第七章_光电信息变换
(完整版)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。
光电信息变换
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。
例如，将长度信息量L经光学量化后 形成n个条纹信号，则长度信息L为 L=qn 式中，q称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有 关，量化器确定后它是常数。 目前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角 度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。
光接收器
Object
被检测物体
光电开关在流 水线上的应用
定区域式光电开关 罐装高度检测
送料器 储料仓 咖啡罐
落料口
流水线运行方向
遮断式光电开关 （计数）
光幕应用（续） 长度 测量
宽度 测量
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的 车辆检测
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
实践证明，热敏电阻Rt对光电二极管的光电流的 温度影响进行的补偿是有限的，即便将热敏电阻与光 电二极管装在同一个温度槽内也不可能达到完全补偿 的目的。为了尽可能地消除温度对光电变换电路的影 响，提出了差分式光电变换电路方案。
差分式光电变换电路
其中一路经被测溶液 入射到测量光电池D1 上，另一路经可调光 光阑、反光镜到补偿 光电池D2上，由光电 池D1与D2构成电路为 差分式光电变换电路。 图7-7所示为光电比色 计的电路原理图，这 是个电桥差分式的光 电变换电路。
(b)
图7-3 具有放大电路的光电检测电路
19
I1 I 2 I B SEV I B 设I1》I B U bb -(R1 +R 2 )I1 IB = (R 3 +R 4 )( +1)
光电信息变换
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。
衍射方法的光电信息变换
使高频率光波载有各种信息的装置称为调制器。 从已调制信号中分离并提取出有用信息，即恢复原始信息的 过程称为解调。
• 2. 光电信息调制的分类 光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型。
（1）按时空状态分类 ① 时间调制：载波随时间和信息变化。 ② 空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。 ③ 时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。
式中，V（t）调制函数，根据调制参量的不同可以分为：
振幅调制（AM）：调制参量为φm[V(t) ] ；
频率调制（FM）：调制参量为 v(t )；
相位调制（PM）：调制参量为载波的初始相位。
① 振幅调制
光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例变化，而频率、
相位保持不变的调制方法称幅度调制或调幅。此时，m[V (t)]
调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。
b kL L （7.4-21）
xk S
图7-44所示为L＝1m处， 不同宽度b形成的衍射图样。 可见b的微小变化将引起条 纹位置和间隔明显变化。
可用目测或光电方法测量出条纹间距，求得b值或变化量。 测量微小间隔、位移或振动等。测量精度可达0.01～0.5mm。
• 2 夫琅和费细丝衍射
如图7-45所示，激光器发出的激光束照射细丝（被测物）时，
m[V (t)] [1 mV(t)]m
(t) 0 [1 mV(t)]m sin t
（7.5-3）
式中，V（t）是调制函数，规定；m是调制度或调制深度，表
示V（t变 化
载波幅度
1
以最简单的正弦调制函数为例讨论幅度调制的一般规律， 分析调幅波的形成过程和它的频谱分布。
光电信息转换的原理和应用
