一, 光谱
光波, 波长为 10— 106nm的电磁波
可见光,波长 380— 780nm
紫外线,波长 10— 380nm,
波长 300— 380nm称为近紫外线
波长 200— 300nm称为远紫外线
波长 10— 200nm称为极远紫外线
红外线,波长 780— 106nm
波长 3μm（即 3000nm）以下的称近红外线
波长超过 3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
光 谱
远
紫
外
近
紫
外
可见光 近红外 远红外 极远紫外
0.01 0.1 1 10 0.05 0.5 5
波长 /μ m
频率 /Hz
光子能量 /eV
1015 5× 1014 1014 5× 1013
100 10 1 50 5 0.5
5× 1015 1016 3× 1018
光的波长与频率的关系由光速确定, 真空中的光速
c=2.99793× 1010cm/s,通常 c≈3× 1010cm/s。 光的波长
λ和频率 ν的关系为
ν的单位为 Hz,λ的单位为 cm。
νλ=3× 1010cm / s
光电效应
1,外光电效应
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量,
E=hν
h— 普朗克常数,6.626× 10-34J·s；
ν— 光的频率（ s-1）
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子
的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必
须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过
部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应
多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金
属释放电子所需时间不超过 10-9s。
根据能量守恒定理
式中 m— 电子质量； v0— 电子逸出速度。
0
2
02
1
Amh ?? ??
?光电子能否产生, 取决于光电子的能量是否大于该物
体的表面电子逸出功 A0。 不同的物质具有不同的逸出功,
即每一个物体都有一个对应的光频阈值, 称为红限频率
或波长限 。
?当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成
正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的
电子数也就越多。
?光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2,因此外光
电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有
光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，
而且截止电压与入射光的频率成正比。
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现
象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件
有光敏电阻。
常存在于高电阻率的半导体中。半导体的导电特
性,
2,光电导效应
)( ppnn NNq ??? ??
q是电子电荷,Nn,Np是自由电子和自由空穴的浓度,μn
,μp是自由电子和自由空穴的迁移率。 ㄛ为碰撞时间。
m
q
e
?? ?
过程,当光照射到半导体材料上时, 价带中的
电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,
并使其由价带越过禁带跃入导带, 如图, 使材
料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,
从而使电导率变大 。
导带
价带
禁带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
Eg
3, 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的
电动势的现象叫做光生伏特效应 。
① 势垒效应 （ 结光电效应 ） 。
接触的半导体和 PN结中，当光线照射其接
触区域时，便引起光电动势,这就是结光电效应。
以 PN结为例，光线照射 PN结时，设光子能量大于禁
带宽度 Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子
空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子
移向 N区外侧，被光激发的空穴移向 P区外侧，从而
使 P区带正电,N区带负电，形成光电动势。
② 侧向光电效应 。
当半导体光电器件受光照不均匀时，有载
流子浓度梯度将会产生侧向光电效应 。当光照
部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，
光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子
浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流
子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么
空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩
散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射
部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光
电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电
位置敏感器件（ PSD）。
4.2 光电码盘
数字式传感器, 把输入量转换成数字量输出
优点,测量精度和分辨力高, 抗干扰能力强, 能避免
在读标尺和曲线图时产生的人为误差, 便于用
计算机处理 。
最简单的数字式传感器是 编码器 (ADE)
角度数字编码器 （ 码盘 ） 或直线位移编码器 （ 码尺 ）
原理分类：电触式, 电容式, 感应式和光电式等
4.2 光电码盘
4.2.1 工作原理
4.2.2 码盘和码制
4.2.3 二进制码与循环码的转换
4.2.4 应 用
4.2.1 工作原理
? 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示
的电信号的转换部件 。
1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件
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码盘：光学玻璃，透光 /不透光（同心码道） → 照相腐蚀
要求：分度准确（工艺）,
阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）
光源,LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确
光电元件：硅光电池，光电晶体管
码道：位数 → 每个码道对应一个光电元件 → 分辨率
角度分辨率,
α=360o/2n n-码道数（位数）
光电元件输出,
亮区 ---,1” ;
暗区 ---,0”
1" --- 20/21位
信号组合 --- 编码数字量
--- 转角大小
绝对测量 --- 固定的数字码
（不需要基准）
4.2.2 码盘和码制
6
位
二
进
制
码
盘
根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。
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二进制码盘主要特点,
（ 1） n位 (n个码道 )的二进制码盘具有 2n种不同编码, 称其
容量为 2n,其最小分辨力 θ1＝ 3600／ 2n,它的最外圈角
节距为 2θ1；
（ 2） 二进制码为有权码, 编码 Cn,Cn-1,…, C1对应于由零
位算起的转角为,
（ 3） 码盘转动中, CK变化时, 所有 Cj(j<K)应同时变化 。
1
1
1
2 ??
