光电信息变换
光电技术教学大纲
光电技术教学⼤纲《光电技术》教学⼤纲课程编号：课程名称：光电技术/ Optoelectronic Technology学时/学分：40/2.5先修课程：⼤学物理、模拟电⼦技术基础、数字电⼦技术基础适⽤专业：光信息科学与技术开课学院（部）、系(教研室)：理学院物理系⼀、课程的性质与任务光电技术属于专业必修课，它是将传统的光学技术与现代微电⼦技术和计算机技术紧密结合在⼀起的⼀门⾼新技术，是获取光信息或借助光来提取其它信息，如⼒、温度、声⾳、电流、⽣物的重要⼿段。
通过本课程的学习，要使学⽣获得：1.辐射度学与光度学的基础知识；2.光电导器件的原理与应⽤；3. 光⽣伏特器件的原理与应⽤；4.光电发射器件的原理与应⽤；5. 发光器件与光电耦合器件；6. 光信息的变换；7. 图像信息的光电变换；8. 光电信号的数据采集与计算机接⼝技术。
等⽅⾯的基本概念、基本理论和技术。
掌握各种光电转换器件的基本结构原理、特性和参数，为实际应⽤这些光电探测器打下基础。
⼆、课程的教学内容、基本要求及学时分配（⼀）教学内容1. 光电技术基础辐射度的基本物理量；光度的基本物理量；辐射度与光度中的基本定律；⿊体辐射；半导体对光的吸收和光电效应。
2. 光电导器件光敏电阻的⼯作原理；光敏电阻的主要特性参数；常⽤的光敏电阻；光敏电阻的基本偏置电路和噪声；应⽤举例。
3. 光⽣伏特器件结型光电器件原理；光电池；硅光电⼆极管和硅光电三极管；特殊光电⼆极管(PIN,APD)；象限探测器和光电位置传感器；光⽣伏特器件的偏置电路。
4. 光电发射器件光电阴极；光电管与光电倍增管的⼯作原理；光电倍增管的主要特性参数；光电倍增管的供电和信号输出电路；微通道板光电倍增管；光电倍增管的应⽤。
5. 发光器件与光电耦合器件发光⼆极管的⼯作原理与应⽤；半导体激光器；光耦合器件与应⽤。
6. 光信息变换光电信息变换的分类；光电变换电路的分类；⼏何光学⽅法的光电信息变换；物理光学⽅法的光电信息变换和时变光电信息的调制。
光电信息技术
光电信息技术是将电子学与光学浑然一体的技术，是光与电子转换及其应用的技术。
从广义上讲，光电信息技术就是在光频段的微电子技术，它将光学技术与电子技术相结合实现信息获取、加工、传输、控制、处理、存储于显示。
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。
光电检测系统具有光发射机、光学信道和光接收机这一基本环节。
通常分为主动式和被动式两类。
光接收机分为功率检测接收机和外差接收机，功率检测接收机也称作直接检测接收机或非相干接收机。
光载波与被测对象相互作用而将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。
光学变换可用各种调制方法来实现。
光信息经光电器件来实现由光向电的信息转换，称为光电转换。
广电系统：光源--光学系统--被测对象--光学变换--光电转换--电信号处理--存储、显示、控制。
光电效应分为外光电效应与内光电效应。
光生伏特效应：由于光照而在PN结两端出现的电动势。
光热效应：某些物质在收到光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象。
热电检测器件有热释电检测器、热敏电阻、热电偶、热电堆。
特点：1.响应波长无选择性。
2.响应慢。
光电检测器件的特点：1.响应波长有选择性2.响应快。
光电检测器件的特性参数：1.响应度2.光谱响应度3.积分响应度 4.响应时间5.频率响应6.热噪声7.散粒噪声8.信噪比 9.线性度10.工作温度。
光敏电阻设计原则：由于光敏电阻在微弱辐射作用情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离L的平方成反比，在强辐射作用情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离L的二分之三次方成反比，因此Sg与两极间距离L有关。
为了提高光敏电阻的光电灵敏度Sg，要尽可能的缩短光敏电阻两极间的距离L。
光电电阻特点：1.光谱响应度范围相当宽。
2.工作电流大，可达数毫安。
第7章光电信息变换下
①光学多普勒（Doppler）差频检测 光学多普勒（ ） 多普勒效应——运动物体能改变入射于其上的波动性质的 多普勒效应 运动物体能改变入射于其上的波动性质的 现象。 现象。 V0(rs-r0) V0 多普勒频移∆f=f -f =V (r -r )/λ 多普勒频移
s 0 0 s 0
物体速度
可推出
PD rs-r0 散射光 θ fs
用单一光电器件检测干涉条纹可以在较小的空间 进行。 进行。检测对象一般是干涉条纹的波数或相位随 时间的变化。适用于测量物体整体位移或速度。 时间的变化。适用于测量物体整体位移或速度。 ①干涉条纹光强检测法
利用干涉仪的光干涉， 利用干涉仪的光干涉，以光电器件直接检测条纹的光强变 化来实现测量。 化来实现测量。 用光电接收器检测干涉条纹时， 用光电接收器检测干涉条纹时，光电信号不仅取决于条纹 的光强对比， 的光强对比，而且决定于接收器的光阑尺寸和干涉条纹之 间宽度的比例关系。 间宽度的比例关系。
