光电检测技术1

•教材:《光电检测技术与应用》 光电检测技术与应用》 郭培源等编著 北航出版社 2006.3 •参考书:《光电检测技术》雷玉堂 中国计量出版社(2版) 2009 《光电检测技术》曾光宇 清华出版社(2版) 2009 《光电检测技术与系统》高岳 电子工业出版社 2009 《光电技术》王庆有 电子工业出版社 2005《 光电检测技术 》 (第2版) 作者：雷玉堂 中国计量出版社 2009-6-1出版 主要内容：光电检测技术的基本概念，基础知 识，各种检测器件的结构、原理、特性参数、 应用，光电检测电路的设计，光电信号的数据 采集与计算机接口，光电信号的变换和检测技 术，光电信号变换形式和检测方法及光电检测 技术的典型应用《光电检测技术》(第2版)作者：曾光宇 清华出版社 2009年09月出版《光电检测技术》介绍了光电检测系统的构成和 应用基础知识。

重点叙述了光电检测过程中常用 的光源和各种性能的探测器，并对目前光电子学 的前沿内容THz技术作了简单介绍。

本课程的主要内容 第一章 1.1 1.2 1.3 1.4绪论信息技术与光电检测技术 光电检测与光电传感器概念 光电检测系统的组成和特点 光电检测方法及应用发展趋势第二章 光电检测技术基础 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应第三章 半导体光电检测器件原理、特性及应用 3.1 光电检测器件的物理基础\特性参数 3.2 光敏电阻 3.3 光电池 3.4 光敏二极管和光敏晶体管 3.5 光电管与光电倍增管 3.6 光电耦合器件(光耦合器) 3.7 光电位置敏感器件(PSD) 3.8 电荷耦合器件(CCD) 3.9 光热辐射检测器件 3.10 各种光电检测器件的性能比较1第四章 光电信号检测电路4.1 4.2 4.3 光电检测电路组成及设计要求 光探测器的偏置 光探测器的前置放大第六章6.1 6.2 6.3 6.4 6.5光纤传感检测技术光纤传感器的基础 光纤的光波调制技术 光纤传感器实例 分布式光纤传感器 激光与红外传感器(探测器)第五章5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6光电检测系统光电直接检测系统的基本工作原理 光电直接检测系统的基本特性 光外差检测原理 光外差检测特性 影响光外差检测灵敏度的因素 几种典型的光电检测系统第七章7.1 7.2 7.3 7.4光电检测技术的典型应用微弱光信号检测技术 光电开关与光电转速计 条形码技术 光电遥控技术§1.1 信息技术与光电检测技术 人类直接认识世界的方法:用感觉器官感知自然信息第一章 绪 论看(目测)、听(耳闻)、嗅(鼻嗅)、尝(舌尝)、摸(手感)颜色、形状 声响 温度——认识的广度和深度有限大脑对各器官采集的信息的吸收率分别为： 视觉83％；听觉11％；嗅觉3.5％； 味觉1％；触觉1.5％。

视觉具有最重要的意义。

延伸人的感官功能---认识自然•检测技术：广义讲，延伸人的感官功能的技 术，包括实现这种功能延伸的原理、方法和工 具(仪器)。

工 具望远镜、显微镜、电视、电话、摄象机、 各种传感器、B超、CT等人的信息器官 感觉器官 传导神经 思维器官 执行器官器官功能 获取信息 传递信息 处理信息 执行信息对应的信息技术 检测 网络 电脑 机器延伸人的肢体功能各种各样的机器（挖土机等）---改造自然• 信息技术:--信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。

--感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。

--微电子信息技术（电集成）、光电信息技术（光电集成）。

2感测技术：包括传感技术和测量技术以及遥感、遥测技术；使人 类能够更好地从外部世界获取各种有用的信息。

通信技术：它的作用是传递、交换和分配信息，可以消除或克服 空间上的限制，使人们能有效地利用信息资源。

人工智能与计算机技术：它使人们能更好地加工和再生信息。

控制技术：它的作用是根据输入的指令，对信息状态实施干预。

微电子信息技术 • 在传统电子技术的基础上发展起来的； • 渗透力最强，影响面最广的电子技术； • 原理：通过控制固体内电子的微观运动来对 信息加工处理，并在固体的微区内进行； • 可以做到把一个电子功能部件，甚至一个系一切与信息的收集、加工、存储、传输有关的各种技术统称为 信息技术。

统集成在一片很小的芯片上。

光电信息技术 • 以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研 究和发展光电信息的形成、传输、接收、 变换、处理和应用。

