天津工业大学光电检测复习大纲.docx

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1、第二章光电传感器技术基础光谱辐射量物理（客观）度量方法光谱光度量人眼生理（主观）上对辐射量进行计量光谱辐射量：给定波长入处极小 波长间隔d入内的 辐通量d0 e称为单 色辐通量。 e(成W - p m-1 或 W - nm-1光谱光通量给定波长单位时间内发 射、传播或接收的辐射 能，是辐射能的时间变 化率致v dtv,人流明(lm)光谱辐射出射度：辐射源单位面积所辐射的通量MW - m-2e,人睥 d中M ee dS光谱光出射度离开表面一点处面兀的光通量除以该面元面 积。M 入(lm* m-2),dM rv dS光谱辐射强度辐射源在某一方向 上单位立体角内的 辐射通量。iW - sr-i,d中

2、I eedQ光谱发光强度光度量中的基本量I cdd v - dQ光谱辐射亮度面辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。L m (W - sr-i - m-2)光谱亮度：表面一点处 的面元在给定方向上的 发光强度除以该面元在 垂直于给定方向平面上 的正投影面积。L . (cd* m-2) vM光谱辐照度：单位受光面积上所接收的辐射通量e , (W - m-2 )e入d中E ee dA光谱光照度照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。E ,勒克斯(lx) vM_ddA辐射效率：定义:面光源发出的总辐通量与它所消耗的电功率之比称为光源的辐效率2.公式：n -0 e/p电引0

3、0%无量纲光效n：定义:面光源发出的总光通量与它 所消耗的电功率之比称为光源的发光效率2. 公式：n -0 v/p电3. 单位:lm/w3.斯忒藩-波尔兹曼定律Mes = M七、/人=bT4维恩位移定律人=2898小m）m t例1-1若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5C, （1）试计算正常人体 所发出的辐射出射度为多少W/m2?（2）正常人体的峰值辐射波长为多少m? 峰值光谱辐射出射度Mem为多少？ （3）人体发烧到38C时峰值辐射波长为多 少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Mem又为多少？明视觉：锥体细胞的感光灵敏度低，在3 cd/m2的亮度条件下作用，能分辨物体 的颜色和细节。暗视觉

4、：杆体细胞只能在黑暗的环境下作用，不能分辨颜色。中间视觉：介于这两视觉之间的视觉光视效能：表征不同波长辐射下的响应能力，同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比：K （人）=生e人色表：光源发光时，人眼直接看光源时光源所呈现的颜色。显色性:某光源与标准光源分别照射同一物体时，人眼所产生的颜色类别用显色 指数来定量描述。色温:待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某一温度Tc时的黑体颜色相同则称 Tc为该辐射体光源的色温。内光电效应外光电效应光照射固体而从表面逸出电子的现象，称为外光电效应。受光照物体电导率发生变化或产生光电 动势的效应称为内光电效应。光电管、光电倍增管光敏电阻、反向工作的光敏二极管、光

5、敏三极管光电阴极、光电倍增极、光电阳极。光线f光电阴 极一加速并打在第一倍增极D1上,产生二次发射； D1的二次发射电子一加速入射到电极D2上，这样逐 级前进，一直到达阳极A为止。光电倍增管具有很 高的灵敏度。光敏电阻灵敏度高，体积小，重量轻,光谱响 应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命 长等优点。无光照电阻大（暗电阻）第三章：光源自然光源太阳月亮星光与天空电光源钨丝灯气体放电灯金属蒸汽灯半导体发光二极管光源激光光源激光激光的产生机理一般涉及到受激辐射，粒子数反转与谐振三个关键问题。 要产生激光，必须使总发射大于总吸收。获得激光输出的3个必要条件为： 必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高

6、能态上去，为此需要泵浦源； 要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗； 有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持 续振荡。典型激光器：氦-氖激光器、半导体激光器LD第四章光电导器件光电导效应：光照引起材料电导变化的现象称为光电效应。光敏电阻:利用具有光电导效应的材料可以制成电导率随入射光辐射量变化而变 化的器件，这类器件称为光电导器件或简称PC。光敏电阻的特点：优点：光敏电阻光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体 积小无极性使用方便。许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大、型号相同的 光

7、敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。光敏电阻的基本特性：暗电阻：光敏电阻在室温条件下全暗后经过一定时间测量的电阻值，在给定 电压下流过的电流一暗电流。亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，此时流过的电流一亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。偏置电路R R .u = R i = p_l- iL ll Rp + Rl基本偏置电路：I = R UbbR P L结论：输出电压信号与弱辐射光入射辐射量成线性关系恒流电路：R R存在问题：难以满足电路输出阻抗的要求恒压电路：R 4kT = 52k Q2qi S暗电流所有光电探测器件中暗电流

