光电传感器考试必备复习材料综述

第一章 光电传感器 光电效应
一、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。

外光电效应器件:光电管和光电倍增管。

二、内光电效应：
（a) 光电导效应:在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。

如光敏电阻。

（b)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。

内光电效应器件：光敏电阻、光电池和光敏二极管和光敏晶体管 三、光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个
光子具有的能量是：
E h γ
=
h ——普朗克常数(h=6.62620*10-34 尔格.秒)
γ——光的频率（Hz ）
，波长短，频率高，能量大
能量守恒定律
如果光子的能量E 大于电子的逸出功A ，超出的能量表现在电子逸出的动能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。

能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。

也就是说，能否产生光电效应只与光子的频率γ和普朗克常量h 有关，与光照强度无关。

红限频率或长波限：当光子的能量等于光子的逸出功时，即E=h γ=A 时，γ就是红限频率或长波限。

光敏电阻:
1.结构和原理
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
2
012E h mv A
γ==+
逸出后的电子动能 逸出功
所吸收的光子能量
2．光敏电阻的特性（非线性）
暗电阻和暗电流:光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。

此时流过的电流，称为暗电流。

亮电阻:光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

光电流:亮电流与暗电流之差，称为光电流。

伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
1、在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；
2、在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。

3、光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，
4、耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。

光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，
一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。

各种效应
光电池：
（1）光谱特性：光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的，可见硒光电池适用于可见光，常用于照度计。

故在实际应用中，要根据光源频率选光电池，或根据光电池选光源。

(2)光照特性：
不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。

短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的
光电池作为测量元件使用时，要求输入量与输出量呈线性关系，
应把它当作电流源的形式来使用。

光敏二极管和光敏晶体管：
光敏二极管的工作原理：
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的
工作原理：
光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；
光敏三极管：
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。

把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。

特性：
（1）光谱特性
可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。

在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。

（2）伏安特性
（3）光照特性：光敏三极管输出电流与照度间呈近似线性关系，故可用于测量，也可用于开关元件。

光敏二极管的光照特性曲线的线性相对光敏三极管更好。

（4）温度特性：温度变化对光电流影响较小，而对暗电流影响很大。

应用中，就对暗电流进行温度补偿。

（5）频率响应：频率特性受负载电阻的影响较大，减小负载电阻可以提高频率响应。

光电位置传感器：
光电位置传感器应用：分析下列的电路图（只做参考）
光电开关: 透射式和反射式
门窗防盗报警:原理要掌握，要看懂电路图
光电器件前置放大器反馈电阻的计算
设每LX的输入，光电流IIN=5.5nA.如果取反馈电阻为180Ω，则每LX就可以得到1mV的输出电压。

如照度范围为(0~2000LX)则输出电压为（0~2V）
电容Cf作用：为了不产生自激振荡，需要的去耦电容
光栅式传感器：
功能：用于线位移和角位移以及转换为长度的物理量的测量。

其原理简单、测量精度高、测量范围广，易于实现数字显示和自动化测量。

光栅传感器组成：光栅传感器由光路系统、标尺光栅（主光栅）和指示光栅。

通常指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样密度的纹线，测位移时，指示栅固定不动，标尺光栅移动。

莫尔条纹：
相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条间距。

横向莫尔条纹重要特性:
①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系，条纹的移动反映标尺光栅与指示光栅相对移动的大小和方向。

标尺移动一个栅距W,莫尔条纹移动一个条纹间距BH，莫尔条纹的光强度按正弦规律变化。

②莫尔条纹具有位移放大作用
③莫尔条纹具有平均光栅误差作用：所产生的条纹由所有刻线产生而不是一条刻线产生，故起到平均误差的作用
辨向原理：物体正向移动时，并将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数。

第二章几何光学
费马原理：光从一点传播到另一点是沿着光程为极值（极大、极小、常量）的路径传播的。

光程：光线在介质中传播的距离与该介质折射率的乘积。

折射率：是光在某种介质中被阻挡的程度。

组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心同在一条直线上，则称为共轴光学系统，该直线叫作光轴。

