第1章光電檢測技術(shù)

1、光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)參考書目參考書目光電檢測技術(shù)及應用光電檢測技術(shù)及應用周秀云等編著周秀云等編著 電子工業(yè)出電子工業(yè)出版社版社光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)曾光宇等編著曾光宇等編著 清華大學出版社清華大學出版社光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)雷玉堂等編著雷玉堂等編著 中國計量出版社中國計量出版社目目 錄錄第一章第一章 緒論緒論 1.1 信息技術(shù)與光電檢測技術(shù)信息技術(shù)與光電檢測技術(shù) 1.2 光電檢測與光電傳感器概念光電檢測與光電傳感器概念 1.2.1 檢測與測量的概念檢測與測量的概念 1.2.2 光電傳感器與敏感器的概念光電傳感器與敏感器的概念 1.3 光電檢測系統(tǒng)的組成及特點光電檢測系統(tǒng)的組成及特點 1

2、.4 光電檢測方法及應用發(fā)展趨勢光電檢測方法及應用發(fā)展趨勢第二章第二章 光電檢測器件工作原理及特性光電檢測器件工作原理及特性 2.1 光電檢測器件的物理基礎(chǔ)光電檢測器件的物理基礎(chǔ) 2.1.1 光電導效應光電導效應 2.1.2 雜質(zhì)光電導效應雜質(zhì)光電導效應 2.1.3 光生伏特效應光生伏特效應 2.1.4 光熱效應光熱效應2.2 光電檢測器件的特性參量光電檢測器件的特性參量第三章第三章 半導體光電檢測器件及應用半導體光電檢測器件及應用3.1 光敏電阻光敏電阻 3.1.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及其工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及其工作原理 3.1.2 光敏電阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù) 3.1.3 光敏電阻的應用

3、光敏電阻的應用3.2 光生伏特器件光生伏特器件 3.2.1 光電池光電池 3.2.2 光電二極管與光電三極管光電二極管與光電三極管 3.2.3 發(fā)光器件發(fā)光器件 3.2.4 光電耦合器件光電耦合器件 3.2.5 光電位置敏感器件光電位置敏感器件 3.2.6 光熱輻射檢測器件光熱輻射檢測器件 3.2.7 各種光電檢測器件的性能比較各種光電檢測器件的性能比較第四章第四章 光電信號檢測電路光電信號檢測電路 4.1 光電檢測電路的設計要求光電檢測電路的設計要求 4.2 光電信號輸入電路的靜態(tài)計算光電信號輸入電路的靜態(tài)計算 4.2.1 恒流源型器件光電信號輸入電路恒流源型器件光電信號輸入電路 4.2.2

4、 光伏型器件光電信號輸入電路光伏型器件光電信號輸入電路 4.2.3 可變電阻型器件光電信號輸入電路可變電阻型器件光電信號輸入電路 4.3 光電信號檢測電路的動態(tài)計算光電信號檢測電路的動態(tài)計算 4.3.1 光電信號輸入電路的動態(tài)計算光電信號輸入電路的動態(tài)計算 4.3.2 光電檢測電路的頻率特性光電檢測電路的頻率特性 4.4 光電信號檢測電路的噪聲光電信號檢測電路的噪聲 4.5 前置放大器前置放大器 4.6 光電檢測電路舉例光電檢測電路舉例第五章第五章 光電直接檢測系統(tǒng)光電直接檢測系統(tǒng) 5.1 光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理 5.2 光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性光電直接

5、檢測系統(tǒng)的基本特性 5.2.1 直接檢測系統(tǒng)的信噪比直接檢測系統(tǒng)的信噪比 5.2.2 直接檢測系統(tǒng)的檢測極限及趨近方法直接檢測系統(tǒng)的檢測極限及趨近方法 5.2.3 直接檢測系統(tǒng)的視場角直接檢測系統(tǒng)的視場角 5.2.4 系統(tǒng)的通頻帶寬度系統(tǒng)的通頻帶寬度 5.3 直接檢測系統(tǒng)的距離方程直接檢測系統(tǒng)的距離方程 5.4 光電直接檢測系統(tǒng)舉例光電直接檢測系統(tǒng)舉例 5.4.1 莫爾條紋測長儀莫爾條紋測長儀 5.4.2 激光測距儀激光測距儀 5.4.3 環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)第六章第六章 光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng) 6.1 光外差檢測原理光外差檢測原理 6.2 光外差檢測特性光外差檢測特性 6.

