光电检测技术 第七章 光偏振调制检测系统

光电检测技术与系统答案【篇一：光电检测课后习题部分答案】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？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. 比较光电效应和光热效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异？1. 光电效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。

探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。

光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。

特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

2. 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。

特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。

（在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。

第三章3-143-253-26第四章4-24-34-4第五章1 、直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又叫包络检测？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而输出相应的电流或电压。

光检测器输出的电流第一项为直流项，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，这就是包络检测的意思。

2、何谓莫尔条纹？应用几何光学原理解释，为什么说莫尔条纹测试技术具有光学放大作用？若两块光栅相互重叠，并且使他们的栅线之间形成一个较小的夹角，当光栅对之间有相对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。

光电检测系统在物联网与人工智能领域的应用前景
要点一
总结词
要点二
详细描述
随着物联网和人工智能技术的快速发展，光电检测系统的 应用前景十分广阔。
在物联网领域，光电检测系统可以用于各种传感器的数据 采集，实现远程监控和实时反馈。在人工智能领域，光电 检测系统可以作为机器视觉和图像识别的重要组件，为人 工智能提供更准确、更可靠的数据支持。同时，光电检测 系统还可以与其他技术相结合，如光通信、激光雷达等， 拓展其在物联网和人工智能领域的应用范围。
特点
高精度、高灵敏度、非接触、实时性 等。
光电检测系统的应用领域
工业自动化
用于生产线上的质量检测、测量 和控制。
通信与信息处理
用于光纤通信、光信号处理、光 计算等领域。
医学诊断
用于光谱分析、荧光检测、内窥 镜等医疗设备。
环境监测
用于水质、气体成分、污染物等 的检测和分析。
光电检测系统的发展趋势
高速化
Part
05
光电检测系统的未来展望
新型光电材料与器件的研究与应用
总结词
随着科技的不断进步，新型光电材料与器件的研究与应用成为了光电检测系统发展的重 要方向。
详细描述
新型光电材料如钙钛矿、二维材料等具有优异的光电性能，为光电检测系统的性能提升 提供了新的可能。同时，新型光电器件如光电晶体管、光电传感器等在灵敏度、响应速
02 03
光电效应分类
光电效应分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应是指光子能量 足够大时，将电子从物质表面打出，内光电效应则是光子能量使物质内 部电子跃迁至激发态。
光电效应应用
光电效应在光电检测、光电器件、光电子技术等领域有广泛应用。

y 入射 电磁波 线栅起偏器 x z z
用偏振片起偏, 在忽略偏振片的吸收的情况下
出射光强
1 I I0 2
二、检偏
用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称“检偏”。 偏振片既可“起偏”又可“检偏”。 设入射光可能是自然光、线偏振光 或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？ P
自然光 待检光 线偏振光 ? 部分偏振光
a. Kerr 效应（1875年）
----- 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴 平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为 n ||，垂直于 电场的光振动的折射率为 n⊥
液 体 中 的 效 应 装 置
Kerr盒 利用kerr效应制成的调制器 （内装电致双折射材料 有电光效应的液体有机化合物）
性能稳定、调制度高，损耗小、相位均匀 有一定的带宽 工作基础：物质对外来作用产生的各种物理效应 电光效应 声光效应 磁光效应
电光器件 一类光学介质受到外电场作用时，它的折 射率将随着外电场变化，介电系数和折射 率都和方向有关，在光学性质上变为各向 异性。
电光效应(Induced optical effects)
布儒斯特角
n2


部 分 偏 振 光
n2
反射光—— 垂直入射面振 动的成分多。
i b i 2 900
n1 sini b n2 sini 2
n2 tgib n1
折射光——？
1
n
1
n
ib
i2
布儒斯特定律
n2 tgib n1
tan1 1 .50 56 ° 18’ 空气 → 玻璃 i 0 1 .00 互余 1 1 .00 33 ° 42’ 玻璃 → 空气 i 0 tan 1 .50

