光電信息技術(shù)終極小抄

1、物體受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)或光電發(fā)射效應(yīng)。光電發(fā)射第一定律：當(dāng)入射光線的頻譜成分不變時，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流Ik與被陰極所吸收的光通量k成正比，即Ik=Skk，Sk為光電發(fā)射靈敏度系數(shù)。光電發(fā)射第二定律：發(fā)射出光電子的最大動能隨入射光頻率的增高而線性地增大，而與入射光的光強無關(guān)，即光電子發(fā)射的能量關(guān)系符合愛因斯坦方程：hv=0.5mevmax2+0，其中h為普朗克恒量；v為入射光頻率；me為光電子質(zhì)量；vmax為出射光的最大速率；0為光電陰極的逸出功。光電發(fā)射第三定律：當(dāng)光照射某一給定金屬或某種物質(zhì)時，無論無論光的強度如何，如果入射光的頻率小于這一金屬的紅限v0，就不

2、會產(chǎn)生光電子發(fā)射。v0=0/h。光電發(fā)射的瞬時性：實驗證明，光電發(fā)射的延遲時間不超過3x10-13s的數(shù)量級，可認為光電發(fā)射是無慣性的，這決定了外光電效應(yīng)器件具有很高的頻響。光電檢測基本方法：直接作用法（被測物控制光通量轉(zhuǎn)換電量）、差動法（雙光路差動法測物體長度）、補償法、脈沖法-光通量轉(zhuǎn)電脈沖（脈寬法測長、相位法測距、頻率法測速，特點：抗干擾性好，精度高，與計算機連接，易在線測量和自動化控制）。光電測距（二法：脈沖激光測距（激光發(fā)散角小，脈沖持續(xù)時間極短，D=ct/2）和相位測距（高精度要求適用）。透射元器件（成像）中場鏡的作用：1.提高邊緣光束入射到探測器的能力2.相同條件下，減少探測器的

3、面積3.可讓出像面位置放置調(diào)制盤4.使探測器光敏面上非均勻光照得均勻化5.當(dāng)使用平像場鏡時，可獲得平場像面。大直徑測件的雙光路測量：1是氦氖激光器，2是旋轉(zhuǎn)掃描鏡。由電動機3帶動掃描鏡以一定的速度旋轉(zhuǎn)。光點F位于會聚透鏡8和10的焦點位置。其中4為分光棱鏡，5、6、7為反光鏡。原理：激光器1發(fā)出的一束激光由掃描鏡2反射后進入分光棱鏡4，分成兩束光分別經(jīng)過透鏡8和10，形成與光軸平行的兩條細平行光束。兩光束通過測量區(qū)域進入透鏡9和11后，會聚于放臵在透鏡9和11焦點處的光電器件GG 1和GG 2上。掃描鏡旋轉(zhuǎn)時，光束從上向下掃描。在測量區(qū)域內(nèi)，掃描光束始終與光軸平行。（a）U1a和U2a不同時為

4、“0”或為“1”。與門15和16均不允許計數(shù)脈沖CP通過，計數(shù)器17和18均不計數(shù)，表示直徑為正常值D0。（b）光照較長，脈沖寬，在Tb這段時間內(nèi)，這兩電壓同時為“1”。與門15有計數(shù)脈沖通過，脈沖通過的多少與Tb成正比。故從計數(shù)器17得到的數(shù)值比標準直徑D0小。（c）光照較短，脈沖窄，在Tc內(nèi)，U1c和U2c同時為“0”，經(jīng)非門13和14后，與門16能通過計數(shù)脈沖，脈沖通過的多少與Tc成正比。故從計數(shù)器18得到的數(shù)值比標準直徑D0大。法拉第電流傳感器原理：法拉第電流傳感器是利用光纖的磁光效應(yīng)實現(xiàn)電流測量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。設(shè)法拉第材料的長度為l，沿長度方向施加的外磁場強度為

