光外差探测技术及其应用
张潇依
10041540102
摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高3410~10数量级。相干探测与直接探测[1]相比，其测量精度高7810~10数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。
关键字： 光外差探测、光子计数、量子噪声限[2]、激光测距、多普勒[6]测速
1. 引言
光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限[2]，其NEP [3]值可达2010 W 。可以检测单个光子，进行光子计数。
在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外差检测技术并不特别有用。相反，由于直接检测[1]不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测[1]更为可取。在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。因此，用一般的直接检测[1]方法无法实现接近量子噪声限[2]的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。
2. 原理
光外差检测是有别于直接检测[1]的另一种检测技术。光外差检测原理方框图示于图1－1。图中，s f 为信号光波，l f 为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜[4]和可变光阑[4]入射到检测器表面进行混频，形成相干光场。经检测器变换后，输出信号中包含c f ＝s f －L f 的差频信号，故又
称相干检测。
图1－1. 外差检测原理示意图
反射镜
图1－2 外差检测实验装置
图1－2是外差检测的实验装置，光源是经过稳频的2CO 激光器[5]。由分束
镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为L f ；另一路经
过偏心轮[4]反射，并由透镜[4]聚焦到可变光阑[4]上作为信号光束。偏心轮[4]转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移[6]，其频率为s f 。可变光阑[4]用来限制两光束射向光电检测器[7]的空间方向。线栅
[4]偏振镜[4]用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。
下面用经典理论来分析两光束外差后的结果。设入射到检测器上的信号光场为 ：
()cos()s S s s f t A w t ?=+ (1.1)
本机振荡光场为：
()cos()L L L L f t A w t ?=+ (1.2) 那么，入射到检测器上 的总光场为：
()cos()cos()s s s L L L f t A w t A w t ??=+++ (1.3) 由于光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为 22()()[()()]p s L i t f t f t f T ∝=+ (1.4) 式中的横线表示在几个光频周期上的平均。将上式展开后， 则有
22()()[()()]p s L i t f t f t f T αα==+=
2222{cos ()cos ()S s s L L L A w t A w t α??++++
cos[()()]cos[()()]}S L L s s L S L L s L S A A w w t A A w w t ????++++-+- (1.5)
式中：/e hv αη=为光电变换比例常数；hv 为光子能量；c L s w w w =-称为差
频。上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项（和频项）频率太高，光混频器不响应。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多[6]。当差频()/2/2L s c w w w ππ-=低于光检测器的截止频率时，光检测器就有
频率为/2c w π的光电流输出。
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以c w 为中心
频率的带通滤波器的瞬时中频电流为
()cos[()()]c s L L s L s i t A A w w t α??=-+- (1.6)
从上式可以看出，中频信号电流的振幅s L A A α，频率()L s w w -和相位()L s ??-都随信号光波的振幅、频率和相位成比例地变化。在中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
cos[()()]c s L L L s L s V A A R w w t α??=-+- (1.7) 式中，L R 为负载电阻。中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：
2
22c c s L L L V e P P P R R hv η??== ???
(1.8) 式中：2/2c S P A =为信号光的平均功率；2/2L L P A =为本振光的平均功率
[6]。 当L s w w =，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为 ()cos()c S L L s i t A A α??=- (1.9) 这是外差检测的一种特殊形式，称为零差检测。
可以看到，差频信号是由具有恒定频率和恒定相位的相干光混频得到的。如果频率、相位不恒定，无法得到确定的差频光。这就是为什么只有激光才能实现外差检测的原因。
3． 特性
（1）.光外差检测可获得全部信息
外差检测中，光检测器输出的电流不仅与信号光和本振光的光波振幅成正比，而且输出电流的频率与相位还和合成振动频率和相位相等。因此，外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可以检测频率调制及相位调制的光信号。这种在光检测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位的全部信息，是直接检测所不可能有的[8]。
（2）.光外差检测转换增益高
光外差检测中频输出有效信号功率为 22()c S L L e P P P R hv
η= 在直接检测中，检测器输出的电功率为 220()S L e P P R hv
η= 在两种情况下，都假定负载电阻为L R 。在同样信号光功率S P 下，这两种方法所转换得到的信号功率比G 为 02C L S
P P G P P == (1.10)
式中，G 称为增益。
由于在外差检测中，本机振荡光功率L P 比信号光功率大几个数量积是容易
达到的，所以光外差转换增益可以高达7810~10。可以看出，在强光信号下，外差检测并没有多少好处；而在微弱光信号下，外差检测表现出十分高的转换增益，转换增益可以达到7810~10倍。所以可以说，光外差检测方式具有天然的检测微弱信号的能力。
（3）.良好的滤波性能
如果取差频信号宽度()/2L s w w π-为信息处理器的通频带f ?，即
()/2L s L s f w w f f π?=-=-，那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光
