光電子器件報(bào)告

1、光電子器件及設(shè)計(jì)報(bào)告2015年6月12日光電子概述一、簡(jiǎn)介：由光的作用產(chǎn)生的電叫光電photoelectricity。以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，綜合利用光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)解決各種工程應(yīng)用課題的技術(shù)學(xué)科。信息載體正在由電磁波段擴(kuò)展到光波段，從而使光電科學(xué)與光機(jī)電一體化技術(shù)集中在光信息獲取、傳輸、處理、記錄、存儲(chǔ)、顯示和傳感等的光電信息產(chǎn)業(yè)上。光電領(lǐng)域的主要應(yīng)用集中在精密檢測(cè)與光學(xué)成像方面。以光子計(jì)算機(jī)為理想代表的光波應(yīng)用是光電最吸引人的地方，但是要達(dá)到這一目標(biāo)，還需時(shí)日。國(guó)內(nèi)高校光電專(zhuān)業(yè)較好的有浙江大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、電子科技大學(xué)等。政府在武漢投資數(shù)億正

2、在統(tǒng)籌建設(shè)光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。光電涉及的范圍光電行業(yè)在近代發(fā)展的很快涉及面也逐漸擴(kuò)散，在光通訊、激光、光電顯示、光學(xué)、太陽(yáng)能光伏、電子工程、物流網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)展的比較明顯；逐漸融入更廣的空間。二、光電效應(yīng)：光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類(lèi)光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱(chēng)為光電效應(yīng)。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)無(wú)法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照

3、射的時(shí)間要長(zhǎng)一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛(ài)因斯坦所提出。光電效應(yīng)由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。 光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱(chēng)外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)里，電子

4、的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無(wú)關(guān) ,光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響.三、作用：光電作用即E光，作為美容行業(yè)新興的一種儀器，是利用光的熱和穿透作用達(dá)到促進(jìn)新陳代謝，加快血液循環(huán)的效果，美化皮膚，使皮膚更光滑。 通過(guò)雙極射頻增加對(duì)深層組織的作用，以強(qiáng)光預(yù)熱導(dǎo)向，再用射頻電流治療的一種系統(tǒng)。E光技術(shù)充分結(jié)合了光能(IPL)和射頻(Radio Frequency)的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，是目前最新的美容治療系統(tǒng)。四、波拉皮光電波拉皮的緊膚原理是通過(guò)電波高頻進(jìn)入皮下組織使皮下組織的自然電阻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱能，當(dāng)溫度達(dá)到攝氏68至72度

5、臨介點(diǎn)，膠原質(zhì)產(chǎn)生立即性收縮的同時(shí)，刺激真皮層分泌更多的新的膠原質(zhì)來(lái)填補(bǔ)收縮和流失的膠原質(zhì)的空缺，從而再次托起皮膚的支架，恢復(fù)皮膚彈性。光電波拉皮技術(shù)不僅強(qiáng)化了單純射頻儀的治療效果，還增添了強(qiáng)光引入從而消除了治療的副反應(yīng)。強(qiáng)光能量與射頻能量的共同作用，使皮膚內(nèi)的分子因摩擦而產(chǎn)生熱能，而這個(gè)熱能是操作醫(yī)生完全可以控制的。治療過(guò)程中，借著熱能，膠原質(zhì)產(chǎn)生立即性收縮，同時(shí)，刺激真皮層分泌更多的新的膠原質(zhì)，來(lái)填補(bǔ)收縮和流失的膠原質(zhì)的空缺。并隨著持續(xù)治療不斷的再生、重組，源源不斷產(chǎn)生膠原質(zhì)時(shí)，皮膚真皮層的厚度和密度就會(huì)增加，再次托起皮膚的支架，填平皺紋，消除疤痕，恢復(fù)皮膚彈性和光澤，呈現(xiàn)出緊致白皙嫩滑的

