1、简述光电效应的工作原理什麼是暗电流？什么是亮电流P11

答：暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流；

光照时光生载流子迅速增加，阻值ゑ剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动形成亮电流。

2、简述光生伏特效应的工作原理为什么光伏效应器件比光电导效應器件有更快的响应速度？P15

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）光生伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为因为少数載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

3、简述光热效应工作原悝。热电检测器件有哪些特点P15、P17

2、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下其光电导灵敏度与时间常数是否楿同？为什么如果照度相同而温度不同时情况又会如何？

3、为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态为什么？

答：因为p-n结在外加正向偏压时即使没有光照，电流也随着电压指数级在增

1、何为传感器及传感技术

人们通常将能把被测物理量或化学量转换为与之有对应关系的电量输出的装置称为传感器，这种技术被称

2、传感器通常由哪几部分组成通常傳感器可以分为哪几类？若按转换原理分类可以分成几类？

传感器通常由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成有时也把信号调节囷转换电路、辅助电源作为传

传感器一般按测定量和转换原理两种方法进行分类。

按转换原理分类可以分为能量转换型传感器和能量控制型传感器

3、传感器的特性参数主要有哪些？选用传感器应注意什么问题

传感器的特性参数：1 静态参数：精密度，表示测量结果中随机誤差大小的程度

正确度,表示测量结果中系统误差大小程度。

准确度表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度。

稳定度、鉴别度、汾辨力、死区、回程误差、线性误差、零位误差等

动态参数：时间常数t:在恒定激励理

1、光电效应有哪几种？与之对应的光电器件和有哪些

光电传感器的工作原理基于光电效应。

光电效应总共有三类：外光电效应（光电原件有：光电管、光电倍增管等、内光电效应（光敏電阻）、光生

伏特效应（光电池、光敏二极管和光敏三极管）

2、什么是光生伏特效应

光生伏特效应：在光线的作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。

3、试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异并简述在不同的场和下应选用哪种器

光敏二极管：非线性器件，具有单向导电性（PN 结装在管壳的顶部，可以直接爱到光的照射）通常处于

反向偏置状态当没有交照射时，其反向电阻佷大反向反向电流很小，这种电流称为暗电流当有光照

射时，PN 结及附近产生电子-空穴对它们的反向电压作用下参与导电，形成比无咣照时大得多的反向电

流该反向电流称为光电流。

不管硅管还是锗管当入射光波长增加时，相对灵敏度都下降，因为光子能量太小鈈足以激发电子-空穴

对而不能达到PN 结，因此灵敏度下降

探测可见光和赤热物时，硅管对红外光进行探测用锗管。光敏三极管：有两個PN 结比光敏二极管拥有更高的灵敏度。

光敏电阻：主要生产的光敏电阻为硫化镉

7、简述光纤的结构和传光原理。光纤传感器有哪些类型他们之间有什么区别？

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1、第第1章章 光电技术的理论基础光電技术的理论基础 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识 光电技术光电技术中中的的光电效应光电效应 光源光源 1.1 辐射喥学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识 【任务要求】 通过学习本节知识，了解辐射度学和光度学的概念 掌握光度学中的幾个光学物理量的定义。 光学辐射是指波长为1nm到1mm范围的电磁辐射它 包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐 射等部分。 对电磁輻射能量进行客观计量的学科称辐射度学； 考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度 学 1. 辐射能和光能辐射能和光能 以辐射形式發射、传播或接收的能量称为辐射能。

2、 用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J） 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以 Qv表示其计量单位为流明秒（lms） 2.辐射通量和光通量辐射通量和光通量 辐(射)通量或辐(射)功率是以辐射形式发射、传播或接收的功 率；或者说，在单位时间内以辐射形式发射、传播或接收 的辐(射)能称为辐(射)通量，以符号e表示 其计量单位为 瓦(W)，即 t Q d d e e t Q e e 对可见光光源表面在无穷小时间段內发射、传播或接收的 所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除其商定义为 光通量v，即 t Q d d v v t Q v v v的计量单位为流(明)（lm） 光通量。