可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差检测系统中不需要加滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好很多。
（4）.信噪比损失小
如果入射到检测器上的光场不仅存在信号光波()s f t ，还存在背景光波()B f t ,检测器的输出电流为
2C I =输出信噪比为
S s n B
I A I A === (1.11) 上式说明，外差检测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值，输入信噪比等于输出信噪比，因此，输出信噪比没有任损失。
（5）.最小可检测功率，有利于微弱光信号的探测
内部增益为M 的光外差检测器的输出有效信号功率为 22()C S L L e P M P P R hv
η= (1.12) 式中：M 是检测器的内增益，对于光导检测器M=0~1000；对于光伏监测器M ＝1；对于光电倍增管M 在610以上。
在光外差检测系统中遇到的噪声与直接检测系统中的噪声基本相同，存在许多可能的噪声源。在外差检测中，外界输入检测器的噪声及检测器本身的噪声通常都比较小，并可消除。但有两中噪声难以消除，因此，应主要考虑不可能可服或难以消除的散粒噪声和热噪声。外差检测中输出的散粒噪声和热噪声表示为
22[()]4n s B L d L e P M e P P P I fR kT f hv
η=++++ (1.13) 式中：B P 为背景辐射功率；d I 为检测器的暗电流；f 为外差检测中频带宽。上式表示，外差检测系统中的噪声分别由信号光、本振光和背景辐射所引起的散粒噪声，由检测器暗电流引起的散粒噪声以及由检测器和电路产生的热噪声组成。于是功率信噪比为 22()()[()]2S L L P S B L d L e M P P R hv SNR e M e P P P I fR kT f hv
ηη=++++ 当本征功率L P 足够大时，上式分母中本征散粒噪声功率远远超过所有其他的噪声，则上式变为
()S P P SNR hv f
η= (1.14) 这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限。对于热噪声是主要噪声源的系统来说，可以导出实现量子噪声限检测的条件 22L L e R P f kT f hv
η> 即 22L L
kThv P e R η> (1.15) 为了克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，增大本振光功率是有利的。但是，也不是越大越好。这是因为本振光本身也要引起噪声。当本振光光功率足够大时，本振光产生的散粒噪声远大于其他噪声；本振光功率继续增大时，由本振光所产生的散粒噪声也随之增大，从而使光外差检测系统的信噪比降低。所以，在实际的光外差检测系统中要合理选择本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。
若用最小可检测功率（等效噪声功率）NEP 值 hv f NEP η
= (1.16) 这个值有时称为光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限[9]。
（6）.光外差检测系统对检测器性能的要求
响应频带宽；均匀性好；工作温度高。
4． 应用
（1）.干渉测量技术
应用光的干渉效应进行测量的方法称为干渉测量技术。一般干渉测量主要由光源、干渉系统、信号接收系统和信号处理系统组成。根据测量对象及测量要求的不同而各有不同的组合，并由此形成了各种结构形式的干渉仪。
测量参量一般是通过改变干渉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制。由干渉仪解调出来的信息是一幅干渉图样，它以干渉条纹的变化反映被测参量的信息。干渉条纹是由于干渉场上光程差相同的地点的轨迹形成。干渉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有关。因此根据干渉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、关学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和物理量的测量[10]。
（2）.光外差通信
光外差通信基本上都是采用2CO 激光器做光源。因为2CO 激光器的发射波长为10.6m μ，这一波长恰好位于大气窗口[9]之内，衰减系数较小；另外，2CO 激光波长容易实现外差接收。
如图1－3所示为2CO 激光外差通信原理框图，它由发射系统及接收系统两大部分组成。2CO 激光发射系统由光学发射天线、2CO 激光器及稳频回路组成。光学发射天线用反射式望远系统。
混频器14
CO激光器外差通信原理框图
图1－3
2
激光谐振腔由工作物质及两块反射镜组成，其中一块是全反射镜，另一块反射镜的反射率为98％，激光就从这块反射镜上输出。全反射镜通过压电陶瓷
CO激光与腔体连接，改变压电陶瓷的轴向长度就改变了谐振腔长，从而控制
2
波长。
其稳频原理如下：输出的激光经过选择性反射镜2把一小部分能量反射到标准滤光片3上，此滤光片的滤光曲线如图1－4所示。为控制激光频率，
10.6m μ不在峰值处，而在曲线的上升段。当波长偏离10.6m μ时，输出光通量 发生相应的变化，经光电检测器4（可用热释电器件）把此波长的变化转换成相应的电信好的变化，经谐振放大器5放大后送到频率跟踪电路6去控制压电后陶瓷的伸缩率（压电陶瓷的伸缩与加在它上面的电压值成比例）。由滤波曲线可知，当发射波长增加时，光通量亦增加，经光电转换及谐放输出的电压也增大，加在压电陶瓷器后使腔长缩短，发射频率提高，波长减短；反之，则波长加长。因而将发送频率控制在10.6m μ处。
2
图1－4 滤光曲线
被传送的信息（视频信号）被驱动电路11加到CdS 电光调制器上（为提高调制频率，调制器放在激光谐振腔体内），被传送的信息携载到2CO 激光波长上发送到空间。
在接收端，由光学系统（接收天线13）把载有信息的2CO 激光能量收集在混频器14上，同时本地振荡2CO 激光器20发出的光也投射在混频器上。经混
频后的光投射在HgCdTe 检测器上输出电信号。此电信号经滤波后只保存了差频信号，这一差值通常设计在30MHz 的中频段。再经中频放大、鉴频后 还原出被传送的视频信号。
为得到稳定的差频信号，本机振荡光也需稳频，否则被传输信息的失真度加大。稳频过程与激光发射稳频过程类似，不过，稳频控制信号取自于视频信号。当激光频率发生偏离时，鉴频器17输出信号也产生了变化，经频率跟踪滤波器18滤波放大后，控制压电陶瓷，改变谐振腔腔长，使激光频率稳定。 HgCdTe 检测器在接收10.6m μ激光波长时，须在液氮77K 下制冷工作。 2CO 激光通信用于地面时，由于大气湍流的影响，通信效果不佳；但用于卫星之间及卫星与地面站之间的数据传递时大有发展前途[10]。
（3）.多普勒测速
该原理利用多普勒效应[6]可测量物体的运动速动。
以激光照射运动着的物体或流体时，其反射光或散射光将产生多普勒频移，用它与本振光进行混频可测得流体的流速，图1－5可以具体说明多普勒测流速的原理。
图1－5 多普勒测速原理
光束1 光轴
光束2
图1－6 高斯光束束腰的干渉场
