第3章 光电检测技术 第1节
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光电检测技术PPT演示文稿
•
大。
• 改进型波导腔 FFPT
•
可通过中间光纤波导段的长度 光纤
•
来调整其自由谱区，其光纤长
•
度一般为 100 m 到 几厘米。
光纤
PZT
(a)
光纤 (b)
PZT
光纤 F－P 腔
光纤 (c)
PZT
光纤温度测量技术
光纤压力测量技术
光纤电流测量技术
光纤图像传感器
光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按阵列排
列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm 的光纤组成，每
条光纤传送一个像素信息。用传像束可对图像进行传递、分解、合成和修正。 传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。
⑴ 工业用内窥镜
I
光纤 载流导线
起偏器 显微物镜
激光器
光探测器
检偏器
＝ VHL V：Verdet 常数
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
频率调制型光纤传感器
利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或 频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调 制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂。 光纤光栅传感器 通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息
fc ＝
C 2nL
T1-3 ＝ 0， T1-4 ＝ 1
f ＝ f2
或： ＝ (12)/(2nL)
Fabry－Perot 光纤干涉仪
• 光纤波导腔 FFPF
•
光纤两端面直接镀高反射膜，
•
腔长一般为厘米到米量级，因
•
此自由谱区小。
第3章光电检测技术-文档资料
I光 SgE U
: 照度指数(0.5 1)，Sg : 光电导， :电压指数(欧姆接触为 1)，U：外加电压
什么是欧 姆接触？
图3-10 CdS光敏电阻的光照特性
4)伏安特性
图3-11 光敏电阻的伏安特性
5)温度特性
图3-12 光敏电阻的温度特性
6)频率响应
1.硒
2.硫化镉 3.硫化铊
3.2 真空光电探测器件
3.2.1 光电发射材料
1)光电发射材料的类型及其应具备的条件
光吸收系数大
光电在在体内传输过程中收到的能量损失小
表面势垒低，表面逸出率大
2)光电发射阴极材料 (1)单碱与多碱锑化物光阴极 (2)银氧铯与铋银氧铯光阴极 (3)紫外光电阴极 (4)负电子亲和势
图3-1 集中光电阴极材料的光谱响应
3.4 半导体光伏型检测器件
3.4.1 光电池
1）光电池的结构和工作原理
图3-16 硅光电池结构、外型与电路符号 (a)结构 (b)外型 (c)符号
锑化铯（CsSb）材料 氧化的银镁合金材料 铜-铍合金（铍的含量为2%） 负电子亲和势材料GaP[Cs]
(5)阳极结构
栅网状阳极
图3-3 光电倍增管结构图 (a)百叶窗倍增级 (b)盒栅倍增级
(c)瓦片倍增级
(d)圆形鼠笼
3)PMT的基本特性参数 (1)光谱响应度 (2)放大倍数 (3)暗电流
光电倍增管的暗电流是指无光照时（加有电源），光电 主要暗 倍增管的输出电流
价带
图3-8 本征半导体与杂质半导体
3.3.2 光敏电阻特性参数
1)光电导增益
G U l2 : 量子产额，：载流子寿命，
：迁移率，U：外加电压， ：电极间距
《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
光电检测技术摘要：光电检测技术是一种利用光电效应来检测和测量物体的技术。
本文将介绍光电检测技术的原理和应用领域，探讨光电检测技术的优势和局限，并展望其未来发展方向。
第一部分：光电检测技术的原理1.1 光电效应的基本原理光电效应是指当光照射到特定材料表面时，产生光电子和电子的释放现象。
光电效应包括光电发射效应和光电吸收效应两种情况。
在光电检测技术中，一般利用光电发射效应来实现光电测量。
1.2 光电检测元件在光电检测技术中，常用的光电检测元件包括光电二极管、光敏电阻、光电倍增管等。
这些元件能够将光信号转化为电信号，并进行相应的电路处理。
1.3 光电检测技术的基本原理光电检测技术利用光电效应的原理，将光信号转化为电信号，并通过电路处理和分析得到所需的测量结果。
光电检测技术可以实现对光强度、光功率、光频率等参数的测量。
第二部分：光电检测技术的应用领域2.1 工业自动化光电检测技术在工业自动化领域中有广泛的应用。
例如，光电传感器可以用于检测物体的位置、速度和形状等信息，从而实现对生产流程的控制和优化。
2.2 无损检测光电检测技术可以用于无损检测领域，例如对材料的缺陷、组织结构和磨损程度进行检测和分析，从而提高材料的品质和可靠性。
2.3 生物医学在生物医学领域中，光电检测技术可以用于血氧测量、生物分子测量、细胞成像等应用。
例如，光电子学显微镜可以观察和研究微观生物结构。
2.4 环境监测光电检测技术在环境监测领域中被广泛应用。
例如，光电二极管可以用于光强度的测量，从而监测光照强度对环境的影响。
第三部分：光电检测技术的优势和局限3.1 优势光电检测技术具有响应速度快、精度高、可靠性强等优点。
光电检测元件体积小，可放置在狭小的空间中，并能耐受高温和高压等恶劣环境。
3.2 局限光电检测技术在进行远距离测量和透明物体测量时存在一定的局限。
此外，光电检测技术的应用受到光照强度和环境噪声等因素的影响。
第四部分：光电检测技术的未来发展方向随着科技的不断进步，光电检测技术将会在以下几个方面得到进一步发展：4.1 小型化和集成化光电检测元件将趋向于小型化和集成化，以适应小型化和高性能化的设备和系统要求。
光电检测技术课件-文档资料
安毓英等，《光电子技术》，电子工业出版社.