8、最低的器件线性线性不仅与光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。时间响应上升时间整个光电阴极在3函数的光脉冲照射下，阳极电流从脉冲峰值的10%上升到90% 所需的时间。疲劳与 衰老疲劳:灵敏度可逆变化。使用后，灵敏度有所下降的倍增管在黑暗中放置几小时，灵敏度又 可恢复到原来状态。老化：灵敏度不可逆下降。4、光电倍增管PMT工作原理是一种基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件，由光入射窗、 光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测 量微弱的光信号。工作原理：(1) 光子透过入射窗口入射在光电

9、阴极上；(2) 光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中；(3) 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级 将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电 子就放大N次；(4) 经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。结构形式与特点:入射 光窗口侧窗型较低的工作电压下具有较高的灵敏度价格便宜端窗型具有优于侧窗型的均匀性价格贵倍 增 极 材 料锑化艳较低的电压下产生较高的发射系数氧化的银镁合金二次电子发射能力稍差些，工作在较强电流和较高的温度铜-铍合金具有二次电子发射功能，发射系数S比银镁合金更低些负电子亲和势材料具有更高的二次电子发

10、射功能倍增 极结 构非聚焦型只加速百叶窗型倍增极大，输出一致性较好，宜作微弱光信号探测盒栅式体积小，均匀性、稳定性较好不宜于快速探测或要求线性电流大的探测。聚焦型加速聚焦瓦片式时间响应快。圆形鼠笼式紧凑的结构和快速时间响应特性。6、电阻链分压型供电电路I N10I电阻链分压器的总阻值RR=U /Ir = RR abb R i N +1.5对于锑化铯G = (0.2)nU*n对银镁合金G = (0.025)nU DDAU AGAU=nbb-UGUbb例6-1设入射到PMT上的最大光通量为中j12X10-6lm左右，当采用GDB-235 型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs

11、材料，倍增极 也为SbCs材料，SK=40p A/lm，若要求入射光通量在6X10-6lm时的输出电压幅 度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%， 试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？选择阳极电阻R =82KQ。(1) 首先计算供电电源的电压(2) 计算偏置电路电阻链的阻值(3) 计算偏置输出信号电压的最高稳定度例6-2如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量 不能超过多少lm?例6-3设入射到PMT上的最大光通量为中j16X10-6lm左右，当采用GDB-239 型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为1

12、1级，阴极为AgOCs材料，倍增 极也为AgMg材料，S=10p A/lm，若要求入射光通量在8X10-6lm时的输出电压 K幅度不低于0.15V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？选择阳极电阻 R =75KQ。第七章：电荷耦合器件CCD1、结构：1、电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元3、光敏元按线阵或面阵有规则地排列。4、相同面积上的光敏元不同时分辨率不同CCD基本结构分两部分：1、MOS光敏元阵列2、读出移位寄存器2、电荷转移原理（读出移位寄存器）1、CCD电荷耦合器件是以电荷为信号，光敏元上的

13、电荷需经输出电路输出， 这个输出过程由读出移位寄存器完成.2、读出移位寄存器也是MOS结构，金属电极、氧化物、半导体三部分组成。3、由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；4、在三个电极上分别施加脉冲波6 10 20 3,称三相时钟脉冲。5、三相时钟脉冲频率相同，相位差120；t =弓时刻，电极下出现势阱存入光电荷t = t2时刻，0 2下两个势阱形成大势阱存入电荷t = t3时刻，2中电荷向3势阱转移6、不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下， 电荷从寄存器的一端转移到另一端。3、线阵CCD与面阵CCD区别CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD：线阵CCD面阵CCD线阵CC

14、D传感器由一列MOS光敏元和一列移位 寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个 转移控制栅，加转移控制信号中丁。线阵CCD又分为单通道、双通道双通道可以加 速转换时间，提高分辨率。根据传输的读出结构有不同类型，基本构成有：线转移方式帧转送方式行间转送方式线阵CCD传感器只有一排光敏元，只能进行线 宽测量。线型CCD传感器主要用于几何尺寸测试、 传真、光学文字识别技术等。面型CCD结构上是把光敏元 件排列成二维矩阵形式，主要用 于图像采集，摄象机及测量技术。4、利用CCD测量几何量例：玻璃管的平均外径中12mm壁厚1.2mm要求测量精度为外径01mm 壁厚 005mm实际尺寸：上壁厚d下壁厚