图中He Ne -激光器是经稳频后的单模激光，分束镜把激光分成两路，这两束光经过会聚透镜1L 把它们会聚于焦点。在焦点附近两束光形成干渉场。流体
流经这一范围时，流体中的微小颗粒对光进行散射，聚焦透镜2L 把这些散射光
聚焦在光电倍增管上，产生包含流速信息得光电信号。经适当的电子线路处理可测出流体的流速。
光源通常是单模工作状态。它的光强分布考虑为高斯分布。在透镜1L 后焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在束腰的空间范围相交得到平行的干渉条纹；在远离焦点的空间范围内相交得到的干渉条纹为弧形。图1－6表示出高斯光束束腰的干渉条纹。
当两光束的夹角为α，光波波长为λ时，由图1
－
7可看出干渉条纹的间距
为 12sin 2
i λα= (1.17)
平面
去观察者
(a) (b) (c)
图1－7 干渉条纹间距
干渉条纹的空间频率（单位长度内条纹明暗对数）为
2sin 12f i αλ
== (1.18)
当散射粒子在平行干渉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干渉场及流速面变化。若颗粒运动的速度为v ，运动的方向与条纹垂直的夹角为β（见图1－6（c ）），则颗粒散射的光强频率为 2cos sin cos 2
f fv v αββλ== (1.19) 由此可知，只要检测出粒子散射光强的频率，就可求出粒子的流速v 。式中λ、α及β为已知。
5． 结论
光外差检测技术在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方买都很有用途。这种技术的灵敏度很高，达到了量子噪声极限，可以检测单个光子，进行光子计数。
【参考文献】
【1】 雷玉堂，王庆有，何加铭，张伟风等. 光电检测技术. 北京：中国计量出版社，1997
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【3】 鲍超. 信息检测技术 杭州：浙江大学出版社，2002
【4】 江月松 . 光电技术与实验. 北京：北京理工大学出版社，2000
【5】 王庆有，篮天，胡颖，张存林，马宏，王勤等. 光电技术
北京：电子工业出版社，2005
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北京：北京理工大学出版社，1990
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【8】 秦积荣 光电检测原理及应用 中、下册. 北京：国防工业出版社
【9】 郑光昭。 光信息科学与技术 北京：电子工业出版社，2002
【10】浦昭邦. 光电测试技术 北京：机械工业出版社，2005
光电探测技术发展概况 学号：20121226465姓名：熊玉宝 摘要:本文扼要论述光电探测技术重要性，并简要地介绍了光电探测技术的几种主要方法及发展趋势。 关键词:光电；探测；技术 光电探测技术是根据被探测对象辐射或反射的光波的特征来探测和识别对象的一种技术，这种技术本身就赋予光电技术在军事应用中的四大优点，即看得更清、打得更准、反应更快和生存能力更强。 光电探测技术是现代战争中广泛使用的核心技术，它包括光电侦察、夜视、导航、制导、寻的、搜索、跟踪和识别多种功能。光电探测包括从紫外光（0.2～0.4μm）、可见光（0.4～0.7μm）、红外光（1～3μm，3～5μm，8～12μm）等多种波段的光信号的探测。 新一代光电探测技术及其智能化，将使相关武器获得更长的作用距离，更强的单目标/多目标探测和识别能力，从而实现更准确的打击和快速反应，在极小伤亡的情况下取得战争的主动权。同时使武器装备具有很强的自主决策能力，增强了对抗，反对抗和自身的生存能力。实际上，先进的光电探测技术已成为一个国家的军事实力的重要标志。 现代高技术战争的显著特点首先是信息战，而信息战中首要的任务是如何获取信息。谁获取更多信息，谁最早获取信息，谁就掌握信息战的主动权。光电探测正是获取信息的重要手段。微波雷达和光电子成像设备常常一起使用，互相取长补短，相辅相成，可以获取更多信息，可以更早获取信息。前者作用距离远，能全天候工作；后者分辨率高，识别能力和抗干扰能力强。无论侦察卫星、预警卫星、预警飞机还是无人侦察机往往同时装备合成孔径雷达和CCD相机、红外热像仪或多光谱相机。为改进对弹道导弹的预警能力，美国正在研制的天基红外系统（SBIRS）拟用双传感器方案，即一台宽视场扫描短波红外捕获传感器和一台窄视场凝视多色（中波/长波红外、长波红外/可见光）跟踪传感器，能捕获和跟踪弹道导弹从发射到再入大气的全过程。美国已经装备并正在不断改进的CR-135S眼镜蛇球预警机，采用可见光和中波红外像机，能精确测定420km外的导弹发射，确定发动机熄火点，计算出它的弹道和碰撞点。最近在上面加了一台远程激光测距机，其作用距离可达400km。美国海军也在为战区弹道导弹防御
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。 （4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用于根据钞票经过此红外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器 的运行状态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。
直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又称为包络检测？ ）（t d A A i 2221 s αα+=所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。 式中：第一项为直流项。若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，就是包络检测的意思。 对直接检测系统来说，如果提高输入信噪比？ 答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：（1）光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声；1/f 噪声；温度噪声。（3）信号放大及处理电路噪声在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f 噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生——复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f 噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：（1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N ）最大。 什么是直接检测系统的量子极限？说明其物理意义。 答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声， 其他噪声可忽略时，此时信噪比为：()f h 2P p s SNR ?=νη 该式为直接检测理论上的极限信噪比。也称为直接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态 试根据信噪比分析具有内增益光电检测器的直接检测系统为什么存在一个最佳倍增系数。 答：当光检测器存在内增益（如：光电倍增管）时当2M 很大时，热噪声可忽略。若光电倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。
