光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器.ppt

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1、3.1光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器,,1：光學(xué)系統(tǒng),是光電系統(tǒng)中獲取目標(biāo)光信息的組成部分。 兩大類： 能量傳輸系統(tǒng)：收集或傳輸目標(biāo)的光能量信息。主要用于光度測(cè)量 圖像傳輸系統(tǒng)：攝取目標(biāo)的圖像信息,,光學(xué)系統(tǒng)的基本特性 數(shù)值孔徑（NA）或相對(duì)孔徑（D/f）、線視場(chǎng)或視場(chǎng)角（2）、系統(tǒng)橫向放大率（）、焦距（f）、入瞳直徑（D）、出瞳直徑（D）,,1.顯微物鏡的光學(xué)特性 顯微鏡是用來觀察近距離微小物體的光學(xué)系統(tǒng)。 傳統(tǒng)目視顯微鏡由顯微物鏡和目鏡組成 光電顯微系統(tǒng)是由顯微物鏡成一次像，通過光學(xué)接口把物鏡一次像成于光電探測(cè)器的靶面 顯微物鏡特點(diǎn)：短焦距、大孔徑、小視場(chǎng) 主要光學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù)：放大倍率、數(shù)值孔徑NA、焦距

2、f,,評(píng)價(jià)參數(shù)相互關(guān)系：,,2.望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)特性 望遠(yuǎn)系統(tǒng)用于觀察遠(yuǎn)距離物體。 光電望遠(yuǎn)系統(tǒng)是把光電探測(cè)器置于望遠(yuǎn)物鏡的像方焦平面處 望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)特點(diǎn)：小視場(chǎng)、小孔徑、長焦距 主要光學(xué)特性參數(shù)：相對(duì)孔徑D/f、視場(chǎng)角2、放大倍率、空間分辨率（工作距離）、,,評(píng)價(jià)參數(shù)相互關(guān)系：,,3.照相物鏡的光學(xué)特性 照相物鏡是將物體的像成像在感光底片或光電探測(cè)器靶面上。 照相物鏡的光學(xué)特點(diǎn)：照相物鏡是同時(shí)具有大相對(duì)孔徑和大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng) 主要光學(xué)特性參數(shù)：焦距f 、相對(duì)孔徑D/f）、視場(chǎng)角2 、 F數(shù),,4.放映物鏡和投影物鏡 在成像關(guān)系方面相當(dāng)于倒置使用的照相物鏡 主要光學(xué)特性參數(shù)：相對(duì)孔徑D/f、視

3、場(chǎng)角2、放大倍率 評(píng)價(jià)參數(shù)相互關(guān)系：,,5.光機(jī)掃描器 許多大空間區(qū)域的目標(biāo)搜索或成像的光電系統(tǒng)，光電探測(cè)器的靶面尺寸小，不能滿足瞬時(shí)視場(chǎng)的要求，通常采用光學(xué)機(jī)械掃描方法成像 掃描方式分類：平行光束掃描、會(huì)聚光束掃描,,平行光束掃描,,會(huì)聚光束掃描,,常用光機(jī)掃描器,2：光電探測(cè)器,能接收光學(xué)系統(tǒng)的光能信息，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件 主要分為五種類型： 1.光電子發(fā)射器件 利用光電陰極材料的外光電效應(yīng)，探測(cè)光子，并轉(zhuǎn)換為電流 光電管、光電倍增管 主要用于探測(cè)弱輻射目標(biāo)、響應(yīng)速度快：激光測(cè)距、光雷達(dá),,2.光電導(dǎo)器件 利用感光材料的光電導(dǎo)效應(yīng) 硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻：可見光 硫

4、化鉛PbS光敏電阻：近紅外1.03.5m波段（第一個(gè)大氣紅外窗口），峰值響應(yīng)波長2.4m 銻化銦InSb光敏電阻：中紅外35m （第二個(gè)大氣紅外窗口） 碲鎘汞Hg0.8Cd0.2Te光敏電阻：814m遠(yuǎn)紅外（第三個(gè)大氣紅外窗口），峰值響應(yīng)波長10.6m （和CO2激光器激光波長匹配） 主要用于光電自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外光譜系統(tǒng)等,,3.光伏探測(cè)器 1）光電池 光電池是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生伏特效應(yīng)），能將可見光轉(zhuǎn)化為直流電。引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子 常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。主要用于儀表，自動(dòng)化遙測(cè)

5、和遙控方面。 太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?yīng)用在人造地衛(wèi)星、燈塔、無人氣象站等處 光電池工作時(shí)不需要外加偏壓，其短路光電流與入射光功率成線性關(guān)系（做探測(cè)用時(shí)，負(fù)載電阻要很小，接近短路狀態(tài)，線性度也好）；開路電壓與入射光功率呈對(duì)數(shù)關(guān)系。,,2）光電二極管 光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單方向?qū)щ娞匦浴５皇亲髡髟?，而是把光信?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器件 光電二極管是在反向電壓作用下工作。沒有光照時(shí)，反向電流很小（一般小于0.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)

