光电传感与检测技术 教学课件 江晓军 第3章　光电检测系统

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1、光电传感与检测技术第3章　光电检测系统3.1　光电检测系统概述3.2　光电检测方法及系统设计3.3　光电信号与计算机的接口技术3.4　光电检测电路举例3.1　光电检测系统概述图3-1　光电检测系统的组成框图3.2　光电检测方法及系统设计3.2.1　光电检测系统中的常见光源及选用3.2.2　光电检测中的光学系统3.2.3　光信号的调制检测3.2.4　光电信号的检测方法3.2.5　光电检测信号的偏置放大3.2.1　光电检测系统中的常见光源及选用1.光源类型2.光源的选用1.光源类型(1)热辐射光源(2)气

2、体放电光源(3)半导体发光器件(4)激光光源及其种类(1)热辐射光源物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。常见的热辐射光源有白炽灯和卤素灯。白炽灯　白炽灯是一种典型的热辐射光源。卤素灯　在白炽灯中充入卤族元素或卤化物的灯就是卤素灯，它的发光原理与白炽灯一样，只是由于在这类灯中充入了一定量的碘、溴等卤族元素，因而灯丝的工作温度就可提高，且具有较高的发光效率和较长的使用寿命。(2)气体放电光源气体放电光源的发光原理是两电极间的气体受电子激发而发光。白炽灯的光谱是连续的，而气体放电灯的光谱

3、是不连续的，它与气体或金属的种类及放电条件有关。根据充气压力的不同，气体放电光源可分为低压气体放电灯，如荧光灯(低压汞灯)、低压钠灯；还有高压气体放电灯，如荧光高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、陶瓷金属卤化物灯。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。(3)半导体发光器件发光二极管具有如下特点：①工作电压低(1.5～2V)，耗电少(10mA下即可在室内得到适当的亮度)；②可通过调节电流或电压来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直流驱动；③比普通光源的单色性好；④发光亮

4、度和发光效率均较高；⑤容易与集成电路配合使用；⑥体积小，重量轻，抗冲击，耐振动，寿命长。1）发光二极管的工作原理2）发光二极管的极限参数3）发光二极管的光谱特性4）发光二极管的伏安特性5）发光二极管的发光特性(3)半导体发光器件图3-2　半导体发光二极管a)结构简图　b)符号1）发光二极管的工作原理图3-3　LED的工作原理表3-1　常见的发光二极管材料及性能1）发光二极管的工作原理2）发光二极管的极限参数发光二极管的极限参数包括：①允许功耗Pm：允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大

5、值。超过此值，LED发热、损坏。②最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。③最大反向电压VRm：所允许图3-4GaP绿色发光二极管的光谱分布加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。④工作环境温度topm：发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。3）发光二极管的光谱特性图3-4　GaP绿色发光二极管的光谱分布4）发光二极管的伏安特性图3-5　发光二极管的伏安特性5）发光二极管的发光特性图3-6　发光

6、二极管的发光特性(4)激光光源及其种类图3-7　激发与受激辐射过程a)自发辐射过程　b)受激辐射过程(4)激光光源及其种类图3-8　激光器构成图(4)激光光源及其种类图3-9　内腔式氦氖激光器(4)激光光源及其种类图3-10　外腔式氦氖激光器(4)激光光源及其种类图3-11　C激光器的结构图(4)激光光源及其种类图3-12　红宝石激光器原理图(4)激光光源及其种类图3-13　砷化镓同质结二极管激光器结构图2.光源的选用(1)对光源光谱特性的要求(2)对光源发光强度的要求(3)对光源稳定性的要求(4)

7、其他因素(1)对光源光谱特性的要求图3-14　光谱匹配光系图(2)对光源发光强度的要求为确保光电检测系统正常工作，对光源的发光强度有一定要求。发光强度过低，系统获得的信号将过小，无法进行正常检测；而发光强度过高，将会导致系统工作的非线性，甚至可能损坏系统，或导致能源的浪费。因此，在系统设计时，应对探测器所获得的光通量进行正确估计，根据使用要求及探测器的性能来综合考虑光源的发光强度。(3)对光源稳定性的要求不同的光电检测系统对光源的稳定性有不同的要求。如：脉冲量的检测和调制光相位的检测，对光源的稳定性要

8、求不高，只要确保不因光源波动而发生错漏即可；而光强、亮度、照度等的检测对光源稳定性的要求就很严格。在系统设计时，应根据实际需求，即保证满足精度要求，又考虑造价，不因过分要求而使用昂贵的设备。(4)其他因素在光电检测系统中，发光面的形状和尺寸、光源的结构、光源的供电系统复杂与否、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方便程度以及价格等因素，都可能影响到整个系统的最终效果，在设计时也应该按系统要求给予满足。3.2.2　光电检测中的光学系统1.显微光学系统2.望远光