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测 从信息处理的角度来看， 信息对光频载波的调制和解调的过程。 信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型 的干涉仪器或干涉装置是光频波的调制器和解调 器。可用最常见的干涉仪来说明这个模型。 可用最常见的干涉仪来说明这个模型。
2.单频光相干的条纹检测 2.单频光相干的条纹检测
7.4.1 干涉方法的光电信息变换
1. 光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准， 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几 何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、 何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向 和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。 和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。
2012.1贾湛制作
图像光电转换的基本过程
图像光电转换的基本过程电视图像的传送是基于光电转换原理，而实现光电转换的关键器件是发送端的摄像管和接收端的显像管。
1. 图像的分解电视系统处理和传送的对象是光的景物，景物存在于三维空间，其光学特性（即景物的亮度和色度信息）不仅随空间位置的不同而不同，而且还与时间有关系（静止景物除外）。
因此，景物信息是三维空间和时间的函数，可用光学信息表达式为：。
但是目前的电视系统仍为平面彩色电视，只传输景物的二维光学信息，因此上式中的z可不考虑。
另外，这里仅讨论黑白平面活动图像，只需传输各像素的亮度信息，其光学信息表达式简化为：。
但是，亮度仍然是x、y、t的三维函数，而经传输通道传送的电信号为电压（或电流），只能是时间的一维函数为：。
实现转换的方法是：将景物信息分解成很多小点，这样就能以每个小点为单位进行光电转换和传送。
因此，对于每个小点来说，其光学特性以及经光电转换得到的电信号就只与时间有关了，也就是将景物信息转化成时间的一维函数。
将景物图像化整为零的方法称为图像的分解，分解之后的小点称为像素。
所谓像素，就是组成图像的元素，即基本单位，具有单值的亮度信息和空间位置。
一幅电视图像由许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。
在我国的黑白广播电视标准中，一幅图像包含大约40～50万个像素。
图像的结构—导学。
图像的分解是在摄像端的光电转换和扫描过程中完成的。
在接收端，通过显示装置的扫描和电光转换作用，这些被分解的像素又会在屏幕上合成出原来的图像，从而实现电视的全过程。
2.图像的传送一幅图像由许多像素组成，这些像素的亮度信息经光电转换之后变成相应的电信号。
电视系统的任务是将各像素的变换成, 实现转换的方式，有同时传输制和顺序传输制。
●像素信息同时传输制将构成一幅图像的所有像素同时转换成电信号，并同时传送出去称为同时传输制，同时传输制所示，每个像素均需占用一条传输通道，一帧画面分解成几十万个像素就需要几十万条通道，这在技术和经济上都是不现实的。
图像光电转换的基本过程
图像光电转换的基本过程————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：图像光电转换的基本过程电视图像的传送是基于光电转换原理，而实现光电转换的关键器件是发送端的摄像管和接收端的显像管。
1. 图像的分解电视系统处理和传送的对象是光的景物，景物存在于三维空间，其光学特性（即景物的亮度和色度信息）不仅随空间位置的不同而不同，而且还与时间有关系（静止景物除外）。
因此，景物信息是三维空间和时间的函数，可用光学信息表达式为：。
但是目前的电视系统仍为平面彩色电视，只传输景物的二维光学信息，因此上式中的z可不考虑。
另外，这里仅讨论黑白平面活动图像，只需传输各像素的亮度信息，其光学信息表达式简化为：。
但是，亮度仍然是x、y、t的三维函数，而经传输通道传送的电信号为电压（或电流），只能是时间的一维函数为：。
实现转换的方法是：将景物信息分解成很多小点，这样就能以每个小点为单位进行光电转换和传送。
因此，对于每个小点来说，其光学特性以及经光电转换得到的电信号就只与时间有关了，也就是将景物信息转化成时间的一维函数。
将景物图像化整为零的方法称为图像的分解，分解之后的小点称为像素。
所谓像素，就是组成图像的元素，即基本单位，具有单值的亮度信息和空间位置。
一幅电视图像由许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。
在我国的黑白广播电视标准中，一幅图像包含大约40～50万个像素。
图像的结构—导学。
图像的分解是在摄像端的光电转换和扫描过程中完成的。
在接收端，通过显示装置的扫描和电光转换作用，这些被分解的像素又会在屏幕上合成出原来的图像，从而实现电视的全过程。
2.图像的传送一幅图像由许多像素组成，这些像素的亮度信息经光电转换之后变成相应的电信号。
电视系统的任务是将各像素的变换成, 实现转换的方式，有同时传输制和顺序传输制。
光电信号处理方法
光电信号的增强