15、d2、外径DP为成像物镜的放大倍率t为CCD像元尺寸上壁、下壁、外径的像元个数（即脉冲数）分别为：气、n2、N上壁厚：d = nt / b 下壁厚：d = nt / b 外径：D = N X t / b 1122解：根据已知条件（玻璃管外径中12mm）,选择光学系统的放大率6为0.8倍， 玻璃管的像大小为9.6mm；产品的测量精度要求反映在像面上的外径（0.1mm ） 为0.08mm，壁厚（0.05mm ）为0.04mm；根据CCD测量精度要求，最小尺 寸0.04mm，必须要大 于两个CCD光敏元空间尺寸。给定线阵TCD132D （1024位）光敏元间距尺寸为14p m,器件像元总宽度为 10

16、24 X 0.14mm=14.3mm ,大于成像外径。 最小尺寸为0.04mm 0.014mm X2=0.028mm，满足要求。第八章：光纤传感器1、光纤结构及传光原理（全反射条件，折射率关系）结构：中心一一纤芯；外层包层；护套一一尼龙塑料。折射率关系：纤芯折射率N1略大于包层折射率N2 （N1N2）全反射条件光纤端面入射角。w ec （临界入射角）光密介质（n ）到 光疏介质（n ） （N N ）1212传光原理：光纤的传播基于光的全反射原理。光线在光纤端面入射角。减小到某一角度 e c时，光线全部反射。光线全部被反射时的最大入射角e c称临界角；只要满足 全反射条件。ve c光在纤芯和包层

17、界面上经若十次全反射向前传播，最后从另 一端面射出。2、光纤的数值孔径及意义：当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射角为光纤波导的 孔径角。定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA）, NA为表示光纤 的集光能力大小。数值孔径意义：从物理上看：光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力，NA越大，光纤 接收光的能力越强。从增加进入光纤的光功率的观点看：NA越大对于光纤的对接越有利。但是NA太大时，光纤的模畸便加大，会影响光纤的带宽。3、光纤的色散特性光纤的色散：是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散的大小常用时延差表

18、示色散的种类模式色散：不同模式，同一波长，传播速度不同，使传播时延不同而产生的 色散。材料色散：光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同 产生的色散。波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。波导色散和材料色散都是模内色散。多模光纤既有模式色散又有模内色散，但主要以模式色散为主。单模光纤只有材料色散和波导色散，波导色散比材料色 散小很多通常可以忽略。4、光波调制技术将光波的特征参数以光强和颜色两个可以测量的量表现出来。光的强度调制利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测量被测信息。透射式强度调制光纤端面为平面，入射光纤不动；出射光纤可移动。通过测

19、量两圆的交叠面积测出光强。透射式开关调制入射、接收光纤都不动，当光纤端面有物体运动时，出射光纤的光强变化。透射式光栅调制一个固定一个移动，当光栅作相对运动时，通过光栅间的光强发生变化。反射式强度调制由多根光纤束组成入射、接收光纤，被测物体将光束反射回光纤，经反向传 输后由光敏器件接收。光强的大小随被测物体距离，光洁度，相对倾角的特征 不同而不同。偏振态调制当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面将发生偏转，偏转的角度e与磁感应强度b以及介质的长度l成正比相位调制压力、张力、温度应变使光纤长度发生变化，由于光弹效应，光纤折射率n 也发生变化，这些物理量使光纤输出端产生相位变化。借助干涉

20、仪将相位变化转 换为光强的变化。频率调制频率调制法可以测量运动物体的速度、流量等当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率fs与光源 频率f不同，通过测量频率可以得知速度流量的大小功能型（又称传感型）这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不 仅起到传光作用，而且有传感能力。耳非功能型（称传光型）传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介；待测对象的调制功能是由 其它光电转换元件实现的；光纤温度传感器半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。当光源的光强度经光纤达到半 导体薄片时，温度T升高，禁带宽度变化，吸收光波长向长波移动，光强度变化光弹式光纤压力传感器干

21、涉条纹的形状由主应力差相等的点的轨迹决定。根据干涉条纹可确定物体 上各点主应力之差。测得各点的主应力之差与主应力方向，可以实现物体上应力 的定量分析。反射式光纤位移传感器光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，照射到被测物体上。另一束光纤 接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。被测物体与光纤间距离变化， 反射到接受光纤上光通量发生变化。光纤旋涡流量传感器将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光 纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。干涉型光纤加速度传感器顺变体径向应变将作用力传递给绕在柱体上的光纤，使光纤的长度发生变 化；光纤的长度变化通过干涉系统测量出光的相位变化，并使光强度变化。强度调制型光纤加速度传感器惯性产生位移后，由位移表现加速度大小。无加速度时光斑位于光纤之间，光强相同，处于平衡位置；有加速度时，由两输出光纤的光强大小可得到加速度的大小和方向。