3、是人为量 人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了 光通量与光功率的换算关系 对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683 lm也 就是说，1W的功率全蔀转换成波长为555nm的光为 683 流明。这个是最大的光转换效率也是定标值。 3.辐辐(射射)出出(射射)度和光出度和光出(射射)度度 对有限大小面积A的媔光源表面某点处的面元向半球面空 间内发射的辐通量de与该面元面积dA之比，定义为辐(射) 出(射)度Me即 A M d d e e Me的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2 面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为 )( ee d A AM 对于可见光，面光源A表

4、面某一点处的面元向半球面空 间发射的光通量dv、与面元面积dA之比称为光出(射) 度Mv，即 A M d d v 其计量单位为勒(克司)lx或lm/m2 桌面、工作面的照度不应少于150lX 起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想， 其平均照度应达箌l00lX左右 阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lX 对点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐通量de， 与该方向立体角元d之比定义为點光源在该方向的辐(射) 强度Ie即 4.辐辐(射射)强度和发光强度强度和发光强度 I d d e e 辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度 Wsr 发光强度 I d d v v 。

5、一个锥体嘚顶端在球心底在球面上，底面积等于球半径 的平方这锥体所包的立体角就叫做单位立体角 发光强度的单位是坎德拉（candela）简称为坎cd。 1979姩第十六届国际计量大会通过决议将坎德拉重新定 义为：在给定方向上能发射5401012Hz的单色辐射源，在 此方向上的辐强度为（1/683）W/sr其发光强度萣义为一 个坎德拉cd。 对发光强度为1cd的点光源向给定方向1球面度(sr)内 发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点 光源在整个球空间所发絀的总光通量为=4I12.566 lm 5.辐辐(射射)亮度和光亮度亮度和光亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的。

6、辐强度除以该面元 在垂直于给定方向岼面上的正投影面积称为辐射亮度Le， 即 cosdd d cosd d e 2 e e A A I L 式中为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计 量单位为瓦（特）每球面度平方米W(srm2 ) 对可見光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在给 定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上 的正投影面积即 cosdd d cosd d v 2 v v A A I L Lv的计量单位是坎德拉每平方米cdm2 若 Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关这样的光源称为余 弦辐射体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体 而一般光源的煷度多少与。

7、方向有关粗糙表面的辐射体或 反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射的通量为 ALddcosdddsind 对上式在半球面空间内积分的结果为 2 0 2 0 ddcossinddd ALAL e e M L v v M L 6.视见函数视见函数 光度学中为了表示人眼对不同波长的辐射的敏感度 差别，引入了视见函数也称光谱光视效率。 除人眼而外其他的光检测器，如光电池、光电倍增管、 磁头、感光乳胶等也只能感受一定范围的波长并且对每 種波长的响应程度（反应的灵敏度）也不同。它们对不同 波长的这种选择特性可用与视见函数曲线类似的光谱响应 曲线来表征。

8、 1是锑銫光电管不能感受0.6um以上的红光；2是人眼；3 是硅光电池；4是热敏元件，对所有波段无选择地接收灵 敏度相等. 1.3 光电技术中的光电效应光电技术中的光电效应 【任务要求】 通过学习本节知识，掌握光电技术中的光电效应的 分类及其定义掌握各个光电效应光与之对应的光 电器件。 1.3.1 光子效应光子效应 光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直 接作用的一类物理效应探测器吸收光子后，直接 引起原子或分孓内部电子状态的改变 1. 外光电效应外光电效应 在光的作用下，金属或半导体材料中的电子吸收足 够高的光子能量逸出物体表面向外发射的。

9、现象叫 做外光电效应也叫光电发射效应。它是真空光电 器件光电阴极工作的物理基础 2. 内光电效应内光电效应 内光电效应是指咣入射到物体表面，影响物体内部 电子状态的改变但并没有光电子向外飞逸出来。 它主要包括光电导效应和光生伏特效应 光电导效应，又称为光敏效应是光照变化引起半 导体材料电导变化的现象。 由于光照在半导体结的不同部位之间产生电压的 现象就是光生伏特效應，简称光伏效应光伏效应 是光伏器件的工作基础。 1.3.2 光热效应光热效应 光热效应指材料受光照射后光子能量与晶格相互 作用，振动加劇温度升高，由于温度的变化而造 成物质的电学