6、3 影響光外差檢測系統(tǒng)靈敏度的因素影響光外差檢測系統(tǒng)靈敏度的因素 6.3.1 光外差檢測的空間條件光外差檢測的空間條件(空間調(diào)準空間調(diào)準) 6.3.2 光外差檢測的頻率條件光外差檢測的頻率條件 6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例光外差檢測系統(tǒng)舉例 6.4.1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù) 6.4.2 光外差通信光外差通信 6.4.3 多普勒測速多普勒測速第七章第七章 光纖傳感器檢測技術(shù)光纖傳感器檢測技術(shù) 7.1 光纖傳感器的基礎(chǔ)光纖傳感器的基礎(chǔ) 7.2 光纖的光波調(diào)制技術(shù)光纖的光波調(diào)制技術(shù) 7.2.1 強度調(diào)制與解調(diào)強度調(diào)制與解調(diào) 7.2.2 偏振調(diào)制與解調(diào)偏振調(diào)制與解調(diào) 7.2.3 相位調(diào)制與解調(diào)相位調(diào)

7、制與解調(diào) 7.2.4 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制與解調(diào) 7.3 光纖傳感器實例光纖傳感器實例 7.3.1 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 7.3.2 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 7.3.3 光纖角速度傳感器（光纖陀螺）光纖角速度傳感器（光纖陀螺） 7.3.4 光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器 7.3.5 光纖電流傳感器光纖電流傳感器 7.4 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器第八章第八章 光電信號的數(shù)據(jù)采集與微機接口光電信號的數(shù)據(jù)采集與微機接口 8.1 光電信號的二值化處理光電信號的二值化處理 8.1.1 單元光電信號的二值化處理單元光電信號的二值化處理 8.1.2 視頻信號的二值化處理視頻信號的二值化

8、處理 8.1.3 光電信號的二值化數(shù)據(jù)采集與接口光電信號的二值化數(shù)據(jù)采集與接口 8.2 單元光電信號的單元光電信號的A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集 8.3 視頻光電信號的視頻光電信號的A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集第九章第九章 光電檢測技術(shù)的典型應用光電檢測技術(shù)的典型應用 9.1 微弱光信號檢測技術(shù)微弱光信號檢測技術(shù) 9.1.1 鎖相放大器鎖相放大器 9.1.2 取樣積分器取樣積分器 9.1.3 光子計數(shù)器光子計數(shù)器 9.2 光電開關(guān)與光電轉(zhuǎn)速計光電開關(guān)與光電轉(zhuǎn)速計 9.3 條形碼技術(shù)條形碼技術(shù) 9.4 光電遙控技術(shù)光電遙控技術(shù) 9.5 紅外方位檢測系統(tǒng)紅外方位檢測系統(tǒng)第一章第一章 緒

9、緒 論論一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應用一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應用在線檢測：在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的成本約占現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的成本約占5070%光電檢測技術(shù)的應用光電檢測技術(shù)的應用檢測技術(shù)在汽車中的應用日新月異檢測技術(shù)在汽車中的應用日新月異溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度、節(jié)氣門、節(jié)氣門、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、濕度、風量、日照、加速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、濕度、風量、日照、加速度、車速、測距、圖象等車速、測距、圖象等 發(fā)動機：發(fā)動機：向發(fā)動機的電子控制單元（向發(fā)動機的電子控制單

10、元（ECU）提供發(fā)動機）提供發(fā)動機的工作狀況信息，的工作狀況信息， 對發(fā)動機工作狀況進行精確控制對發(fā)動機工作狀況進行精確控制底底 盤：盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等制動防抱死系統(tǒng)等 汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容部件，核心技術(shù)內(nèi)容 普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達二百余只。豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達二百余只。 二、檢測技術(shù)在日常生活中的應用二、檢測技術(shù)在日常生活中的應用 家用電器：家用電

