光电检测

绪论

1、光电技术：光电信息变换+光电检测技术；

首先将非电信息量通过光学变换装置变为光学信息量，然后用光电器件将光学信息量转换成电信号，再经过前置放大器和电路处理后，就能实现对非电信息量进行检测、传递、存储、控制、计算和显示等。

2、光电检测特点：精度高、速度快、非接触式检测，适用于生产过程中的自动检测和控制。

3、光电装置（1-6为光电传感器）

1光源→2光学系统→3被测对象→4光学系统→5光电器件→6变换电路→7电路处理→8显示打印

(1)光学系统：将与被测对象有关的光信息变为泳衣被检取和处理的光信息。

(2)光电器件：将光信号变为电信号

a、按工作原理分为

外光电效应：真空光电管、真空摄像管、变像管、增强器等。

内光电效应：分为光电导效应（如光敏电阻）和光生伏特效应（如半导体光电管和光电池）。

b、按光电器件的空间分辨能力分为成像器件和非成像器件。

(3)变换电路：检取和放大信号；一般包括光电器件的偏置电路、负载、前置放大器。

(4)电路处理：将电信号进行放大、整形、量化、单片机信号处理等。

4、光电技术的优点：

(1)光电传感器中的光电器件多为半导体器件，具有体积小、性能稳定、使用方便等特点；

光电技术具有电子技术的六大功能，便于数字化和智能化。

(2)用于检测非电量时速度快、精度高。

(3)光电传感器是非接触式传感器，克服了接触式传感器的摩擦磨损和影响变换精度等缺

点，适用于生产过程中的自动检测和控制。另外，用光导纤维传输光信息不受方向和位置限制，比较方便。

(4)利用光远距离传输的特点，便于遥测遥控。

第1章光电信息变换的基本知识

1.1 光的两重性

知识点：光子的有关知识

光的一个基本性质，就是同时具有波动性和微粒性，即具有波粒二象性。

一般地说，在光的干涉与衍射等现象中，光的波动性较明显，这时往往把光看成是由一列一列的光波组成的；而在原子发射或吸收等现象中，光的微粒性较明显，往往把光看作是一个一个的光子组成的。

1.1.1 电磁波谱和光谱

1、光有波动性和粒子性，是一种电磁辐射。

2、光速c=λv=3.8×10∧8m/s ，λ为波长，v为频率。波长越短的光子能量越大。

3、光用波长分类，光的单位为Å(埃)，1Å＝10∧－10m。

4、紫外光的光谱范围为0.01~0.38μm;

可见光的光谱范围为0.38~0.78μm;

红外光的光谱范围为0.78~1000μm。

1.1.2光的粒子性（或量子性）

1、外光电效应：光能激发物质发射电子的现象。

光激发电子的初动能只与入射光的波长有关，与入射光强度无关。

单位时间内激发光电子数与入射光的光强成正比。

2、光是由一个个光子组成，每个光子具有能量，

其能量为E＝hv=hc／λ普朗克常数h=6.62620*10-34尔格.秒；v为光的频率(Hz),

光照射物体时，电子吸收入射光子的能量。

波长短,频率高,能量大.

1.2入射光的基本度量单位（有通量和照度两种）

光度量(对可见光而言，与人眼的光谱范围一致) 0.38~0.78μm;

辐射度量(包括整个光谱范围) 0.01~1000μm。

对于光度量，有光通量和光照度；对于辐射度量，有辐通量和辐照度

1.2.1 通量单位

1、辐通量：表示光源的辐射本领。单位时间内通过元面积dS的辐能。

2、光通量：单位时间内通过元面积dS的光能。

人眼对光感觉得强弱不仅取决于光源辐射能量的大小，还取决于眼睛对辐射波长的视觉灵敏度。按人眼的感觉强度进行度量的辐能大小称为光能。它和辐能大小以及人眼的视觉灵敏度成正比。

1.2.2 照度单位

1、辐照度：表示光源辐射到物体表面辐通量强弱的量。

在均匀辐射下，

2、光照度：表示物体表面被光源照明强弱的量。

在均匀照明下，

1.2.3 辐射度参数与光度参数关系

1.3 常用光源

光源分为自然光(太阳光、星光、月光)和电光源(半导体发光二极管LED、半导体激光管)。

1.3.1 半导体发光二极管

1、PN节发光原理

多用Ⅲ－Ⅴ族半导体材料制成，由于材料和禁带宽度不同，刻制成不同型号的LED,使其发出不同的光

2、发光二极管的主要特点

a、响应速度快；

b、正向电压低，直接与集成电路匹配使用；

c、小巧轻便、耐振动、寿命长、单色性好等；

d、缺点是发光效率低。

1.3.2 半导体激光器

1、激光器的基本原理及特点

a、激光器的组成：激光工作物质(将能量转换成激光)、激励源(提供能量)、光学谐振

腔(提供光学反馈能力)。

b、激光器发射激光的特点：高单色性、高定向性、高亮度。

2、半导体激光器：半导体材料(常用砷化镓GaAs)作为工作物质的激光器。

特点：体积小、重量轻、寿命长、转换效率高。

1.4 光调制

为了对光信号的处理更加方便，常将直流信号转变为特定形式的交变信号。

1.4.1调制光的优点

1、消除了背景光或杂散光的影响；

2、消除了光电探测器暗电流的影响；

3、消除了直流放大器零点漂移的影响；

4、能提供各种形式的光电信息变换方式。

1.4.2光调制的方法

1、电光源调制：直接对光源进行调试；要求光源有较好的频率响应；适合半导体发光二

极管和半导体激光器。

2、机电调试：振子调制、转镜式调制、光学调制盘。

3、电光调试：基于晶体材料的电光反应(晶体在外电场作用下，晶体的折射率会发生变化)

4、声光调试：利用声光效应(光波在传播时被超声波衍射的现象)

1.5 光电效应：物质在光的作用下释放出电子的现象

传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：

外光电效应:在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象。如光电管和光电倍增管。

内光电效应：分为光电导效应和光生伏特效应。

1.5.1 光电导效应

1、光电导效应：

a、在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。

b、入射光强改变物质导电率(g=1/R)的物理现象。

c、当光入射到半导体材料后，能改变半导体材料的导电性能，随着光强的增加，其导

电性能越好。

2、光电导效应几乎所有高电阻率半导体(本征半导体)都有，为使电子从价带激发到导带,

从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光电导体的电导率变大(电阻变小)。

3、入射光子的能量E0=hv应大于禁带宽度E g。

4、基于光电导效应的光电器件为光敏电阻(由光电导体制成)。

1.5.2 光生伏特效应

光生伏特效应：在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象，也称为阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管等光电器件。

1.5.3 外光电效应

1.6 光电器件的基本特性

1.6.1 灵敏度