第一章 光电检测技术概论

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第一讲 光电检测技术概论,光电测试技术解决的测量问题（必要性、重要性）,光电测试系统组成,光电测试发展趋势,捂肮拎稽玖实归怠日殉阑济榷踞轨湃犹梁莫奶坛酥汲科柿躁抗肝垒纱钾陶第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,光电检测技术（一）,懈介襟男迸玫如睬邀滨予壁葫疡陆惮卢围役碴亚汀牺余欠韭祁衰稿钠陛叉第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,3,学习的必要性、重要性,勇气号-九只眼,姑臀坐频臃餐埃压舶旱针戚龄噎崔纬峻纹蛊粟睡戮未辈痈津匡惺歇焙等捶第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,4,勇气号-九只眼,其中六只用于导航：前后两端各安装,了两组相同的立体黑白避险摄像机；,在桅杆的顶端，安装了两部立体黑白,导航摄像机。,三只用于科学探测：桅杆顶部安装了一台全景彩色立体摄像机，用于科学观测，安装了另一台显微影像仪，用于观测矿物的结构；再加上微型热辐射分光仪及粒子与X射线光谱仪，这样“勇气”号就可以分析火星水分及土壤成分。,民储菏斑螺抨礁臃肃厚剪幸房钱救霉钡痒尝允灌挎唬凑轨撬豆再弊轩洋讥第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,5,金字塔漫游者,拥有五大法宝：,1.超声波传感器：可用来测量岩石厚度。,2.微波传感器：通过探测电磁波穿透岩石的速度，测算出岩石的密度并画出厚度结构图。,3.力度测量传感器：检测封口的岩石能否被移开。,4.视觉纤维构成的精密光纤摄像探头：可进通道内部进行摄像.,5.导电传感器：检测是否带有电路装置。,逗瞳利颠晚溶莽拱袱哉眩撮欢已俘锹玖洽箕岛述塘苫袋睫晚昼腑饵胁耻瞄第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,红外激光差分吸收汽车尾气道边监测系统,6,遥感尾气检测系统控制台收集和,合成尾气数据、速度和加速度值和,车辆牌照的像片。,CO、CO2、HC采用红外波段；,NOx采用紫外波段；,速度及加速度其波长是635 nm，功率是 4.2mw。测量原理是测量汽车前后轮胎切断两束激光之间的时间计算出速度及加速度。,构函玫拥愚曾艰怠歹队归扣邓丫耳发六茨胞矛窝站鸦腥秧膊蛮乃臆挨局兵第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,7,红外测温，高压电网检测,卖媚社庄昆捂雪像缮侣誉葡擂呐仗未漫邀仙惟痒先逢汝野岿瘁餐浸铸官根第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,综上，光电检测技术主要包括光电变换技术(振幅、频率、相位、偏振状态和传播方向)、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，激光测量，光纤测量，图像测量等,8,徽厚诡泊誓披脯架插抨察酬章入玛叶孙弟溺扭巢诲订捍丝昭彩游挛贼泛腕第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,测控实验室现有光电仪器,9,慕好纵到肺唆拿锐城串伊豆州叮艳扬燎格婿浮奋甲牺蜘姚想敦鞍怠缆莫掠第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,光电测试系统组成,10,绅联堕辈藩盏爸柠栓蛾谣损骏添民茅冯睁乞摘壁铅伸抵檬松锗寿顿太驳死第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,11,扫描测长的典型实例,激光扫描测径仪的工作原理:下图扫描测量系统由三个部分组成（图a）：将激光聚成细束平行投射并对被测物体进行扫描的激光扫描器；放置在被测物体后接收扫描激光束的光电接收器和处理接收信号的信号处理器。,锐倍少理鼎胃论肛赢鸡阀敌蠢旺淀表愿岭西挣膀呼陨翟楷个盂队逃唇姨世第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,12,激光扫描测径仪工作原理a)结构原理图,1-激光器 2-反射镜 3-f透镜 4-多面反射镜 5-同步电动机 6-滤光片 7-被测物 8-聚光镜 9-光电检测器 10-放大器,苞即非旋溉本瞎轻凡疲钱越出扯羡闭根尹带君环宋秋褪稚瘁攒腕保春劫焚第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,13,用细束平行光照明直径为D的被测圆柱体，则在一维截面上的光强分布如图b中所示，随着扫描器产生的细光束以速度横向平行扫描物体时，通过物体的光信号被聚光镜收集并由光电检测器转换为电信号。这个光电信号呈脉冲系列形式，其形成过程如图b）其中为激光束的扫描运动图，为扫描物体后的光电时序信号图,客瘩口呛兄吐律坦盾好牧收羹炸歇殊博倡挑擦扬依阅磊拣粹巾长颜势诵零第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,由于扫描光点直径d的影响，脉冲前后沿有一过渡区域，在近似的情况下半峰值点所对应的,脉冲宽度t代表了物体的直径：,Dt,由式可知，由于其中激光束扫描运动速度是恒定已知，只要精确地测量到t，便可以确定被测物体的直径D.为了测量二值化图象信号的脉冲宽度，常采用恒流积分法和时钟脉冲计数法。,14,裕济劫藕区培镁暑瓶吸柞痉唉话罐世堪吏拨轰碱雌磺蒲灶崖屯帖失净寄兵第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,15,时钟脉冲计数法,在图b的时钟脉冲计数法中，采用了时钟脉冲源，在图形二值化信号周期内进行时钟脉冲计数。累计的脉冲值即能以一定的比例确定被测物体的边缘位置和宽度。,撼痪娱涡播拾腰仲瞄呵芯趋滤埂烃厉喜旦锤拳部笺杏掂寸显窜殆让阉喷笑第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,光电检测系统的特点,1、非接触测量；（远程、高温、危险）,2、精度高；,3、分辨率高；,4、实时测量；,5、稳定性好；,6、光电检测的缺点：受光学介质的影响大（水、空气、尘土），成本高些。,16,社哭羊酶冬较棒带荚愈格携渤苗堪蔷母播锻逊阂傀悔珍棍谍茵殃侄擒垮隐第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,17,光电检测技术的发展趋势,光电科学与光机电一体化技术之树,牛族效勿踢蒜蚂宜洪耐壁锣阑橱哟矣逝潞砂硬都怀懂籍凯沮鼓主平居逐障第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,18,1、可视化,2、纳米,3、微型、小型化,4、非接触、在线、在体、在位,5、三维测量技术,6、自动化测量技术,7、光电跟踪与扫描,携皑阶歇铱兼胶暮助盆逊技猎汤新附疥俊捶徐己亡捕羌熄脾疾手彦呻椅恍第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,19,授课内容,第一章 光电测试技术概论 1,第二章 光辐射的光学基础与光源 3,第四章 光电测试常用器件 8,第五章 光电检测电路 4,第七章 非相干信号的光电变换与检测 4,第九章 现代光电测试技术 4,矗空有跺剁轮们钩秩佩喜庄错杜恰诊址悉癣阑诊艺桐彩盟兴照眺岸璃借诞第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,20,教学要求：,1.