现代光电检测技术001.ppt

1、现代光电探测技术，俞忠，参考书目，光电探测技术，曾光宇等主编，清华大学出版社，光电探测技术与应用，郭培源、付洋，北京航空航天大学出版社，激光光电探测，卢海宝等，国防科技大学出版社，光电探测技术，雷玉堂等，中国计量出版社，创世纪133601-5，圣经(授权版)，在开始的时候上帝创造了天地。地球没有形式，空虚；黑暗笼罩着深渊。神的灵感动了水面。上帝说，让光存在吧：于是就有了光。上帝看见了光，认为它是好的，上帝把光和黑暗分开了。上帝称光明为白昼，称黑暗为黑夜。晚上和早晨是第一天。创世纪1: 1-5(NASB的译本)，起初上帝创造了天地。地球是空的，混乱的，深的一面是黑暗的；上帝的灵魂在水上运行。上帝

2、说，“要有光”，于是就有了光。上帝认为光是好的，所以他把光和暗分开。上帝称光明为白天，称黑暗为夜晚。有晚上也有早上，这是第一天。2020/7/31，光是如何产生的？1=1010米=0.1毫米，光子给电子排斥这种吸引力的能量。广义而言，光是指光辐射，根据波长可分为x光、紫外线、可见光和红外线。狭义上，人们所说的“光”是指可见光，即电磁辐射，它对人眼产生视觉刺激，形成一种“亮度”感。光的电磁频谱具有很宽的频率范围，覆盖了从宇宙射线到无线电波(赫兹)的很宽的频率范围。光辐射只是电磁光谱的一小部分，电磁光谱包括从几纳米到几毫米的波长范围，即10-910-3米的范围。在这个范围内，只有0.380.78米

3、的光能引起人眼的视觉，所以这种光被称为可见光。光同时具有波和粒子的双重性质，即波粒二象性。光学与现代科学技术光学是一门古老而年轻的学科，也是物理学的一个重要分支。通过对诺贝尔物理学奖100多年的分析，我们发现有40多个奖项与光学直接或间接相关。这些获奖的光学研究工作对物理学的发展起到了非常重要的作用。特别值得一提的是，相对论和量子力学的建立都与光学的发展密切相关。例如，相对论的一个基本假设是光速不变的原理；量子力学的建立始于对黑体辐射(普朗克)、氢原子光谱结构(玻尔)和光电效应(爱因斯坦)的讨论。光电子技术、光学(古希腊)基于几何光学和物理光学的各种光学仪器和设备(显微镜、望远镜、照相机、经纬

4、仪、分光计)。以电磁辐射为研究对象(黑体辐射)，重点研究光与物质的相互作用(光电效应、光电探测器、新型光源)。电子学电子学(1910)是一门研究电子运动的各种物理过程和现象并广泛应用它们的科学。研究无线电波的振荡和传播、电信号的放大和转换、频率稳定性、混频、检测等。光电子学光电子学(1955)是光学和电子学的结合。将电子学中使用的电磁波频率提高到光频将产生许多电子学不能产生的新功能。以前用电子方法实现的任务现在用光学方法完成了。光子学(1970)光子科学及其应用。光子学与电子学相似，它描述光子在信息传输中的应用，包括光子束的产生、导波、偏转、调制、放大、图像处理、存储和探测。激光光子时代的主角

5、。什么是光电探测？光电系统框图和光电转换由各种光电器件实现，如光电检测器件、光电摄像器件和光电热敏器件。光学转换通过各种光学元件和光学系统实现，例如平面镜、狭缝、透镜、棱镜、光栅、成像系统等。其功能是将测量的参数转换成光学参数(振幅、频率、相位、偏振态、传播方向的变化等)。)。第一阶段：传统的光学器件和仪器不能满足复杂光学信息的高速采集和处理的要求。第二阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器和电路集成为一体，或者将具有多种探测功能的探测器集成为一体。它的价格低，体积小。例如，将图形和物体等二维分布的光学图像转换成电信号的检测装置由许多网状阵列结构组成，而引人注目的装置CCD是一种集成了阵列式光