10
课程简介及要求
考试成绩：分为优、良、中、及格和不及格. 考核方式：
平时出勤率：20分，缺席一次扣2分.事假病假每次扣一分. 作业完成情况：15分. 实验完成情况：15分. 结课开卷考试：50分.
11
主要内容：
第一章 绪论
1
2
信息技术 与光电检
医疗卫生： 传感器
3
前言
三、光电检测技术在军事上的应用
美军研制的未来单兵作战武器
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
4
前言
四、光电检测技术应用实例简介
币长调节轮
喂钞台
显示面板
喂钞台传感器 新版键
功能键 预置健 接钞轮 接钞台
接钞台传感器
5
前言
1.接钞台传感器 4.接钞轮 7.压钞轮
的普通纸进行别制钞造票，的经真漂假白。处人理民后币的纸张质在特紫征外与线假（钞波的长纸为365nm 主的要蓝是光用）于的根照质据射特钞下征票会有经出一过现定此荧的红光差外反异发应，光（用及在红接紫外收外信二线号极的对管激钞所发票用下进的衍行时射间出及波电长机为的 转4在速2点0来－钞间4机接6的0的n穿喂计m透钞算的检台出蓝测和钞光时取票），钞的，它台宽人们部度民对分，币红分并则外别对没信有机有号一器荧的个的光吸作运反收为行应能有状。力无态所将钞进以会票行，的判用发断紫射，外比光如 源对运动有接钞无收票卡红进纸外不行等对同照；管，射同，利并时用用同也来这时能检一用根测原硅据是理光钞否，电票有可池的钞以检宽票实测度放现钞判入辨票断或伪的出取。荧其出光面。反值映。，可判
从理论上
信息科学
从工程应用上
信息技术 感测技术、通信技术、
10
课程简介及要求
考试成绩：分为优、良、中、及格和不及格. 考核方式：
平时出勤率：20分，缺席一次扣2分.事假病假每次扣一分. 作业完成情况：15分. 实验完成情况：15分. 结课开卷考试：50分.