6、肌膚質(zhì)感。 其實(shí)，光電波拉皮的治療效果等于電波拉皮與光子嫩膚共同作用的效果。而在光電無(wú)痛電波拉皮技術(shù)發(fā)明之前，電波拉皮與光子嫩膚這兩種治療是不可能同時(shí)進(jìn)行的。五、光通信光通信就是以光波為載波的通信。增加光路帶寬的方法有兩種：一是提高光纖的單信道傳輸速率；二是增加單光纖中傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)數(shù)，即波分復(fù)用技術(shù)（WDM）事實(shí)上，光通信設(shè)備只適合在最后幾公里的距離用。對(duì)光通信來(lái)說(shuō)，其技術(shù)基本成熟，而業(yè)務(wù)需求相對(duì)不足。以被譽(yù)為“寬帶接入最終目標(biāo)”的FTTH為例，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)EPON已經(jīng)完全成熟，但由于普通用戶(hù)上網(wǎng)需要的帶寬不高，使FTTH的商用只限于一些試點(diǎn)地區(qū)。但是，在2006年，隨著IPTV等三重播放業(yè)務(wù)開(kāi)展

7、，運(yùn)營(yíng)商提供的帶寬已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)高清晰電視的要求，隨之FTTH的部署也提上了日程。無(wú)獨(dú)有偶，ASON對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)控制靈活，可為企業(yè)客戶(hù)提供個(gè)性化服務(wù)，不少運(yùn)營(yíng)商為發(fā)展和維系企業(yè)客戶(hù)，不惜重金投資建設(shè)ASON。六、光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)，光電開(kāi)關(guān)是光電學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體的有無(wú)。物體不限于金屬，所有能反射光線(xiàn)的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線(xiàn)的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。安防系統(tǒng)中常見(jiàn)的光電開(kāi)關(guān)煙霧報(bào)警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來(lái)計(jì)數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)

8、。光電開(kāi)關(guān)是傳感器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)光電開(kāi)關(guān)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開(kāi)關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。采用集成電路技術(shù)和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開(kāi)關(guān)器件，具有延時(shí)、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開(kāi)關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)型電子開(kāi)關(guān)，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍(lán)色光等，可非接觸，無(wú)損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。具有體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以

9、及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。光電開(kāi)關(guān)已被用作物位檢測(cè)、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測(cè)、定長(zhǎng)剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門(mén)傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。此外，利用紅外線(xiàn)的隱蔽性，還可在銀行、倉(cāng)庫(kù)、商店、辦公室以及其它需要的場(chǎng)合作為防盜警戒之用。常用的紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，是利用物體對(duì)近紅外線(xiàn)光束的反射原理，由同步回路感應(yīng)反射回來(lái)的光的強(qiáng)弱而檢測(cè)物體的存在與否來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的，光電傳感器首先發(fā)出紅外線(xiàn)光束到達(dá)或透過(guò)物體或鏡面對(duì)紅外線(xiàn)光束進(jìn)行反射，光電傳感器接收反射回來(lái)的光束，根據(jù)光束的強(qiáng)弱判斷物體的存在。紅外光電開(kāi)關(guān)的種類(lèi)也非常的多，一般來(lái)說(shuō)有鏡反射式光電開(kāi)關(guān)、漫反射式、

10、槽式、對(duì)射式、光纖式等幾個(gè)主要種類(lèi)。光電開(kāi)關(guān)快易優(yōu)自動(dòng)化選型有收錄。在不同的場(chǎng)合使用不同的光電開(kāi)關(guān)，例如在電磁振動(dòng)供料器上經(jīng)常使用光纖式光電開(kāi)關(guān)，在間歇式包裝機(jī)包裝膜的供送中經(jīng)常使用漫反射式光電開(kāi)關(guān)，在連續(xù)式高速包裝機(jī)中經(jīng)常使用槽式光電開(kāi)關(guān)。下圖所示是反射式光電開(kāi)關(guān)的工作原理框圖。圖中，由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，然后用數(shù)字積分光電開(kāi)關(guān)或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出光電開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化；利用光束來(lái)反射物體；使光束發(fā)射經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離后瞬間返回。光電開(kāi)關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的

11、光束一般來(lái)源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強(qiáng)度在發(fā)射中經(jīng)過(guò)多次選擇，朝著目標(biāo)不間接地運(yùn)行。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見(jiàn)的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類(lèi)較多，常見(jiàn)有光電二極管型、光電三極管型、光