6、鍵，從而產(chǎn)生電子---空穴對(duì)，稱為光生載流子。,,PN型：照度計(jì)、彩色傳感器、光電三極管、線性圖像傳感器、分光光度計(jì)、照相機(jī)曝光計(jì) PIN型（光電二極管的PN結(jié)中間摻入一層濃度很低的N型半導(dǎo)體，就可以增大耗盡區(qū)的寬度，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)速度的目的。由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱I層，因此這種結(jié)構(gòu)成為PIN光電二極管）：高速光的檢測(cè)、光通信、光纖、遙控、光電三極管、寫字筆、傳真 發(fā)射鍵型（使用Au薄膜與N型半導(dǎo)體結(jié)代替P型半導(dǎo)體）：主要用于紫外線等短波光的檢測(cè),,雪崩型（APD）（在以硅或鍺為材料制成的pn結(jié)上加上反向偏壓后，射入的光被pn結(jié)

7、吸收后會(huì)形成光電流。加大反向偏壓會(huì)產(chǎn)生“雪崩” ，即光電流成倍地激增的現(xiàn)象，提高了檢測(cè)靈敏度，增益可達(dá)102103響應(yīng)速度非?？?，具有倍速作用，硅管約為0.51.1ns，頻率響應(yīng)可達(dá)幾千赫茲，光電倍增管的窄脈沖響應(yīng)很好，但0.81.1 m 區(qū)域APD更好）：可檢測(cè)微弱光、高速光通信、高速光檢測(cè)、激光測(cè)距儀、共焦顯微鏡檢查、視頻掃描成像儀、 高速分析儀器、自由空間通信、紫外線傳感、分布式溫度傳感器,,3）光電三極管 光電晶體管類似普通晶體管也有電流放大作用。只是它的集電極電流受光的控制，不只是受基極電路的電流控制。 管型為NPN型，集電極加正電壓，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)當(dāng)

8、光照到集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時(shí)在集電極電路產(chǎn)生了一個(gè)被放大的輸出電流Ic=Ie=(1+)Ip)，為電流放大倍數(shù)。 在一定的光強(qiáng)范圍，輸出電流與入射光強(qiáng)成線性關(guān)系，入射光強(qiáng)變化35個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)光電流明顯非線性,,4.熱探測(cè)器 熱探測(cè)器利用紅外輻射的熱效應(yīng)。當(dāng)熱探測(cè)器的敏感元件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化，通過對(duì)這些物理參數(shù)及其變化的測(cè)量就可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 常用熱探測(cè)器：熱敏電阻、熱電偶與熱電堆、熱釋電探測(cè),,熱釋電探測(cè)器特點(diǎn) 工作波段：可見光到紅外 頻響帶寬較大、工作頻率可達(dá)數(shù)十兆赫 有效時(shí)間常量達(dá)10-4310-5s（一般

9、熱探測(cè)器典型值為10.01s 探測(cè)率高（有較大的均勻光敏面） 受環(huán)境溫度影響小 易受外界振動(dòng)影響 對(duì)恒定輻射沒有響應(yīng)，只對(duì)交變輻射有響應(yīng),,5.圖像傳感器 1）電荷耦合器CCD (Charge Coupled Device)： 基本單元（光敏像元）是金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）電容結(jié)構(gòu)，在金屬柵極加上偏壓形成勢(shì)阱，當(dāng)光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入P型Si襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子吸收光子躍入導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)作用下，分別向兩極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光生電荷貯存在勢(shì)阱 電荷多少與入射的光強(qiáng)成線性關(guān)系,,,電荷轉(zhuǎn)移,,電荷讀出,,2）CMOS圖像傳感器 CMOS是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（ Co

10、mplementary Metal Oxide Semiconductor ）的縮寫，是指互補(bǔ)金屬氧化物(PMOS管和NMOS管)共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路制造工藝 CMOS傳感器也可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動(dòng)式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS),,,,6.CCD圖像傳感器的性能 1）光電轉(zhuǎn)換特性 線性工作區(qū)與飽和工作區(qū) SE飽和曝光量，VSAT飽和輸出電壓 VDAK暗輸出電壓,,,2）光譜響應(yīng) 以硅為襯底的器件，光譜響應(yīng)范圍：4001100nm 紅外器件的光敏材料有InSb、PbSnTe、HgCdTe，光

11、譜范圍延伸至：35m和814m,,,3）動(dòng)態(tài)范圍 飽和曝光量輸出信號(hào)與等效噪聲信號(hào)之比 等效噪聲信號(hào)是指CCD正常工作時(shí)，無光信號(hào)時(shí)總噪聲下能分辨的最小信號(hào) 通常在103104nA/cm2 4）暗電流 在無光照，又無電注入時(shí)輸出電流 影響因素很多，跟環(huán)境溫度密切相關(guān)，在室溫下約為510nA/cm2,,5）分辨力 對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，采用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來評(píng)價(jià) MTF=MOUT/MIN(輸出調(diào)制度與輸入調(diào)制度之比) 當(dāng)輸入一個(gè)確定頻率的正弦光波的物像在CCD上時(shí)，CCD的輸出也將是一個(gè)隨時(shí)間變化的正弦波，設(shè)波峰為A，波谷B，則調(diào)制度M為 M=(A-B)/2/(A+B)/2= =(A-B)/(A+B),,,CCD空間分辨力 例7000像元線陣CCD的分辨力可達(dá)7m 40964096面陣器件的整機(jī)分辨力在1000電視線上,,