《光学系统与探测器》PPT课件

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,*,3.1光学系统与探测器,1：光学系统,是光电系统中获取目标光信息的组成部分。,两大类：,能量传输系统：收集或传输目标的光能量信息。主要用于光度测量,图像传输系统：摄取目标的图像信息,光学系统的基本特性,数值孔径（,NA,）或相对孔径（,D,/,f,）、线视场或视场角（,2,）、系统横向放大率（,）、焦距（f,）、入瞳直径（D）、出瞳直径（D,）,1.显微物镜的光学特性,显微镜是用来观察近距离微小物体的光学系统。,传统目视显微镜由显微物镜和目镜组成,光电显微系统是由显微物镜成一次像，通过光学接口把物镜一次像成于光电探测器的靶面,显微物镜特点：短焦距、大孔径、小视场,主要光学评价参数：放大倍率,、数值孔径NA、焦距f,评价参数相互关系：,2.望远物镜的光学特性,望远系统用于观察远距离物体。,光电望远系统是把光电探测器置于望远物镜的像方焦平面处,望远物镜的光学特点：小视场、小孔径、长焦距,主要光学特性参数：相对孔径,D/f,、视场角,2,、放大倍率、空间分辨率（工作距离）、,评价参数相互关系：,3.照相物镜的光学特性,照相物镜是将物体的像成像在感光底片或光电探测器靶面上。,照相物镜的光学特点：照相物镜是同时具有大相对孔径和大视场的光学系统,主要光学特性参数：焦距,f,、相对孔径,D,/,f,）、视场角2,、,F,数,4.放映物镜和投影物镜,在成像关系方面相当于倒置使用的照相物镜,主要光学特性参数：相对孔径,D/f,、视场角,2,、放大倍率,评价参数相互关系：,5.光机扫描器,许多大空间区域的目标搜索或成像的光电系统，光电探测器的靶面尺寸小，不能满足瞬时视场的要求，通常采用光学机械扫描方法成像,扫描方式分类：平行光束扫描、会聚光束扫描,平行光束扫描,会聚光束扫描,常用光机扫描器,2：光电探测器,能接收光学系统的光能信息，并将光信号转换为电信号的器件,主要分为五种类型：,1.光电子发射器件,利用光电阴极材料的外光电效应，探测光子，并转换为电流,光电管、光电倍增管,主要用于探测弱辐射目标、响应速度快：激光测距、光雷达,2.光电导器件,利用感光材料的光电导效应,硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻：可见光,硫化铅PbS光敏电阻：近红外1.03.5,m波段（第一个大气红外窗口），峰值响应波长2.4,m,锑化铟InSb光敏电阻：中红外35,m（第二个大气红外窗口）,碲镉汞光敏电阻：814,m远红外（第三个大气红外窗口），峰值响应波长10.6,m（和CO2激光器激光波长匹配）,主要用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等,3.光伏探测器,1）光电池,光电池是一种特殊的半导体二极管，在光的照射下产生电动势（光生伏特效应），能将可见光转化为直流电。引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子,常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。,太阳能电池可以直接把太阳能转变为电能。应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处,光电池工作时不需要外加偏压，其短路光电流与入射光功率成线性关系（做探测用时，负载电阻要很小，接近短路状态，线性度也好）；开路电压与入射光功率呈对数关系。,2）光电二极管,光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，由一个PN结组成，也具有单方向导电特性。但它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件,光电二极管是在反向电压作用下工作。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。,PN型：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计,PIN型（光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管）：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真,发射键型（使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体）：主要用于紫外线等短波光的检测,雪崩型（APD）（在以硅或锗为材料制成的pn结上加上反向偏压后，射入的光被pn结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”，即光电流成倍地激增的现象，提高了检测灵敏度，增益可达10,2,10,3,响应速度非常快，具有倍速作用，硅管约为0.51.1ns，频率响应可达几千赫兹，光电倍增管的窄脉冲响应很好，但0.81.1,m 区域APD更好）：可检测微弱光、高速光通信、高速光检测、激光测距仪、共焦显微镜检查、视频扫描成像仪、高速分析仪器、自由空间通信、紫外线传感、分布式温度传感器,3）光电三极管,光电晶体管类似普通晶体管也有电流放大作用。只是它的集电极电流受光的控制，不只是受基极电路的电流控制。,管型为NPN型，集电极加正电压，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大的输出电流Ic=Ie=(1+)Ip)，为电流放大倍数。,在一定的光强范围，输出电流与入射光强成线性关系，入射光强变化35个数量级时光电流明显非线性,4.热探测器,热探测器利用红外辐射的热效应。当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高，使敏感元件的相关物理参数发生变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。,常用热探测器：热敏电阻、热电偶与热电堆、热释电探测,热释电探测器特点,工作波段：可见光到红外,频响带宽较大、工作频率可达数十兆赫,有效时间常量达10,-4,310,-5,s（一般热探测器典型值为10.01s,探测率高（有较大的均匀光敏面）,受环境温度影响小,易受外界振动影响,对恒定辐射没有响应，只对交变辐射有响应,5.图像传感器,1）电荷耦合器CCD(Charge Coupled Device)：,基本单元（光敏像元）是金属-氧化物-半导体（MOS）电容结构，在金属栅极加上偏压形成势阱，当光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子吸收光子跃入导带，形成电子-空穴对，在外加电场作用下，分别向两极运动，产生光生电荷贮存在势阱,电荷多少与入射的光强成线性关系,电荷转移,电荷读出,2）CMOS图像传感器,CMOS是互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor）的缩写，是指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺,CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS),6.CCD图像传感器的性能,1）光电转换特性,线性工作区与饱和工作区,SE饱和曝光量，VSAT饱和输出电压,VDAK暗输出电压,2）光谱响应,以硅为衬底的器件，光谱响应范围：4001100nm,红外器件的光敏材料有InSb、PbSnTe、HgCdTe，光谱范围延伸至：35,m,和814,m,3）动态范围,饱和曝光量输出信号与等效噪声信号之比,等效噪声信号是指CCD正常工作时，无光信号时总噪声下能分辨的最小信号,通常在10,3,10,4,nA/cm,2,4）暗电流,在无光照，又无电注入时输出电流,影响因素很多，跟环境温度密切相关，在室温下约为510nA/cm2,5）分辨力,对物像中明暗细节的分辨能力，采用调制传递函数MTF来评价,MTF=MOUT/MIN(输出调制度与输入调制度之比),当输入一个确定频率的正弦光波的物像在CCD上时，CCD的输出也将是一个随时间变化的正弦波，设波峰为A，波谷B，则调制度M为,M=(A-B)/2/(A+B)/2=(A-B)/(A+B),CCD空间分辨力,例7000像元线阵CCD的分辨力可达7,m,4096,4096面阵器件的整机分辨力在1000电视线上,