11、器： 數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦-紅外測紅外測距傳感器距傳感器 自動感應燈：亮度檢測自動感應燈：亮度檢測-光敏電阻光敏電阻 空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱敏電阻、熱電偶熱電偶 電話、麥克風：話音轉(zhuǎn)換電話、麥克風：話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器駐極電容傳感器 遙控接收：紅外檢測遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極光敏二極管、光敏三極管管 可視對講、可視電話：圖像獲取可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣面陣CCD辦公商務：辦公商務： 掃描儀：文檔掃描掃描儀：文檔掃描-線陣線陣CCD 紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測-

12、光敏二極管、光敏光敏二極管、光敏 三極管三極管醫(yī)療衛(wèi)生：醫(yī)療衛(wèi)生： 數(shù)字體溫計：接觸式數(shù)字體溫計：接觸式-熱敏電阻，非接觸式熱敏電阻，非接觸式-紅紅外傳感器外傳感器 電子血壓計：血壓檢測電子血壓計：血壓檢測 - 壓力傳感器壓力傳感器 血糖測試儀、膽固醇檢測儀血糖測試儀、膽固醇檢測儀 - 離子傳感器離子傳感器三、檢測技術(shù)在軍事上的應用三、檢測技術(shù)在軍事上的應用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標。激光測距儀：可精確的定位目標。美國國家導彈防御計劃美國國家導彈防御計劃-NMD1.地基

13、攔截器地基攔截器2.早期預警系統(tǒng)早期預警系統(tǒng)3.前沿部署前沿部署(如雷達）如雷達）4.管理與控制系統(tǒng)管理與控制系統(tǒng)5. 衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng): 探測和發(fā)現(xiàn)探測和發(fā)現(xiàn)敵人導彈的發(fā)射并追蹤敵人導彈的發(fā)射并追蹤導彈的飛行軌道；導彈的飛行軌道；攔截器：能識別真假攔截器：能識別真假 彈頭，敵友方彈頭，敵友方“阿波羅阿波羅10”：火箭部分火箭部分-2077個傳感器個傳感器飛船部分飛船部分-1218個傳感器個傳感器檢測參數(shù)檢測參數(shù)-加速度、溫度、壓力、加速度、溫度、壓力、 振動、流量、應變、振動、流量、應變、 聲學聲學神州飛船：神州飛船：185臺（套）儀器裝置臺（套）儀器裝置

14、四、檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域的應用四、檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域的應用1.1 信息技術(shù)與光電檢測技術(shù)信息技術(shù)與光電檢測技術(shù) 信息技術(shù)信息技術(shù): :-感測技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能與計算機技術(shù)、控制技術(shù)。-微電子信息技術(shù)（電集成）、光子信息技術(shù)（光集成）、光電信息技術(shù)（光電集成）。光電檢測技術(shù)例：例：空調(diào)機測量控制室溫空調(diào)機測量控制室溫空氣空氣被測對象被測對象：被測信息被測信息：檢測器件檢測器件：操作過程操作過程：室內(nèi)空氣室內(nèi)空氣溫度溫度溫度傳感器溫度傳感器 - - 熱敏電阻、熱電偶熱敏電阻、熱電偶熱敏電阻熱敏電阻電信號電信號處理處理顯示顯示空調(diào)機空調(diào)機光電檢測系統(tǒng)與人工操作功能比較光電檢測系統(tǒng)與人工操作功能比

15、較 被測物體被測物體 感覺器官感覺器官 人腦人腦 手控手控 被測物體被測物體 光電傳感光電傳感 微機微機 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 光電傳感部分相當于人身的感覺器官光電傳感部分相當于人身的感覺器官 光電信息技術(shù)光電信息技術(shù) 以光電子學為基礎(chǔ)以光電子學為基礎(chǔ),以光電子器件為主體以光電子器件為主體,研究和發(fā)展光研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應用。它涉及電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應用。它涉及到：到： 1.光電源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成光電源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2.光通信和綜合信息網(wǎng)絡光通信和綜合信息網(wǎng)絡 3.光頻微電子光頻微電子 4.光電