光电信号的增强主要通过光电倍增管、 雪崩二极管等器件实现，这些器件可 以在放大信号的同时，进一步提高信 号的信噪比。
增强后的光电信号可以更好地满足后 续处理的需求，提高整个光电系统的 性能和可靠性。
03 光电信号的数字化处理
数字信号处理的基本概念
数字信号
将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。
小波变换
将信号分解成不同频率的子信号，可以对信号进行多尺度分析。
04 光电信号的调制与解调
调制与解调的基本概念
调制
将低频信号转换为高频信号的过程， 以便传输或处理。
解调
将调制后的高频信号还原为低频信号 的过程。
模拟调制技术
AM（调幅）
通过改变载波的振幅传递信息。
FM（调频）
通过改变载波的频率传递信息。
微型化
利用人工智能和机器学习等技术，实现光 电信号处理的智能化和自主化。
随着微纳技术的发展，光电信号处理将朝 着微型化的方向发展，实现更小体积、更 低功耗的系统。
02 光电信号的采集与预处理
光电信号的采集
1
光电信号的采集是光电信号处理的第一步，其目 的是将光信号转换为电信号，以便后续处理。
2
常用的光电信号采集器件包括光电二极管、光电 晶体管、光电池等，它们能够将光信号转换为电 流或电压信号。
光电信号处理
利用电子学和信息处理技术对光电信号进行采集、传 输、转换、增强、分析和理解的过程。
光电信号处理的应用领域
光学通信
利用光电信号处理技术实现高速、大容量的信息 传输。
环境监测
利用光电信号处理技术实现对大气、水质等环境 参数的实时监测。
ABCD
生物医学成像
(完整版)现代光电信息技术的发展及应用
现代光电信息技术的发展及应用光拥有极快的速度、极大的频宽、极高的信息容量，在现代信息技术中获取了宽泛的应用。
现代光电信息技术是光学技术、光电子技术、微电子技术，信息技术、光信息技术、计算机技术、图像办理技术等相互交错、相互浸透和相互联合的产物，是多学科综合技术，它研究以光波为信息的载体，经过对光波实行控制、调制、传感、变换、储存、办理和显示等技术方法，获取所需要的信息，其研究内容包含光的辐射、传输、探测、光与物质的相互作用以及光电信息的变换、储存、办理与显示等众多领域。
现代光电信息技术拥有以下特色：其一，有效延长人眼的视觉功能，使其探测阈值达到光子探测的极限水平，而探测的光谱范围在长波方向达到了亚毫米波段，在短波限则延长到紫外线、 x 射线、 y 射线以致高能粒子；其二，以光为信息载体，结共计算机的研究成就，极大地提升了光电系统的响应速度、带宽和信息容量。
使超快速现象（核爆炸、火箭发射等）能够在纳秒（ ns）、皮秒（ ps ）甚至飞秒（ fs）量级得以记录，利用光网络的多台计算机传输和办理海量信息得以实现。
正是光电信息技术的上述两个重要的特色推进着信息科学技术的快速发展。
一、光电信息技术的发展1.光电信息技术的发展简况1873 年发现了硒的光电导性（内光电效应）1888 年德国的 H.R. 赫兹察看到紫外线照在金属上时，能使金属发射带电粒子1890 年 P.勒纳经过对带电粒子电荷质量比的测定，证明它们是电子1900 年， M. 普朗克提出黑体辐射能量散布的广泛公式1929 年， L.R.科勒制成银氧铯（Ag-O-Cs ）光电阴极 , 出现了光电管1939 年，苏联的V.K. 兹沃雷金制成适用的光电倍增管20 世纪 30 年月末，硫化铅（PbS）红外探测器问世40年月出现用半导体资料制成的温差型红外探测器和测辐射热计50 年月中期，可见光波段的硫化镉（CdS）、硒化镉（ CdSe）光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用20 世纪 60 年月以后的几十年间，红外探测器及红外探测系统获取快速发展2.光电子器件方面的发展简况光源和发光器件方面，最具里程碑意义的是 20 世纪 60 年月激光器的发明 ,最近几年来，激光已宽泛用于通讯、雷达、测距、定位、制导、遥感、工业生产和科学研究中，用以传达信息合各样丈量与控制。
第10章光电信息变换技术的典型应用下
测温仪的构成
20122012-3-8
9
滤波片和镜头
453¡C
SP1 470¡C EMS ¯ .85
目标
大气窗口
探测器
信号处理和显示
红外测温仪实际上是一种非接触式辐射能量探测器，世界上所有的物 体都会产生红外线辐射。而辐射的能量则与该物体的温度成比例 辐射的能量则与该物体的温度成比例，非 辐射的能量则与该物体的温度成比例 接触式温度测量即是测量物体辐射能量的强弱，并由此得到一个与该 物体温度成比例的信号。
20122012-3-8 2
温度检测
一．工作原理
热体的温度可以通过处理其所发出的辐射能来求得。辐射 高温计就是以发射体的辐射强度和光谱成分来确定热体温 度的仪表。 根据斯蒂芬－波尔兹曼定律。物体在单位时间内单位面 积上，波长从0－∞所辐射的总能量为 E＝εσ 4。 ＝εσT 非黑体的实际温度T与黑体温度T0的关系：
20122012-3-8
是静止着还是走动着。 是静止着还是走动着。
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照度计
光的照度E 光的照度 的单位是lx（ 的单位是 （勒 克斯）， ），它是常 克斯），它是常 用的光度学单位 之一， 之一，它表示受 照物体被照亮程 度的物理量， 度的物理量，可 以用照度计来测 量。