6、电检测和扫描功能的固态图像检测装置。它是一种将一维或二维光学图像转换成时间序列电信号的装置，可广泛应用于自动检测和控制，尤其是图像识别技术。像自动指纹识别系统(AFIS)。光电检测技术的发展，第三阶段：光纤传感器的出现，为光电检测技术的小型化开辟了广阔的前景。光纤检测可以解决许多传统检测技术难以或不可能解决的问题。例如，在具有严重噪声、干扰和污染的工业过程检测中，或者在海洋或反应堆中，自动监控设备或智能机器人将不可避免地经受诸如高压、高温和辐射等极其困难的条件。光纤检测技术有其独特的智能优势。由于光信息传输的独特优势，智能光纤检测将比其他检测技术更具吸引力。展望：随着微加工技术的发展和光电检测

7、技术的紧密结合，光电检测技术越来越智能化。例如，机器人的视觉系统。首先，在工业生产中的应用，在线检测：零件尺寸，产品缺陷，装配定位。在现代工程设备中，检测环节的成本约占50-70%，第二，光电检测技术的应用，第三，检测技术在日常生活中的应用，家用电器：数码相机，数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器，电子温度计：接触式-自动感应灯：亮度检测-光敏电阻，电话和麦克风：语音转换-驻极体电容传感器，遥控接收：红外检测-光电二极管和光电晶体管，办公业务：可视对讲，可视电话：图像采集-面阵CCD，扫描仪：文件扫描-线阵CCD， 红外传输数据：红外探测早期肿瘤探测-正电子发射断层扫描(PET)，第三，探测技

8、术在军事上的应用，未来美国军方开发的单兵作战武器，夜视瞄准系统：非制冷红外传感器技术激光测距仪：能精确定位目标。 4.检测技术在国防领域的应用。监控系统：检测并发现敌方导弹的发射，并跟踪导弹的飞行轨道。拦截器：能识别真假弹头、敌我、“阿波罗10号”等：火箭部分-2077传感器、航天器部分-1218传感器、探测参数-加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学、神舟飞船：185套仪器和装置光电系统的共同特点是，所研究的所有信息将通过各种效应(机械、热、声、电、磁)调制到光载体上，然后承载所研究信息的光载体将被转换成电信号，并实现光学仪器的自动化因此，光电检测作为光电系统的一项常用技术具有重要意义。

9、所谓光电检测主要指两个方面：光信号的调制和转换以及接收和解调。高精度：从地球到月球的激光测距精度达到1米。高速：光速是最快的。长距离和长距离：遥控、遥测非接触检测：测量是在不改变被测物体特性的情况下进行的。寿命长：光电检测中通常没有机械运动部件，因此测量装置寿命长，工作可靠，精度高，对被测物体的形状和尺寸没有要求。数字化和智能化：信息处理、计算和控制能力强。1.1光电探测技术的特点、辐射测量和光度学，本课题的研究要求如下：1 .了解辐射测量和光度测量的基本参数。掌握各辐射参数之间的关系，即辐射度、辐射度，它是用来定量描述光辐射场和通过光学系统的能量流。它以能量单位描述光辐射能量的客观物理量。1

10、.在辐射单位制中，辐射通量(也称辐射功率)或辐射能量是基本量，它只与辐射体有关，其基本单位是瓦特或焦耳。2.放射学适用于整个电磁波波段。辐射率、辐射能、辐射场包含的总能量或以辐射形式发射并传输到接收器的总能量的相关物理量称为辐射能，用符号表示，单位为焦耳(J)，辐射能密度，单位体积的辐射能称为辐射能密度。它代表辐射能量的空间特征，可以用其体积密度来表示。其定义公式为：单位体积辐射场的辐射能dV，单位辐射能密度为焦耳/立方米(J/立方米)。辐射通量，也称为辐射功率，是指在单位时间内以辐射形式发射、传播或接收的辐射能量，即辐射能量的时间变化率，其表达式为：其中dQe是在dt时间内传递的能量。辐射通