16、方法用于瞬態(tài)光學觀測光電方法用于瞬態(tài)光學觀測 5.光電傳感、光纖傳感和圖象傳感光電傳感、光纖傳感和圖象傳感 6.激光、紅外、微光探測，定向和制導激光、紅外、微光探測，定向和制導 7.光電精密測試，在線檢測和控制技術(shù)光電精密測試，在線檢測和控制技術(shù) 8.混合光電信息處理、識別和圖象分析混合光電信息處理、識別和圖象分析 9.光電人工智能和機器視覺光電人工智能和機器視覺 10.光（電）邏輯運算和光（電）計算機及光電數(shù)據(jù)存儲光（電）邏輯運算和光（電）計算機及光電數(shù)據(jù)存儲 11.生物光子學生物光子學 光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù) 是利用是利用光電傳感器光電傳感器實現(xiàn)各類檢測。通常以激光、實現(xiàn)各類檢測。通常以

17、激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進行檢測，即通過射、衍射、折射、透射等）進行檢測，即通過光電檢測器件接收光電檢測器件接收光輻射光輻射并轉(zhuǎn)換為并轉(zhuǎn)換為電信號電信號，由，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機運算、變換接口輸入微型計算機運算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。何量或物理量。檢測

18、：檢測：通過一定的物理方式，分辨出被測參數(shù)量并歸通過一定的物理方式，分辨出被測參數(shù)量并歸屬到某一范圍帶，以此來判別被測參數(shù)量是否合格或?qū)俚侥骋环秶鷰?，以此來判別被測參數(shù)量是否合格或參數(shù)量是否存在。參數(shù)量是否存在。1.2 光電檢測與光電傳感器概念光電檢測與光電傳感器概念被測對象：被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天體體 ）被測信息：被測信息：物理量（光、電、力、熱、磁、聲、物理量（光、電、力、熱、磁、聲、） 化學量（化學量（PH、成份、成份） 生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 檢測器件：檢測器件：傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)傳感器、檢測

19、儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)檢測過程：檢測過程：信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出1.2.1 檢測與測量檢測與測量測量：測量：將被測的未知量與同性質(zhì)的標準量進行比較，將被測的未知量與同性質(zhì)的標準量進行比較，確定被測量對標準量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出確定被測量對標準量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個倍數(shù)的過程這個倍數(shù)的過程直接測量：直接測量：對儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運算，直接得出被對儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運算，直接得出被測量的數(shù)值。例如：測量的數(shù)值。例如： 長度：直尺、游標卡尺、千分尺長度：直尺、游標卡尺、千分尺 電壓：萬用表電壓：萬用表 質(zhì)量：天平質(zhì)量：天平間接測量：間接

20、測量：測量幾個與被測量相關(guān)的物理量，通過測量幾個與被測量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)關(guān)系式計算出被測量。例如：函數(shù)關(guān)系式計算出被測量。例如： 電功率電功率：P = I V（電流（電流電壓）電壓） 重力加速度：單擺測量（重力加速度：單擺測量（L：擺的線長，：擺的線長，T：擺動擺動的周期）的周期） 224TLg1.2.2 光電傳感器與敏感器的概念光電傳感器與敏感器的概念傳感器的作用：傳感器的作用：是將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對是將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的電量輸出。（非電量與電量系統(tǒng)之間應關(guān)系的電量輸出。（非電量與電量系統(tǒng)之間的接口）的接口） -有源傳感器（能量控制型有源傳感器（能量控制型-需外加電

21、源）需外加電源） -無源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型無源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型-不需外加電源）不需外加電源）敏感器：敏感器：能夠能夠?qū)⒈粶y非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的將被測非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件或裝置器件或裝置光電傳感器光電傳感器：基于光電效應，將光信號轉(zhuǎn)換為電基于光電效應，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件，廣泛應用于自動控制、信號的一種光電器件，廣泛應用于自動控制、宇航和廣播電視等各個領(lǐng)域。宇航和廣播電視等各個領(lǐng)域。類類 型型實實 例例PN結(jié)結(jié)PN光電二極管（光電二極管（Si,Ge, GaAs)PIN光電二極管（光電二極管（Si）雪崩光電二極管雪崩光電二極管(Si, Ge)光電晶體管光電晶體管(Si)

