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光电探测技术与系统.ppt

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光电技术简介-PPT精选文档

光电技术简介-PPT精选文档
干 性
高
亮
度
R S 光
SR应 用 测 量 光谱测量 物理性质测量 表面、界面测量
应
用
太 屋 大 太 宇
阳 顶 规 阳 宙
能 发 模 能 发
发电 电 集中发电 汽车 电
功 能 器 件
纤
通
信
系
高清晰度图像系统 壁挂式大型电视 立体显示器 高清晰度摄像机
光电子计算机 超 高 速 运 算 (ps~fs) 2维 并 行 处 理 光互连
理学院物理科学与技术系 School of Science, Physical Science and Technology Department 杨应平
理学院物理科学与技术系
School of Science, Physical Science and Technology Department
杨应平
功 激 光 太 光 光 液 集 量
能 光 接 阳 开 调 晶 成 子
ห้องสมุดไป่ตู้
器 、 收 能 关 制 器 光 效
件 发 光 器 件 器 件 电 池 器 件 路 应 器 件
新
量 容 大 超
信息高速公路 光纤传输 相干光传输 量子光传输 光交换
功
多媒体 传真、电话、可视电话 广播、有线电势 光盘、CD 激光打印机
“光”和“电”彼此间渗透和结合==〉 光电混合系统
------（简称）光电系统
理学院物理科学与技术系 School of Science, Physical Science and Technology Department 杨应平
1.2 光电系统
研究大功率光辐射的产生、控制、 利用和转换--光电能量系统 以光辐射和电子流为(光电子)信息 载体，通过光电或电光相互变换方 法，进行相关的信息处理--光电信 息系统

《光电式传感器》课件

《光电式传感器》课件

光电式传感器的Байду номын сангаас类
• 总结词：光电式传感器有多种分类方式，如按工作方式可分为直接转换 型和间接转换型，按输出信号可分为模拟输出和数字输出等。
• 详细描述：根据工作方式的不同，光电式传感器可以分为直接转换型和间接转换型两类。直接转换型传感器利用光电效 应直接将光信号转换为电信号，如光电管、光电倍增管等；而间接转换型传感器则通过其他物理效应将光信号转换为电 信号，如光电池、光电晶体管等。此外，根据输出信号的不同，光电式传感器可以分为模拟输出和数字输出两类。模拟 输出型传感器输出连续变化的电信号，如光电管和光电池；数字输出型传感器则输出离散的电信号，如光电码盘和光电 开关等。
联网领域的应用越来越广泛。未来，需要加强光电式传感器在这些领域
的应用研究，推动相关技术的进步和发展。
03
交叉学科融合发展
光电式传感器涉及到多个学科领域，如物理学、化学、生物学等。未来
，需要加强交叉学科的融合发展，推动光电式传感器在更多领域的应用
和创新。
光电式传感器通常采用光信号传输，不易 受到电磁干扰的影响，具有较好的抗干扰 能力。
光电式传感器的缺点
对环境光敏感
光电式传感器容易受到环境光的影响 ，特别是在室外或者强光环境下，测 量精度会降低。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高精度的 光学元件和电子元件，导致其成本较 高。
需要稳定的光源和检测器
光电式传感器需要稳定的光源和检测 器，以保证测量的准确性和稳定性。
《光电式传感器 》PPT课件
目录
• 光电式传感器概述 • 光电式传感器的应用 • 光电式传感器的优缺点 • 光电式传感器的发展趋势 • 光电式传感器的研究现状与展望
01

付小宁版“光电检测技术与系统”第八章光纤探测技术与系统

付小宁版“光电检测技术与系统”第八章光纤探测技术与系统
利用折射率变化的光强度调制：折射率变化的光调制是利用光纤芯 的化学性质。
光纤的吸收实现光强度调制：光纤的吸收指的是在光纤芯中掺入产 生吸收光谱的材料（如选用铅玻璃制成光纤），若有诸如x射线、γ 射线辐射到铅玻璃光纤上，则由于光纤的吸收损耗的增大导致输出功 率的降低，也就产生了这种吸收构成的光强度调制的光纤辐射量传感 器。
光纤
SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM
分类
FF FF FF FF FF
强度调制 光纤 传感器
偏振调制 光纤 传感器
频率调制 光纤 传感器
遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜
法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应
2020/5/28
4
8.1.2 光纤类型
8.1.2.1 单模光纤和多模光纤 单模光纤只能传输一种模式，但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态
出现。多模光纤传输多种模式，往往有几百到几千模式。
光纤能传导的模式数N可用下式计算
N [（2 +2）]v2 （n1k）2 (+2)
（8.1-10）
式（8.1-10）中，n1 是纤芯折射率的最大值； 是光纤断面折射
在图8.1-1所示具体得到光纤中，当光线在纤芯与包层的分界面的入
射角大于c 时，才能保证光线在纤芯内产生多次全反射，使光线沿光纤
传输。然而，内光线的这个入射角的大小又取决于从空气中入射的光束
进入纤芯所产生的折射角，因此，空气和纤芯界面上入射光的入射角 l
就限定了光能能否在光纤中以全反射形式传输。
2020/5/28
率分布。
2020/5/28