光电信息转换的原理和应用1. 光电信息转换的概述光电信息转换是指将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的过程。
光电信息转换技术广泛应用于光通信、光存储、光传感等领域。
本文将介绍光电信息转换的原理和应用。
2. 光电信息转换的原理光电信息转换的原理主要基于光电效应、光电二极管和光电倍增管等光电器件的工作原理。
2.1 光电效应光电效应是指当光照射到金属或半导体材料表面时，将光能转化为电能的现象。
根据光电效应的性质，可以将光电器件分为光电导、光电阻、光电电压和光电流四种类型。
2.2 光电二极管光电二极管是利用PN结的光生电离效应工作的光电器件。
当光照射到PN结时，电子和空穴被激发，并在内部产生电压，从而实现光信号到电信号的转换。
2.3 光电倍增管光电倍增管是一种能将光信号放大的光电器件。
它主要由光敏阴极、一系列二次电子倍增结构和阳极组成。
当光照射到光敏阴极时，通过二次电子倍增结构的作用，将光信号放大。
3. 光电信息转换的应用光电信息转换技术在各个领域都有广泛的应用。
3.1 光通信光电信息转换技术在光通信领域中起到关键作用。
光纤通信系统中，光信号经过光电转换器转换为电信号后，再经过电信号的传输和处理，最终再转换为光信号进行传输。
光电转换器的性能对于光通信系统的传输质量和速率有重要影响。
3.2 光存储光电信息转换技术在光存储领域也有重要应用。
光存储器件利用光电效应将光信号转换为电信号，并将电信号存储在介质中。
光存储器件的快速读写速度和大容量特性使其成为一种重要的数据存储方式。
3.3 光传感光电信息转换技术在光传感领域中广泛应用。
光传感器可以将光信号转换为电信号，并通过电信号分析光的强度、颜色、波长等参数，实现对环境中光的测量和感知。
光传感器被广泛应用于光电测量、光学成像、光学通信等领域。
3.4 其他应用领域除了上述应用领域，光电信息转换技术还被应用于光电子学、光学仪器、光电显示等领域。
随着光电信息转换技术的不断发展和应用扩展，其在更多领域中的应用将得到进一步推进。
光电技术复习资料
1.半导体对光的吸收可分为本征吸收，杂质吸收，激子吸收，自由载流子吸收和晶格吸收。
2.光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。
3. 发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。
其发光机理可以分为PN结注入发光与异质结注入发光两种类型。
4. 光电信息变换的基本形式信息载荷于光源的方式，信息载荷于透明体的方式，信息载荷于反射光的方式，信息载荷于遮挡光的方式，信息载荷于光学量化器的方式，光通信方式的信息变换。
D电极的基本结构应包括转移电极结构，转移沟道结构，信号输入单元结构和信号检测单元结构。
1. 对于P型半导体来说，以下说法正确的是 （D）A 电子为多子B 空穴为少子C 能带图中施主能级靠近于导带底D 能带图中受主能级靠近于价带顶2. 下列光电器件, 哪种器件正常工作时需加100-200V的高反压 （C）A Si光电二极管B PIN光电二极管C 雪崩光电二极管D 光电三极管3. 对于光敏电阻，下列说法不正确的是： （D）A 弱光照下，光电流与照度之间具有良好的线性关系B 光敏面作成蛇形，有利于提高灵敏度C 光敏电阻具有前历效应D 光敏电阻光谱特性的峰值波长，低温时向短波方向移动4. 在直接探测系统中, (B)A 探测器能响应光波的波动性质, 输出的电信号间接表征光波的振幅、频率和相位B 探测器只响应入射其上的平均光功率C 具有空间滤波能力D 具有光谱滤波能力5. 对于激光二极管（LD）和发光二极管（LED）来说，下列说法正确的是（D）A LD只能连续发光B LED的单色性比LD要好C LD内部可没有谐振腔D LED辐射光的波长决定于材料的禁带宽6. 对于N型半导体来说，以下说法正确的是 （A）A 费米能级靠近导带底B 空穴为多子C 电子为少子D 费米能级靠近靠近于价带顶7. 依据光电器件伏安特性, 下列哪些器件不能视为恒流源: （D）A 光电二极管B 光电三极管C 光电倍增管D 光电池8. 硅光二极管在适当偏置时，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。