22、集成光電傳感器和光電晶閘管集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)非非PN結(jié)結(jié)光電元件光電元件(CdS, CdSe, Se, PbS)熱電元件熱電元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)電子管類電子管類光電管，攝像管，光電倍增管光電管，攝像管，光電倍增管其他類其他類色敏傳感器（色敏傳感器（Si）固體圖象傳感器（固體圖象傳感器（Si，CCD/MOS/CPD型）型）位置檢測用元件（位置檢測用元件（PSD）光電池光電池表表1-1 光電傳感器的種類光電傳感器的種類 電子檢測系統(tǒng)：電子檢測系統(tǒng)：一般由傳感器、信號調(diào)一般由傳感器、信號調(diào)理器和輸出環(huán)節(jié)三部分組成。理器和輸出環(huán)節(jié)三部分組成。 光電系統(tǒng)的基本模

23、型：光電系統(tǒng)的基本模型： 光發(fā)射機光發(fā)射機 光學信道光學信道 光接收機光接收機1.3 光電檢測系統(tǒng)的組成及特點光電檢測系統(tǒng)的組成及特點光源光源熱輻射熱輻射大氣、空間、大氣、空間、水下、光纖水下、光纖直接檢測接收機直接檢測接收機外差檢測接收機外差檢測接收機接收到接收到的光場的光場接收透接收透鏡系統(tǒng)鏡系統(tǒng)光電光電檢測器檢測器后續(xù)檢測后續(xù)檢測處理器處理器光接收機基本模型光接收機基本模型接收到接收到的光場的光場聚焦光場聚焦光場空間濾波器空間濾波器頻率濾波器頻率濾波器光電光電檢測器檢測器透鏡透鏡直接檢測接收機直接檢測接收機外差檢測接收機外差檢測接收機接收到接收到的光場的光場聚焦光場聚焦光場本地激光器本地

24、激光器光電光電檢測器檢測器透鏡透鏡合束鏡合束鏡本地光場本地光場準直后準直后的光場的光場光學變換光學變換變換電路變換電路光電傳感光電傳感光源光源光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)被測對象被測對象電信號處理電信號處理存存 儲儲顯顯 示示控控 制制電路處理電路處理光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)光載波光載波光信息光信息 光學變換光學變換 時域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬時域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬 空域變換：光學掃描空域變換：光學掃描 光學參量調(diào)制：光強、波長、相位、偏振光學參量調(diào)制：光強、波長、相位、偏振 形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處理的光學信息。

25、理的光學信息。 光電變換光電變換 光電光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大放大 將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動電路處理系統(tǒng)的電信息將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）。（電信號的放大和處理）。 電路處理電路處理 放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微、微機與接口、控制。機與接口、控制。 測量檢查型測量檢查型: : 幾何量幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。面積、體積、距離。 運動量：運動量：速度、加速度、振動速度、加速度、振動 表面形狀：表面形狀：光潔度、庇病、傷

26、痕光潔度、庇病、傷痕 工作過程：工作過程：濕度、流量、壓力、物位、濕度、流量、壓力、物位、PHPH值、值、濃度濃度等等 機械量：機械量：重量、壓力、應變、壓強重量、壓力、應變、壓強 電學量：電學量：電流、電壓、電場、磁場電流、電壓、電場、磁場 光學量：光學量：吸收、反射、透射、光度、色度、吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜波長、光譜光電檢測系統(tǒng)的功能分類光電檢測系統(tǒng)的功能分類 控制跟蹤型控制跟蹤型 跟蹤控制：跟蹤控制：激光制導，紅外制導激光制導，紅外制導 數(shù)值控制：數(shù)值控制：自動定位，圖形加工形成，數(shù)值自動定位，圖形加工形成，數(shù)值控制控制 圖象分析型圖象分析型 圖形檢測圖形檢測 圖形分析

27、圖形分析 高精度：高精度：從地球到月球激光測距的精度達到從地球到月球激光測距的精度達到1 1米。米。 高速度：高速度：光速是最快的。光速是最快的。 遠距離、大量程：遠距離、大量程：遙控、遙測和遙感。遙控、遙測和遙感。 非接觸式檢測：非接觸式檢測：不改變被測物體性質(zhì)的條件下進行測不改變被測物體性質(zhì)的條件下進行測量。量。 壽命長：壽命長：光電檢測中通常無機械運動部分，故測量裝光電檢測中通常無機械運動部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準確度高，對被測物無形狀和置壽命長，工作可靠、準確度高，對被測物無形狀和大小要求。大小要求。 數(shù)字化和智能化：數(shù)字化和智能化：強的信息處理、運算和控制能力。強的信息處理