20122012-3-8
烟雾
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无线烟雾报警器 无线烟雾报警器
工作在警戒状态时， 工作在警戒状态时，工 作电流仅为15微安 微安， 作电流仅为 微安，报 警发射时工作电流为20 警发射时工作电流为 毫安。 毫安。当探测到初期明 火或者烟雾达到一定浓 度时， 度时，传感器的报警蜂 鸣器立即发出90分贝的 鸣器立即发出 分贝的 连续报警， 连续报警，发出无线报 警信号， 警信号，通知远方的接 收主机。 收主机。报警距离在空 旷地可以达到200米，在 旷地可以达到 米 有阻挡的普通家庭环境 中可以达到20米 中可以达到 米。
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。
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NEP2、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。
复习总结
2 .5设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2KΩ，且已 知它在90~120lx范围内的γ=0.9。试求该光敏电阻在 110lx光照下的阻值？
解：
g =SgEγ
R =1/SgEγ
R /R0=(E0/E)γ
R =(E0/E)γ R0 =(100/110)0.9×2=1.84KΩ 2 .6已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550Ω，在 700lx的光照下的阻值为450Ω。试求该光敏电阻在550lx 和600lx光照下的阻值？
2013-10-24 9
1.17 在微弱辐射作用下，光电导材料的光电导灵敏度有什 么特点？为什么要把光敏电阻的形状制造成蛇形？
q 在微弱辐射作用下，半导体的光电导 g hl 2 e, 可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量成线性关系。 光电导灵敏度为 dg q Sg d e , hcl2
Le, m V ( ) Le,
6
1.7 一束波长为0.5145μｍ输出功率为3W的氩离子激光束均 匀地投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多 少？若屏幕的反射系数为0.8，其光出射度为多少？屏幕每 分钟接收多少个光子？
解：φe,λ =3mW，查表得V（0.5145um）=0.6082
hc 1239 (nm) 解题思路：L Eth Eth
Eth E A
N型半导体
Eth Eg EA
P型半导体
1.11 ΔEi=Eth=1.24/13=0.095ev
1.19 Eth=1239/680=1.82ev
1.20 Eg=1.239/λL=1.239/1.4=0.886ev
光生伏特效应属于内光电效应
q I (1 e d )Φe, h
光电信息技术介绍
光电信息技术是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合技术，涉及光信息的辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容。
光电信息技术广泛应用于国民经济和国防建设的各行各业。
近年来，随着光电信息技术产业的迅速发展，对从业人员和人才的需求逐年增多，因而对光电信息技术基本知识的需求量也在增加。
光电信息技术以其极快的响应速度、极宽的频宽、极大的信息容量以及极高的信息效率和分辨率推动着现代信息技术的发展，从而使光电信息产业在市场的份额逐年增加。
在技术发达国家，与光电信息技术相关产业的产值已占国民经济总产值的一半以上，从业人员逐年增多，竞争力也越来越强。
在信息科技领域，电子学在20世纪做出了巨大的贡献，但由于其信息属性的局限性，使其无论在速度、容量还是在空间相容性上都受到很大限制。
而光是生命的源泉，它为人类提供青山绿水的生活环境和丰富的衣食住行的资源，并使我们目睹五彩缤纷的世界。
因此，光(光学)是人们获取信息的最基本的和最有效的手段之一，以光子或光波作为信息载体的光电信息技术则表现出巨大的发展潜力和明显的优越性。
如在信息处理速度上，电子器件的响应时间最快也只能达到1011s，而光子器件则可达到1013～1015s，比电子器件快了103～104倍。
并且，光子在通常情况下互不干涉，具有并行处理信息的能力，在光计算中可大幅度提高信息的处理速度。
此外，在存储能力、传播速度、抗干扰能力等很多方面，光子器件弥补了电子器件的很多不足。
尤其光电信息技术在高技术战争中扮演着十分重要的角色，如在预警、监视、侦察、观察、瞄准、通信、精确打击、作战效果评估、电子对抗等方面都发挥了极其重要的作用，使作战方式、部队编制和后勤供应都发生了重大变化。
因此，光电信息技术不仅全面继承与兼容电子技术，而且具有微电子无法比拟的优越性能与更广阔的应用范围，从而成为人类进入信息时代的具有巨大冲击力的高新技术。
光电信息技术是由光学、光电子、微电子、微计算机、微材料等科学技术相结合而成的多学科综合的高新技术，涉及光信息的辐射、探测、变换、传输、处理、存储与显示等众多的内容。