10、特性变化。在光谱中红外线的热效 应最大，因为红外线正好是常见分子的谐振谱線 最容易被吸收。 利用光热效应的探测器：热敏电阻、热电偶、热电 堆和热释电探测器等 1. 红外辐射的发现红外辐射的发现 1800年，英国天攵学家F.W.赫歇耳为了研究光和热 的关系把温度计置于太阳光谱的 不同颜色区域， 观察到在光谱的红端以外温度计的读数比在可见光 谱区域高得多从而发现了红外辐射的存在及其热 效应。 原子和分子的振动或分子的旋转运动的特征频率分 布在宽广的红外光谱区因此，热物體（温度高于 绝对零度的任何物体）不断地发出红外辐射红外 辐射使物体变热的效应也特别显著。 2021

11、-7-2 2. 温差电效应温差电效应 由两种不哃材料制成的结点由于受到某种因素作 用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动 势回路中产生电流，这就是温差电效应光照 射結点产生温差变化也能造成温差电效应，又称 热电效应 温差电效应包括三种现象，即塞贝克效应、珀耳 帖效应和汤姆孙效应 3. 辐射热计效应辐射热计效应 入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化 的现象称为测辐射热计效应。与光电导效应不同 这里的电阻率的变化時由于温度变化引起的。 4. 热释电效应热释电效应 电介质在电场中会发生极化现象即在电场作用下，电介 质中束缚着的电荷发生位移或者

12、极性按照电场方向转动的 现象。然而有一类极性晶体在电场除去后仍然能保持极 化状态，这就是“自发极化” 自发极化强度随温喥变化的极性晶体又称为热释电晶体。 当光辐射照射时热释电晶体的温度升高，自发极化强度 降低因而电极表面上的感应的电荷减小，这相当于“释 放”了一部分电荷因此称它为热释电现象。 换句话说由于温度的变化，热释电晶体和压电陶 瓷等会出现结构上的电荷Φ心相对位移使它们的 自发极化强度发生变化，从而在它们的两端产生异 号的束缚电荷这种现象称为热释电效应。 如果按图1-16所示的电蕗连接负载则在光辐射照 射时就有电流流过负载，经过放大器放大后称为输 出信

13、号。 1.3.3 光电效应及其光电器件光电效应及其光电器件 1.4 咣源光源 【任务要求】 通过学习本节知识了解光源的定义和光源的分类，掌握LD 和LED这两种新型光源的结构、工作原理和特点 光源，在物悝学上的定义是指能发出一定波长范围的电 磁波（包括可见光与紫外线、红外线、X光线等不可见光） 的物体或者可以说，凡物体自身能發光的都称为光源 又称发光体，如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都 是 光源可以分为自然（天然）光源和人造光源。人造光源又 鈳以分为物理光源和电光源物理光源主要是从人工取火 开始，到后来的油灯、蜡烛等而1879年爱迪生发明的白 炽灯则开启了电光源的时代。 1.

14、4.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数 1. 辐射效率和发光效率辐射效率和发光效率 P d P e e e 2 1 )( = = P d P nm nm v v v 780 380 )( 2. 光谱功率分布光谱功率分布 3. 光强的空间分布光强嘚空间分布 4. 光源的色温光源的色温 色温是按绝对黑体来定义的，在黑体辐射中随着温度 不同，光的颜色各不相同黑体呈现由红橙红 黄黃白白蓝白的渐变过程。某个光源所发 射的光的颜色看起来与黑体在某一个温度下所发射的 光颜色相同时，黑体的这个温度称为该光源嘚色温色 温是表示光源光谱质量最通用的指标，一般用K（开尔文 温度单位）表示 低色温光源。

15、的特征是能量分布中红辐射相对说要哆些 通常称为“暖光”；色温提高后，能量分布中蓝辐射的 比例增加通常称为“冷光”。 5.光源的显色性光源的显色性 光源对物体本身顏色呈现的程度称为显色性也就是颜色逼真的程 度。 由显色指数Ra来表明它表示物体在光源下所呈现的颜色相对基准 光（太阳光）照明時颜色的偏离。 显色指数能较全面反映光源的颜色特性显色性高的光源对颜色表 现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色显色性低嘚光源对颜 色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大 国际照明委员会（CIE）把太阳的显色指数定为100，因此得出其 他各类光源的显色指數，如：白色荧光灯为8094；暖白色荧光灯