完善成像条件：由物点发出的通过光学系统到达像点的任意光路的光程相等。

轴向放大率：它表示光轴上一对共轭点沿轴向移动量之间的关系。

角放大率:定义为折射光线的孔径角和它对应的入射光线的孔径角的比值。

角放大率表示折射球面将光束变宽或变细的能力，角放大率只与共轭点的位置θ
θθW
W W
B H
=
≈
=
2
2
2
sin
2
有关，而与光线的孔径角无关系。

α、β、γ三者之间的关系：α·γ=β
成像放大率：J 越大，光学系统的性能越高。

平面反射镜的转动：
αααααθ2)()(11
=-++=-+=''--+''-=I I I I I I 光学杠杆
y
f y f x F F M '
≈'==
2tan 2tan 21αα光学杠杆的放大倍数微小位移量。

可测，从而测得顶杆的故由于分划板刻线已知，所成的像，为，，反射平行光线旋转面镜旋转F1F2F1F22αα
双平面反射镜的成像(角镜成像)
入射角与出射角的夹角β=2α，只与双平面反射镜的夹角α有关，与入射角的角度无关
入射光线经过角镜后方向的改变，只与角镜的顶角α有关。

如果保持角镜的顶角α不变，在入射光线方向不变的情况下，如果角镜绕垂直于图平面的轴旋转，它的出射光线方向始终不会改变。

理想光学系统的放大率及其相互间的关系 （1）垂轴放大率：
（2）轴向放大率： （3）角放大率：
α、β、γ三者之间的关系：α·γ=β
像、物方焦点、焦平面
注意：物方焦点和像方焦点不是一对共轭点！ 注意：物方主面和像方主面是一对共轭面！
21f f d +'
-=∆
∆=
2
1f f f （'
1f 是光组Ⅰ的焦距，2f 是光组Ⅱ的焦距，f 是总焦距，d 是两光
组的距离）
光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 是限制和决定系统的有效光束大小的，即决定从轴上物点到达共轭像点的光线数目，它就是孔径光阑（有效光阑）。

（照相机调光圈就是调节孔径光闌的大小）
孔径光阑通过它前方的光学系统所成的像（即孔径光阑在整个系统物空间的像），称为“入射光瞳”。

孔径光阑通过它后方的光学系统所成的像（即孔径光阑在整个系统像空间的像），称为“出射光瞳”。

孔径光阑、入射光瞳、出射光瞳三者相互共轭。

物面上各点发出的光进入系统参与成像的公共入口就是入瞳，公共出口就是出瞳。

景像平面
第四章 物理光学 光的干涉
光程差与相位差的关系
相邻两个亮条纹或暗条纹间的距离为条纹间距
d D
e λ
=
可利用此公式求波长
任何两条相邻的明（或暗）条纹所对应的光程差之差一定等于一个波长值。

当某一参量引起光程差的改变，则相应的干涉条纹就会发生移动。

例1、求光波的波长
在杨氏双缝干涉实验中，已知双缝间距为0.60mm ，缝和屏相距 1.50m ，测得条纹宽度为1.50mm ，求入射光的波长。

解：由杨氏双缝干涉条纹间距公式 e=D λ/d 可以得到光波的波长为
λ=e ·d/D 代入数据，得
λ=1.50×10-3×0.60×10-3/1.50 =6.00×10-7m =600nm
例2、根据条纹移动求缝后所放介质片的厚度
当双缝干涉装置的一条狭缝S1后面盖上折射率为n=1.58的云母片时，观察到屏幕上干涉条纹移动了9个条纹间距，已知波长λ=5500A0，求云母片的厚度。