28、、運算和控制能力。光電檢測技術(shù)的特點光電檢測技術(shù)的特點1.4 光電檢測方法及應用發(fā)展趨勢光電檢測方法及應用發(fā)展趨勢光電傳感器光電傳感器由光源、光學系統(tǒng)和光電信息由光源、光學系統(tǒng)和光電信息轉(zhuǎn)換器件三部分組成。轉(zhuǎn)換器件三部分組成。 根據(jù)光源、光學系統(tǒng)和光電信息轉(zhuǎn)換器件放根據(jù)光源、光學系統(tǒng)和光電信息轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，光電傳感器可分為以下三種：置位置的不同，光電傳感器可分為以下三種：l 直射型直射型l 反射型反射型l 輻射型輻射型 1、直接作用法、直接作用法光電檢測的基本方法光電檢測的基本方法被測物理量被測物理量光通量光通量光電傳感器光電傳感器放大、定標放大、定標直接讀數(shù)直接讀數(shù) 2、差動測量法

29、、差動測量法 利用被測量與某一標準量相比較，所得利用被測量與某一標準量相比較，所得差或數(shù)值比可反映被測量的大小。差或數(shù)值比可反映被測量的大小。 3、補償測量法、補償測量法 用光或電的方法補償由被測量變化而引用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化，補償器的可動元件連接起的光通量變化，補償器的可動元件連接讀數(shù)裝置指示出的補償量值，補償值的大讀數(shù)裝置指示出的補償量值，補償值的大小反映了被測量變化的大小。小反映了被測量變化的大小。 4、脈沖測量法、脈沖測量法 在測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈在測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬、相位、頻率、脈沖數(shù)沖，其參數(shù)（脈寬、相位、頻率、

30、脈沖數(shù)量等）反映了被測量的大小。量等）反映了被測量的大小。 納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。 小型、快速的微型光、機、電檢測系統(tǒng)。小型、快速的微型光、機、電檢測系統(tǒng)。 非接觸、快速在線測量。非接觸、快速在線測量。 微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)。微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)。 閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測量與光閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。電控制一體化。 向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。 光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)。光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)。光電檢測技術(shù)發(fā)展趨勢光電檢測技術(shù)發(fā)展趨勢本門

31、課程的學習要求本門課程的學習要求 （1）了解并掌握典型的光電器件的原理）了解并掌握典型的光電器件的原理和特點，會和特點，會正確選用正確選用光電器件光電器件 （2）學會根據(jù)光電器件的特點）學會根據(jù)光電器件的特點選擇和設選擇和設計計光電檢測電路和有關(guān)參數(shù)光電檢測電路和有關(guān)參數(shù) （3）能根據(jù)被測對象的要求，設計光電）能根據(jù)被測對象的要求，設計光電檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)補充：補充： 光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì) 輻射與光度學量輻射與光度學量 半導體基礎(chǔ)知識半導體基礎(chǔ)知識光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì) 牛頓牛頓微粒說微粒說 根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋 不能解釋較為復

32、雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏不能解釋較為復雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振振 波動理論波動理論 惠更斯、楊氏和費涅耳等惠更斯、楊氏和費涅耳等 解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象 麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波 光量子說光量子說 19001900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論的量子論 19051905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念出光量子的概念 光子的能量與光的頻率成正比光子的能量與光的頻率成正比 光具有波粒二象性光具有波粒二象性輻射度的基本物理量輻射度的基本物

33、理量 輻射能輻射能Qe ：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量。單位：焦耳或接收的能量。單位：焦耳J 輻射通量輻射通量e：單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、：單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接收的能量，又稱輻射功率傳播或接收的能量，又稱輻射功率Pe，是輻，是輻射能的時間變化率。單位：瓦射能的時間變化率。單位：瓦 輻射強度輻射強度e：點輻射源在給定方向上通過單：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/Sr 輻射照度輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。：投射在單位面積上的輻射通量。單位：單位：W/m2 輻射出射度輻射