光外差探测技术及其应用 张潇依 10041540102 摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高3410~10数量级。相干探测与直接探测[1]相比，其测量精度高7810~10数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。 关键字： 光外差探测、光子计数、量子噪声限[2]、激光测距、多普勒[6]测速 1. 引言 光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限[2]，其NEP [3]值可达2010 W 。可以检测单个光子，进行光子计数。 在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外差检测技术并不特别有用。相反，由于直接检测[1]不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测[1]更为可取。在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。因此，用一般的直接检测[1]方法无法实现接近量子噪声限[2]的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。 2. 原理 光外差检测是有别于直接检测[1]的另一种检测技术。光外差检测原理方框图示于图1－1。图中，s f 为信号光波，l f 为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜[4]和可变光阑[4]入射到检测器表面进行混频，形成相干光场。经检测器变换后，输出信号中包含c f ＝s f －L f 的差频信号，故又 称相干检测。 图1－1. 外差检测原理示意图
反射镜 图1－2 外差检测实验装置 图1－2是外差检测的实验装置，光源是经过稳频的2CO 激光器[5]。由分束 镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为L f ；另一路经 过偏心轮[4]反射，并由透镜[4]聚焦到可变光阑[4]上作为信号光束。偏心轮[4]转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移[6]，其频率为s f 。可变光阑[4]用来限制两光束射向光电检测器[7]的空间方向。线栅 [4]偏振镜[4]用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 下面用经典理论来分析两光束外差后的结果。设入射到检测器上的信号光场为 ： ()cos()s S s s f t A w t ?=+ (1.1) 本机振荡光场为： ()cos()L L L L f t A w t ?=+ (1.2) 那么，入射到检测器上 的总光场为： ()cos()cos()s s s L L L f t A w t A w t ??=+++ (1.3) 由于光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为 22()()[()()]p s L i t f t f t f T ∝=+ (1.4) 式中的横线表示在几个光频周期上的平均。将上式展开后， 则有 22()()[()()]p s L i t f t f t f T αα==+= 2222{cos ()cos ()S s s L L L A w t A w t α??++++ cos[()()]cos[()()]}S L L s s L S L L s L S A A w w t A A w w t ????++++-+- (1.5)
光电检测技术与应用期末考试复习资料 1、光电信息技术是以光电子学为基础，以光电子器件为主题，研究和发展光电信息的形成、 传输、接收、减缓、处理和应用的技术。 2、检测是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被测 参数是否合格或参数量是否存在。测量是将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。 3、光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。 4、光电检测技术是将光学技术与电子技术相结合实现各种量的检测，具有以下特点：a、 高精度，b、高速度，c、远距离、大量程，d、非接触测量，e、寿命长，f、具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。 5、在物质受到辐射光照射后，材料的电学性质发生了改变的现象称为光电效应，光电效应 可分为外光电效应和内光电效应。 6、内光电效应是指受到光照射的物质内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子 的现象。 7、响应时间是描述检测器对入射辐射响应快慢的一个参数。 8、光电检测器的工作温度就是最佳工作状态时的温度，它是光电检测器重要的性能参数之 一。 9、光电耦合器件的主要特性为传输特性与隔离特性。 10、散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。 11、Is=1/2＠A2+＠A2d（t）式中：第一项为直流项，若光电检测器输出端有隔直流电 容，则输出光电流只包含第二项，这就是包络检测的意思。 12、热噪声是指载流子无规则的运动造成的噪声，存在于热河电阻中，与温度成正比， 与频率无关。 13、光外差检测系统对检测器性能的要求：a、响应频带宽，b、均匀性好，c、工作温 度高。 14、光波导是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束并引导光波在 光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。 15、光纤一般由两层光学性质不同的材料组成，它由折射率n1较大的纤芯和折射率n2 较小的包层同心圆柱结构。 16、将光电信号转换成0、1数字量的过程称为光电信号的二值化处理。 17、在图像识别与图像测量等应用领域常将视频信号的A/D数据采集方法分为“板卡 式”和“嵌入式”。 18、在要求光电检测系统的精度不受光源的稳定性的影响下，应采用浮动阀值二值化 处理电路。 19、HI1175JCB为高速A/D转换器，其最高工作频率为20MHz，DIP封装的器件，转换 器提供参考电源电压。 20、锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器，三个主要部分：信号通道、 参考通道和相敏检波。 21、相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成，所用参考方式是方波形式。 22、光纤的特性：损耗和色散 23、引起光纤损耗的因素可归结为：吸收损耗（吸收引起）色散损耗（材料引起）。 24、光纤色散可分为：a、材料色散b、波导色散c、多模色散。 25、功能型传感器可实现传光和敏感的作用，而非功能型传感器光纤只起传光作用。