光电技术
光电技术复习大纲1. 光电技术特征是什么?它的核心是什么?它的最基本的理论是什么?（1）光电技术的特征：利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。
（2）核心：光与电之间的转换机理体现于光电器件之中最基本的理论：光的波粒二象性。
2. 什么是光电器件?它的分类有哪些?举例说明.（1）凡能完成光电或电光转换及在光电系统中能对光路传输，光电转换起到调节或控制作用的器件，都应归入光电器件。
（2）电光信息转换：1.发光二极管2.半导体激光器3.液晶显示器4.阴极射线管5.等离子体显示板光电信息转换：光电发射效应器件：光电倍增管；光电导效应器件：光敏电阻；光生伏特效应器件：光敏二极管；热释电效应器件：热释电探测器。
3. 光学具有哪些学说?几何光学和波动光学它们研究内容主要是什么?（1）光的粒子性，光的波动性，光的电磁学说，光的量子学说，几何光学，物理光学，量子光学，应用光学。
（2）几何光学是几个实验得来的基本原理出发的，来研究光的传播问题的学科。
用波动光学可以圆满的解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播，在进一步研究中观察到了光的偏振和偏振光的干涉。
4. 什么是光程?发生全发射的条件是什么?（1l 与该介质的折射率 n 的乘积（2）（）5. 光的干涉条件是什么?衍射现象是什么?干涉和衍射现象本质是什么?（1）1`频率相同；2.相位差恒定；3光矢量振动方向平行。
(2)光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象；(3)光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波叠加引起的光强的重新分布；6. 辐射度量与光度量的根本区别是什么?可见光的波段是多少?(1)辐射度学： 对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学；是用能量单位描述光辐射能的客观物理量。
辐射度学研究范围为整个电磁辐射谱区。
光度学：在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学 。
关于光电转化的知识
关于光电转化的知识1、光的知识光是以电磁波的形式传播的，光源是能被人们的眼睛所感受到的电磁波，其波长范围380nm-780nm(nm：纳米，长度单位1nm=10-9m)，长于780nm的为红外线、无线电等，短于380nm的为紫外线、X射线、宇宙射线等。
可见光部分又分为解成红光、黄光、橙光、绿光、青光、蓝光、紫光等七种基本单色光。
光和其它所有的电磁辐射一样，在真空中以每秒30万千米的速度沿直线传播。
当光通过某种物质时如水或空气，其传播速度会减慢。
光在真空中的速度和在媒质中的速度比值称为该媒质的折射率，在折射率不同的两种媒质的界面上，入射光线产生折射与发射现象。
另外光在传播过程中还会产生散射，漫反射、漫透射现象等等。
2、光的度量单位：(1)光通量：光源单位时间内发出的光量称为光通量，符号为φ，单位是流明(Lm)。
光通量与能量辐射的关系为φ=∫780380㎞φe?入VI入?d入式中：Km 最大光谱光效能，是常数(683Lm/w)v(入)视觉光谱的光效率函数。
Φe入波长为入能辐射通量以上式可以看出，光通量就是人眼对能量辐射通量的评价。
(2)光强：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量被定义为光源在该方向的光强度，符号为I，单位为坎德拉(cd)，I=dφ/d，光强度的单位是光度测定的基本单位(3)照度，也叫亮度：光源在某一方向上的单位投影面在单位立体角中发射的光通量数，符号为E，E=dφ/ds,单位为Lx(勒克斯)Ilx=1Lm/m2(4)发光效率：指一个光源所发出来的光通量与该光源所消耗的电力功率P 之比。
发光原理1、白炽灯太阳发光是因为表面温度接近6000K，所有固体、液体及气体如达到足够高的温度，都会产生可见光。
白炽灯中的固体钨在大约3000K时的炽热就是我们常见的光源。
白炽体的重要特性：辐射的色表随着辐射体的温度的升高从暗红、经过桔黄、发白，最后到炽蓝。
色温也随着辐射体的温度升高而提高。
白炽灯之所以使用钨做灯丝材料是因为钨在高温下的低蒸气速率以及可以被抽成细丝等其他性质。
光电-第3章光电转换6
光电池的光照特性曲线
Isc/mA
Uoc /V
Isc /mA
Uoc/V
5
开路电压
0.5 0.5
开路电压
4
0.4
0.4
3
0.3 0.3
0.3
2
短路电流 0.2
短路电流 0.2
1
0.1 0.1
0.1
0 2 4 6 8 10 L/klx
(a) 硅光电池
01 2 3 4 5 L/klx
(b)硒光电池
，。
光电池光照特性的特征：
流
负
变
负
载
器
载
作用？
设置二极管D的原因：防止黑夜或光线微弱时， 蓄电池经过光电池放电。
光电池用作探测器
硅三极管放大光电流的电路
采用运算放大器的电路
Vo=－2RfIφ 入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或
进行跟踪。
当系统略有偏差时，电路输出差动信号，带动执行机
入射光