34、出射度e ：擴展輻射源單位面積所輻射：擴展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W/m2 輻射亮度輻射亮度e ：輻射表面定向發(fā)射的輻射強度。：輻射表面定向發(fā)射的輻射強度。單位：單位：W/m2Sr 光譜輻射通量光譜輻射通量e（）：輻射通量的光譜密度，：輻射通量的光譜密度，即單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。即單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。 基本輻射度量的名稱、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能Q,焦耳J輻射能密度焦耳立方米Jm-3輻射通量，輻射功率瓦特W輻射強度瓦特球面度Wsr-1輻射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1輻射出射度瓦特平方米Wm-2輻射

35、照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/光度量的最基本單位光度量的最基本單位 發(fā)光強度發(fā)光強度Iv：發(fā)出波長為：發(fā)出波長為555nm的單色輻射，的單色輻射，在給定方向上的發(fā)光強度規(guī)定為在給定方向上的發(fā)光強度規(guī)定為1cd。單位：。單位：坎德拉（坎德拉（Candela）cd，它是國際單位制，它是國際單位制中七個基本單位之一。中七個基本單位之一。 光通量光通量v：光強度為：光強度為1cd的均勻點光源在的均勻點光源在1sr內(nèi)內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：流明發(fā)出的光通量。單位：流明lm。 光照度光照度Ev：單位面積所接受的入射光的量：單

36、位面積所接受的入射光的量 ，單位：勒克斯單位：勒克斯lx，相當于，相當于 1平方米面積上平方米面積上接受到接受到1個流明的光通量。個流明的光通量。 晴天陽光直射地面照度約為晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外陰天室外50500lx陰天室內(nèi)陰天室內(nèi)550lx月光（滿月）月光（滿月）2500lx日光燈日光燈5000lx電視機熒光屏電視機熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度閱讀書刊時

37、所需的照度5060lx在在40W白熾燈下白熾燈下1m遠處的照度約為遠處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜黑夜0.001lx半導體基礎(chǔ)知識半導體基礎(chǔ)知識 導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體 半導體的特性半導體的特性 半導體的能帶結(jié)構(gòu)半導體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導體與雜質(zhì)半導體本征半導體與雜質(zhì)半導體 平衡和非平衡載流子平衡和非平衡載流子 載流子的輸運過程載流子的輸運過程 半導體的光吸收半導體的光吸收 PN結(jié)結(jié)導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體 自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 固體按導電能力可分為：導體、絕緣

38、體和介于兩固體按導電能力可分為：導體、絕緣體和介于兩者之間的半導體。者之間的半導體。 電阻率電阻率10-6 10-3歐姆歐姆厘米范圍內(nèi)厘米范圍內(nèi)導體導體 電阻率電阻率1012歐姆歐姆厘米以上厘米以上絕緣體絕緣體 電阻率介于導體和絕緣體之間電阻率介于導體和絕緣體之間半導體半導體半導體的特性半導體的特性 半導體電阻溫度系數(shù)一般是負的，而且對溫度變半導體電阻溫度系數(shù)一般是負的，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測器件?；浅Ｃ舾?。根據(jù)這一特性，熱電探測器件。 導電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變導電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈化。（純凈Si在室溫下電導率為在室溫下

39、電導率為510-6/(歐姆歐姆厘厘米米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導率。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導率為為2 /(歐姆歐姆厘米厘米) 半導體導電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影半導體導電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。響。 本征半導體本征半導體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體。就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體。 在絕對零度時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子在絕對零度時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導帶中的量子態(tài)全部空著。占據(jù)，而導帶中的量子態(tài)全部空著。 在純凈的半導體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著在純凈的半導體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著的控制半導體的導電性質(zhì)。的控制半導體的導電性質(zhì)。

40、摻入的雜質(zhì)可以分為摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)和和受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半導體成為電離子，同時向?qū)峁╇娮樱拱雽w成為電子導電的子導電的n型半導體。型半導體。 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的穴導電的p型半導體。型半導體。本征和雜質(zhì)半導體本征和雜質(zhì)半導體平衡和非平衡載流子平衡和非平衡載流子 處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定溫度下，載處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為子濃度，稱為平衡載流子平衡載流子濃度。濃度。 半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀件，這就迫使