第一章测试1.光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器A:对B:错答案:A2.PN结型的光电传感器有光电二级管、光电晶体管光电晶闸管等A:错B:对答案:B3.非PN结的光电传感器有光敏电阻、热敏电阻及光电管等A:对B:错答案:B4.一般的电子检测系统由三部分构成，分别是（）、（）和（）A:发射器B:传感器C:信号调制器D:输出环节答案:BCD5.光电检测系统频率量级上比电子检测系统提高了几个数量级，因此在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率上大大提高A:错B:对答案:B第二章测试1.热效应较小的光是A:红外B:紫光C:紫外D:红光答案:C2.半导体中受主能级的位置位于A:满带B:价带C:禁带D:导带答案:C3.波长为500nm的波属于A:太赫兹波B:X射线C:远红外D:可见光答案:D4.光度量是辐射度量的()倍A:683V(λ)B:V(λ)C:683D:1/683 V（λ）答案:A5.本征半导体在绝对零度时，在不受光的照射下，导带中没有电子，价带中没有空穴，此时不能导电。

A:错B:对答案:B第三章测试1.光电倍增管的光电阴极上发射出光电子的最大速度随入射光光子能量的增大而增大。

A:错B:对答案:B2.光敏电阻是光电导效应器件。

A:对B:错答案:AD器件按像敏元的排列形式可以分为一维和二维两种。

A:对B:错答案:A4.光电耦合器件具有信号传输的单向性，所以只适用于的直流或数字脉冲信号。

A:错B:对答案:B5.热敏电阻的种类不包括下列哪个A:ZTCB:NTCC:CTCD:PTC答案:A第四章测试1.信息的信噪比的大小决定了光电探测器件能否测量出改信息。

A:对B:错答案:B2.根据噪声来源，光电探测器的噪声有几种形式？A:低频噪声B:背景噪声C:热噪声D:散粒噪声答案:ACD3.设计光电信号检测电路必须满足下列哪些要求？A:最佳的信号检测能力B:灵敏的光电转换能力C:快速的动态响应能力D:长期工作的稳定性和可靠性答案:ABCD4.对于光伏型的光电信号输入电路，当入射光通量一定时，负载增大，输出电压也增大，但是当电阻达到一定值后输出电压变饱和。

部分偏振光：
双折射：
一束自然光入射于单轴晶体时，会变成两束折射光，其中一 束遵守折射定律称为o光，另一束不遵守折射定律，称为e 光。o光、e光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于o光的 主平面，e光的振动方向在e光的主平面内。
偏振调制就是利用电光、磁光和光弹等物
理效应，改变光的偏振态，实现调制。
L2Rt4R2
c
相位差：
3）温度应变效应
温度应变效应与应力应变相似。同时引起长度
和折射率的变化。相位改变值与待测场中光纤
01
长度L成正比，具有很高的灵敏度。
4）相位解调
02
相位表现在复振幅的复数部分，只有通过干涉 将其转换为光强才能被探测器接收到。
五．几种光纤干涉仪 六．双光束光纤干涉仪 迈克尔逊光纤干涉仪、
马赫-泽德尔光纤干涉 仪、斐索光纤干涉仪
迈克尔逊光纤干涉仪
马赫-泽德尔光纤 干涉仪
优点：不带纤端反 射镜，克服了回波 干扰的问题。
斐索光纤 干涉仪
P1、P2:偏振片
M1、M2:反射镜，构成斐索干涉腔
b）三光束光纤干涉仪
优点：形成多光束干涉，清晰度、 锐度比双光束干涉好，可提高测 量精度。
塞格纳克 光纤干涉 仪
金属被覆光 纤电流传感 器
4）按用途分
通信光纤
特殊光纤
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五． 按制作方法分
化学气相沉积法、 双坩埚/三坩埚法。
s in c
n三2．光纤的传输原理 n四1．光线传播解释
○ 将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传播，
在满足一定条件时发生全反射。
全反入射角：
n 0s i0n n 1s i n n 1 (1 s2 i1 n )1 2

