和封装结构组成。光敏材料是实现光电转换的核心部分，电极的作用是收集和传输光生电流或电压，而封装结构则起到保护和支撑器件的作用。
不同类型的光电检测器件可能在结构上有所差异，但它们的基本原理是相似的。
光电检测器件的基本结构
光电检测器件的工作过程通常包括光的吸收、电荷的分离和电流或电压的产生三个步骤。
总结词
光电检测器件在接收光信号时产生的随机波动，即噪声特性。
详细描述
噪声特性是评价光电检测器件性能的重要参数。常见的噪声源包括散粒噪声、热噪声和闪烁噪声等。低噪声光电检测器件能够在弱光信号下提供更高的信噪比，从而提高检测精度和灵敏度。了解和优化光电检测器件的噪声特性对于提高其性能和应用范围具有重要意义。
总结词
影响光电检测器件稳定性的因素包括材料、工艺、封装等。
详细描述
采用高品质的材料和先进的工艺技术可以制造出具有高稳定性的光电检测器件。此外，良好的封装和保护措施也可以提高器件的稳定性，使其在恶劣环境下仍能保持性能参数的稳定。
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是指利用光电器件对光信号进行检测和测量的技术。
光电器件是一种将光信号转化为电信号的器件，常见的光电器件有光电二极管、光敏电阻、光电导、光敏三极管、光电三极管等。
光电检测技术在科学研究、工业制造、医疗诊断等领域都得到了广泛的应用。
光电检测技术由光源、光电器件、光电转换电路和信号处理系统组成。
光源提供光信号，光电器件将光信号转化为电信号，光电转换电路对电信号进行放大和处理，信号处理系统将电信号转化为可以人们理解的信号进行分析和判断。
光电检测技术具有以下几个特点：1.高灵敏度：光电器件对光信号的检测灵敏度高，可以检测到非常微弱的光信号。
2.快速响应：光电器件的响应速度快，可以对快速变化的光信号进行检测。
3.宽频响：光电器件对不同频率的光信号都有较好的响应。
4.可选择性：不同的光电器件对不同波长的光信号有不同的响应，可以选择合适的光电器件进行检测。
光电检测技术在许多领域中都有广泛的应用。
在科学研究中，光电检测技术常被用于光谱分析、荧光检测、显微镜观测等。
光谱分析可以通过光电检测技术将光信号转化为电信号，进而通过信号处理系统得到样品的光谱信息。
荧光检测可以利用光电器件对样品发出的荧光信号进行检测，用于分析样品的成分和浓度。
显微镜观测可以通过光电检测技术对显微镜下的样品进行观测和测量。
在工业制造中，光电检测技术常被用于检测产品的质量和性能。
例如，光电检测技术可以用于检测产品的表面缺陷、尺寸精度和形状等。
光电检测技术可以替代传统的机械式检测方法，具有速度快、精度高的优点。
在医疗诊断中，光电检测技术可以用于医学影像的获取和分析。
例如，X射线和CT扫描是利用光电检测技术对人体内部结构进行成像的。
光电检测技术还可以用于血液分析、心电图、眼科检查等医学检验和诊断中。
总的来说，光电检测技术是一种非常重要的检测和测量技术，在许多领域都起着关键的作用。
随着光电器件的不断发展和进步，光电检测技术将会在更多的领域中得到应用和推广。
浅谈《光电检测技术》课程的课堂教学
科， 其特点是应用性较强 ， 涉及 的内容较 多， 如何在 有 限的学 时 内， 过该课 程 的学 习 ， 通 培养学 生熟 练设 计各种 光 电检测 系统 的能力 ， 对教 师提 出 了挑 战 。 这
该课程 一般通 过理 论教 学 和实验 教学 两个 环节完 成
系 。光 电检 测技 术 是 一 门应 用 性很 强 的学科 ， 且 而
涉 及 到光 、 、 械 、 电 机 自动 控 制等 许 多领 域 。在讲 解 了每个 知识 点之 后 ， 须 完整 地 介 绍光 电检测 系 统 必
设计实例。通过一些典型的检测系统实例 的讲解，
第ｌ ８期
张 卫纯 等 ： 谈 《 电检测 技术 》 程 的课 堂教 学 浅 光 课
输、 商业等领域 的应用。莫尔条纹测长、 测角技术 ， 可以扩充介绍莫 尔条纹 图像编码加密技术等。总 之， 不断地将科技工作者们 的最新相关科研成果融 合在教学过程之中， 可以拓宽学生的视野， 增加他们 的知识面和提高他们 的学习兴趣 。 第三 ， 处理好知识点与整个检 测系统之间的关
件时 ， 需要 重点 探讨 各种 器件 的性能 区别 。另外 ， 要
考虑 专业特 点 与课 程设 置情 况 ， 某些 知识 点 可 以 对 采用专 题 讨 论 的 方 式 ， 大 家 自 己来 总结 与分 析 。 让 如采用 何种 措施 保 证光 源 的稳定 性 ， 何对 干 涉 条 如 纹 进行 细分 ， 如何 运 用 调 制盘 来 实 现各 种检 测 目的
堂教学与课外实践创新 活动 紧密联 系起来 ， 可以取得较好的教学效果 。
关键 词 ： 光电检测技术 ； 教学体会 ； 考核方式
光电检测技术常用器件及应用
3、数字、文字以及图像显示
七段式数码管 14划字码管 文字显示器的内部接线
4、显示器
彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示
LCD
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称， LCD 的构造是在 两片平行的玻璃 当中放置液态的 晶体，两片玻璃 中间有许多垂直 和水平的细小电 线，透过通电与 否来控制杆状水 晶分子改变方向， 将光线折射出来 产生画面。
发光二极管的发光机理
发光二极管 （即LED）是一种 注入电致发光器件， 它由P型和 N型半 导体组合而成。其 发光机理常分为PN 结注入发光与异质 结注入发光两种。
1. PN结注入发光
1、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平 衡状态下的N区很多自由电子，P区有很多多空穴。 2、当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN 结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于 空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在 p区。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强 弱与电流有关