11
主要内容：
第一章 绪论
1
2
信息技术 与光电检
医疗卫生： 传感器
3
前言
三、光电检测技术在军事上的应用
美军研制的未来单兵作战武器
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
4
前言
四、光电检测技术应用实例简介
币长调节轮
喂钞台
显示面板
喂钞台传感器 新版键
功能键 预置健 接钞轮 接钞台
接钞台传感器
5
前言
1.接钞台传感器 4.接钞轮 7.压钞轮
的普通纸进行别制钞造票，的经真漂假白。处人理民后币的纸张质在特紫征外与线假（钞波的长纸为365nm 主的要蓝是光用）于的根照质据射特钞下征票会有经出一过现定此荧的红光差外反异发应，光（用及在红接紫外收外信二线号极的对管激钞所发票用下进的衍行时射间出及波电长机为的 转4在速2点0来－钞间4机接6的0的n穿喂计m透钞算的检台出蓝测和钞光时取票），钞的，它台宽人们部度民对分，币红分并则外别对没信有机有号一器荧的个的光吸作运反收为行应能有状。力无态所将钞进以会票行，的判用发断紫射，外比光如 源对运动有接钞无收票卡红进纸外不行等对同照；管，射同，利并时用用同也来这时能检一用根测原硅据是理光钞否，电票有可池的钞以检宽票实测度放现钞判入辨票断或伪的出取。荧其出光面。反值映。，可判
从理论上
信息科学
从工程应用上
信息技术 感测技术、通信技术、
光电检测技术文档ppt
特点：克服单频干涉仪的漂移问题； 细分变得容易； 提高了抗干扰性能。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
两束入射光：偏振方向相同、传 播方向平行、重合后垂直入射到 光电探测器上，光波场的合成产 生了和频、差频光强信号。当差 频信号频率在探测器频率响应区 域时形成输出电信号。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 被探测信号光功率
本振光功率
Ps
E
2 s
2
PL
E
2 L
2
光外差检测输出功率
P IFi2R L2E s2 2 E L2R L2 h e 2P sP LR L
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 光电直接探测输出功率为
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 直接探测时用滤波片滤除背景光
1nm
对应的光频带宽度为
f
c
2
0.3
2
二氧化碳激光的10.6微米波长
f 3GHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 光外差产生差频信号转换成电信号，频率远远低于探测光 的频率。光外差信号对应的频率宽度为
fIFf fSfL
CO2激光多普勒效应测物体运动速率 10m / s
fIF2cufL2uL 1.89MHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
考虑到光电探测器的内部增益，散粒噪声、热噪声，光外 差探测器的噪声为
P n 2 G 2 e h eP s P b P L Id fIF R L 4 K T fIF R L
输出信号有效功率为
3.2.1 光电外差检测的基本原理
两束入射光：偏振方向相同、传 播方向平行、重合后垂直入射到 光电探测器上，光波场的合成产 生了和频、差频光强信号。当差 频信号频率在探测器频率响应区 域时形成输出电信号。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 被探测信号光功率
本振光功率
Ps
E
2 s
2
PL
E
2 L
2
光外差检测输出功率
P IFi2R L2E s2 2 E L2R L2 h e 2P sP LR L
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 光电直接探测输出功率为
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 直接探测时用滤波片滤除背景光
1nm
对应的光频带宽度为
f
c
2
0.3
2
二氧化碳激光的10.6微米波长
f 3GHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 光外差产生差频信号转换成电信号，频率远远低于探测光 的频率。光外差信号对应的频率宽度为
fIFf fSfL
CO2激光多普勒效应测物体运动速率 10m / s
fIF2cufL2uL 1.89MHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
考虑到光电探测器的内部增益，散粒噪声、热噪声，光外 差探测器的噪声为
P n 2 G 2 e h eP s P b P L Id fIF R L 4 K T fIF R L
输出信号有效功率为
光电检测技术(第二版)_答案_(与教材匹配)_曾光宇_张志林_张存林_主编
3-5：
3-6： 3-7：
PIN 管原理：在高掺杂 P 型和 N 型半导体之间生长一层具有一定厚度（近似于反偏压下 的耗尽层厚度）的本征半导体或低掺杂半导体材料（称为 I 层），使 PIN 管具有优于耗尽层 光敏二极管的高速响应特性。
特点：响应时间很短，在 S 左右；频带很宽，可达 10GHz；输出电流小，只有零点几 uA 至数 uA
2������������������ 2������∗20M
1-8:
第2章
2-1：
（1）辐射效率和发光效率
在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，
称为光源在规定光谱范围内的辐射效率。
（2）光谱功率分布
不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。
（3）空间光强分布
All right reserved:Charles
对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自 原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就 得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。 （4）光源的色温
辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该 辐射源的色温。 （5）光源的颜色
1-5：
All right reserved:Charles
白噪声：指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量的随机噪 声称为白噪声。
1/f 噪声:这种噪声的功率谱与频率成反比变化，故称 1/f 噪声。 措施：降低温度，选择带通小的电阻。 1-6： 最小辐射功率：
1-7： 时间常数：Ʈ= 1 = 1 ≈8ns
电源电压稳定度： U 1 M 1 1% 0.083% U nk M 12 1
3-6： 3-7：