光电子技术基础知识第7章电光转换现象与发光及图像显示器件
1850年 普鲁士医生鲁道夫菲尔绍（Rudolf Virchow）等人就发现 神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。
1877年 德国物理学家奥拓·雷曼（Otto Lehmann）运用偏光显微 镜首次观察到了液晶化的现象。
液晶的发展历史
1888年 出版《分子物理学》，特别值得一提的是，在书中首次提出了显微镜学 研究方法，通过对晶体显微镜和用它所作的观察。
20世纪 化学家伏兰德（D. Vorlander）的努力由聚集经验使他能预测哪一类的化 合物最可能呈现液晶特性，然后合成取得该等化合物质，于是雷曼关于液晶的 理论被证明。
液晶的发展历史
20世纪60年代，随着半导体集成电路（integrated circuit）技 术的发展，电子设备实现了进一步的小型化。上述技术的进 步，对于在液晶显示装置（display）中的应用是必不可少的， 随着材料科学和材料加工技术的进一步发展，以及新型显示 模式和驱动技术的开发，液晶显示技术获得了快速发展。
LED工作原理 内容
LED（Light Emitting Diode）就是发光二极 管，属于一种固态的 半导体器件。它由两 个半导体（P型和N型 半导体）和中间一个 有源层组成。当它两 端加上正负电压时， 电子开始移动并和空 穴（带正电的离子） 结合产生辐射光，即 直接把电转化为光。
LED器件结构
1883年3月14日 植物生理学家斐德烈·莱尼泽（Friedrich Reinitzer） 观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时有两个熔点。
1888年 莱尼泽反复确定他的发现后，向德国物理学家雷曼请教。 当时雷曼建造了一座具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶 之过程，而从那时开始，雷曼的精力完全集中在该物类物质。
光电技术测验
课程名称：实用光电技术专业年级：光机电考生准考证号：考生姓名：试卷类型： A 考试方式: 开卷一、填空题。
（每空1分，共20分）(1)半导体对光的吸收中，只有和能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。
(2)光敏电阻属于器件，广泛应用于信号的探测领域。
(3)光生伏特器件的偏置电路一般有、和等三种。
(4)光电倍增管是一种器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。
(5) 属于热辐射探测器件的有、和。
(6)发光二极管按发光机理常分为与两种。
(7)光电信息变换和信息处理方法可分为两类：一类称为的光电信息变换；另一类称为的光电信息变换。
(8)在CCD中，电荷的注入方法归纳起来可分为和两类。
(9)单元光电信号的二值化处理方法有和。
若使光电检测系统不受光源的影响，应采用二值化处理电路。
二、选择最适当的填入括号中（只填写其中之一的符号, 每题2分，共5题10分）①以下（）不是光生伏特器件。
A．光电三极管B．硅光电池C．PSD D．PMT②当需要定量检测光源的发光强度时，应选用（）为光电变换器件。
A．光电二极管B．光电三极管C．热敏电阻D．硅光电池③发光二极管不能应用于（）场合。
A．数字、文字及图像显示B．指示、照明C．相干光源D．光电耦合④以下（）属于数字量的光电信息变换A．信息载荷于反射光的方式B．信息载荷于光学量化器的方式C．信息载荷于遮挡光的方式D．信息载荷于光源的方式三、问答题（每小题10分，共30分）1、热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？2、为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1？3、全辐射测温属于哪种光电信息变换的基本形式？在这种形式中应采用怎样的技术才能更好地将信息检测出来？四、计算题：1、在卫星上测得大气层外太阳光谱的最高峰值在0.465μm处，若把太阳作为黑体，试计算太阳表面的温度及其峰值光谱辐射出射度M e，s,λm。
第七章 光电信息变换.