5、H，則線偏振光通過它后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為=VdlH，又H=I/2R，所以=VdlI/2R，可得=VdNI 通過光纖的光偏振面偏轉(zhuǎn)角與被測電流及光纖的匝數(shù)成正比，與光纖圈半徑大小無關(guān)。解調(diào)方法的特點是可以有效消除光源強度波動對測量結(jié)果的的不利影響。電荷耦合器CCD是半導(dǎo)體集成器件，由MOS光敏元、移位寄存器、電荷轉(zhuǎn)移柵組成。移位寄存器由金屬電極、氧化物介質(zhì)及半導(dǎo)體三部分組成，是MOS結(jié)構(gòu)。在SiO2表面排列多個金屬電極a1、b1、c1； ；an、bn、cn，每三個電極組成一個傳輸單元，在三個電極上分別加上三相脈沖電壓Ua、Ub、Uc 。當(dāng)t=t1時Ua=U，Ub=0，Uc=U/2，a1、a2、

6、an上的電壓最高，勢阱最深；b1、b2、bn上的電壓為零，不產(chǎn)生勢阱；c1、c2、cn的勢阱介于兩者之間。t=t2時，原來在a1、a2、an處的勢阱變淺，其電子移向勢阱最深的b1、b2、bn處。t=t3時， bn變淺，cn處。t=t4時，cn變淺，an處。從t1 到t4為脈沖電壓的一個周期，原來在a1極下的電子移向a2極，依此類推?？芍?，信號向右傳輸直至輸出是一個電荷耦合過程。大面積激光器的兩種改進結(jié)構(gòu)為增益導(dǎo)引型和折射率導(dǎo)引型，它們是為解決側(cè)向輻射和光限制問題而采用的。解決光限制問題的簡單方案是將諸如電流限制在一個窄條里，即增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。將一絕緣層介質(zhì)（SiO2）淀積在P層上，中間

7、敞開以注入電流。電流只能在狹窄的中間帶內(nèi)注入，導(dǎo)致在側(cè)向載流子密度的空間分布，光被限制在條形區(qū)域。缺點是功率增大時，光斑尺寸不穩(wěn)定，模式穩(wěn)定性也不高。折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器是通過在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設(shè)計而形成的波導(dǎo)，引入折射差，也可解決側(cè)向光限制問題。將P型層得一部分腐蝕掉以形成脊，然后在脊兩邊沉積一層SiO2以阻截電流流動并形成折射率波導(dǎo)，將產(chǎn)生的光限制在脊區(qū)。溫度變化將改變激光器的輸出光功率，因為激光器的閾值電流隨溫度升高而增大且外微分量子效率隨溫度升高而減小。OTDR工作原理及過程：光學(xué)時域后射技術(shù)（OTDR）是利用分析光線中后向散射光或前向散射光的方法測量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的廣

8、西那傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，當(dāng)光纖某一點受溫度或應(yīng)力作用時該點的散射特性將發(fā)生變化，因此通過顯示損耗與光纖長度的對應(yīng)關(guān)系來檢測外交誒信號分布于傳感光纖上的擾動信息。摻鉺光纖放大器EDFA（應(yīng)用最廣泛的光放大器），其特點是高增益、低噪聲、能放大不同速率和調(diào)制方式的信號，帶寬很寬。EDFA 主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成。光電信息轉(zhuǎn)換的四種光電效應(yīng)：1.外光電效應(yīng)：在入射光能量作用下，某些物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射電子。相關(guān)器件：光電倍增管、真空光電管、充氣光電管等。2.光電導(dǎo)效應(yīng)：入射光線的作用下，半導(dǎo)體材料中的電子受到能量大于或等于禁

9、帶寬度的光子的激發(fā)，將由價帶越過禁帶遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)帶中電子濃度加大，材料的電阻率減小。相關(guān)器件：光敏電阻等。3.光伏效應(yīng)：在入射光能量的作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢。相關(guān)器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管。4.光電熱效應(yīng)：光照引起材料溫度變化而產(chǎn)生電流。相關(guān)器件：熱電探測器。光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)，用光纖構(gòu)成環(huán)狀光路，組成光纖Sagnac干涉儀。應(yīng)用：導(dǎo)航、制導(dǎo)。Sagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一點觀察點發(fā)出的一對光波沿相反方向運行一周后又回到該觀察點時，這對光波的相位將由于該閉合環(huán)形光路相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，其相位差（光程差）的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)