• 利用外延、扩散、注入、蒸发的工艺，将 各种有源和无源光学器件集成在一起。

• 光学与电子学的结合：光的快速与电子信 息处理的方便、快速相结合。

光电检测技术利用光电传感器实现各类检测。

它将被测量的量 转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传 送和处理技术，完成在线和自动测量。

待测非电 量信息 光学 系统 光学 信息 光电探 测器 电 量 处理、 输出非电量：位移,振动,力,转矩,转速,温度,压力,流量,液位,液体浓度, 浑浊度,成分,角度,表面平整度,图象等检测与测量的概念检测：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参数 量是否存在。

被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 …） 被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH值、化学成份…） 全部操作： 生物量（酶、葡萄糖、…） … …§1.2 光电检测与光电传感器概念检测器具：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 检测过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出3例：空调机测量控制室温被测对象： 被测信息： 检测器具：室内空气 温度 温度传感器 --- 热电阻、热电偶测量: 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。

测量分为两种方式：操作过程：空气 → 热敏电阻 → 电信号 → 处理 → 显示空调机•直接测量 •间接测量• 直接测量： 对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量 直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量 的数值。

例如： – 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平• 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数 关系式计算出被测量。

例如： – 电功率：P = I ×V（电流×电压） – 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的 4π 2 L 周期）g=T2阿基米德测量皇冠的 比重直接测量V.S.间接测量测量的其他分类方式：接触式测量 非接触式测量直接测量：简单、方便、直接。

间接测量：特别适用于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。

体温测量雷达测速4静态测量动态测量离线测量在线测量重量测量地震波测量光电传感器与敏感器的概念 传感器：作用是将非电量转换为与之有确定对 应关系的电量输出。

从能量角度划分，传感器可分为两种类型： 能量控制型传感器，或称为有源传感器 能量转换型传感器，或称为无源传感器 能量控制性传感器：被测量转换为电参数（电 阻、电容），需要外加激励电源才能得到电压、 电流。

能量转换型：被测量变化直接转换为电压、电 流的变化，不需外加激励电源。

敏感器敏感器是将被测非电量转换为可用非电量的器 件。

弹性元件(压力转换为应变力，敏感器) 电阻应 压力 变片 应变片(应变力转换为电阻的变化，传感器)敏感器VS传感器 • 敏感器：把被测非电量转换为可用非电量。

• 传感器：把被测非电量转换为电量。

光电传感器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。

光电传感器的应用领域： •自动控制 •生物医学 •光机电一体化 •……5光电传感器 • 主要有：光电二极管、光电晶体管（光电三 极管）、光敏电阻CdS、光电耦合器、集成 光电传感器、光电池和图像传感器等。

• 选用原则： • 高速、宽照度范围：光电二极管 • 光电开关：光电晶体管 • 电阻性质：光敏电阻 • 旋转编码器、速度传感器：集成光电传感器类 型 PN结型光电传感器的种类实 例 PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 光电池 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管 色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD）非PN结 电子管类 其他类电子检测系统 • 组成部分：传感器、信号调理器、输出环 节 • 传感器：被测对象与检测系统的接口，输 出电信号 • 信号调理器：将原始电信号转换为标准电 信号 • 输出环节：显示与记录、通信接口、控制 装置§1.3 光电检测系统的组成和特点光电检测系统• 光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为 基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、 反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通 过光电检测器件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的信息， 再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最 后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。

光电检测系统VS电子检测系统 • 工作频率：提高了几个数量级。

• 优点：载波容量、角分辨率、距离分辨率、 光谱分辨率大为提高 • 应用范围：通信、雷达、精导、导航、测 量等领域 主动式光电检测系统 光电检测系统： 被动式光电检测系统6光电检测系统的基本模型 光发射机 光学信道 光接收机光接收机接收到的光场光源、调制器（主动式） 光发射机 被检测物体的辐射发射（被动式）接收透镜 系统光电检 测器后续检测 处理器功率检测接收机 光接收机 外差接收机光学信道：主要指大气、空间、水下、光纤等。

光接收机：用于收集入射的光信号并加以处理、恢复光 载波的信息。

功率检测接收机VS外差接收机光电检测系统存 显 控储 示 制电信号处理光学系统光学变换被测对象光电传感变换电路光源功率检测接收机 又叫直接检测接收机、非相干接 收机 最简单、用于检测所收集到的到 达接收机的光场瞬间的光功率。

外差接收机 又叫空间相干接收机。

可接收幅度调制、频率调 制、相位调制方式传输的 信息。

实现起来比较困难，对相 干性要求高。

光学变换电路处理• 光学变换 – 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 – 空域变换：光学扫描 – 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 – 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光 学信息。