7.5.1 调制的基本原理与类型
1. 光电信息调制的分类 （2）按载波波形和调制方式分类： ①直流载波调制：不随时间而只随信息变化的调制。 ②交变载波调制：载波随时间周期变化的调制。
交变载波又分为连续载波和脉冲载波方式： 连续载波调制方式包括调辐波、调频波、调相波； 脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频。
包含被测信息 的相干光调制
作为基准的本 机振荡光波
光学混频
光电检测 系统
差频信号（拍频）
差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度高、 探测目标的作用距离远等。
§ 7.4 物理光学法的光电信息变换
一、干涉方法的光电信息变换 3.双频光相干的差频检测
包含被测信息 的相干光调制
作为基准的本 机振荡光波
当激光束扩束成为平行光照射到被测物体时，会形成由干涉 条纹组成的平面干涉图像。它反映了被测物面微观面形的几何参 量的变化，是二维空间单频光的相位调制。
§ 7.4 物理光学法的光电信息变换
一、干涉方法的光电信息变换 2.单频光相干的条纹检测
位移、运动或面形
窄光束或平行的单频光
光电系统
干涉图样相位随时 间的变换
一、光电信息变换的基本形式 6. 光通信方式的信息变换
信息首先对光源进行调制，发出载有各种信息的光信号，通 过光纤传送到目的地，再通过解调器还原信息。广泛用于声音 和视频图像等信息通信中。
§7.1 光电信息变换的分类
二、光电信息变换的类型
光电信息变换和信息处理方法可分为2类：一类称为模拟量的 光电信息变换；另一类称为数字量的光电信息变换，例如后2种变 换方式。
F = f(Q)
§ 7.3 几何光学法的光电信息变换
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
第七章 非相干光光电信号变换方法
典型光电信号变换方法的光学原理和应用
变换方法
光学原理
应用 光开关、光学编码、光学 扫描、瞄准定位、准直定 向、测长测角、测距、成 象测量等。
直进、遮光；反射、 几何光学 折射；光学成象等非 相干光的光学现象。
衍射、干涉、光谱、 莫尔条纹、干涉计量、外 物理光学 波长变换、光学拍频 差通讯、光谱分析、散斑 等相干光的光学现象。全息测量等。 电光效应、磁光效应、光调制、光束偏转、光通 声光效应、空间光调 讯、光记录、光存储、光 光电子学 制、光束纤维传输传 显示、传光、传象、传感 感等光电现象。 等。
由以上二式有 θ＝KSIΦ0M(θx-θ0)＝K0(θx-θ0) 式中，K0＝KSIΦ0M，Φ0为入射照明光通量，SI为光检测器 灵敏度，K为放大器增益。在无试样的校准状态下，即θx＝0时 ，调整θ0，使θ＝0。随后加入试样则θx≠0，因而θ≠0。重新调 整θ，使θ再次为零，此时有θx＝θ0 上式表明：在指示仪表指零状态下，检偏器的转角示值θ0代 表了被测偏振面的旋转值θx。
主要内容非相干光光电信号转换方法时变光信号的直接测量时变光信号的调制和解调简单光学目标的空间定位光学图象的扫描几何参量的光电检测在光电系统的信号形成传送检测和处理过程中通常要借助于几何光学的物理光学的或光电子学的方法对信号的组编形式和能量状态进行人为的变换包括将一种光量转换为另一种光量将非光量转换为光量或将连续光量变换为脉冲光量等
光通量的幅度测量
1．单通道测量系统
2．双通道测量系统
光通量的频率测量
1．波数测量
2．频率测量ຫໍສະໝຸດ 光通量的相位和时间测量1．相位测量
2．时间测量
光通量的幅度测量
1．单通道测量系统
单通道测量系统和直读法 a) 原理示意图 b) 方框图 1-辐射源 2-被测样品（或标准样品） 3-检测器 4-光电信号放大器 5-指示仪表
第7章光电信息变换下(专业教育)
学习幻灯
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气体激光 陀螺仪
气体激光陀螺环型谐振腔
合光 棱镜
学习幻灯
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光学陀螺的优势
1）精度高(零漂稳定性优于0.001o/hr)； 2）单轴灵敏度高； 3）可靠性好(无故障时间大于1万小时)； 4）不需要恒温（有腔长控制系统）； 5）动态环境造成的误差极小； 6）输入轴对准稳定性极高； 7）成本低（相对于同样精度的机电陀螺）
学习幻灯
4
②干涉条纹比较法
采用两束不同频率的 相干光作光源，其中 一束频率已知，另一 束未知，则在干涉仪 中各自形成干涉条纹。 再经光电检测后形成 两种频率的电信号， 通过比较波长不同的 两束光干涉条纹频率 的变化来计算未知光 的频率，这种方法称 为干涉条纹比较法。
学习幻灯
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③干涉条纹跟踪法
在干涉仪测量镜位置 变化时，通过光电器 件实时地检测出干涉 条纹的变化。时间利 用控制系统使参考镜 沿相应方向移动，以 维持干涉条纹保持静 止不动，再由驱动参 考镜的电压得到测量 镜的位移，这种方法 称为干涉条纹跟踪法。
f0
rs-r0 α 散射光
θ
fs
若θ=0，则入射光就有一部分穿越测点作为参考光束，参 考光与散射光形成双频光，进入光阑由透镜会聚到光电倍 增管的光电阴极上发生干涉，可获得运动物体的运动信息。
学习幻灯
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激光多普勒测速仪