第2章 1、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？P11 答：暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流； 光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。 2、简述光生伏特效应的工作原理。为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度？P15 答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应.当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。 （2）光生伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因为少数载流子的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。 3、简述光热效应工作原理。热电检测器件有哪些特点？P15、P17 第3章 2、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何？ 3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？ 答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增
加，所以有光照时，光电效应不明显。 p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。 5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工作频率哪个高？实际使用时如何改善其工作频率响应？ 6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升高而下降？影响光电倍增管工作的环境因素有哪些？如何减少这些因素的影响？ 答：温度升高时，半导体的导电性将发生一定的变化，即少数载流子浓度随着温度的升高而指数式增大，相对来说多数载流子所占据的比例即越来越小，这就使得多数载流子往对方扩散的作用减弱，从而起阻挡作用的p-n结势垒高度也就降低。从Fermi能级的变化上来理解：温度越高，半导体Fermi能级就越靠近禁带中央（即趋于本征化），则两边半导体的Fermi能级之差也就越小，所以p-n结势垒高度也就越低，也就是开压降低。 光电倍增管的响应度受多方面的因素影响，比如：偏置电压的高低、环境光和温度变化等多方面因素的影响。无光时光电倍增管对光的响应度更趋于平稳，使实验数据也更具有可靠性。因此，无光环境是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要因素之一。光电倍增管工作时由于阴极材料发热，这样对光电倍增管的响应度产生较大的影响，因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度的影响。 降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射,从而降低暗电流。另外,光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。 10、简述光电耦合器件的工作原理？ 光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。 15、光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点? (1)光生伏特器件有反向偏置电路，零偏置电路，自偏置电路。 (2)特点： 自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载为最佳负载电阻时具有最大的输出功率，但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，因此在测量电路中好少采用自偏置电路。 反向偏置电路：光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围加宽，因此反向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电检测与光电变换中。
第1、温度变化与自发极化强度有何关系？ 答：晶体的整体温度的微小变化ΔT产生自发极化强度Ps的变化可表示为ΔˉPs=ˉPΔT式中ˉP为热释电系数矢量，一般有三个分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsi∕dT(单位c∕㎡k) 在与电热释电晶体的自发极化强度Ps轴垂直的表面内出现的束缚电荷面密度等于Ps，晶体内部电荷中和束缚电荷的平均时间て=ε∕r这里ε为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，多数热释电晶体て值在1——1000s之间。 第2、热电势探测器能否测量直流信号？为什么？ 答：用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7——15μm，人体辐射为9μm，图中被测物体（或人体）所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为?的红外光照摄热释电晶体，当?>1∕て时，晶体内自由电荷来不及中和表面束缚电荷的变化结果就使在垂直于极化强度Ps的两端面间出现交流电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负载R两端就有交流电压输出，设温度变化率为dT∕dt，极化强度Ps对时间的变化率为dPs∕dt，电极面积为A，则AdPs∕dt就相当于电路上的电流，于是电压输出与温度变化率成正比。 第3、硅光电池为什么使用梳状电池？ 答：梳状电极：大面积光敏面采用梳状电极可以减少光载流子的复合，从而提高转换率，减少表面接触电阻。 第4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？ 答：无光照时反向电阻很大（MΩ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。 光敏二极管的缺点：暗电流较大 为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负极从而可以减少负极与正极之间的暗电流。 第5、两种高速的光电二极管的结构特点和原理？（PIN、APD） 答：PIN光电二极管结构特点：P层和N层之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导I 增加I区优点：（1）因为I区相对的P区和N区是高阻，在反偏的工作情况下，它承受极大部分电压降，使耗尽区增大，这样展宽了光电转换有效工作区，使灵敏度增大（2）又因为PIN结光电二极管的工作电压是很高的反偏电压，使PIN结的耗尽层加宽，电场强光生电流加速因而大幅度减少了载流子在结构内漂移时间元件的响应速度加快 电路特点：反偏电压高 APD光电二极管结构特点：在光照时P+层受光子能量激发的电子从所带电跃迁到导带，在高电场作用下，电子从高速通过P层产生碰撞电离，形成大量新生电子空穴对，并且它们也从电场中获得高能量与从P+层来的电子一起再次碰撞P区的其他原子，又产生大批新生电子 第6、光纤传感器种类？ 答：光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器，它是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，既感知信息又传输信息，所以又称传感型光纤传感器。另一类是非功能型传感