10、速速率成正比。躍遷：受激吸收：當(dāng)外界入射光子能量hv近似等于E1與E2能級能量差，電子會吸收光子，由E1能級躍遷到E2能級。自發(fā)輻射（如光電二極管，非相干輻射光）：在高能級E2上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級E1上，并釋放出一個能量為hv的光子。受激輻射。受激輻射（如半導(dǎo)體激光器，相干輻射光）：在高能級上的電子受到入射光作用，由E2躍遷到E1上，并釋放出一個能量為hv的光子（能量、相位、偏振、傳播方向與入射光子相同，自發(fā)輻射的是隨機的）。液晶可分為層列液晶、向列液晶、膽甾相液晶。能帶是現(xiàn)代物理學(xué)描寫固體中原子外層電子運動的一種圖像。能量最高的是價電子填滿的能帶稱為

11、價帶。價帶以上的能帶基本上是空的，其中最低的能帶稱為導(dǎo)帶，價帶與導(dǎo)帶之間的區(qū)域稱為禁帶。良導(dǎo)體（金屬）是那些最高能帶未被完全填滿的固體。半金屬是原子具有滿充殼層，但在固體時由于滿帶和空帶重疊而成為固體的物質(zhì)。絕緣體是它們的最上面的價帶是滿的，同時和下一個空帶之間有幾個電子伏特能隙的固體。完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。電子容易被雜質(zhì)原子（施主）釋放出來并被激發(fā)至導(dǎo)帶的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體；較高能量的電子（起正電子作用）被激發(fā)到雜質(zhì)能級上而在價帶上產(chǎn)生空態(tài)即空穴的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。光調(diào)制是使光信號的特征參量按被傳送信息的特征變化，以實現(xiàn)信息檢測傳送目的的方法。研究意義：1.雜散光與

12、檢測光信號混合，需要區(qū)分。2.消除光電器件的暗電流影響。3.光信號調(diào)制特性匹配，抑制噪聲，實現(xiàn)高精度檢測。光強度調(diào)制（最早采用，技術(shù)簡單）以光的強度作為調(diào)制對象，利用外界因素使待測的直流或緩慢變化的光信號轉(zhuǎn)換成以某一較快頻率變化的光信號，采用交流選頻放大器放大人，然后把待測的量連續(xù)測量出來。光相位調(diào)制利用外界因素改變光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量。光偏振調(diào)制利用偏振光振動面旋轉(zhuǎn)，采用電光效應(yīng)和磁光效應(yīng)實現(xiàn)。方法：用兩塊偏振器相對移動。光的頻率和波長調(diào)制利用外界因素改變光的頻率或的波長，通過檢測光的頻率或光的波長的變化來測量外界的物理量。光的頻率調(diào)制主要指光學(xué)多普勒頻移。利用熱色物質(zhì)的

13、顏色變化、磷光光譜的變化、黑體輻射可進行波長調(diào)制。LED的特性：發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬；輻射呈朗伯分布；面發(fā)光的光功率特性優(yōu)于邊發(fā)光，相同電流下，面發(fā)射光功率更大。LED的特點：1.輻射為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。2.發(fā)光顏色豐富3.輝度高4.單元體積小5.壽命長。應(yīng)用：指示燈、數(shù)字顯示用濾波器、平面顯示器、光源。光電倍增管結(jié)構(gòu)：光窗（入射光的通道，同時也是對光吸收較多的部分）、光電陰極（光電變換，接收入射光，向外發(fā)射電子，其材料決定了倍增管光譜特性的長波閾值）、電子光學(xué)系統(tǒng)（對電極結(jié)構(gòu)適當(dāng)設(shè)計，使前一級發(fā)射出的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增級上