?
? i
n
i
iC
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二进制码盘的粗大误差及消除
? 要求各个码道刻划精确, 彼此对准, 这给码盘
制作造成很大困难 。 由于微小的制作误差, 只
要有 — 个码道提前或延后改变, 就可能造成输
出的粗大误差 。
? 消除粗大误差方法,
双读数头法，循环码代替二进制码
双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。
当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有
困难。
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(a) 四位二进制码盘展开图
(b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图
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(1)n位循环码码盘具有 2n种不同编码；
(2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；
(3)循环码为无权码；
(4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化,
不会产生粗误差。
六
位
的
循
环
码
码
盘
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② 编码码制,
直观，易于后续电路和计算机处理。
多位码同时动作 → 同步误差 → 错码
格雷码（循环码） 有权码 对称性，无权码 二进制码
相邻两数只有一位不同 →
每次只有一位变化 → 转换
4.2.3 二进制码与循环码的转换
iii
iii
nn
CCR
RCC
RC
??
??
?
?
?
1
1
4位二进制码与循环码的对照表
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二进制码转换为循环码的电路
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
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循环码转变为二进制码的电路
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。
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单盘与多盘编码器,
? 单盘编码器,
全部码道在一个圆盘上，结构简单，使
用方便。但当位数要求增多的情况下，
若要求具有很高的分辨力，则制造困难，
圆盘直径也要大。
? 采用几个码盘通过机械传动装置连成一
起的码盘组，则可大大提高分辨率，而
且可以用来测定转速。
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4.2.4 应用
光学码盘测角仪的原理图
1－光源 2－大孔径非球面聚光镜
3－码盘 4－狭缝 5－光电元件
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脉冲当量变换
? 编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，显示器
总是希望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当
量变换电路。
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光波, 波长为 10— 106nm的电磁波
可见光,波长 380— 780nm
紫外线,波长 10— 380nm,
波长 300— 380nm称为近紫外线
波长 200— 300nm称为远紫外线
波长 10— 200nm称为极远紫外线
红外线,波长 780— 106nm
波长 3μm（即 3000nm）以下的称近红外线
波长超过 3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
光 谱
远
紫
外
近
紫
外
可见光 近红外 远红外 极远紫外
0.01 0.1 1 10 0.05 0.5 5
波长 /μ m
频率 /Hz
光子能量 /eV
1015 5× 1014 1014 5× 1013
100 10 1 50 5 0.5
5× 1015 1016 3× 1018
光的波长与频率的关系由光速确定, 真空中的光速
c=2.99793× 1010cm/s,通常 c≈3× 1010cm/s。 光的波长
λ和频率 ν的关系为
ν的单位为 Hz,λ的单位为 cm。
νλ=3× 1010cm / s
光电效应
1,外光电效应
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量,
E=hν
h— 普朗克常数,6.626× 10-34J·s；
ν— 光的频率（ s-1）
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子
的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必
须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过
部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应
多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金
属释放电子所需时间不超过 10-9s。
根据能量守恒定理
式中 m— 电子质量； v0— 电子逸出速度。
0
2
02
1
Amh ?? ??
?光电子能否产生, 取决于光电子的能量是否大于该物
体的表面电子逸出功 A0。 不同的物质具有不同的逸出功,
即每一个物体都有一个对应的光频阈值, 称为红限频率
或波长限 。
?当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成
正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的
电子数也就越多。
?光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2,因此外光
电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有
光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，
而且截止电压与入射光的频率成正比。
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现
象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件
有光敏电阻。
常存在于高电阻率的半导体中。半导体的导电特
性,
2,光电导效应
)( ppnn NNq ??? ??
q是电子电荷,Nn,Np是自由电子和自由空穴的浓度,μn
,μp是自由电子和自由空穴的迁移率。 ㄛ为碰撞时间。
m
q
e
?? ?