亮通光电控制电路
不受光照时， 继电器释放。
受光照时，
I1 VB Ib
IC 继电器动作，开 关闭合，灯亮。
暗通光电控制电路
不受光照时， Ib BG导通， 继电器动作，开关闭合。 受光照时继电器释放， 称之为暗通控制电路。
防盗语音叫报电路
槽型光电断路器
语言发生电路
平时挡板遮挡光路，a点电位高，VT1截止，IC2不 工作；当打开抽屉时，挡板移开，光路通，a点电 位低，VT1饱和导通，IC2得电并触发，发出语音 报警信号。
光电晶体管与光电二极管特性比较：
· 灵敏度不同：光电晶体管的灵敏度比光电二极管 高，输出电流也比光电二极管大。
3.1 光电信息转换器件
四种光电效应： 1．外光电效应。在入射光能量作用下，某些物体内 的电子逸出物体表面，向外发射电子。相应器件：光电 倍增管等。 2．光电导效应。光作用下，半导体材料中的电子受 到能量大于或等于禁带宽度的光子的激发，将由价带越 过禁带跃迁到导带，从而使导带中电子浓度加大，材料 的电阻率减小。相应器件：光敏电阻等。
3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体 产生一定方向的电动势。以PN结为例，由于光 线照射PN结而产生的电子和空穴，在内电场作 用下分别移向N和P区，从而对外形成光生电动 势。相应器件：光电池、光敏二极管（PD、PIN 、APD）、光敏三极管等。 4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化 而产生电流的现象。相应器件： 热电探测器。
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍 增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益 的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2 与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。
• 例： 某 光 电 倍 增 管具有 5 级倍增系统 ，倍增系数 （二次发射系数） δ=100 。如果用 λ=488nm ，光功 率p=10-8w的紫光照射倍增管的光电阴极，假设光电 阴极的量子效率为 10% ，试计算收集阳极处短路电 流 强 度 。 （ h=6.63×1034J· s ， e=1.602×10-19C ， c=3.0×108m/s）
目前微通道板的应用已从微光夜视仪拓展到高速示波 器、高速摄影、高速开关、高速光电倍增管、各种带能粒 子探测器等领域，特别是在空间技术、高能核物理、激光 武器等方面获得了越来越广泛的应用。
MCP使用中的注意点：
解： I
P P N e N e h hc
第6章光电信号的变换及检测技术
xi
放 大 器
xo 负
载
ii Rs us
+ ui -
io Ri
RO u ’o RL
+ uo -
输出电流
输出电压 输出电阻
输入电阻Ri：——从放大电路输入端看进去的等效电阻。
Ri ui / ii ,
用来描述放大电路对信号源索取电流的大小，也表 示放大器对信号源的影响程度。
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Pno / Psi Psi / Pni SNRi F Pni K p / Psi Pso / Pno SNRo
（2）电流放大器：
ii is
io
+ Ro uo RL Aioii -
RS 输入电阻Ri：R u / i , ii is , i i i RS Ri 为使ii尽可能接近is 提高电源利用率，Ri越小越好。
电流增益Ai： i
输入信号是电流，输出 信号也是电流，是一种 电流控制电流源。
Rs
+ ui Ri -
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6.1 光电信号检测电路的噪声
6.1.3 前置放大器的噪声 前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大。 对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的 主要部件之一。 整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系 数。 仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。
lg10db613前置放大器的噪声61光电信号检测电路的噪声companylogowwwthemegallerycom为简单计设级数m3各级放大器本身产生的噪声功率分别为p1p2p3第一级放大器的输入噪声功率为pni则最后一级的输出噪声功率pno为增益k放大器1放大器2放大器mpipo1po2porses多联放大器的噪声系数61光电信号检测电路的噪声companylogowwwthemegallerycom级联放大器总的噪声系数f可推导出计算m级级联放大器总的噪声系数f的弗里斯公式级联放大器中各级的噪声系数对总噪声的影响是不同的越是前级影响越大第一级影响最大
光电技术复习