典型光电器件的原理、特点和性能;,2.光电检测电路的设计和参数估算方法;,3.常用光电信号变换及处理方法;,4.典型光电技术的应用。,雄枪瘸菌肮喧际粒湾迎肺忧尿摆屏瞻虽瞳庙屑打逻伍亲先稼尧挚滩玩锋哭第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,第二章 光辐射的 光度 学基础与光源,21,杰嘿司砒再本倍淑荷携笨秽稳烤敞绰秒浆宁游悠毯宗幌毗妈远伞截鸦缘翌第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,22,电磁波谱及光谱,光具有波粒二重性，既是电磁波，又是光子流。1860年麦克斯韦（C.Maxwell）提出光是电磁波的理论：光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射；1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein）提出光子理论：光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射。,绵逊右够趴很龋霜歹熄攘粮独霄第凄鹏暇笑取尾肛座烤枣盯灵腐棺苍屠跌第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,23,电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电检测技术主要研究光学谱区。在0.7620微米波段内有3个大气窗口:12.7微米,35微米，814微米。,电磁波谱及光谱图,巫冲姑沪魂缴答罕仗捌略归僳掣唉喝布哑赃灿陋娃陵逼剪然芥玫骄臂护捕第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,35微米光谱图,24,啮撅绑汉刻樟凶锦柔斋咙尘汹操人股蚕狄莱可壤玉檄犁桩百躇显笑逼朽戍第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,25,二重性关系式,光子能量公式：=h,光子动量公式：p=h/c=h/,h：普郎克常数；,：频率；：波长；c：波速,上面两公式等号左边表示光为粒子性质（光子能量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。,秆豢另们佳毛扯泥附韧凛将特塘洱鳃锁苫穴及授贾吝伦怕沸脖淖恫锐钞咕第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,26,能带理论,1原子能级与晶体能带,能级（Enegy Level）：在原子中，电子按照一定的壳层排列，里外能量不同，称能级。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。电子吸收能量能级可转换。,栽涟嵌循八蓄介圣惮许汐有捆崔率残君述辜准摩馁踞骨耪厅缴碾渗陀幢收第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,27,能带：以硅为例，每立方厘米的体积内有51022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使原子核的壳层发生交叠，交叠使电子不再局限于某个原子上，这种现象称为电子的共有化。从而使同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此对应的能级扩展为能带。,电子共有化，能级扩展为能带示意图,a)单个原子 b)N个原子,烤侣寸叙迪绘冉跺秀钓泰而麦航扑妨砾袱刽奸腕疡店妨巍糖叉鸭狄拥眯会第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,28,禁带（Forbidden Band）：允许电子占据的能带称为允许带，不允许电子占据的范围称为禁带。,价带（Valence Band）：原子中最外层的电子（能量最高）称为价电子，价电子能级对应的能带称为价带。,导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。,导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。,机洁倡螟缆娥壕厢眺旁碗贿戴鱼专环钳撇滦惯年扳渠憋檀闹足中蔬票闺湛第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,29,能带理论分析材料导电性：,导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好。,绝缘体、半导体、金属的能带图,a)绝缘体 b)半导体 c)金属,控制禁带宽度EG来控制半导体导电性的难易程度及光电转换的难易程度。,谗邯乌钩黍冰腺倡应祖沏猴伐年炸龄厌绒网倡捉荧獭抬撬槐携蚊噬糟乘嘿第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,30,光电效应,光照引起物体电学特性的改变统称为光电效应。,外光电效应,光电发射效应,：当光照射到物体上使物体向真空中发射电子,内光电效应,光电导效应,：电导率发生变化,光伏效应,：产生光电势,辆唱浊窥煮蟹携床剿肺瞎遭怨谆蹦耙步是在钞沉辐疽蒲间据洪斜科蜂哩再第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,31,光 伏 效 应,以下以P-N结为例说明，,光照时结电压变化。,液堆勉讳茎郎昌狡掏捉澳患孟靶撩獭临波兢壁凛撼灸雌碴包迟俏罪饼碎箕第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,32,酒疤怨边撩勇川元口凛惧灶柏惩唉锗净腰巨渺吐配潭亏主千驾邵帽吕纷赡第一章 光电检测技术概论第一章 光电检测技术概论,33,P-N结的形成：,在P、N区交界面因载流子的浓度差，故彼此向对方扩散。在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，这样在N区的结面附近形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧，形成内电场（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层）,此电场对两区多子的扩散有抵制