过程,当光照射到半导体材料上时, 价带中的
电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,
并使其由价带越过禁带跃入导带, 如图, 使材
料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,
从而使电导率变大 。
导带
价带
禁带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
Eg
3, 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的
电动势的现象叫做光生伏特效应 。
① 势垒效应 （ 结光电效应 ） 。
接触的半导体和 PN结中，当光线照射其接
触区域时，便引起光电动势,这就是结光电效应。
以 PN结为例，光线照射 PN结时，设光子能量大于禁
带宽度 Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子
空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子
移向 N区外侧，被光激发的空穴移向 P区外侧，从而
使 P区带正电,N区带负电，形成光电动势。
② 侧向光电效应 。
当半导体光电器件受光照不均匀时，有载
流子浓度梯度将会产生侧向光电效应 。当光照
部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，
光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子
浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流
子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么
空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩
散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射
部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光
电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电
位置敏感器件（ PSD）。
4.2 光电码盘
数字式传感器, 把输入量转换成数字量输出
优点,测量精度和分辨力高, 抗干扰能力强, 能避免
在读标尺和曲线图时产生的人为误差, 便于用
计算机处理 。
最简单的数字式传感器是 编码器 (ADE)
角度数字编码器 （ 码盘 ） 或直线位移编码器 （ 码尺 ）
原理分类：电触式, 电容式, 感应式和光电式等
4.2 光电码盘
4.2.1 工作原理
4.2.2 码盘和码制
4.2.3 二进制码与循环码的转换
4.2.4 应 用
4.2.1 工作原理
? 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示
的电信号的转换部件 。
1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件
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码盘：光学玻璃，透光 /不透光（同心码道） → 照相腐蚀
要求：分度准确（工艺）,
阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）
光源,LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确
光电元件：硅光电池，光电晶体管
码道：位数 → 每个码道对应一个光电元件 → 分辨率
角度分辨率,
α=360o/2n n-码道数（位数）
光电元件输出,
亮区 ---,1” ;
暗区 ---,0”
1" --- 20/21位
信号组合 --- 编码数字量
--- 转角大小
绝对测量 --- 固定的数字码
（不需要基准）
4.2.2 码盘和码制
6
位
二
进
制
码
盘
根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。
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二进制码盘主要特点,
（ 1） n位 (n个码道 )的二进制码盘具有 2n种不同编码, 称其
容量为 2n,其最小分辨力 θ1＝ 3600／ 2n,它的最外圈角
节距为 2θ1；
（ 2） 二进制码为有权码, 编码 Cn,Cn-1,…, C1对应于由零
位算起的转角为,
（ 3） 码盘转动中, CK变化时, 所有 Cj(j<K)应同时变化 。
1
1
1
2 ??
?
? i
n
i
iC
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二进制码盘的粗大误差及消除
? 要求各个码道刻划精确, 彼此对准, 这给码盘
制作造成很大困难 。 由于微小的制作误差, 只
要有 — 个码道提前或延后改变, 就可能造成输
出的粗大误差 。
? 消除粗大误差方法,
双读数头法，循环码代替二进制码
双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。
当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有
困难。
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(a) 四位二进制码盘展开图
(b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图
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(1)n位循环码码盘具有 2n种不同编码；
(2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；
(3)循环码为无权码；
(4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化,
不会产生粗误差。
六
位
的
循
环
码
码
盘
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② 编码码制,
直观，易于后续电路和计算机处理。
多位码同时动作 → 同步误差 → 错码
格雷码（循环码） 有权码 对称性，无权码 二进制码
相邻两数只有一位不同 →
每次只有一位变化 → 转换
4.2.3 二进制码与循环码的转换
iii
iii
nn
CCR
RCC
RC
??
??
?
?
?
1
1
4位二进制码与循环码的对照表
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二进制码转换为循环码的电路
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
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循环码转变为二进制码的电路
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。
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单盘与多盘编码器,
? 单盘编码器,
全部码道在一个圆盘上，结构简单，使
用方便。但当位数要求增多的情况下，
若要求具有很高的分辨力，则制造困难，
圆盘直径也要大。
? 采用几个码盘通过机械传动装置连成一
起的码盘组，则可大大提高分辨率，而
且可以用来测定转速。
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4.2.4 应用
光学码盘测角仪的原理图
1－光源 2－大孔径非球面聚光镜
3－码盘 4－狭缝 5－光电元件
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脉冲当量变换
? 编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，显示器
总是希望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当
量变换电路。
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