光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件

光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件

2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为

光电探测系统的信噪比.ppt

光电探测系统的信噪比.ppt

iD2B
2 DB
2qIDM 2 F
M
B
表面暗电流：表面缺陷、清洁程度等引起的漏电流。
iD2 S
2 DS
2qIL B
2021/4/14
14
雪崩倍增噪声
APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子 的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机 噪声。这里定义F(M)为过剩噪声因子，它近似等于：
30
2021/4/14
31
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32
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33
2021 信噪比与系统参数
在光电探测系统中，与信噪比有关的系统参数主要有噪声系数、噪声等效带 宽、等等；在红外成像系统中，主要有温度分辨率参数。
2021/4/14
17
5.3.1 探测系统放大器的噪声系数
2021/4/14
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5.3.2 噪声等效带宽
2021/4/14
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5.3.3 红外成像系统的温度分辨率
F(M ) M x
因子F(M)用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声 的增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在 0~1之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7， 对Ge APD 为1.0。
对于pin光电二极管，F(M)和M都等于1。
2021/4/14
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收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流和光电流Ip的平均 值成正比。其中F(M) Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机
特性有关。
iQ2
2 Q
2qIP BM 2 F(M )
光检测器暗电流是指没有光入射时流过检测器的偏置电路的 电流，它是体暗电流和表面暗电流之和：

第十二章光电探测器ppt文档

第十二章光电探测器ppt文档
光电池 光电二极管 光电三级管 半导体器件的选择 CCD探测器
光电探测器的噪声
探测器在完成光电转化过程中，不仅给出表征被测对象的电压、电 流信号，同时也伴随着无用噪声的电压、电流信号，这是一种起伏 信号，其大小决定了探测器的探测能力
计量起伏噪声（以起伏噪声电压 n ( t为) 例，噪声电流 i n ( t )类似）
第十二章光电探测器
优选第十二章光电探测 器
引言
探测器:光电子系统中，因为光波具有容量大、速度快、 保密性好和抗干扰能力强等优点，常用光波调制使光 载波携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要。 把光辐射的能量变成其它能量形式（如电、热等）的 信息，再通过对这些信息的测量，实现对光辐射的探 测。
R v
V s Ps
或
R v
V s Ps
单位光功率单色光照射下探测器的输出信号（电压或
电流）
光谱响应
光谱响应度随波长 的变化关系称为光谱响应
光谱响应宽度:峰值一半处的波长响应范围.
#
光电探测器的性能参数
噪声等效功率 NEP NEP Ps Vn
信号噪声比
Vs /Vn v
入射光功率通常按某一频率变化，当探测器输出信号电压
#
2
2
光电探测器的噪声
总起伏噪声
产生起伏噪声的电压因素很多，且彼此之间相互独立。
_____ _____ _____
n2 n12n22...
_____
_____ _____
n2 n12n22...
热噪声 暗电流噪声 散粒噪声 低频噪声
等
#
光电探测器的噪声
热噪声
热噪声与T成正比， 可通过降低探测器温度来减少热噪声
n (t) 0噪声电压平均值的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化

第6章_光电系统设计PPT课件

图6-2频率响应特性
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。

光电技术 第4-2节 光电导探测器


KI I 4kT i f 4eGI p f 2 R f
2 nf

3、响应率
光敏电阻的光谱响应率为： I P ( ) ( ) e S ( ) M ( ) ht dr ( ) hc 可见，增大增益系数可得到很高的光谱 响应率。实际上常用的光敏电阻的光谱响应 率小于1A/W，原因是产生高增益系数的光敏 电阻电极间距离很小，致使光敏电阻集光面 积很小而不实用。若延长载流子寿命也可提 高增益系数，但会减慢响应速度。因此，在 光敏电阻中，增益与响应速度是互相矛盾的。
V 0 A lAV n0 M n P0 p Id L L
在光辐射下，如单位时间产生N个载流 子对，其寿命分别为 n 和 p ，则由于光辐射 而增加的电子与空穴浓度为：
N n n AL
N p p AL
所以，光电导 n enn p p ，对应 的光电流为：
5、光电特性与

