下载文档原格式
光电技术教学⼤纲《光电技术》教学⼤纲课程编号：课程名称：光电技术/ Optoelectronic Technology学时/学分：40/2.5先修课程：⼤学物理、模拟电⼦技术基础、数字电⼦技术基础适⽤专业：光信息科学与技术开课学院（部）、系(教研室)：理学院物理系⼀、课程的性质与任务光电技术属于专业必修课，它是将传统的光学技术与现代微电⼦技术和计算机技术紧密结合在⼀起的⼀门⾼新技术，是获取光信息或借助光来提取其它信息，如⼒、温度、声⾳、电流、⽣物的重要⼿段。
通过本课程的学习，要使学⽣获得：1.辐射度学与光度学的基础知识；2.光电导器件的原理与应⽤；3. 光⽣伏特器件的原理与应⽤；4.光电发射器件的原理与应⽤；5. 发光器件与光电耦合器件；6. 光信息的变换；7. 图像信息的光电变换；8. 光电信号的数据采集与计算机接⼝技术。
等⽅⾯的基本概念、基本理论和技术。
掌握各种光电转换器件的基本结构原理、特性和参数，为实际应⽤这些光电探测器打下基础。
⼆、课程的教学内容、基本要求及学时分配（⼀）教学内容1. 光电技术基础辐射度的基本物理量；光度的基本物理量；辐射度与光度中的基本定律；⿊体辐射；半导体对光的吸收和光电效应。
2. 光电导器件光敏电阻的⼯作原理；光敏电阻的主要特性参数；常⽤的光敏电阻；光敏电阻的基本偏置电路和噪声；应⽤举例。
3. 光⽣伏特器件结型光电器件原理；光电池；硅光电⼆极管和硅光电三极管；特殊光电⼆极管(PIN,APD)；象限探测器和光电位置传感器；光⽣伏特器件的偏置电路。
4. 光电发射器件光电阴极；光电管与光电倍增管的⼯作原理；光电倍增管的主要特性参数；光电倍增管的供电和信号输出电路；微通道板光电倍增管；光电倍增管的应⽤。
5. 发光器件与光电耦合器件发光⼆极管的⼯作原理与应⽤；半导体激光器；光耦合器件与应⽤。
6. 光信息变换光电信息变换的分类；光电变换电路的分类；⼏何光学⽅法的光电信息变换；物理光学⽅法的光电信息变换和时变光电信息的调制。
光电信息技术是将电子学与光学浑然一体的技术，是光与电子转换及其应用的技术。
从广义上讲，光电信息技术就是在光频段的微电子技术，它将光学技术与电子技术相结合实现信息获取、加工、传输、控制、处理、存储于显示。
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。
光电检测系统具有光发射机、光学信道和光接收机这一基本环节。
通常分为主动式和被动式两类。
光接收机分为功率检测接收机和外差接收机，功率检测接收机也称作直接检测接收机或非相干接收机。
光载波与被测对象相互作用而将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。
光学变换可用各种调制方法来实现。
光信息经光电器件来实现由光向电的信息转换，称为光电转换。
广电系统：光源--光学系统--被测对象--光学变换--光电转换--电信号处理--存储、显示、控制。
光电效应分为外光电效应与内光电效应。
光生伏特效应：由于光照而在PN结两端出现的电动势。
光热效应：某些物质在收到光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象。
热电检测器件有热释电检测器、热敏电阻、热电偶、热电堆。
特点：1.响应波长无选择性。
2.响应慢。
光电检测器件的特点：1.响应波长有选择性2.响应快。
光电检测器件的特性参数：1.响应度2.光谱响应度3.积分响应度 4.响应时间5.频率响应6.热噪声7.散粒噪声8.信噪比 9.线性度10.工作温度。
光敏电阻设计原则：由于光敏电阻在微弱辐射作用情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离L的平方成反比，在强辐射作用情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离L的二分之三次方成反比，因此Sg与两极间距离L有关。
为了提高光敏电阻的光电灵敏度Sg，要尽可能的缩短光敏电阻两极间的距离L。
光电电阻特点：1.光谱响应度范围相当宽。
2.工作电流大，可达数毫安。
图像光电转换的基本过程电视图像的传送是基于光电转换原理，而实现光电转换的关键器件是发送端的摄像管和接收端的显像管。
1. 图像的分解电视系统处理和传送的对象是光的景物，景物存在于三维空间，其光学特性（即景物的亮度和色度信息）不仅随空间位置的不同而不同，而且还与时间有关系（静止景物除外）。
因此，景物信息是三维空间和时间的函数，可用光学信息表达式为：。
但是目前的电视系统仍为平面彩色电视，只传输景物的二维光学信息，因此上式中的z可不考虑。
另外，这里仅讨论黑白平面活动图像，只需传输各像素的亮度信息，其光学信息表达式简化为：。
但是，亮度仍然是x、y、t的三维函数，而经传输通道传送的电信号为电压（或电流），只能是时间的一维函数为：。
实现转换的方法是：将景物信息分解成很多小点，这样就能以每个小点为单位进行光电转换和传送。
因此，对于每个小点来说，其光学特性以及经光电转换得到的电信号就只与时间有关了，也就是将景物信息转化成时间的一维函数。
将景物图像化整为零的方法称为图像的分解，分解之后的小点称为像素。
所谓像素，就是组成图像的元素，即基本单位，具有单值的亮度信息和空间位置。
一幅电视图像由许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。
在我国的黑白广播电视标准中，一幅图像包含大约40～50万个像素。
图像的结构—导学。
图像的分解是在摄像端的光电转换和扫描过程中完成的。
在接收端，通过显示装置的扫描和电光转换作用，这些被分解的像素又会在屏幕上合成出原来的图像，从而实现电视的全过程。
2.图像的传送一幅图像由许多像素组成，这些像素的亮度信息经光电转换之后变成相应的电信号。
电视系统的任务是将各像素的变换成, 实现转换的方式，有同时传输制和顺序传输制。
●像素信息同时传输制将构成一幅图像的所有像素同时转换成电信号，并同时传送出去称为同时传输制，同时传输制所示，每个像素均需占用一条传输通道，一帧画面分解成几十万个像素就需要几十万条通道，这在技术和经济上都是不现实的。
图像光电转换的基本过程————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：图像光电转换的基本过程电视图像的传送是基于光电转换原理，而实现光电转换的关键器件是发送端的摄像管和接收端的显像管。
1. 图像的分解电视系统处理和传送的对象是光的景物，景物存在于三维空间，其光学特性（即景物的亮度和色度信息）不仅随空间位置的不同而不同，而且还与时间有关系（静止景物除外）。