PIN 管原理：在高掺杂 P 型和 N 型半导体之间生长一层具有一定厚度（近似于反偏压下 的耗尽层厚度）的本征半导体或低掺杂半导体材料（称为 I 层），使 PIN 管具有优于耗尽层 光敏二极管的高速响应特性。
特点：响应时间很短，在 S 左右；频带很宽，可达 10GHz；输出电流小，只有零点几 uA 至数 uA
2������������������ 2������∗20M
1-8:
第2章
2-1：
（1）辐射效率和发光效率
在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，
称为光源在规定光谱范围内的辐射效率。
（2）光谱功率分布
不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。
（3）空间光强分布
All right reserved:Charles
对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自 原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就 得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。 （4）光源的色温
辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该 辐射源的色温。 （5）光源的颜色
1-5：
All right reserved:Charles
白噪声：指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量的随机噪 声称为白噪声。
1/f 噪声:这种噪声的功率谱与频率成反比变化，故称 1/f 噪声。 措施：降低温度，选择带通小的电阻。 1-6： 最小辐射功率：
1-7： 时间常数：Ʈ= 1 = 1 ≈8ns
电源电压稳定度： U 1 M 1 1% 0.083% U nk M 12 1
《光电检测技术》全【2024版】
能源与动力工程学院
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
能源与动力工程学院
Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
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Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
光电检测技术1
•光接收机的分类
•功率检测接收机—直接检测或非相干检测 外差检测接收机—相干检测（空间相干）
2020/2/13
光信息科学与技术系
18
•光接收机的分类图示
空间滤波器
透镜
接收到 的光场
光电检测器
频率滤波器
直接检测接收机
透镜
合束镜
外差检测接收机
2020/2/13
接收到 聚焦光场 的光场
光电检测器
本地光场
1. 了解并掌握典型的光电器件的原理和特点， 会正确选用光电器件。
2. 学会根据光电器件的特点选择和设计光电 检测电路和有关参数。
3. 能根据被测对象的要求，设计光电检测系 统。
2020/2/13
光信息科学与技术系
26
1.4 光电检测方法及应用发展趋势
▪ 光电传感器的类型
根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，可分为：
1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测
5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析
2020/2/13
光信息科学与技术系
武器制导，光电跟踪，电视遥测等。
▪ 非接触检测。光照可认为是没有测量力的，也无磨擦，可实现动态测
量，效率最高。
▪ 寿命长。光波可永久使用。 ▪ 具有很强的信息处理和运算能力。可将复杂信息并行处理。。同
时光电方法还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。
2020/2/13
光信息科学与技术系
25
▪ 光电检测技术的学习要求：
《光电检测技术》幻灯片
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
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，
第四节 发光、耦合和成像器件 4.1 发光二极管 4.2 激光器 4.3 光电耦合器件 4.4 CCD
第五节 光电检测系统 5.1 直接光电检测系统 5.2 光外差光电检测系统 5.3 典型的光电检测系统
第一节 绪 论
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。
光电检测系统
光
光
被
光
光变
电
源
学 系 统
测 对 象
学 变 换
电换 传电 感路
信 号 处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
光电检测系统
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。 光电变换 光电/热电器件〔传感器〕、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息〔电信号
的放大和处理〕。 电路处理 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、
光电检测系统与人操作功能比较
被测物体
感觉器官
人脑
手控
被测物体
光电传感
微机
执行机构
光电传感局部相当于人身的感觉器官
光电检测系统的功能分类
《光电检测技术》word版
光电检测技术绪论第1节光电技术一、概述a)主要研究光与电之间的转换b)接收器件/发射器件/光电探测器件二、光电技术的发展a)半导体集成电路b)光纤传感器和光波导第2节光电技术的特点及应用一、光电系统a)光电能量系统、光电信息系统b)光电系统的主要类型（1）光-电型（应用最广泛）（2）光-电-光型（3）电-光-电型（4）光电混合型（5）电光混合型c)光电系统基本模型i.光电系统通常分为主动式和被动式两类。
ii.光接收机可以分为两种基本类型，即功率探测接收机和外差接收机。
二、光电检测所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和接收解调两个主要方面。
光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节，调制与解调。
光电检测系统分类（1）测量检查型（2）控制跟踪型（3）图像分析型三、光电器件凡能探测某种电磁辐射（自射线到红外线）的各种电子器件，都应归入光电探测器件。
主要是固体的光电效应，就是固体中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电学性质发生改变的现象。
例如：光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应等。