值
光敏电阻的光电流与入射光通量之间的 关系称为光电特性，光电流可表示为
( ) I p ( ) q h t dr I t 在弱光照时， 、dr不变， p ( ) 与 ( ) 成正
比，保持线性关系。在强光照下， 与光电子 t 浓度有关， dr 也会随电子浓度变大和温度升 高而变化，这时 I p () 与 ( ) 偏离线性，一般 采用以下关系式： r r I p () SgV I p () S gV
由光电导效应可知，光敏电阻在受到光照或停 止光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段 时间，这就是光敏电阻的响应时间或驰豫时间。它 t 反映了光敏电阻的惰性。 p (t ) p0 exp( ) 此处 是光敏电阻的下降时间。在突然加光照时，
4、时间常数

光电检测技术课件第5-6节课

4）温度特性
发光电流与温度的关系曲线 温度对PN结的复合发光是有影响的，在偏臵电压不变 的情况下，结温升高到一定程度后，电流将变小，发光亮 度减弱，电流与温度的关系大致如上图所示。
（3）发光二极管的主要特性
5）时间响应 这里说的时间响应，是指发光二极管启亮与熄灭时的时间
延迟。发光二极管的响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳
（3）发光二极管的主要特性
3）光谱特性
几种LED的光谱特性曲线 发光二极管所发出的光不是纯单色光，但是，除了激光外， 它的谱线宽度都比其它光源所发出光的谱线窄。例如，砷化镓 发光二极管的谱线宽度只有25nm。因此，可认为是单色光。 其它发光二极管的光谱特性曲线示于上图。
（3）发光二极管的主要特性
§1.4 光在介质中的传输（4学时） §1.5 常用光学系统（4学时） §1.6 光学变换器件（调制器，4学时） §1.7 半导体基础知识与光电效应（4学时） 第二章 光电转换技术（探测器） §2.1 光电探测器（点，8学时） §2.2 热电探测器（点， 4学时） §2.3 光电成像器件（面， 4学时） 第三章 光电检测电路设计（4学时） 第四章 非相干与相干系统（8学时） 第五章 典型光电检测应用系统（微弱信号检测2 学时，其它2学时） 第六章 现代光谱检测技术（4学时）
上图为不同LED灯具之配光曲线比较，它们分别是Narrow Angle、Parabolic(抛物线型)、Batwing(蝠蝙翅状)三种配光曲 线之灯具。
（4）发光二极管的主要应用
白色LED照明灯
大屏显示器
手电筒
仪器仪表的指示灯
汽车信号灯
交通信号灯
地砖灯
装饰灯、 礼品灯
图5.4 可以卷起来的显示器
（3）发光二极管的主要特性