因此，景物信息是三维空间和时间的函数，可用光学信息表达式为：。
但是目前的电视系统仍为平面彩色电视，只传输景物的二维光学信息，因此上式中的z可不考虑。
另外，这里仅讨论黑白平面活动图像，只需传输各像素的亮度信息，其光学信息表达式简化为：。
但是，亮度仍然是x、y、t的三维函数，而经传输通道传送的电信号为电压（或电流），只能是时间的一维函数为：。
实现转换的方法是：将景物信息分解成很多小点，这样就能以每个小点为单位进行光电转换和传送。
因此，对于每个小点来说，其光学特性以及经光电转换得到的电信号就只与时间有关了，也就是将景物信息转化成时间的一维函数。
将景物图像化整为零的方法称为图像的分解，分解之后的小点称为像素。
所谓像素，就是组成图像的元素，即基本单位，具有单值的亮度信息和空间位置。
一幅电视图像由许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。
在我国的黑白广播电视标准中，一幅图像包含大约40～50万个像素。
图像的结构—导学。
图像的分解是在摄像端的光电转换和扫描过程中完成的。
在接收端，通过显示装置的扫描和电光转换作用，这些被分解的像素又会在屏幕上合成出原来的图像，从而实现电视的全过程。
2.图像的传送一幅图像由许多像素组成，这些像素的亮度信息经光电转换之后变成相应的电信号。
电视系统的任务是将各像素的变换成, 实现转换的方式，有同时传输制和顺序传输制。
现代光电信息技术的发展及应用光拥有极快的速度、极大的频宽、极高的信息容量，在现代信息技术中获取了宽泛的应用。
现代光电信息技术是光学技术、光电子技术、微电子技术，信息技术、光信息技术、计算机技术、图像办理技术等相互交错、相互浸透和相互联合的产物，是多学科综合技术，它研究以光波为信息的载体，经过对光波实行控制、调制、传感、变换、储存、办理和显示等技术方法，获取所需要的信息，其研究内容包含光的辐射、传输、探测、光与物质的相互作用以及光电信息的变换、储存、办理与显示等众多领域。
现代光电信息技术拥有以下特色：其一，有效延长人眼的视觉功能，使其探测阈值达到光子探测的极限水平，而探测的光谱范围在长波方向达到了亚毫米波段，在短波限则延长到紫外线、 x 射线、 y 射线以致高能粒子；其二，以光为信息载体，结共计算机的研究成就，极大地提升了光电系统的响应速度、带宽和信息容量。
使超快速现象（核爆炸、火箭发射等）能够在纳秒（ ns）、皮秒（ ps ）甚至飞秒（ fs）量级得以记录，利用光网络的多台计算机传输和办理海量信息得以实现。
正是光电信息技术的上述两个重要的特色推进着信息科学技术的快速发展。
一、光电信息技术的发展1.光电信息技术的发展简况1873 年发现了硒的光电导性（内光电效应）1888 年德国的 H.R. 赫兹察看到紫外线照在金属上时，能使金属发射带电粒子1890 年 P.勒纳经过对带电粒子电荷质量比的测定，证明它们是电子1900 年， M. 普朗克提出黑体辐射能量散布的广泛公式1929 年， L.R.科勒制成银氧铯（Ag-O-Cs ）光电阴极 , 出现了光电管1939 年，苏联的V.K. 兹沃雷金制成适用的光电倍增管20 世纪 30 年月末，硫化铅（PbS）红外探测器问世40年月出现用半导体资料制成的温差型红外探测器和测辐射热计50 年月中期，可见光波段的硫化镉（CdS）、硒化镉（ CdSe）光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用20 世纪 60 年月以后的几十年间，红外探测器及红外探测系统获取快速发展2.光电子器件方面的发展简况光源和发光器件方面，最具里程碑意义的是 20 世纪 60 年月激光器的发明 ,最近几年来，激光已宽泛用于通讯、雷达、测距、定位、制导、遥感、工业生产和科学研究中，用以传达信息合各样丈量与控制。
1、光电器件的基本参数特性有哪些?（响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度）@响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应@噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声 1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。
（光电子学光电子器件）3、光电检测系统通常由哪三部分组成（光学变换光电变换电路处理）4、光电效应包括哪些外光电效应和内光电效应）外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。
内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。
内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。
光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。
5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？（光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池）6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？（定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔）7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？（交变辐射）8、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么？（电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
）9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。
（直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法）10、光热效应应包括哪三种。
（热释电效应辐射热计效应温差电效应）11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？（一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。
）12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。
