光电传感技术
光电传感器是利用光电效应将光信号转换为电 信号的装置，使用它测量非电量时，需要将这些非 电量的变化转换成光信号的变化。 光电传感器主要由发光元件、光学系统、光电 接收元件和测量电路组成。
光电接受元件主要有光敏电阻、光电池、光敏 晶体管、固态成像器件、光栅、光导纤维等。
光电传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、 高精度和反应快等优点，故广泛用于各种自动检测 系统中。
激光器种类繁多，按工作物质分类：
•固体激光器（如红宝石激光器） •气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） •半导体激光器（如砷化镓激光器） •液体激光器
（1）固体激光器
典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激 光器。它的工作物质是固体。
种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）
区域。
（3）半导体激光器
与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。 特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、 军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪 来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可 选择的波长主要局限在红光和红外区域。
定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的 种类及放电条件有关。通过改变气体的成分、压力 、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光 谱范围的辐射。
光谱仪器中常用的光源有低压汞灯、氢灯、钠 灯、镉灯、氦灯，统称为光谱灯。例如低压汞灯的 辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们 经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂 以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可 以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂 的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体 放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。
• 1.1 • 1.2
常用光源 光电效应及光电器件
• 3
• 1.4 • 1.5
光电开关及光电断续器
光电传感器的应用 光电编码器
1.1
常用光源
自然界的一切物体在环境温度高于0K以上时都 会产生光波辐射，光是波长约在100—0.01μ m之间 的电磁辐射，其光谱见图。
紫
蓝
绿
黄
橙
红
380nm
780nm
电子和空穴复合，所释放的能量 E g 等于 PN 结的禁带宽度 （即能量间隙）。所放出的光子能量用 h ν 表示， h 为普朗克常 数，ν 为光的频率。则
h Eg
h
c

Eg
hc Eg
普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s； Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。
发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件 都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光
敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。 改良：卤钨灯 --- 钨丝+卤素（碘）
卤素 + 内壁钨 → 卤化钨 → 受热分解 → 钨 → 沉积到钨丝
2.气体放电光源
宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光 二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发 光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向 电压应在5V以下。
I/mA
GaAsP(红)
GaAsP(绿) -5 0 1 2
光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收 等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子 （光子）流，一束频率为ν 的光由能量相同的光子所组 成，每个光子的能量为
E h
h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；
ν ——光的频率（单位s-1）。
光源（发光元件） 1.白炽光源
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的 辐射光谱是连续的。
和钕玻璃激光器等。 特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率 最高的器件，已达到几十太瓦。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗
登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球
的距离测量。
（2）气体激光器
工作物质是气体。
种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的 有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳 激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连 续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱
GaAs λ p=950nm
相 对 灵 0.8 敏 度 0.6
GaAsP λ p=655nm
0.4 0.2 0 600 700 800 900 1000
发光二极管的光谱特性
λ/nm
4、激光器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之 一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特 性。激光波长从0.24μ m到远红外整个光频波段范围。
-10
U/V
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有 两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长 λ p 。除峰值波长λ p决定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ λ 描 述）决定光的色彩纯度，Δ λ 越小，其光色越纯。
GaP λ p=565nm 1.0 GaAsP λ p=670nm
3.发光二极管（LED—Light Emitting Diode）
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长 、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
电子 空穴 ＋ －
P
N 光生电流
U
RL
光电池输出电流
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而 抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降 低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流 子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的 空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量 ，因而有发光现象。
hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。
可见光的波长λ 近似地认为在7×10-7m以下，所以制作发光二 极管的材料，其禁带宽度至少应大于
h c /λ=1.8 eV
普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg 分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。
发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带