激光多普勒测速的特点 动态响应快 空间分辨率高 流速测量范围宽 测量精度高 激光多普勒测速的应用 管道内水流流层研究； 流速分布／亚音速或超音速气流／旋流的测量 大气远距离测量； 风速测量 可燃气体火焰的流体力学研究； 水洞、风洞和海流测量
学习幻灯
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2 夫琅和费细丝衍射
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
雪崩 倍增效应 来放大光电信号以提高检测的灵敏度。 PN 结在高反向电
压下产生的雪崩效
应。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的
Read 二极管结构 （即
N+PIP+型结构， P+一面接收光） ，工作时加较大的反向偏压，使得其达
到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的
P 区和 I 区）。
dΦe Φe, d
hv
hv
光源在波长 λ为 0→∞范围内发射的总量子流速率
Ne
Φe, d
0 hv
Φe, max
Φe, r d
hc 0
20. 热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。
热噪声：来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。
热噪声电压随调制频率的升高而下降
放大器噪声：来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大
25. 硅光电池：基本结构：一个大面积的 PN 结。
硅光电池的工作原理是光生伏特效应 . 当光照射在硅光电池的 PN结区时 , 会
在半导体中激发出光生电子空穴对 .PN 结两边的光生电子空穴对 , 在内电场
的作用下 , 属于多数载流子的不能穿越阻挡层 , 而少数载流子却能穿越阻挡
层. 结果 ,P 区的光生电子进入 N 区,N 区的光生空穴进入 P 区, 使每个区中的
分。
电子光学系统——将电子图像成像在荧光屏上。
荧光屏——将电子动能转换成光能，是像管的电 - 光转换部分。
像管的工作原理
亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电
子图像；
电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增
光电信号的变换及检测技术共77页文档
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统ห้องสมุดไป่ตู้学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
光电信息转换器件
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：
1．保持端面的清洁，不能用手触摸。 2．避免碰撞，挤压造成机械破损。 3．避免真空不高的情况下加高压，以免引起通道内孔放电。 4．防止两端面间高压击穿造成绝缘破坏。 5．防止MCP一次性直接暴露在强粒子束中。
侧窗式
端窗式
原理图
倍增极
D1
D3
阳极 A
D2
D4
K 图3.1.1-2 多级倍增管的工作原理
1．光窗
光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用 的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。
2．光电阴极
它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电 阴极的材料多是化合物半导体。
3．电子光学系统
任务：（1）使前一级发射出来的电子尽可能没有散失 地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2 ）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经 历的时间尽可能相同。
在800ns~1000ns 时间内有用的荧光 将衰减到零。 1000ns后开始新的 循环。
前沿：光电探测器——微通道板（Microchannel Plate，MCP）
MCP是近些年发展起来的新一代光电成象器件，可将微弱 电子图像或信号均匀放大到104倍以上。它是由数百万个内壁镀 有半导体层的内径约为10μm的微管规则排列熔压而形成的二 维阵列，厚度约为1mm，两端抛光并附有一块光阴极板，当光 阴极受到一幅图象光的照射时，各点上根据图象的明暗发射强 弱不同的光子流，通入到相应毛细管微通道中而获得电子的倍 增，在MCP的另一面上敷有一层荧光层，在受到微通道管中出 射的电子轰击时发光，最后得到一个增强的光学图象。
第7章光电信息变换下(专业教育)
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屏幕离开狭缝的距离L 远大于狭缝宽度b时有
b kL L
xk S
图7-44所示为距离 屏幕的距离L为1m
处，不同狭缝宽度b
(0.01～0.5mm)所形成 的衍射图样。
S xk / k
为相邻两衍射点的间距