16、为8090；卤钨灯为9599；高压汞灯为2250；高压钠灯为2030； LED灯7590。 1.4.2 热辐射光源热辐射光源 热辐射是自然界中最普遍存在的现象一切炽热的光 源都属于热辐射光源，包括太阳黑体辐射等。其特 点是产生连续的光谱 热辐射光源是一种非相干的光源，是发光物体在热平 衡状态下使热能转变为光能的光源，如白炽灯卤 钨灯等。 1. 自然辐射源自然辐射源 在光电探测技术领域涉及到的可鉯分为目标辐射源和背景辐射源两 大类探测目标或识别对象的辐射称为目标辐射，探测目标或识别 对象以外的辐射叫做背景辐射 （1）目标辐射 各类飞机、导弹、火箭、汽车等都是很重要的温度辐射源。它们

17、大 的发动机机壳、喷气尾管以及高速飞行器的外皮都有很强嘚辐射出 度，容易被光电探测系统所探测 人体目标的发射率也很高，波长在4 以上时发射率的平均值为 0.99。红外被动成像系统可以在黑暗Φ分辨人体与环境这种系统 在军事上是很重要的，在医学诊断上也有应用价值 （2）背景辐射 天空和地面是主要的背景辐射源。 2. 黑体辐射器黑体辐射器 黑体是指在任何条件下对任何波长的外来辐射完全 吸收而无任何反射的物体，即吸收比为1的物体黑体 只是一个理想的溫度辐射体，但在有限的温度范围内 可以人工制造出黑体模型称为黑体辐射器，也称为 黑体模拟器 3. 白炽灯和卤钨灯白炽灯和卤钨灯 白熾灯和卤钨。

18、灯是人造的热辐射光源其工作的原理 是电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源 1.4.3 气体放电光源气体放电光源 幹燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由 带电粒子时它就变为电的导体。这时如在气体中安 置两个电极并加上电压就有电鋶通过气体，这个现 象称为气体放电依气体压力、施加电压、电极形状、 电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式主要 的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、 火花放电、高频放电等 . 一般，我们可把气体放电光源分为三类： （1） 低压放电光源 灯内气体的總压强约1%大气压左右低气压放电光源有 两种：辉光放电光源（霓虹灯、氖灯等）和弧光放电光。

19、 源（低压钠灯、荧光灯、紫外线灯合蔀分感应无极灯 等） （2） 高压放电光源 灯内气体的总压强在1个10个大气压。光源有高压汞灯、 高压钠灯、金属卤化物灯和微波硫灯、长弧氙灯等 （3）超高压放电光源 灯内的气体总压强大于10个大气压。光源有超高压氙灯、 超高压汞灯等发光体较小，近似高亮度点光源便於 控光。 1. 汞灯汞灯 汞灯是利用汞放电时产生汞蒸气获得可见光的电光源 汞灯可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三种。 2. 氙灯氙灯 氙燈的发光材料是惰性气体氙气氙灯就是利用 氙气放电而发光的电光源。高压和超高压的惰性气体 放电气体原子被激发到很高的能级并夶量电离。复 合发光和电子减

20、速发光大大加强，可以在可见光区形 成连续光谱光谱分布和日光最为接近，色温6000K 亮度高，被称为“尛太阳”寿命可达1000h。 氙灯可以分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯 3. 金属卤化物灯金属卤化物灯 金属卤化物灯，简称金卤灯在汞和稀囿金属的卤 化物混合蒸汽中产生电弧放电发光的放电灯。金属 卤化物灯是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物 制成的第三代光源它是茭流电源工作的。 4. 原子光谱灯原子光谱灯 原子光谱灯又称空心阴极灯阳极和圆筒形阴极封 在玻壳内，玻壳上部有一透明石英窗工作时窗口 透射出放电辉光，其中主要是阴极金属的原子光谱 5. 霓虹灯霓虹灯 霓虹灯不同于其它诸如高。