光外差探测原理 光外差探测的的原理如下图: 图中E S(t)为信号光波，E L(t)为本振光波，这两束光波在探测器表面形成相干光场。 设入射到探测器上的入射光场为： E s(t) A s COS(W s t s) 本振光场为： E l (t) A| cos(W|t J 式中A s , A分别是信号光场与本振光场的振幅，W s,W|分别是信号光场和本振光场的角 频率，s，l分别是信号光场和本振光场的初相位。 两束光在探测器表面上的叠加后的总光场为： E(t) A s cos(w s t s) A l cos(w l t l) 由探测器输出的电流为： 2 i(t) E (t) [A s cos(W s t s) A cos(W l t J]2 [A s2 cos2 (w s t s) A2 cos2(W l t J 2A s Acos(w s t s) cos(W l t J] {A s cos (W s t s) A cos (W l t I)A s Acos[(W s W I )t I s] A S A|C OS[(W|W s)t I s]} e 式中的上横线表示在一个周期内求平均值，为比例因子。上式第一项和第二项 h 是定值1/2。第三项(和频项)频率太高，探测器不会响应，第四项(差频项)比光频要低得多。如果设计探测器只通过差频项，则探测器输出电流为： i if (t) A s A i cos[(W| W s) I s] 由此可知，光外差探测中输出的电流不仅与信号光波和本振光波的振幅成正比，而且输 出电流的的频率和相位和合成光波的频率和相位相等。因此，光外差探测不仅可以检测
光电检测技术与应用 课程设计报告 题目: 光控自动窗帘课程设计 姓名：张仕伟亓勇夏克刚罗增生 专业：电子科学与技术 班级：12级2班 学号： 1886120234 1886120217 18861202281886120214任课老师：何恩节
摘要 本文设计一款结构简单的光控自动窗帘，它是根据周围环境的亮度来实现窗帘的自动开、关的，它包括光感应电路，电机正、反转电路，自动停转电路。 光感应电路是由一个光敏电阻组成，由于绘制电路图的软件Multisim10没有 光敏元件，电路图的光敏电阻是用可变电阻R 3组成的，将R 3 阻值调到5%代表光电 阻约为25kΩ，调到100%代表暗电阻约为500kΩ（真正的暗电阻一般在几MΩ）。 其中R 4为室外光敏电阻用来与R 3 形成对比，来调节光亮度从而控制窗帘的关开时间。 控制电机正反转的控制电路由两片电压比较放大器LM339N集成运放组成的。 一.题目要求与方法论证 1.1设计题题目 光控自动窗帘 生活在提高,时代在进步,人类在向文明迈进,不同的时代对居住空间、环境有不同的要求,这是社会的必然潮流。单片机控制的自动窗帘系统,既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便,又显示出了生活的档次,同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关,以调节室内的光线,更进一步地满足了人们的享受要求。所以该产品能形成大规模生产,很快会普及全国市场,产生巨大的经济效益；另外，除了广大市民住宅使用外,该光控窗帘系统还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所,因此该产品具有广阔的市场前景。 1.2题目要求 设计电路控制发动机正转和反转，实现当光强较强（早上）时窗帘自动开启，光强较弱（傍晚）时，窗帘自动关闭。发动机的运转时间可调节。同时窗帘可以根据用户需求进行手动控制。 1.3 方案论证 ①.设计分析 要实现白天拉开，晚上拉合，需要一只光敏电阻与两片集成电压比较器配合使用。另外，要实现手动控制功能，可以设置两只电阻，一只与光敏电阻的光电阻阻值相近，另一只与光敏电阻的暗电阻阻值相近。
/ ,(1t )e n N e ητλ?=--代入（1-83），并对其 求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为 /2,(1t )g e dg q S d hcl e λ τμλ -==-?，由此可知时间t 响应越长，灵敏度越高。 解：在微弱信号的辐射下， 将式（1-80）2 对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何？ 1 试说明为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时间响应越长，灵敏 度越高。 间常数不相同。在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。 其材料性质已经一样，只是决定了的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子浓度和热生电子浓度各异，决定了值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决定热生电子浓度不同，同样也决定了值不同。由（1-85）和（1-88）推出光电灵敏度不相解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时同，由（2-5）和（2-11）推出其时间常数不相同。 3 设某只CdS 光敏电阻的最大功耗为30mW ，光电导灵敏度S g =0.5?10-6S /lx ，暗电导g 0=0。试求当CdS 光敏电阻上的偏置电压为20V 时的极限照度。 最大照度2(2P ()g g I P E US U S ==2=22500 lx 最小照度2P g I P E US U S ===150 lx I p g US E r 得 解：由式（2-1） 应如何调整电阻器R ？ 4 在如图所示的照明灯控制电路中，将上题所给的CdS 光敏电阻用作光电传感 器，若已知继电器绕组的电阻为5K Ω，继电器的吸合电流为2mA ，电阻R =1K Ω。求为使继电器吸合所需要的照度。要使继电器在3lx 时吸合，问第三章 光电导器件 光电探测技术与应用 主编：郝晓剑 李仰军 国防工业出版社
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。 （4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用于根据钞票经过此红外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器的运行状态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。 （5）喂钞台、接钞台传感器—红外对管的应用在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。 2、如何实现非电量的测量？ 为实现非电量的电测量，首先要实现从非电量到电量的变换，这一变换是靠传感器来实现的。传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟/数字变换后得到数字信号，以便于微处理器或微控制器。微处理器或微控制器是测控系统的核心，它主要有两个作用：一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、存储和控制。二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化，即根据信号和测量条件的变化，自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其