《光电检测技术》题集一、选择题（每题2分，共20分）1.光电检测技术是基于哪种物理效应来实现非电量到电量的转换？（）A. 压电效应B. 光电效应C. 磁电效应D. 热电效应2.在光电检测系统中，光电传感器的主要作用是什么？（）A. 将光信号转换为电信号B. 将电信号转换为光信号C. 放大电信号D. 储存光信号3.下列哪种光电元件是利用外光电效应工作的？（）A. 光电二极管B. 光电三极管C. 光电池D. 光敏电阻4.光电检测系统中，为了提高信噪比，常采用哪种技术？（）A. 滤波B. 放大C. 调制与解调D. 编码与解码5.在光电耦合器中，光信号是如何传递的？（）A. 直接通过导线传递B. 通过空气传递C. 通过光导纤维传递D. 通过发光元件和受光元件之间的空间传递6.下列哪项不是光电检测技术的优点？（）A. 非接触式测量B. 高精度C. 易受环境干扰D. 响应速度快7.光电倍增管的主要特点是什么？（）A. 高灵敏度B. 低噪声C. 无需外部电源D. 体积小，重量轻8.在光电检测系统中，为了消除背景光的影响，可以采取哪种措施？（）A. 增加光源亮度B. 使用滤光片C. 提高检测器灵敏度D. 增大检测距离9.光电二极管在反向偏置时，其主要工作特性是什么？（）A. 电阻增大B. 电容减小C. 光电流与入射光强成正比D. 输出电压稳定10.下列哪种光电传感器适用于测量快速变化的光信号？（）A. 热释电传感器B. 光敏电阻C. 光电二极管D. 光电池二、填空题（每题2分，共20分）1.光电检测技术是______与______技术相结合的一种检测技术。

2.光电效应分为______、______和______三种类型。

3.在光电检测系统中，______是将光信号转换为电信号的关键元件。

4.光电倍增管的工作原理是基于______效应，具有极高的______。

5.为了提高光电检测系统的抗干扰能力，常采用______和______技术。

2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。
3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。
4、尼龙或其他有机材料，提升机械强度，保护光纤。
光纤旳光波导原理
n2
3
2
1
0
① ② n1
4
n2
n2 n1
光纤旳临界角
c
arcsin( n2 n1
)
相应光纤旳入射角临界值为：
n0 sin0 n12 n22 NA
过旳距离L和磁场强度H成正比，即
L
V 0 Hdl V L H
式中V为物质旳弗尔德常数。
利使用方法拉第效应能够测量磁场。其测量原理如图所
示。
光弹效应
在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力旳材料将会使光 产生双折射现象，其折射率旳变化与应力材关，这被称为光弹效 应。由光弹效应产生旳偏振光旳相位变化为：
④ 便于与计算机和光纤传播系统相连，易于实现系统旳遥测 和控制
⑤ 可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。
⑥ 构造简朴、体积小、重量轻、耗能少。
7.1 光纤传感器旳基础
光纤波导旳构造
套层 一次涂覆层 纤芯 包层
套层
多层介质构造：
一次涂覆层 包层 纤芯
1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主， 掺杂微量元素。
光纤中可能传播旳模式有横电波、横磁波和混合波。 （1）横电波TEmn：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有 电场分量旳电磁波。中下标m表达电场沿圆周方向旳变化周 数，n表达电场沿径向方向旳变化周数。 （2）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场 分量旳电磁波。 （3）混合波HEmn或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场 分量，是横电波和横磁波旳混合。

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)

理方式分)
• 直接检测？/光外差检测系统？(按
光波对信号的携带方式分)
2021/4/24
2
直接检测的基本原理
• 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的 光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换 为电信号的变化。
2021/4/24
3
直接检测的基本特性
• 光探测器的平方律特性
– 光电流正比于光电场振幅的平方
• 某些几何量计量检测仪器的核 心转换系统
• 某些物理量的计量检测仪器的 核心转换系统
• 纳米级测量的重要仪器
• 非接触在线测量控制仪器
2021/4/24
14
么么么么方面
• Sds绝对是假的
5.3.2 激光测距仪
• 激光测距仪的类型
– 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪
• 激光测距仪的特点
– 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大
第五章 光电检测系统
• 光电检测系统的类型 • 直接检测 • 光外差检测(相干检测) • 典型的光电检测系统
2021/4/24
1
光电检测系统分类
• 主动系统/被动系统(按信息光源分)
• 红外系统/可见光系统(按光源波长分)
• 点探测/面探测系统？(按接受系统分)
• 模拟系统/数字系统(按调制和信号处
– 激光干涉测长仪（相位 调制）
– 多普勒测速（频率调制） – 光外差通信
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9
5.3.1 莫尔条纹测长仪
• 莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(节距分别为P1和P2) 叠加在一起,并且两者的栅线成 很小的角度θ,透过光栅能看到 如图所示的明暗相间的莫尔条 纹.这就是莫尔条纹的光强调制 作用．