1. 半导体对光的吸收：本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶 格吸收。
只有本征吸收和杂质吸收，能够直接产生非平衡载流子，引起光电 效应。
其余是光热效应。
2. 光生伏特器件的偏置电路：自偏置电路、零伏偏置、反向偏置3. 热辐射探测器件：热敏电阻、热电偶探测器、热电堆探测器、热释电器件。
4. 光电信息变换和处理：模拟光电变换和模数光电变换5. 光电倍增管的结构：（1）入射窗结构：端窗式和侧窗式（2）倍增极结构：聚 焦型和非聚焦型。
光窗、光电阴极、电子光学系统（电子透镜）、电子倍增系 统和阳极。
6.光敏电阻属于光电导器件，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。
7. CCD 勺注入方式：光注入、电注入。
8. 已知禁带宽度Eg 求最大波长入maxhe 1 .24hv 亠 E g ■ LE g E g 9. 光电信息变换的基本形式：① 信息载荷于光源的方式；② 信息载荷于透明体的方式；③ 信息载荷于反射光的形式；④ 信息载荷于遮挡光的形式；⑤ 信息载荷于光学量化器的方式；⑥ 光通信方式的信息变换一类称为模拟量的光电信息变换，例如前 4种变换方式；另一类称为数字量 的光电信息变换，例如后2种变换方式。
10. 光电倍增管：阴极灵敏度定义光电倍增管阴极电流Ik 与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵 敏度，并记为I k S k , t =①ej若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK 与光谱辐射通量的积分之 比，记为SkI k S k = --------------------------------- 阳极灵敏度定义光电倍增管阳极输出电流 Ia 与入射光谱辐射通量之比为阳极的光 谱灵敏度，并记为若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为 Sa11. 黑体：能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向 都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。
显然，黑体的吸收系 数为1，发射系数也为112. 斯忒藩-波尔兹曼定律I aS a, x = ①e,x l a ： ：J e, xd 'S a :: 4 M e,s, d ■ - CT 5 42 n k _8 2 43 7=5.67 10 Wm K 15 h cM es 、 =1.3O9T 5灯0卫 W ・ cm-2 •卩 m-1 - K-5 13. 热释电效应：热电晶体材料因吸收光辐射能量而产生温升，导致晶体表面电 荷发生变化的现象。
光电变换电路的类型
光电变换电路的类型
光电变换电路的类型包括以下几种：
1. 光敏电阻电路：利用光敏电阻的光照变化导致电阻值变化而实现电路的光电转换。
2. 光敏二极管电路：利用光敏二极管的光照变化导致电流变化而实现电路的光电转换。
光敏二极管的特点是响应速度快，但灵敏度较低。
3. 光电二极管电路：利用光电二极管的光照变化导致电压变化而实现电路的光电转换。
光电二极管的特点是灵敏度较高，但响应速度较慢。
4. 光电晶体管电路：利用光照使光电晶体管的电流增大或减小，从而实现电路的光电转换。
光电晶体管的特点是灵敏度高，响应速度快。
5. 光电势差电路：利用光照使光敏元件产生电势差变化，从而实现电路的光电转换。
光电势差电路的特点是灵敏度高，响应速度快，但电路复杂度较高。
这些光电变换电路可根据具体应用场景的需求进行选择和设计。
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2. 信息载荷于透明体的方式
如图7-1(b)所示，为信息载荷于透明体中的情况。在 这种情况下，信息可为透明体的透明度，透明体密度的分 布，透明体的厚度，透明体介质材料对光的吸收系数等都 为载荷信息的方式。 提取信息的方法常用光通过透明介质时光通量的损耗 与入射通量及材料对光吸收的规律求解。即
0 e
这种方式除上述应用外，还可应用于电视摄像、文 字识别、激光测距、激光制导等方面。
4. 信息载荷于遮挡光的方式
如图7-1(d)所示为信息载荷于遮挡光的方式，物体部分或 全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电器件的视场， 实现了信息载荷于遮挡光的过程。 例如，设光电器件光敏面的宽度为b，高度为h，当被测物 体的宽度大于光敏面的宽度 b 时，物体沿光敏面高度方向 运动的位移量为 Δ l ，则物体遮挡入射到光敏面上的面积 变化为 Δ A=bΔ l 变换电路输出的面积变化信号电压为 Δ U=EΔ Aξ =E bξ Δ l （7-10） （7-9）
式中，m为光学系统的调制度，τ为光学系统的透过滤， S为光电器件的灵敏度， G为变换电路的变换系数， K为 放大器的放大倍数，ξ= mτSGK称为系统的光电变换系数。 将式(7-1)代入式(7-2)得
US=ξεσT4
（7-3）
表明变换电路输出的电压信号US是温度T的函数，温度 变化必然引起电压的变化。因此，通过测量输出电压， 并进行相应的标定就能够测出物体的温度。