1、光电器件具有选择性的吸收2、光电器件器件通常具有灵敏度高，惰性小，响应速度快四、光电技术的应用和发展(1)有广泛的适用范围(2)有较高的信号检测能力(3)有较强的信息运算能力第一章光电器件的物理基础1-1 光的概念与度量学中的参量一、电磁波谱与光子能量公式二、辐射量与光度量三、辐射量与光度量的换算1、光谱量与积分量2、光谱光视效能K(λ)与光谱光视效率V(λ)四、朗伯余弦定律1-2 半导体基础知识一、半导体的能带理论1、原子能级与晶体能带2、本征半导体（I型）3、杂质半导体二、热平衡状态下的载流子三、光辐射与半导体的相互作用1、本征吸收2、非本征吸收(杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收)四、非平衡状态下的载流子1、产生与复合2、复合与非平衡载流子寿命τ五、载流子的输运1-3 光电转换的物理基础－光电效应一、光电效应辐射→电子运动状态发生变化→光电导效应、光生伏特效应、光电子发射二、光电效应分类a)外光电效应b)内光电效应(光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应)三、光电效应的物理现象（一）光电导效应a)光电导率b)本征半导体的光电导效应c)杂质半导体的光电导效应d)光电导体的灵敏度e)光电导的弛豫f)光电导的光谱分布（二）光生伏特效应⒈PN结的光生伏特效应⒉异质结的光生伏特效应⒊肖特基结的光生伏特效应4、丹倍效应5、光磁电效应（三）光电发射效应1、光电发射原理2、光电发射的基本定律3、光电发射长波限上述探测器件所依据的物理效应的共同特性是（1）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率有关，与入射光的强度无关；—光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波长、频率以及器件的能级结构（2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也与入射光的波长、频率有关。
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P e M i t RL P M RL
2 2 s 2 2 s 2
考虑信号噪声、背景噪声、暗电流噪声、热噪声。总噪声 功率为
Pn i i i i
2 ns 2 nb 2 nd
2 nT
R
L
14
3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限 输出信噪比
e i t P t hv
光电直接探测称为包络探测或非相干光探测。 在光电直接探测中，信噪比(SNR)为
s SNR n
6
3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性 设输入光信号
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es t Es cos st
is t es2 t
24
3.1.2 光信号的直接探测方法
③ 脉冲测量方法
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被测物体3放在传送带或链轨上， 传送轮4转动时，物体即移动。 它的移动速度u与传送带的速度 相等，即两者无相对滑动。
物体通过光源1光束的时间为t，即照在光电探测器件上的光线被 遮断的暗脉冲持续时间为t，那么被测物体长度为 L ut
25
3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
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距离的光电测量主要有两种方法：脉冲法测距和相位法测距。
由激光器对被测目标发 射一个光脉冲，然后接 收目标反射回来的光脉 冲，通过测量光脉冲往 返所经过的时间来算出 目标的距离。
26
3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
光电直接检测技术 光电外差检测技术 激光干涉测试技术 激光衍射测量技术
3
3 光电检测技术
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1
光电直接检测技术
4
3.1 光电直接检测技术
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
3.1.2 光信号的直接探测方法
5
3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性
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光电探测器件实现光电转换。被测信息包含于光功率的变 化中，光电流与光功率的关系为
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发射望远系统是倒置的 伽利略望远镜，它可使 激光的发散角进一步压 缩，一般输出激光发散 角在毫弧度范围内。单 位立体角的光能量得到 提高，目标所得到的照 度也相应提高，有利于 提高测程和可靠性。
31
3.1.2 光信号的直接探测方法
LOGO
④ 激光测距仪 脉冲测距 脉冲激光接收机由接收光学系统、光电探测器、低噪声宽带放 大器和整形电路组成。
回波相位差 注意
cos cos 2 N
36
3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距 距离方程一般形式为
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c L 2 N N 4 f s
② 光电直接探测的信噪比
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输入信号功率、输入噪声功率；输出信号功率、输出噪声功 率一般关系
2 2 so no k si ni k si 2 si ni ni 2
对应的输出信号为
so ksi2
输出噪声为
no k 2 si ni ni2
11
d W 2f
Ad 2 f
增大视场角，能够提高发现目标的概率。其具 体措施为增大探测器面积或者减小光学系统焦 距，这两种方案都将明显增大光探测传感器的 本底噪声。
20
3.1.2 光信号的直接探测方法
① 直接作用方法
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光直接照射到光电探测器上，光电转换后进行电信号放大， 放大后的信号用于显示。
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性
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is t
2
Es2 1 2 KV t
幅度调制信号不受平方律影响。 采用隔直电路可得相应调幅信号的输出电流
s t Es2 KV t i
包络探测
10
3.1.1 光强探测系统的基本特性
2hf
直接探测的理论极限