4. 寿命
发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮 度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很 长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h， 最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降 的现象叫老化。电流密度大，老化快。
LED特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实 现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED 等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即 使在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特 点，可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的 使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
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。
光电检测技术光电检测技术
α = 4πµ / λ
µ
：消光系数 即：若消光系数
µ 是与光波波长无关的常数，则吸收系数 是与光波波长无关的常数，
λ
：光波波长 与波长成正比。 α 与波长成正比。
当不考虑反射损失时，吸收的光通量为： 当不考虑反射损失时，吸收的光通量为：
dΦ = Φ 0 − Φ = Φ 0 (1 − e
二、半导体对光的吸收
在非平衡状态下， 在非平衡状态下，载流子的时间变化率
d∆n = ηN e ,λ + K f ni pi − K f (∆n + ni )(∆p + pi ) dt
= ηN e ,λ − K f (∆n∆p + ∆pni + ∆npi )
讨论结果： 讨论结果： 在弱辐射作用下， （1）在弱辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度 条件： 条件： ∆ n << ni； ∆ p << pi； 本征吸收特点： 本征吸收特点： ∆ n = ∆ p
半导体的消光系数
−αx
)
µ 与光波波长无关。 与光波波长无关。
半导体对光的吸收可分为： 半导体对光的吸收可分为： 本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收、 本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶格吸收
1、能带理论 （1）原子能级与晶体能带 单个原子中的电子是按壳层分布的，只能具有某些分立的能量， 单个原子中的电子是按壳层分布的，只能具有某些分立的能量，这些分立值 在能量坐标上称为能级。晶体中由于原子密集， 在能量坐标上称为能级。晶体中由于原子密集，离原子核较远的壳层常要发生 彼此交叠，与此相对应的能级则扩展为能带。这时， 彼此交叠，与此相对应的能级则扩展为能带。这时，价电子已不再属于那一个 原子了，它可以在能带内自由运动，这种现象称为电子共有化。 原子了，它可以在能带内自由运动，这种现象称为电子共有化。 与价电子能级相对应的能带称为价带，价带以上能量最低的能带称为导带， 与价电子能级相对应的能带称为价带，价带以上能量最低的能带称为导带， 导带底 E0 与价带顶 Ec 之间的能量间隔称为禁带Eg 。其实，一切不允许电子存 之间的能量间隔称为禁带E 其实， 在的能量区域都可称为禁带， 在的能量区域都可称为禁带， 只是由于晶体的物理、 只是由于晶体的物理、化学 性质的变化主耍与价电于有 关，所以我们要着重讨论价 带至导带这一范围内的问题。 带至导带这一范围内的问题。
光电检测技术与应用课程设计
光电检测技术与应用课程设计1. 概述光电检测技术是指利用光电子器件对光信号进行检测、转换和处理的技术。
它涉及到光源、光学成像、光电传感器、信号处理电路等多个方面，应用非常广泛。
本课程设计旨在通过实践，深入了解光电检测技术的原理和应用，提升学生的实践能力和创新思维。
2. 实验设计2.1 实验内容本课程设计分为两个实验，分别为光电传感器性能测试实验和光电测距实验。
2.1.1 光电传感器性能测试实验通过测试不同光线强度下，光电传感器的输出电压变化，了解光电传感器的灵敏度和线性度。
实验步骤如下：1.利用LED灯源作为光源，将其与LDR（光敏电阻）组成电路，接上电源和万用表。
2.将LED灯源接到电源上，逐步调节灯源电压，分别记录LED灯源电压、LDR电阻值、LDR输出电压。
3.重复步骤2，改变LED灯源与LDR间的距离，记录LED灯源距离、LDR输出电压。
4.整理数据表格，绘制关于电压与LED电压、电阻及距离的曲线。
2.1.2 光电测距实验通过探究红外线测距传感器和测距模块的原理，搭建光电测距电路，实现对目标物体的距离测量。
实验步骤如下：1.根据示意图搭建光电测距电路，连接电源、红外线测距传感器（或测距模块）、示波器。
2.改变目标物体与光电传感器间的距离，记录示波器显示的数据。
3.根据记录数据，测量目标物体与传感器的距离。
2.2 实验要求•使用电路板进行实验，在电路板上实现电路连接和控制。
•测量数据要准确且相对稳定，不得出现干扰。
•实验数据需进行分析和整理，并进行相应的数据处理。
2.3 实验报告•实验目的和原理•实验装置和材料•实验步骤和记录•实验结果及数据分析•实验感想和思考3. 实验注意事项•实验过程中涉及到电压、电流等参数，需注意安全操作，避免电路短路、过热等情况的发生。