光电检测系统的组成PPT

光电检测系统
光学变换 光电变换 电路处理
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
全部操作： 检测器具 检测过程
传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
U 0 EbRl
遮挡式直接检测
光强度型光电信号直接检测
U 0 Er1 r2 BR
疵病信 号电压
被测表 面的照
度
正品表 面的反 射率
疵病表 面的反 射率
光电接收器件有
效视场内疵病所 占地面积
反射式直接检测
光电测速
2
3
1 (a)
2 3
1 (b)
光电数字式转速表工作原理图
是在待测转速轴上固定一带 孔的转速调置盘，在调置盘 一边由白炽灯产生恒定光， 透过盘上小孔到达光敏二极 管组成的光电转换器上，转 换成相应的电脉冲信号，经 过放大整形电路输出整齐的 脉冲信号，转速由该脉冲频 率决定。
高传输效率和检测精度 改善系统的检测信噪比， 提高工作可靠性
光电检测系统分类
主动系统/被动系统(按有无人工光源分) 红外系统/可见光系统(按光源波长分)
红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 可见光系统多用于民用
点探测/面探测系统(按接受系统分)
用单元探测器接受目标的总辐射功率 用面接受元件测量目标的光强分布
模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式
分)
直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携
带方式分)
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2020/8/19
3
§1.2 现代信息技术与光电探测
现代信息技术的核心是计算机、软件和通信技术，技术发展的重点 是微电子和光电子技术、高端计算机技术、计算机网络技术、光纤 通信技术、人工智能技术、信息安全技术、卫星遥感技术、磁盘及 光盘存储技术、液晶和等离子体显示技术等。
光电信息技术是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科 综合技术，涉及光信息的辐射（产生）、传输、探测以及光电信息 的转换、存储、处理与显示等众多的内容，已经成为现代信息技术 的一个主干。
2、信息传递技术
Байду номын сангаас
光纤
3、信息处理与再生技术
光电信息处理是光学信息处理与电子学信息处理交叉融合的产物。
4、信息施用技术
……
2020/8/19
5
光电探测技术是光电信息技术的源头
光电探测技术的发展是随着其它相关技术的发展而发展的。由于激光技 术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅立叶 光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电探测技术无论从探 测方法、原理、精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上 述相关技术发展的综合体现。
第一章 绪论
§1.1 信息与信息技术 §1.2 现代信息技术与光电探测 §1.3 光电探测（传感）器 §1.4 光电探测系统与仪器的构成及分类 §1.5 经典的光电探测系统及光电探测系统的特点
1.5.1 经典的光电探测系统 1.5.2 光电探测系统的特点 §1.6 光电探测系统的发展趋势
2020/8/19
信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存储、处理、检索
、检测、分析和利用等的技术。信息技术主要包括以下几方面技术：
2020/8/19
2
1、感测与识别技术 它的作用是扩展人类获取信息的感觉器官功能。 2、信息传递技术 它的主要功能是实现信息快速、可靠、安全的转移。 3、信息处理与再生技术 是对信息的综合分析或进一步提炼。 4、信息施用技术(信息过程的最后环节) 包括控制技术、显示技术等。
特点 （1）高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。 （2）高速度：光速是最快的。 （3）远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 （4）非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。 （5）寿命长：光电探测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工 作 可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。 （6）数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。
光电元件（材料采用CdS, CdSe, Se, PbS） 热电元件（材料采用PZT，LiTaO3, Se, LiTiO3, 双金属）
光电管、摄像管、光电倍增管
其它类
色敏传感器（材料采用Si, -Si） 固体图像传感器（材料采用Si, 有CCD型, MOS型, CPD型） 位置检测传感器（材料采用CdS, CdSe, Se, PbS） 光纤传感器 光栅尺，光电编码盘
2020/8/19
4
§1.2 现代信息技术与光电探测
光电子技术对信息技术深入、广泛的影响反映在在以下四个方面
1、感测与识别技术
视觉------光电成像，扩展到 红外、紫外
可实现纳米级（高精度）、光子级（弱信号）和万伏级（强信号）的测 量，不断满足日益开拓的人类社会对信息获取的要求，如紫外线、可见光和 红外波段的光电成像和遥感、光纤传感等。
2020/8/19
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§1.3 光电探测（传感）器
将光能量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工 作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化（当被测物理量本身是光辐 射时，无需专门的转换），然后通过光电转换元件变换成电信号。 光电传感器的工作基础是光电效应或热电效应。 热电探测传感器也归类为光电传感器。
一些市售的光电传感器中，还包含光源、光路、电信号放大或数字化电路。
2020/8/19
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光电探测系统分类
光电探测系统分类：
分法1（光源是否可控）：主动式光电探测系统，被动式光电探测系统； 分法2（光谱）：激光探测系统、红外探测系统、紫外探测系统、可见光探测 系统； 分法3（调制解调方式）：直接探测系统、相干探测系统； 分法4（输出信号模式）：模拟系统、数字系统； 分法5（探测器）：点探测系统、面探测系统； 分法6（光场分布）：远场光电探测系统、近场光电探测系统； 分法7（光路）：直射式光电探测系统、反射式光电探测系统、散射式光电探 测系统；//聚焦式光电系统、分光式光电系统。
2020/8/19
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表1.3-1 光电传感器类型
光电传感器
光电传感器实例
ＰＮ结
非PN结 电子管类
PN光电二极管（材料采用Si, Ge, Ga, As） PIN光电二极管（材料采用Si） 雪崩光电二极管（材料采用Si, Ge） 光电晶体管[含光电达林顿管]（材料采用Si） 集成光电传感器和光电晶体（材料采用Si） 光电池（材料采用S）
1
§1.1 信息与信息技术
物质、能量和信息是人类对客观世界认识的三个层面，其中，能量是物 质的属性，也是物质的存在方式，信息则是客观世界与主观世界相联系的产 物。信息的变化和转移伴随着能量的变化，信息作用于认识的主体和客体之 间，使人类能够更好地认识物质与能量之间的关系。
信息的特点有： （1）信息依附于载体而存在，通过对载体的作用可以获取信息，也可将信息 存储（寄载）在某个载体上； （2）信息是可以共享的，信息本身生不会因为共享而受到损失； （3）信息是可以被处理的，除能够被存储外，信息可以被加工、传输，还可 以转换形态，特别是经过人脑的分析、综合和提炼而增值； （4）信息具有时效性。
2020/8/19
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§1.4 光电探测系统与仪器的构成及分类
图1.4-1 光电探测系统框图
由光源、光路（及光学器件）、光电换能器、电路组成，具有一定功能 的整体，就构成了光电探测系统，如图1.4-1所示。其中，光学子系统由光源、 光路构成，待测非电量产生于光源或置于光路中；电学子系统用电子学的方 法对光学信息分析、处理与控制；光电换能器用以探测光信号，并以电信号 的方式表达出来，是联系前两者的桥梁。光电探测系统作为测量系统时，具 有明确的输出指示，又被称为光电探测仪器。