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限
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如果使系统趋近量子极限则意味着信噪比的改善，可行的方法就 是在光电探测过程中利用光电探测器的内增益获得光电倍增。
2 对于光电倍增管，由于倍增因子M的存在，信号功率 iS 增加M2的同 时，散粒噪声功率也倍增M2倍，信噪比变为：
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so M 2 2 Ps2 RL SNR 2 2 2 2 no ins inb ind inT RL
当SNR=1时，信号光功率是探测器系统的噪声等效功率(NEP)
1 1 2 2 2 2 NEP ins inb ind inT 2 M
散粒噪声
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27
3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
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脉冲测距机 L
目 标
激光器与被测目标的距离
c L t
距离误差
L c t t L c t t
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
A 激光器 参考信号取样器 B 探测器 光阑 干涉滤光片 放大 整形 C T触发器 D 时钟脉冲振荡器 E 计数器 K 回波 发射激光束
考虑探测器的负载电阻，则相应的输出电功率为
2 2 2 P i t R Ps RL e s L
is t e t
2 s
Es2 Ps
光电流正比于光电场振幅的平方 电输出功率正比于入射光功率的平方
8
3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性 对光场进行幅度调制后，输入光信号为
光电探测器对光波的频率是不可能直接响应 探测只能获得光强的平均值信息。对应的光电流为
e is t e t E Ps 2 hv α为光电转换因子，Ps为入射光的平均功率
2 s 2 s
7
3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性
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2 直接探测只响应光波的功率（或振幅）而不响应光波的频 率和相位。
21
3.1.2 光信号的直接探测方法
② 光学差动方法
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被测量与参考量进行比较，将两者的差值信号作为检测出的 信号。 特点：电源干扰可以消除、背景干扰可以消除、器件的不一 致性可以消除、检测灵敏度可以提高。 环境影响 液体透过率光学差动法测试装置
输入 敏感元件 敏感元件 变换电路
参考光路
信号光路
3.1.1 光强探测系统的基本特性
② 光电直接探测的信噪比 输出信噪比为
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si / ni so ks SNR 2 no k 2si ni ni 1 2si / ni
2 i 2
输入信噪比很小
si / ni 1
so 2 SNR si / ni no
信噪比变得更差。即直接探测技术不能用于输入信噪比 小于1时的情况。
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
② 光电直接探测的信噪比
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si / ni so SNR no 1 2 si / ni
2
输入信噪比很高
si / ni 1
so 1 SNR si / ni no 2
热噪声
15
3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限
LOGO
直接探测的最理想状态，不考虑其他噪声，只存在光信 号噪声 2 2 2 2 2 2
G Ps RL G Ps SNR 2 2 2 2 2 i i i i i R ns nb nd nT L ns
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距
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振荡信号源调制LD激光， 产生“光强正弦调制波”， 通过光学发射机准直为 mrad级的光束射向目标。 经目标反射的回波仍为的 调制波，但产生由测程L决 定的相位延迟。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距
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直接探测技术的输出信噪比等于输入信噪比的一半 光电直接探测的前提条件是输入信噪比大于1 直接探测方法不能改善输入信噪比，不适合探测微弱信号。 但是这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本较低。
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限 具有内增益M的探测器上输出的电功率
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
④ 光电直接探测的视场角
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直接探测系统接收无穷远处光源发出的光信号，光电探测 器的光敏面位于收集光系统的焦平面上,对应的半视场角
d W 2f
对应的立体角
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Ad 2 f
3.1.1 光强探测系统的基本特性
④ 光电直接探测的视场角
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由于光源的尺度有限，远场条件下被探测对 象等效于点源。
光学系统收集激光回波 能量会聚到探测器上。 探测器位于光学系统后 焦面上，口径愈大，收 集光能量愈多。 要求光电探测器光谱响 应度高、响应时间短 (纳秒量级)。低噪声的 宽带放大器。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距
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相位法测距就是通过测量从激光测距仪发出的连续调制光在待 测距离上往返所产生的相位移动来计算待测距离的方法。 相位测距法比脉冲测距法有更高的测距精度。结合一角锥镜光 反射器，较低的光源功率便可得到较远的测程。适合于民用测 量，如大地测量、地震测量等。