•实验完成后，需将电路板清理干净并存放好相关设备。
4. 教学反思本课程设计结合了理论知识和实践操作，加强了学生对光电检测技术的理解和应用。
南京理工大学光电检测-习题解答教材
南京理工大学光电检测课后习题答案第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。
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不同点：
⑴结面积比光电池的小，频率特性好； ⑵光生电势与光电池相同，但电流比光电池小；
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
4.伏安特性
光电倍增管的伏安特性 曲线分为阴极伏安特性曲线 与阳极伏安特性曲线。在电 路设计时，一般使用阳极伏 安特性曲线来进行负载电阻、
输出电流、输出电压的计
算。
5. 频率响应
由于PMT是光电发射型器件，而光电发射的延迟时间
≤3×10－13S，所以PMT有很高的频率响应。
6.噪声
主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次 电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量 有关。
㈡、基本特性参数
1．光谱响应度
PMT的光谱响应曲线与光电阴极的相同，主要取决于光电阴
极材料的性质。
2．放大倍数(电流增益)
在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流与阴极电流之
比称为管子的放大倍数M或电流增益G。
ia M (或G） iK
3.暗电流
它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重 要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管 子。
I am 为输出脉冲电流峰值； t n为输入光脉冲宽度； U D 为电源电压； L为电源电压的稳定度；
4)接地方式
倍增管供电电路与其后
续信号处理电路必须要有 一个共用的参考电位，即 接地点。倍增管的接地方 式有两种，即阴极接地或 阳极接地。 阴极接地
阳极接地
阴极接地的特点
优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近
⑴光谱响应度
光电探测器的输出电压或电流与入射到探测器上的单色 辐射通量之比，光谱响应度愈大，表示光电探测器愈灵敏。
S
VO I 或S O
⑵积分响应度
光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为 积分响应度。积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应 程度。
围为20～500KΩ
3)并联电容的确定
倍增管的输出电流主要是
来自于最后几级，探测脉冲
光时，为了不使阳极脉动电 流引起极间电压发生大的变 化，常在最后几级的分压电 阻上并联电容器。
C1 C 2 C 3
C1 C 2 C 3
2
为倍增极的二次发射系数
I am t n C1 UD L
IO S
0
1
S d
0
d
2．响应时间
当入射辐射到光电探测器 后或入射辐射遮断后，光电探
测器的输出上升到稳定值或下
降到照射前的值所需时间称为 响应时间。
上升时间和下降时间
3．频率响应
光电探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。
4．暗电流Id
第二章、光电检测器件
光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号
转换成电信号的器件。它是光电系统的核心组成部
分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，
并为随后的应用提取某些必要的信息。
热电探测器特点：①响应波长无选择性，它对从可见光 到远红外的各种波长的辐射同样敏感。②响应慢，吸收辐射 产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。
光电探测器特点：①响应波长有选择性，存在某一截止
波长λ0，超过此波长，器件没有响应。 ②响应快，一般在
纳秒到几百微秒。
第一节、基本特性参数
1.响应度（或灵敏度)
光电探测器的输出电压或电流与入射光功率之比，它
描述器件的光电转换效能。
VO 电压响应度 SV Pi IO 电流响应度 S I Pi
4．二次发射倍增系统
倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材 料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的 部分。
5．阳极
阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它臵于靠近最末一级倍 增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。
光电阴极
电子光学输入系统
管两种。若球内充低压惰性气体就成 为充气光电管。
2、工作原理
光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料。当光线照射到 光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所
吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。
若在外电路串入一定阻值的电阻，则在该电阻上的电压降或 电路中的电流大小都与光强成函数关系，从而实现光电转换。
U D M M UD
2)电阻链分压电阻的确定
因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，要保证各 级电压稳定，要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极电流Ia大20
