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1、,光电检测技术,参考书目,光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社 激光光电检测吕海宝等编著 国防科技大学出版社 光电检测技术雷玉堂等编著 中国计量出版社,教材,光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社,目 录,第一章 绪论 第二章 光电检测技术基础 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应 第三章 光电检测器件 3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数,3.3 半导体光电器件 光电导器件: 光敏电阻 光伏器件: 光电池/光电二极管/三极管 3.4 真空光电器件 光电管 光电倍增管 3.5 热电检测器件 热敏
2、电阻 热电偶和热电堆 热释电探测器件,第四章 发光、耦合和成像器件 4.1 发光二极管 4.2 激光器 4.3 光电耦合器件 4.4 CCD 第五章 光电检测系统 5.1 直接光电检测系统 5.2 光外差光电检测系统 5.3 典型的光电检测系统 第六章 光纤传感检测 第七章 光电信号的数据采集与微机接口 第八章 光电检测技术的典型应用,第一章 绪 论,光电检测是信息时代的关键技术,信息技术: 微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。 感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。 信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。,光电信息技术,1
3、、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测,以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：,5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析,光电信息技术,9、光电人工智能和机器视觉 10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储 11、生物光子学,本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识，即：光电检测的元器件、系统、方法和应用。,光电检测技术,检测与
4、测量 光电传感器： 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。 光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量 光电检测系统 光学变换 光电变换 电路处理,定义：,被测信息：,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,全部操作：,检测过程,确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,检测的基本概念,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,物理量（光、电、力、热、磁、声、）,被测对象：,宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）,检测器具,化学量（PH、成份）,生物
5、量（酶、葡萄糖、）, ,例：空调机测量控制室温,空气,被测对象：,被测信息：,检测器具：,操作过程：,室内空气,温度,温度传感器 - 热电阻、热电偶, 热敏电阻, 电信号, 处理, 显示,空调机,返回,直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如： 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表 质量：天平 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如： 电功率：P = I * V（电流/电压） 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）,返回,光电探测器的种类,返回,光电检测系统,光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有
6、被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。,光电检测系统,光学变换,电路处理,光电检测系统,光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。 光电变换 光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。 电路处理 放
7、大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。,光电检测系统与人操作功能比较,被测物体 感觉器官 人脑 手控 被测物体 光电传感 微机 执行机构 光电传感部分相当于人身的感觉器官,光电检测系统的功能分类,测量检查型: 几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。 运动量：速度、加速度、振动 表面形状：光洁度、庇病、伤痕 工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等 机械量：重量、压力、应变、压强 电学量：电流、电压、电场、磁场 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱,控制跟踪型 跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制 图象分
8、析型 图形检测 图形分析,光电检测技术的特点,高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。 高速度：光速是最快的。 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。,光电检测方法,直接作用法 差动测量法 补偿测量法 脉冲测量法,光电检测技术发展趋势,纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 小型、快速的微型光、机、电检测系统。 非接触、快速在线测量。 微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。 闭环控制的光电检测
9、系统，实现光电测量与光电控制一体化。 向人们无法触及的领域发展。 光电跟踪与光电扫描测量技术。,一、在工业生产领域的应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位. 现代工程装备中，检测环节的成本约占5070%,光电检测技术的应用,检测技术在汽车中的应用日新月异,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。,底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、
10、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,二、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,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三
11、极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测 - 压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器,三、检测技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。,美国国家导弹防御计划-NMD,四、检测技术在国防领域的应用,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学,神州飞船：,185台（套）仪器装置,五、检测技术在航天领域的应用,学习本课程的目的,了解光电
12、检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。 掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。 能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。 掌握直接检测与外差检测的原理和区别。 了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。 掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。,本课程的学习内容,光电检测器件的物理基础 光电检测器件的工作原理和特性及其应用 光电直接和外差检测系统 光纤传感检测技术 光电信号的数据采集与微机接口,第二章 光电检测技术基础,光的基本性质 辐
13、射与光度学量 半导体基础知识 光电效应,光的基本性质,牛顿微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振 波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波,光的基本性质,光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性,辐射度的基本物理量,辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳J 辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的
14、时间变化率。单位：瓦 辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr,辐射度的基本物理量,辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2 辐射出射度e ：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2 辐射亮度e ：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2Sr 光谱辐射通量e（）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,光度量的最基本单位,发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。 光
15、通量v：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明lm。 光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量 ，单位：勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。,光度的基本物理量,光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。 光度量只在可见光区（ nm)才有意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。,晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为20lx
16、阴天室外50500lx 阴天室内550lx 月光（满月）2500lx 日光灯5000lx 电视机荧光屏100lx 阅读书刊时所需的照度5060lx 在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜0.001lx,半导体基础知识,导体、半导体和绝缘体 半导体的特性 半导体的能带结构 本征半导体与杂质半导体 平衡和非平衡载流子 载流子的输运过程 半导体的光吸收 PN结,导体、半导体和绝缘体,自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。 电阻率10-6 10-3欧姆厘米范围内导体 电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体 电阻