11、量的单位是瓦特(1W=1J/s)。点光源发出的辐射强度，在单位时间内，被单位立体角(圆锥)包围的空间区域称为立体角。它的数学定义是以球的中心为顶点的圆锥体在球表面切割的面积与球半径的平方比。因此，圆锥体的顶部在球体的中心，底部在球体上，底部面积等于球体半径的平方。圆锥包围的立体角称为单位立体角。辐射能量称为辐射强度，其表达式为：其中de为辐射源在D立体角辐射的辐射功率。辐射强度的单位是瓦特每球度(瓦/秒)。立体角：数学定义，辐射出度。辐射器在单位面积上辐射的通量或功率称为辐射出度或辐射发射度，其测量单位为瓦/平方米。它的表达式是：其中de是辐射源在所有方向(通常是半空间立体角)发射的总辐射通量

12、。引入发射度的概念来描述表面辐射源表面微非表面源辐射通量的差异。辐照度，即在物体表面某一点照射的面板辐射通量de除以面板面积dA的商，称为辐射度，其表达式为：辐照度单位为瓦特/平方米(w/平方米)。请注意发射度和辐照度的表达式和单位完全相同。区别在于发射度描述了表面辐射源的向外发射特性，而后者描述了辐射接收表面接收的辐射特性。辐照度，平面角大小(弧长除以半径)的定义被推广到三维空间，而“立体角”的定义是：球面面积与半径的平方之比，辐亮度，辐亮度)乐是单位投影面积上的辐亮度和单位立体角。也就是说，在与辐射表面dA的法线成一定角度的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强度dIe与辐射表面在该方向上在

13、垂直表面上的投影面积之比，其表达式为：其中dA是光源的表面元素；是光源表面法线和给定方向之间的角度。辐射的单位是瓦特/平方米球形度(W/(m2sr)。一般来说，乐的值与辐射源的性质有关，并且随着给定的方向而变化。如果Le不随方向变化，Ie与cos成正比，即I0是面板dA沿其法线方向的辐射强度。满足上述公式的特殊光源称为余弦辐射体，也称为均匀漫反射体或朗伯体。光谱辐射分布，任何辐射源发出的辐射能或辐射通量都具有一定的光谱分布特征，也就是说，不同波长的基本辐射值是不同的。以上介绍的几种基本辐射都有相应的光谱辐射。光谱辐射，也称为辐射的光谱密度，是辐射随波长的变化率。定义为单位波长间隔内辐射场在波长

14、处的辐射通量，其测量单位为瓦特/微米或瓦特/纳米，因此所有波长的总辐射通量可获得为：其他辐射参数，如辐射率、辐射强度、辐射亮度等。可以类似地定义为光谱辐射量，也就是说，在公式：中，通用符号Xe()是波长的函数，表示单位波长间隔内的辐射场的光谱。注：这里必须指出，传统的辐射理论能否成立是基于几个假设：首先，辐射能是不相关的，所以没有必要考虑干扰效应。其次，辐射测量的概念是基于几何光学。也就是说，辐射能的空间分布在其传播过程中不会偏离由几何射线确定的路线。最后，假设光场的能量流在透明介质(非吸收介质)中，并遵循能量守恒定律。练习1: 1。如果放置在各向同性均匀介质中的点辐射源的辐射强度为Ie，则尝

15、试计算它在整个空间的所有方向上发射的辐射能量通量。如果它是一个各向异性的点辐射源呢？根据辐射强度的定义，在有限立体角内所有方向上具有相同辐射强度的点辐射源发射的辐射通量如下：对于各向异性辐射源Ie=Ie(，)，对于和的定义，如图所示，点辐射源在整个空间内发射的辐射通量为：2。黑体是理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度和方向粗糙表面的辐射体或反射体与太阳是近似的余弦辐射体。证明了余弦辐射体的辐射出射度M和辐射亮度L满足m=L。黑体是理想的余弦辐射体，一般光源的亮度与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体与太阳是近似余弦辐射体。证明了余弦辐射体的辐射发射度M和辐射亮度L满足M=L的解：余弦辐射体的某个面元dA向半球空间发射的通量是：在半球空间中积分上述公式；余弦辐射体的M和L之间的关系是：M=L，光度学是研究可见光辐射强度的一门学科，可见光度学本质上是辐射测量的一部分。测光适用于波长范围为0.38米至0.78米的电磁辐射可见光波段，其参数称为测光量。基于人们的视觉习惯。光度量描述人眼接受光辐射引起的视觉刺激强度，是一个生理