12、敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。工作原理在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)光管GL輻射出光脈沖。當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，被反射回來(lái)的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU。光電開(kāi)光快易優(yōu)自動(dòng)化選型有收錄，并在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，再經(jīng)放大器放大和同步選通整形，然后用數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出光電開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 光電開(kāi)關(guān)一般都具有良好的回差特

13、性，因而即使被檢測(cè)物在小范圍內(nèi)晃動(dòng)也不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時(shí)，自診斷系統(tǒng)還可以顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，以隨時(shí)監(jiān)視光電開(kāi)關(guān)的工作。結(jié)構(gòu)分類(lèi)光電開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)可分為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類(lèi)。放大器分離型是將放大器與傳感器分離，并采用專(zhuān)用集成電路和混合安裝工藝制成，由于傳感器具有超小型和多品種的特點(diǎn)，而放大器的功能較多。因此，該類(lèi)型采用端子臺(tái)連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開(kāi)延時(shí)功能，可設(shè)置亮、音動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，能控制6種輸出狀態(tài)，兼有接點(diǎn)和電平兩種輸出方式。放大器內(nèi)藏型是將放大器與傳感一體化，采用專(zhuān)用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源

14、工作。其響應(yīng)速度局面（有0.1ms和1ms兩種），能檢測(cè)狹小和高速運(yùn)動(dòng)的物體。改變電源極性可轉(zhuǎn)換亮、暗動(dòng)，并可設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈。兼有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系統(tǒng)安裝中十分方便。電源內(nèi)藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化，采用專(zhuān)用集成電路和表面安裝工藝制成。它一般使用交流電源，適用于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取代接觸式行程開(kāi)關(guān)，可直接用于強(qiáng)電控制電路。也可自行設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈，輸出備有SSR固態(tài)繼電器或繼電器常開(kāi)、常閉接點(diǎn)，可防止相互干擾，并可緊密安裝在系統(tǒng)中。檢測(cè)方式分類(lèi)按檢測(cè)方式可分為漫射式、對(duì)射式、鏡面反射式、槽式光電開(kāi)關(guān)和.光纖式光電開(kāi)關(guān)對(duì)射型由發(fā)射器和接收器組成

15、，結(jié)構(gòu)上是兩者相互分離的，在光束被中斷的情況下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變化，典型的方式是位于同一軸線(xiàn)上的光電開(kāi)關(guān)可以相互分開(kāi)達(dá)50米。特征：辨別不透明的反光物體；有效距離大，因?yàn)楣馐缭礁袘?yīng)距離的時(shí)間僅一次；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中；裝置的消耗高，兩個(gè)單元都必須敷設(shè)電纜。漫反射型是當(dāng)開(kāi)關(guān)發(fā)射光束時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值一直到3米。特征：有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和和顏色決定；較小的裝配開(kāi)支，當(dāng)開(kāi)關(guān)由單個(gè)元件組成時(shí)，通常是可以達(dá)到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)

16、節(jié)測(cè)量距離；對(duì)目標(biāo)上的灰塵敏感和對(duì)目標(biāo)變化了的反射性能敏感。鏡面反射由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的情況是一種標(biāo)準(zhǔn)配置，從發(fā)射器發(fā)出的光束在對(duì)面的反射鏡被反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)的變化。光的通過(guò)時(shí)間是兩倍的信號(hào)持續(xù)時(shí)間，有效作用距離從0.1米至20米。特征：辨別不透明的物體；借助反射鏡部件，形成高的有效距離范圍；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中。槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較安全可靠的適合檢測(cè)高速變化，分辨透明與半透明物體。光纖式光電開(kāi)關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器來(lái)引導(dǎo)光線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物體不在相近區(qū)域的檢測(cè)。通常光纖傳感器分為對(duì)射式和漫反射式。7、 結(jié)束語(yǔ)光電子學(xué)是繼微電子學(xué)之后發(fā)展起來(lái)的一門(mén)邊沿學(xué)科，其中有許多研究的