光外差原理 光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法、对于光强度调制信号。只要选择光电探测器适当，都能无失真地转换为电信号，最后由电路完成检波任务，检出所需信息。而光波振幅、频率和相位的调制信号因光频太高，不能直接被光电探测器所响应。采用光外差法，光电探测器可以以输出电信号的形式检出所需信息。 光外差探测法在光通信中是很有发展前途的，目前在实时精密测量方面的应用已有显著成就。 一、实验目的 （1） 验证和掌握光外差探测原理； （2） 训练相干探测的实验能力。 二、实验内容 （1） 在信息仪平台上调整光路，了解外插法所必须的空间配准条件，也就是参考光 束和物光束空间配准与接收口径之间的关系； （2） 用外插法所得到的信号可表示插入透明物体的透过光波的复振幅，也就是振幅 与相位的变化。 三、基本原理 光外差探测的基本原理是基于两束光的相干。必须采用相干性好的激光器作光源，在接收信号光时同时加入参考光（本地振荡光）。参考光的频率与信号光频率极为接近，使参考光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号。只要光电探测器对拍频信号的响应速度足够高，就能输出电信号检出信号光中的调制信号来，如图1所示即为一例。 图中用一个激 光器射出激光，经半透、半反平面镜 M 后分成两路。一路透射光再经半透、半反平面镜M 3后直接投向光 电探测器作为参考光；另一路反射 光经反射镜M 1偏 转90o 方向后投向 声光调制器。声光调制器出射光束，由光阑M 0选出其 一级衍射光，它经 反射镜M 2偏转后投向半透、半反平面镜M 3成为信号光。微调M 3使信号光和参考光以几乎重合、平行地投向光电探测器，两束光在光敏面上相干。如果这两束光偏振方向一致（或偏振方向一致的分量），它们就能形成差频信号。声光调制器由声频信号提供声频ω1的信号加到声光调制器上。若调制器是布拉格衍射，则出射的一级衍射光就是声频信号的调制光，其光频率为ω0＋ω1或ω0－ω1（视入射方向而定）。ω0为入射光频率；ω1可以是单一频率也可以是小范围变化的频率ω1（t ）。 若参考光是平面光波，可用复数表示为 A L =kexp[i(ω0+φ0)] （1） 式中k 为常数；φ0是初始相位。 若调制器输出的调制光波为平面光波，可用复数表示为 A s =a s exp{ i[(ω0+φ0)t+φs ]} （2） 图1 光外差原理图
光电探测技术与应用 第一章课后习题答案（部分） 1.1 辐射度量与光度量之间有哪些区别？有哪些相同点和联系？ 答：光辐射度量在历史上形成了辐射度学和光度学两套度量系统。辐射度学：是建立在物理测量的基础上的辐射能量客观度量,不受人眼主观视觉的限制，其概念和方法适用于整个光辐射范围（红外、紫外辐射等必须采用辐射度学）。光度学：是建立在人眼对光辐射的主观感觉基础上，是一种心理物理法的测量，故只适用于电磁波谱中很窄的可见光区域。 1.2一支氦-氖激光器（波长为63 2.8nm ）发出激光的功率为2mw 。该激光束的平面发散角为1mrad ，激光器的放电毛细管直径为1mm 。 （1）求出该激光束的光通量，发光强度，光亮度，光出射度。 （2）若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85，求该屏上的光亮度。 解：① 该激光束的光通量 328.0102240.0683)(3-???==e m v V K φλφLm （流明） 发光强度 )1028.3(102.44 /)101(328.05523??=?=?Ω=-πφv v I Cd(坎德拉) 光亮度 )102.4(1035.54 /)101(102.41111235 ??=??=?=-或πS I L v v Cd/m 2 光出射度 523102.44 /)101(328.0?=?=?=-πφS M v v Lm/m 2 ② 10米远处光斑面积大小： 52321085.7)10110(4 14.3)(4--?=??=?=θπ L S m 2 反射光功率为： 33'107.110285.0--?=??==P P ρW 反射光通量 279.0240.0683107.1)(3''=???==-λφV K P m v Lm 漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I 0与光通量的关系是πφ/0=I ，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以：
“光电检测技术与应用”课程设计--成果展示 自动签到系统设计 设计成员：龚晨晟，李文渊 指导教师：刘华峰、汪凯巍、林斌、匡翠方 时间：2013年春夏学期 项目简介 本项目主要通过编程实现人脸检测和识别功能，从而完成自 动签到功能。本系统主要包括两个子系统——课程名单录入系统 和自动签到系统。课程名单录入系统实现学生文字和照片信息输 入、课程人员名单生成的功能。自动签到系统实现人脸识别并显 示签到结果的功能。本项目采用MATLAB 进行编程，通过编写可 视化界面实现较好的人机互动和操作体验，利用电脑摄像头等必 要的硬件设备，最终完成基于人脸识别的签到系统。 设计方案 使用两个子系统实现本项目的功能——课程名单录入系统和自动签到系统。通过课程名单录入系统将学生的信息（包括标准人像以及姓名学号信息）存储于特定的文件中，并生成一份课程学生名单的xls 表格。然后在自动签到系统中对标准人像进行训练，开启摄像头进行人脸的检测，当检测有人脸进入摄像头内时即启动人脸识别，根据识别的结果给出相应的提示信息，并记录签到状态，在签到结束后生成一份签到结果记录表格，便于老师对签到结果进行后续操作。 成果与创新 本次大作业中，我们设计并实现了一种基于人脸识别的自动签到系统，其采用较为新颖的人脸识别技术替代传统的点名或者刷卡的方式对学生进行考勤，较好的兼顾考勤效率以及考勤准确性，加之其设备简单，自动化程度高，比较适合在高校或者企业中进行推广。 体会与感想 在本项目中我们的工作主要集中于软件部分。虽然如此，我们还是对一个光电检测系统有了较为完备的认识和理解。在完成项目过程中我们广泛阅读了文献，并从原始文献中获取相应的知识，这对我们今后的学习生活打下了基础。通过用户界面的编写，我们认识到程序与用户交互的友好性，并在用户体验方面做出大量的努力，这让我们对产品用户体验的重要性有了更加深入的认识。