根据这一原理，用这种方式可以对光滑零件表面的 外观质量进行自动检测。
在检测产品外观质量时，变换电路输出的疵病信号 电压
US=E(r1-r2)Bξ
（7-8）
式中E为被测表面的照度，r1为正品（无疵病）表面的 反射系数，r2为疵病表面的反射系数，B为光电器件有 效视场内疵病所占的面积，ξ 为光电变换系数。由式 （7-8）可知，当E，r1和ξ 已知时，输出电压US是r2和 B的函数，因此，可以通过输出信号电压US的幅度判断 表面疵病的程度和面积。
光电信息变换的分类可从两个方面来分，一方面根 据信息载入光学信息的方式分为如图7-1所示的6种光电 信息变换的基本形式；另一方面根据光电变换电路输出 信号与信息的函数关系分为模拟光电变换与模-数光电变 换两类。
7.1.1 光电信息变换的基本形式来自1. 信息载荷于光源的方式
如图7-1(a)所示，为信息载荷于光源中的情况（或 光学信息为光源本身），如光源的温度信息，光源的 频谱信息，光源的强度信息等。根据这些信息可以进 行钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器制导、 夜视观察、地形地貌普查和成像测量等的应用。
l
（7-4）
式中α 为透明介质对光的吸收系数，它与介质的浓度C成 正比，即α =μ C。显然，μ 为与介质性质有关的系数。 式（7-4）可改写为 Cl （7-5） e
0
由式（7-5）可见，当透明介质的系数μ 为常数时，光通 量的损耗与介质的浓度C与介质的厚度l有关，采用如图 7-1(a)所示的变换方式，变换电路的输出信号电压Us为 即将变换电路的输出信号电压Us送入对数放大器后，便 可以获得与介质的浓度C与介质的厚度l有关信号。 U s 0 e Cl （7-6） 两边取自然对数后 lnUs=lnU0―μ Cl （7-7）
由式（ 7-10 ）可见，用这种方式即可以检测被测物体 的位移量Δ l、运动速度v和加速度等参数，又可以测量物 体的宽度 b 。例如，光电测微仪和光电投影显微测量仪等 测量仪器均属于这种方式。
当然可以用这种方式用于产品的光电计数，光控开关， 和主动式防盗报警等。
5. 信息载荷于光学量化器的方式
光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换 成有限个离散量的方法。光学量化器包含有光栅摩尔条纹 量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。
即将变换电路的输出信号电压Us送入对数放大器后，便可 以获得与介质的浓度C与介质的厚度l有关信号。利用此信 号可以方便地得到介质的浓度C（在介质的厚度l确定的情 况下），或得到介质的厚度l（在介质的浓度C确定的情况 下）。还可以测量液体或气体的透明度（或混浊度），检 测透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等质量问题。
3. 信息载荷于反射光的方式
如图7-1(c)所示，信息载荷于反射光的方式。反射有 镜面发射与漫反射两种，各具有不同的物理性质和特点。 利用这些性质和特点将载荷于反射光的信息检测出来实现 光电检测的目的。镜面发射在光电技术中常用作合作目标， 用它来判断光信号的有无等信息的检测。例如，在光电准 直仪中利用反射回来的十字叉丝图像与原十字叉丝图像的 重叠状况判断准直系统的状况；在迈克尔逊干涉仪中，动 镜的位置信息载荷与迈克尔逊干涉条纹中，通过检测迈克 尔逊干涉条纹的变化可以检测动镜位置的变化；另外，镜 面发射还用于测量物体的运动、转动的速度，相位等方面。 而漫反射则不同，物体的漫反射本身载荷物体表面性质的 信息，例如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵病的信息， 通过检测漫反射系数可以检测物体表面的粗糙度及表面疵 病的性质。
Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
(7-1)
式中Me, λ，s为同温度黑体的辐射出射度，ε为物体的发射 系数，与物体的性质、温度及表面状况有关。T为被测 体的温度，即测量的信息量。
在近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感器 的变换电路输出的电压信号为
US= mτSGKMe, λ=ξMe, λ (7-2)
光信息量化的变换方式在位移量（长度、宽度和角度） 的光电测量系统中得到广泛的应用。
物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感 器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。为克服直流放 大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，常采 用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交流信号， 然后再解调出被测信息。
下面用全辐射测温为例讨论信息存在于光源中这类问 题的处理方法。在全辐射测温应用中温度信息存在于光源 的辐射出射度Me, λ，由第1章中的式（1-42）可知物体的 全辐射出射度Me, λ与物体温度的关系为