14、，使下一級的收集率接近于1；使前一級各部分發(fā)射出的電子落到后一級上所經(jīng)歷的時間盡可能相同，使渡越時間差異最小）、電子倍增系統(tǒng)（決定整管靈敏度的關(guān)鍵處，由多個倍增級組成，每級能使一次電子倍增）和陽極（收集最末一級倍增級發(fā)射出來的電子）等五個主要部分組成。光電倍增管原理：利用二次電子發(fā)射現(xiàn)象制成。當(dāng)高速的電子打擊到金屬表面，由于高速電子的動能被金屬吸收，改變了金屬原子內(nèi)電子能量的狀態(tài)，便有些電子從金屬表面逸出。當(dāng)一次電子有足夠大的速度時，它從金屬中解放出個二次電子，即倍增管電流放大系數(shù)=I/i0=n（陽極電流I，光陰極發(fā)出的光電流i0，倍增級數(shù)n）。輻射度學(xué)起源于物理學(xué)上對物體熱輻射特性的研究。借

15、鑒光度學(xué)的表達方法描述輻射度特性。光度學(xué)和輻射度學(xué)的研究對象主要是非相干光學(xué)輻射，并且認為輻射的傳播服從幾何光學(xué)定律。1.距離平方反比法則和照度的余弦法則2.疊加定理3.均勻漫射面及其特性。光電二極管是利用正向偏執(zhí)PN結(jié)中電子與空穴的輻射符合發(fā)光的。結(jié)構(gòu)：面發(fā)光二極管，邊發(fā)光二極管。原子分布遵循玻爾茲曼統(tǒng)計分布。在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級北店子占據(jù)的概率為費米-狄拉克分布。光電傳感器（分直射型、反射型（單向反射、漫發(fā)射）、輻射型）由光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電信息轉(zhuǎn)換器件三部分組成。光電導(dǎo)效應(yīng)指固體受光照而改變其電導(dǎo)率，是最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。電導(dǎo)率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。不管哪一種光電導(dǎo)

16、，入射光的光子能量都必須大于等于與該激發(fā)過程相應(yīng)的能隙E（eV），即光電導(dǎo)有一個最大的響應(yīng)波長即光電導(dǎo)的長波限為c（m）。c=1.24/E。靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電流。光電導(dǎo)上升或下降的時間就是弛豫時間，或稱為響應(yīng)時間。弛豫時間長，則光電導(dǎo)反應(yīng)慢，慣性大，反之短快小。光生伏特效應(yīng)指的是由光照引起電動勢的現(xiàn)象。應(yīng)用：太陽電池。半導(dǎo)體界面存在空間電荷區(qū)，其中有高場強的自建電場。光照產(chǎn)生的電子空穴對，在自建電場的作用下的運動，就是形成光生伏特效應(yīng)的原因。熱釋電效應(yīng)指的是某些晶體的電極化強度隨溫度變化而釋放表面吸附的部分電荷。應(yīng)用：紅外探測器、夜視儀、光譜儀接收器。位置傳感器

17、PSD是一種對其感光面上入射光點位置敏感的光電器件。入射光點的強度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關(guān)，只與入射光點的“重心”位置有關(guān)。LCD的特點（優(yōu)點）：1.由于低功耗，利用電池即可長時間運行，為節(jié)能型顯示器。2.低電壓運行，可由IC直接驅(qū)動，驅(qū)動電話小型，簡單3.元件為薄型，而且從大型顯示到小型顯示都可滿足，適用于便攜式裝置。4.屬于非主動發(fā)光型顯示，即使環(huán)境明亮，顯示也鮮明5.容易實現(xiàn)彩色顯示，便于顯示功能擴大及顯示的多樣化6.可以進行投影顯示及組合顯示，容易實現(xiàn)大畫面顯示。應(yīng)用：數(shù)字字符顯示、平面顯示、光開關(guān)。CRT特點：1.CRT最大的優(yōu)勢是可以在相對低得接個下獲得所必需的各種功能和性能，而且可以進行大畫面高密度顯示，彩色CRT與單色CRT在裝置的布局上無本質(zhì)變化，可進行無級輝度調(diào)節(jié)的全色顯示。在輝度、對比度指標上，與其他顯示器相比CRT也處于有利地位。顯示亮度可以任意調(diào)節(jié)。應(yīng)用：電視用CRT、顯示器終端用CRT、觀測用CRT。PDP特點：1.利用氣體放電發(fā)光，與LCD比較為自發(fā)光型，即主動發(fā)光型顯示2.其放電間隙