由于b值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化， 因此可以用光电的方法测量出条纹间距，从而求得b值或 其变化量。利用物体的微小间隔、位移或振动等代替狭缝 或狭缝的一边，则可测量物体的微小间隔、位移或振动等。
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①光学多普勒（Doppler）差频检测
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。 多普勒频移Δf=fs-f0=V0(rs-r0)/λ 可推出
V0
物体速度
V0(rs-r0) PD
f 2v sin sin( )
2
2
只要测出散射光的频率，
就可以得到粒子的速度
入射光 r0
f0
rs-r0 α 散射光
θ
fs
若θ=0，则入射光就有一部分穿越测点作为参考光束，参 考光与散射光形成双频光，进入光阑由透镜会聚到光电倍 增管的光电阴极上发生干涉，可获得运动物体的运动信息。
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激光多普勒测速仪
激光多普勒测速的特点 动态响应快 空间分辨率高 流速测量范围宽 测量精度高 激光多普勒测速的应用 管道内水流流层研究； 流速分布／亚音速或超音速气流／旋流的测量 大气远距离测量； 风速测量 可燃气体火焰的流体力学研究； 水洞、风洞和海流测量
测量范围约为0.01～0.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm
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3 . 应用举例
光电信息知识点总结
光电信息知识点总结一、光电信息的基本原理光电信息技术是基于光电子器件的技术，其基本原理是光电效应。
光电效应是指材料在受到光照射时，吸收光能并产生电子的现象。
光电信息技术通过利用光电器件将光能转换为电能来实现信息的传递、处理和控制。
光电信息技术的基本原理包括光电效应、光电转换、光电器件等。
其中，光电效应是指当光照射到材料表面时，光子的能量被材料吸收，激发出电子-空穴对，并在电场的作用下产生电流。
光电转换是指将光信号转换为电信号的过程，其过程包括光吸收、电子-空穴对的产生、电荷的运动、电流的输出等。
光电器件是利用光电效应来实现信息传递和控制的装置，包括光电二极管、光电晶体管、光电探测器等。
二、光电器件光电器件是利用光电效应来实现信息传递和控制的装置，主要包括光电二极管、光电晶体管、光电探测器等。
1. 光电二极管光电二极管是一种利用光电效应来实现光信号到电信号转换的器件，其工作原理是当光照射到PN结时，光子的能量被吸收，激发出电子-空穴对，使得PN结上发生电荷分离，产生光电流。
光电二极管广泛应用于光通信、光测量、光电控制等领域。
2. 光电晶体管光电晶体管是一种利用光电效应来控制电子流的器件，其工作原理是当光照射到PN结时，光子的能量被吸收，激发出电子-空穴对，使得PN结上发生电荷分离，进而在电场的作用下控制输出电流。
光电晶体管具有较高的灵敏度和速度，广泛应用于光电控制、光电调制等领域。
3. 光电探测器光电探测器是一种利用光电效应来检测光信号的器件，其工作原理是当光照射到探测器时，光子的能量被吸收，并产生光电流或光电压信号。
光电探测器主要包括光电二极管、光电晶体管、光电倍增管、光电子管等，广泛应用于光通信、光测量、光电控制等领域。
三、光通信光通信是一种利用光信号来传递信息的通信技术，其基本原理是光信号的发射、传输、接收和解调。
光通信具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点，已成为现代通信网络的主要传输方式。
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4. 信息载荷于遮挡光的方式
利用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 的视场进行测量。
应用范围：光电测微仪、光电投影显微测量仪、光 电计数、光控开关和主动式防盗报警。
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Δl，则物体遮挡入射
的系数。上式可改写为
0eCl
0eCl
由上式可见，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。
Us 0 eCl
2. 信息载荷于透明体的方式
利用透明体的透明度、透明密 度分布、厚度、介质材料对光的吸 收系数等信息测量。
应用范围：液体或气体的透明度（或混浊度）、 透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等。
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
0el
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=μC。显然，μ为与介质性质有关
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
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。