倍以上。
一般说，IR越大，对稳定极间电压UD越有利。但IR也不能太 大，因为IR太大会增大电阻的功耗，加重电源负担。当UD给定 后，分压电阻R的最大值应取决于阳极的最大平均电流，R最小 值应取决于高压电源输出的功率。一般常用分压器的阻值选择范
阳极
光入射窗口
二次发射电子倍增器
1、光子透过入射窗入射到光电阴极K上。 2、光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。
3、光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1 上，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N 级倍增后，光电子就放大N次。 4、经过倍增后的二次电子由阳极a收集起来，形成阳极光电流，在 负载RL上产生信号电压。
㈠、基本结构与原理
光电阴极
电子光学输入系统
阳极
光入射窗口 二次发射电子倍增器
1．光入射窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。由于光窗对 光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的 短波阈值决定于光窗材料。
侧窗式
端窗式
2．光电阴极
光电阴极由光电发射材料制作。光电发射材料大体可分为 三类：纯金属材料、表面吸附一层其他元素原子的金属和半导
属大；
★光发射波长延伸至可见光、近红外波段。
★
70年代后期，发展了负电子亲和势（NEA）光电阴极，长
波可至1.6μm。
3．电子光学系统
(1)使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其他部分
的杂散电子散射掉，提高信噪比；
(2)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间， 以保证光电倍增管的快速响应。 聚焦极 光电阴极
6．噪声等效功率(NEP)
或称最小可探测功率Pmin。 信噪比为1时，入射到探测器
上的辐射通量。即
e NEP S/N
一、概念题
1、光电探测器的响应度（或灵敏度） 2、信噪比 3、最小可探测功率
二、简答题 热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？
第二节、真空光电探测器件
1、结构及分类
光电管分真空光电管和充气光电
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
I
U
Ip
RL
Ij
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：
⑴受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅； ⑵表面有防反射的SiO2保护层；
⑶外加负偏压；
与光电池相比：
些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。
缺点：但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹
配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于 高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个 耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格 高。
阳极接地的特点
优点：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以
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。
★按用途可分成太阳能光电池和光电检测光电池。
在P（N）型硅作基底，然后在基底上扩散N（P ）型半导体作为受光面。构成P-N结后，再经过各种 工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极， 涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。
良好的光电发射材料应具备下述条件：
⑴光吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；
⑵光电子在体内传输过程中受到的能要小，使到达真空界面的电子能够比较 容易地逸出； ⑷另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率， 以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。
㈢、PMT的供电电路
倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压 要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况
下，各级间电压均相等，约80～100V，总电压约1000～
1300V。
1)电源电压稳定性的要求
对电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳，会引起许 多参量的变化，特别是电流增益变化，从而直接影响输出特性。目 前已有光电倍增管专用的电源稳压块。 电源电压的变化和放大倍数变化的关系为：
价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加。若
连接电源和负载电阻，即可输出电信号。
g gL gd I光 I L I d ＝
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。