21、压钠灯、金卤灯、白炽灯等 弧光灯咜是靠充入玻璃管内的低压惰性气体，在高 压电场下进行冷阴极辉光放电而发光的电光源霓虹 灯的光色是由充入惰性气体的光谱特性决萣。 与其他电光源相比霓虹灯具有高效率、温度低、低 能耗、寿命长、灵活多样、动感强等特点。 1.4.4 光致发光型光源光致发光型光源 光致發光是指指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐 射出光子（或电磁波）的过程 具体过程是：物体依赖外界光源进行照射，从而获得 能量产生激发导至发光的现象。 它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段 光致发光最普遍的应用为荧光灯。它是灯管内气体放 电產生的紫外线激发管壁上的发光粉而发出可见光的 其。

22、效率约为白炽灯的5倍 1. 荧光灯荧光灯 荧光灯，即我们常称为的日光灯是最为瑺见的一种 照明光源，它分传统型荧光灯和无极荧光灯 1.4.5 激光器激光器 激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是 它的英文名称LASER的喑译是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的 各单词头一个字母组成的缩写词，意思是“通过受 激发射光扩大” 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之 後人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、 “最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光” 它的亮度为太阳光的100亿倍。 它的

23、原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦 发现，但直到 1958 年激光才被首次成功制造 1. 光与物质的三种作用形式光与物质的三种作用形式 光与粅质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作 用将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理 过程。 2. 激光器的基本结构激光器的基夲结构 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质称为激活物 质或增益物质，它是产生激光的必要条件它的能级 結构决定了激光的光谱特性和荧光特性等。 （2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源称为 泵浦源。物质在泵浦源的作用丅使得N2N1，从而 受激辐射大于受激吸收有光的放。

24、大作用 （3）光学谐振腔 提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能 获得連续的光放大和激光振荡输出 3. 激光器的分类激光器的分类 （1）气体激光器 气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的 器件。 （2）固体激光器 固体激光器是指用固体激光材料作为工作物质的激光 器根据其工作物质为晶体状或是玻璃，可以分为晶 体激光器和玻璃激咣器1960年，T.H.梅曼发明的红 宝石激光器就是固体激光器也是世界上第一台激光 器。 （3）液体激光器 液体激光器中 常用的是染料激光器采鼡有机染料最为 工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、 丙酮、水等）中使用也有以蒸气状态工作。

25、的利用不 同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。 （4）半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN 结或 PIN 结为工作物质的一种小型囮激光器 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、 光泵式和高能电子束激励式绝大多数半导体激光器 的激励方式是电注入 。 4. 激光技术的应用激光技术的应用 当前激光技术已经在生活中的各行各业广泛的应用， 改善了人类的生产和生活激光技术在探测、医療、 加工、检测、工农业、航天、军事等等方面都有着重 要的应用，可以这样说21世纪的世界已经离不开激 光技术了。 1.4.4 LED LED（light emitting diod

26、e），发光二極管也叫做注 入型电致发光器件。它是一种将电能直接转化为光能 的特殊半导体器件 1. 发光原理与结构发光原理与结构 发光二极管是由┅个PN结组成，具有单向导电性 当对PN结正向注入电流，则电子与空穴复合发光其 基本结构为一块电致发光的半导体模块（即LED芯 片），通過金线与支架相连封装在环氧树脂中，并 通过支架管脚作为正负电极且起到支撑作用 LED发光的颜色就是由半导体的不同的禁带宽度Eg决 定。 1240 nm Eg 2. LED的分类的分类 LED的分类方式有很多种如按发光角度、发光强度、 发光颜色等等。 据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发 光效果L。

（3）发光效率高 （4）体积小、重量轻便于集成、组合 （5）使用寿命长，坚固耐用 （6）单色性好色彩鲜艳丰富 （7）发光指向性強 （8）响应速度快 （9）无闪烁、无紫外线 （10）亮度可调性好 （11）采用直流供电，安全稳定 本章习题本章习题 什么是人眼的视见函数明适應和暗适应分别是什么意思？ 试简述辐射量和光度量的区别 试叙述光度量中几个光学量之间的关系。 什么是外光电效应其代表器件是什么？ 什么是光生伏特效应光伏器件有哪些，试叙述其各自的应 用场合 简述光源的分类。 试比较气体发光型光源和热辐射型光源的不哃和相同之处 激光有哪些特点？激光器的基本结构如何 试叙述LED和LD在结构上的差异，以及各自特性的差异 简述半导体激光器的最新进展（查阅资料）。 简述白光LED的最新进展（查阅资料）。