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。
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。
身），如光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的 强度信息等。
应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报 警、武器制导、夜视观察等。
举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。
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。
而 Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
U S T 4
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。
两边取自然对数后
lnUs=lnU0―μCl
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
利用镜面反射或漫反射信息进行测量
应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信 息，如光电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运 动、转动的速度、相位等。漫反射主要是测量物体表 面性质的信息，如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵 病。
到光敏面上的面积变化为
ΔA=bΔl
变换电路输出的面积变化信号电压为
ΔU=EΔAξ=E bξΔl
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 器主要包括光栅摩尔条纹量化 器、各种干涉量化器和光学码 盘量化器等。
应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加 工的自动控制方面。
长度或角度的信息量经光学量化装置（光栅、码盘、干涉 仪等）变为条纹或代码等数字信息量，再由光电变换电路变为 脉冲数字信号输出。
光源发出的光经光学量化器量化后送给光电器件转换成脉 冲数字信号，再送给数字电路处理或送给计算机进行处理或运
算。例如，将长度信息量L经光学量化后形成n个条纹信号，量 化后的长度信息L为 L=qn
式中，q称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有关， 量化器确定后它是常数。例如，采用光栅摩尔条纹变换器时， 量化单位q等于光栅的节距，在微米量级；而采用激光干涉量 化器时，q为激光波长的1/4或1/8，视具体的光学结构而定。
6. 光通信方式的信息变换
信息首先对光源进行调制， 发出载有各种信息的光信号， 通过光纤传送到目的地，再通 过解调器还原信息。广泛用于 声音和视频图像等信息通信中。
第七章 光电信息变换
将光学信息变换为电学信息的设备或系统称为光电 信息变换器。
背景
目标
探
放
信号
测
大
器
器
处理
示波器
光电信息变换器常由光源、光学系统、光电传感器、偏置电 路和处理电路构成。
§7.1 光电信息变换的分类 光电信息变换的分类： 根据信息载入光学信息的方式分：
信息载荷于光源的方式；信息载荷于透明体的方式；信 息载荷于反射光的方式；信息载荷于遮挡光的方式；信 息载荷于光学量化器的方式；光通信方式的信息变换。
关系为模拟函数关系。可表示为
Ip=f(Q)
2. 模-数光电变换
在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信 息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电 路输出。
模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”
（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽
度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出
信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q
的函数关系为
F = f(Q)
7.2 光电变换电路的分类
1、什么是模拟变换电路，有哪几种常用的 电路，各自的功能及优缺点是什么？
物体的全辐射出射度Me, λ与物体温度的关系为
Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
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
U S m SGKM e, M e,
二、光电信息变换的类型
1. 模拟光电变换
被测的非电量信息（如温度、介质厚度、均
匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光
信息量时，常为光度量（通量、照度和出射度等）
的方式送给光电器件，光电器件则以模拟电流Ip或
电压Up信号的形式输出。即输出信号量是被测信号
量Q的函数，或称输出信号量与被测信号量之间的