要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。 1.光电探测器 光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。 普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。 2.红外探测器 光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。 红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。近红外指波长为0.75—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。 红外探测器的分类： 按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。 按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。 被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。主动式红外探测器一般为对射，红外栅栏等，是探测器本身发射红外线。 按照探测范围可以分为：点控红外探测器，线控红外探测器，面控红外探测器，空间防范红外探测器。 点源是探测元是一个点。用于测试温度，气体分析和光谱分析等 线阵是几个点排成一条线。用于光谱分析等 面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。主要用于成像。 四象限是把一个点源分成四个象限。用于定位和跟踪。
1、温度变化与自发极化强度有何关系？ 答：晶体的整体温度的微小变化ΔT产生自发极化强度Ps的变化可表示为ΔˉPs=ˉPΔT式中ˉP为热释电系数矢量，一般有三个分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsi∕dT(单位c∕㎡k) 在与电热释电晶体的自发极化强度Ps轴垂直的表面内出现的束缚电荷面密度等于Ps，晶体内部电荷中和束缚电荷的平均时间て=ε∕r这里ε为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，多数热释电晶体て值在1——1000s之间。 2、热电势探测器能否测量直流信号？为什么？ 答：用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7——15μm，人体辐射为9μm，图中被测物体（或人体）所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为?的红外光照摄热释电晶体，当?>1∕て时，晶体内自由电荷来不及中和表面束缚电荷的变化结果就使在垂直于极化强度Ps的两端面间出现交流电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负载R两端就有交流电压输出，设温度变化率为dT∕dt，极化强度Ps对时间的变化率为dPs∕dt，电极面积为A，则AdPs∕dt就相当于电路上的电流，于是电压输出与温度变化率成正比。 3、硅光电池为什么使用梳状电池？ 答：梳状电极：大面积光敏面采用梳状电极可以减少光载流子的复合，从而提高转换率，减少表面接触电阻。 4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？ 答：无光照时反向电阻很大（MΩ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。 光敏二极管的缺点：暗电流较大 为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负极从而可以减少负极与正极之间的暗电流。 5、两种高速的光电二极管的结构特点和原理？（PIN、APD） 答：PIN光电二极管结构特点：P层和N层之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导I 增加I区优点：（1）因为I区相对的P区和N区是高阻，在反偏的工作情况下，它承受极大部分电压降，使耗尽区增大，这样展宽了光电转换有效工作区，使灵敏度增大（2）又因为PIN结光电二极管的工作电压是很高的反偏电压，使PIN结的耗尽层加宽，电场强光生电流加速因而大幅度减少了载流子在结构内漂移时间元件的响应速度加快 电路特点：反偏电压高 APD光电二极管结构特点：在光照时P+层受光子能量激发的电子从所带电跃迁到导带，在高电场作用下，电子从高速通过P层产生碰撞电离，形成大量新生电子空穴对，并且它们也从电场中获得高能量与从P+层来的电子一起再次碰撞P区的其他原子，又产生大批新生电子 6、光纤传感器种类？ 答：光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器，它是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，既感知信息又传输信息，所以又称传感型光纤传感器。另一类是非功能型传感
· 光电检测技术与应用 论文 论文题目: 光电检测技术应用及其前景】 院系应用物理与材料学院 专业应用物理 学号 学生姓名郭梓浩 指导教师孙鲁 — 完成日期 2014年6月10日
摘要在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 关键词传感器微电子半导体自动检测— Abstract In the high-speed development of science and technology of modern society, mankind has into rapidly changing information era, people in daily life, the production process, rely mainly on detection techniques of information by acquiring, screening and transmission, to achieve the brake control, automatic adjustment, at present our country has put detection techniques listed in one of the priority to the development of science and technology.Because of microelectronics technology, photoelectric semiconductor technology, the development of optical fiber and grating technology, makes the application of the photoelectric sensor is growing.This kind of sensor has the advantages of simple structure, non-contact, high reliability, high precision, measurable parameters, quick reaction and simple structure, the advantages of flexible and varied in form, has been widely applied in the automatic detection technology, it is a kind of based on the theoretical basis of the photoelectric effect, composed of photoelectric material device. Key words The sensor microelectronics