智能化：通过人工 智能技术实现检测 系统的自主学习和 决策
自动化：通过自动 化技术实现检测系 统的无人值守和自 动运行
集成化：将多种检 测技术集成到一个 系统中，提高检测 效率和准确性
网络化：通过网络 技术实现检测系统 的远程监控和管理 ，提高检测系统的 安全性和可靠性
THANK YOU
汇报人：
光电子的发射：光电子从物体表面发射出来，形成光电流
光电效应的应用：光电效应广泛应用于光电检测系统，如光电倍增管、光电二极管等光电器 件
光电转换器件
光电二极 管：将光 信号转换 为电信号
光电三极 管：将光 信号转换 为电信号， 具有放大 功能
光电池： 将光信号 转换为电 能
光电传感 器：将光 信号转换 为电信号， 用于检测 和控制
优点：结构简单、成本低、易于维护
缺点：对环境光线敏感，需要避免强光照射
反射式光电检测系统
工作原理：利用光电效应，将光信 号转换为电信号
优点：响应速度快，稳定性ห้องสมุดไป่ตู้，抗 干扰能力强
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
应用领域：广泛应用于工业自动化、 安防监控等领域
缺点：对环境光线敏感，需要定期 校准和维护
添加标题
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添加标题
添加标题
光电传感器由一个发光二极管和一 个光敏二极管组成，发光二极管发 出光线，光敏二极管接收光线。
报警器接收到报警信号后，发出声 音或灯光报警，提醒人们注意火灾 危险。
光电式转速计的工作原理
光电式转速计主要由光源、光电转换器和信号处理电路组成。 光源发出光束，照射到被测物体上，形成反射光。 光电转换器将反射光转换为电信号，信号处理电路对电信号进行处理，得到转速信号。 光电式转速计具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。

光电信息技术的主要技术之一，是光电技术的核
心。利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量
转换成光学量，再转换成电量，并综合利用信息传送 和处理技术，完成在线和自动测量。

测量：
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。
用一些工具仪器或者方法获取结果数据。

导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变 化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入
硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))

半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。

本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据， 而导带中的量子态全部空着。 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制 半导体的导电性质。 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子， 同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半 导体。 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子， 同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半 导体。

基本辐射度量的名称、符号和定义方程
名称 辐射能 辐射能密度 辐射通量， 辐射功率 符号 Q, 定义方程 单位 焦耳
w dQ / dv
符号 J Jm-3 W
w

焦耳／立方米 瓦特
P
dQ / dt
辐射强度 辐射亮度
辐射出射度 辐射照度
Ｉ Ｌ
Ｍ Ｅ
I d / d
L d 2 / ddAcos
大小。

脉冲测量法
测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，脉

100 透过率 (%)
50
0
V/2 调制电压
透射光强 时间
V
电压
30
一、强度调制
1. 纵向电光调制
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压，但会增 加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
自然光
x -y
z ？
输出光
29
一、强度调制
1. 纵向电光调制
其二，在光路上插入一个1／4波片其快慢轴与晶体主轴x成45o 角，使Ex’和Ey’二 分量间产生 /2 的固定相位差。则总相位差
35
一、强度调制
1. 纵向电光调制
(Ey )0
A [exp i 1]
2
与之相应的输出光强为：
x
x’
y’
45o 45o y
I

E E*

A2
[exp i 1][exp i 1]
2A2
sin 2

2
2
注意要用到： cos x eix eix 2
即:
m

Vm V
1rad
作为线性调制的判据。 此时
J m


1 2
m
T

I Ii

1 2
[1

s in( m
sin
mt)]

1 2
(1


m
s
in
mt
)
23
一、强度调制
1. 纵向电光调制
结论
实现线性调制，需调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出的光强调制 波就是调制信号V=Vm sinωmt 的线性复现。

南京理工大学光电检测课后习题答案第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。