第8章 光电传感器
主要内容：
8.1 光电效应
8.2 光电器件
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、其他光电器件、电荷耦合器
8.3 光纤传感器
8.4 光栅式传感器
概述：
光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶极管、光电池、光电耦合器件（CCD）、光纤等等。
8．1 光电效应
传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：
外光电效应
内光电效应：光电导效应
光生伏特效应
8．1．1外光电效应
在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：
——普朗克常数()
——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大 一个电子逸出的能量（动能）为, 由能量守恒定律有：
如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。
8．1．2内光电效应
光电导效应
入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率的半导体都有，这是由于在入射光线作用下，电子吸收光子能量，电子从价带被激发到导带上，过渡到自由状态。同时价带也因此形成自由空穴，使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起电阻率减少。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
图8—1 光电导效应
光生伏特效应
光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。
为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：
不加偏压的PN结；
当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0 ＞ Eg） ,可激发出电子—空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生伏特效应产生的光生电动势。基于这种效应的器件有光电池。
第八章信息光学
第八章Technique
光学信息处理技术
Optical Information Processing
概述
光学频谱分析系统和空间滤波
相干光学信息处理
非相干光学信息处理
白光信息处理
§1 1概述
光学信息就是指光的强度（或振幅），相位，颜色，波长，和偏振态等。光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域或频域调综合技术通过空域或频域调制，借助空间滤波对光学信息进行处理
的过程，较多用于对二维图象的处理。
发展历史
1、理论基础。1873年，阿贝创建了二次成像理论，创建了年阿贝创建了二次成像理论创建了2、分布转化为强度分布；1935年，策尼克发明了相衬显微镜，将相位年策尼克发明了相衬显微镜将相位3、成功地用傅立叶方法分析成像过程。1946年，杜费把光学系统看作线性滤波器，4、力的数学力的数学工具。50年代，艾里亚斯为光学信息处理提供了有
具
3、概念概念，使光信息处理进入了一个新的阶段；1963年，范德拉格特提出了复数空间滤波的使光信息处理进入了个新的阶段4、的发展使光信息处理获得了更大发展1980年以后，计算机技术以及其他相关技术
概述
光学频谱分析系统和空间滤波
相干光学信息处理
非相干光学信息处理
白光信息处理
§2光学频谱分析系统和空间滤波1、阿贝成像理论阿贝成像论
将物体看成是不同空间频率信息的结合，相干成像过程分两步完成。第第一步是入射光场经过物平面发生夫琅禾步是入射光场经过物平面发生夫琅禾费衍射，在透镜的后焦面形成一系列衍射斑；
第二步是衍射斑作为新的次波源发出球面次波次波，在像面上互相叠加，形成物体的像。在像面上互相叠加形成物体的像
阿贝二次成像理论示意图
衍射干涉叠加
（整理）光无源器件的原理及应用.
光无源器件的原理及应用
光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分。它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关；因此它与电无源器件有本质的区别。在光纤有线电视中，其起着连接、分配、隔离、滤波等作用。实际上光无源器件有很多种，限于篇幅，此处仅讲述常用的几种—光分路器、光衰减器、光隔离器、连接器、跳线、光开关。
一、光纤活动连接器。
光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的无源光器件，它还有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行连接的功能。活动连接器伴随着光通信的发展而发展，现在已形成门类齐全、品种繁多的系统产品，是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广泛的基础元件之一。
尽管光纤（缆）活动连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几部分：连接器插头、光纤跳线、转换器、变换器等。这些部件可以单独作为器件使用，也可以合在一起成为组件使用。实际上，一个活动连接器习惯上是指两个连接器插头加一个转换器。
（1）连接器插头。
使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，连接器插头由插针体和若干外部机械结构零件组成。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接；插头的机械结构用于对光纤进行有效的保护。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其主要尺寸如下：
外径
Ф2.499±0.0005mm
外径不圆度 ＜0.0005mm
微孔直径
Ф126±0.5μm
微孔偏心量
＜1μm
微孔深度
4mm 或10mm
插针外圆柱体光洁度
▽14
端面曲率半径
20-60mm
插针的材料有不锈钢、全陶瓷、玻璃和塑料几种。现在市场上用得最多的是陶瓷，陶瓷材料具有极好的温度稳定性，耐磨性和抗腐蚀能力，但价格也较贵。塑料插头价格便宜，但不耐用。市场上也有较多插头在采用塑料冒充陶瓷，工程人员在购买时请注意识别。
作业习题 第八章 光波调制
1 第八章 光波调制
1、什么是光辐射的调制？根据被调制的载波参数不同，分别有什么调制方式？
2、什么是“外调制”、“内调制”？
3、晶体的主轴坐标系如何定义？
4、“电光效应”、“线性电光效应”和“非线性电光效应”如何定义？
5、在利用电光效应的过程中，加电场的方式通常有哪两种方式？给出其具体的概念。
6、KDP晶体沿Z轴引入电场后，主轴坐标系的偏转角数值是否和电场强弱有关？其折射率改变量大小是否和电场强度数值有关？
7、在LiNbO3晶体主轴坐标系中沿x方向引入电场xE，在原主轴坐标系中写出引入电场后的折射率椭球方程。引入电场后其主轴坐标系方向是否发生改变？
8、（1）在KDP晶体的纵向电光效应中，晶体的半波电压如何定义？半波电压
由晶体的哪些参数决定？
（2）在选择晶体制作电光强度调制器时，是选择V数值大的材料好，还是选择V数值小的材料好？为什么？
9、 （1）画出利用KDP晶体一次电光效应的纵向电光强度调制器的装置图，说
明各器件的作用。
（2） 说明调制器的工作原理。
（3） 为实现线性调制，常用的方法有哪两种？
（4） 若在KDP晶体上加调制电压tUUmsin，U在线性区内，写出强度调制后输出光强的表达式。
10、电光强度调制器的“消光比”如何定义？
11、纵向电光调制和横向电光调制相比，主要区别有哪些？
12、画出利用KDP晶体实现电光相位调制的装置图，并说明其工作原理。
13、（1）简述‘拉曼-纳斯衍射’和‘布喇格衍射’的发生条件、衍射过程及衍射光特点。
（2）为实现“声光强度调制”，利用哪种声光衍射效应较为理想？
（3）画出声光强度调制器的结构图，说明其工作原理。
（4）在布喇格衍射过程中，声光衍射效率如何定义？ 作业习题 第八章 光波调制