光程差增加一个波长，干涉条纹移动一个条纹间距
解：没有盖云母片时，零级明条纹在O点；
当S1缝后盖上云母片后，光线1的光程增大。

由于零级明条纹所对应的光程差为零，所以这时零级明条纹只有上移才能使光程差为零。

依题意，S1缝盖上云母片后，零级明条纹由O点移动原来的第九级明条纹位置P点，当x<<D时，S1发出的光可以近似看作垂直通过云母片，光程增加为(n-1)b，从而有
(n-1)b=kλ
所以
b=kλ/(n-1)=9×5500×10-10/(1.58-1)
=8.53×10-6m
例3 一双缝装置的一个缝为折射率1.40的薄玻璃片遮盖，另一个缝为折射率1.70的薄玻璃片遮盖，在玻璃片插入以后，屏上原来的中央极大所在点，现在为原来的第五级明纹所占据。

假定λ=480nm，且两玻璃片厚度均为t，求t值。

解：两缝分别为薄玻璃片遮盖后，两束相干光到达O点处的光程差的改变为
例7杨氏双缝实验中，P为屏上第五级亮纹所在位置。

现将一玻璃片插入光源发出的光束途中，则P点变为中央亮条纹的位置，求玻璃片的厚度。

平行平板产生的等倾干涉
在一均匀透明介质n ’中放入上下表面平行，厚度为h 的均匀介质
n
楔形平板产生的等厚干涉 等厚干涉：平行光入射非均匀薄膜，i 相同，对于不同的薄膜厚度e 产生不同的干涉条纹， 这种干涉叫等厚干涉 。

两个不平行平面的分振幅干涉，称为楔形平板的干涉。

从以上亮纹或暗纹公式易导出，从一个条纹过渡到另一个条纹，平板的厚度变化为
e 为条纹的间距，则
n h 2λ=∆，e h ∆=≈ααsin ，得条纹的间距
αλn e 2≈ 对应光程差变化为 ，楔板的楔角)2(ne λα=，
劈尖的应用：测波长，测折射率，测细小直径、厚度微小变化和测表面不平度。

(2).测量微小物体的厚度 将微小物体夹在两薄玻璃片间，形成劈尖，用单色平行光照射。

αL h =，由ne 2λα=得ne L h 2λ=
例如用波长为589.3nm 的钠黄光垂直照射长 L=20mm 的空气劈尖，测得条纹间距为，求物体厚度
例题 在检测某工件表面平整度时,在工件上放一标准平面玻璃,使其间形成一空气劈尖，并观察到弯曲的干涉条纹，如图所示。

求纹路深度H 。

解 若工件表面是平的,等厚条纹应为平行于棱边的直线条纹。

由于一条条纹对应一个厚度，由图的纹路弯曲情况可知，工件表面的纹路是凹下去的。

所以纹路深度
个条纹平移l a ，
n l a H 2λ⋅=。

这个
非常重要
因为
是老师
后来添上的
L λ
α
起偏器
自然光通过偏振片后成为线偏振光，线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向一致。

检偏器
用来检验某一束光是否偏振光。

方法：转动偏振片，观察透射光强度的变化。

自然光：透射光强度不发生变化
若以光传播方向为轴，慢慢旋转检偏片，观察透过偏振片的光
光强无变化的是自然光
光强有变化，但最小值不为零的是部分偏振光
光强有变化，但最小值为零(消光)的是线偏振光
物性型光纤传感器原理
光纤既是敏感元件又是传光元件。

（如温度、压力、电场、磁场等等改变时，引起光纤传光特性，如相位、光强、偏振角发生变化。

）
1.相位调制原理（光纤即做敏感元件又做传光元件）
2.光强调制型光纤传感器（光纤即做敏感元件又做传光元件）
3.偏振态调制型光纤电流传感器
1、磁光效应：将样品（玻璃等）放进螺线管的磁场中，并置于正交偏振器P 、A 之间，入射光矢量旋转的角度θ与沿光传播方向作用在非磁性物质上的磁感强度B 及光在磁场中所
通过的物质厚度l 成正比。

VBl =θ，维尔德常数是物质特性常数
,V
显微镜
成像原理：物镜+目镜
工业镜头的基本参数
1）视场（也叫视野范围）
2）工作距离
3）分辨率
4）景深
像素：电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素。