光學系統(tǒng)和探測器

1、光學系統(tǒng)和探測器1：光學系統(tǒng) 是光電系統(tǒng)中獲取目標光信息的組成部分。 兩大類： 能量傳輸系統(tǒng)：收集或傳輸目標的光能量信息。主要用于光度測量 圖像傳輸系統(tǒng)：攝取目標的圖像信息 光學系統(tǒng)的基本特性 數(shù)值孔徑（NA）或相對孔徑（D/f）、線視場或視場角（2）、系統(tǒng)橫向放大率（）、焦距（f）、入瞳直徑（D）、出瞳直徑（D） 1.顯微物鏡的光學特性 顯微鏡是用來觀察近距離微小物體的光學系統(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，通過光學接口把物鏡一次像成于光電探測器的靶面 顯微物鏡特點：短焦距、大孔徑、小視場 主要光學評價參數(shù)：放大倍率、數(shù)值孔徑NA、焦距f 評價參數(shù)相

2、互關系： 2.望遠物鏡的光學特性 望遠系統(tǒng)用于觀察遠距離物體。 光電望遠系統(tǒng)是把光電探測器置于望遠物鏡的像方焦平面處 望遠物鏡的光學特點：小視場、小孔徑、長焦距 主要光學特性參數(shù)：相對孔徑D/f、視場角2、放大倍率、空間分辨率（工作距離）、 評價參數(shù)相互關系： 3.照相物鏡的光學特性 照相物鏡是將物體的像成像在感光底片或光電探測器靶面上。 照相物鏡的光學特點：照相物鏡是同時具有大相對孔徑和大視場的光學系統(tǒng) 主要光學特性參數(shù)：焦距f 、相對孔徑D/f）、視場角2 、 F數(shù) 4.放映物鏡和投影物鏡 在成像關系方面相當于倒置使用的照相物鏡 主要光學特性參數(shù)：相對孔徑D/f、視場角2、放大倍率 評價參

3、數(shù)相互關系： 5.光機掃描器 許多大空間區(qū)域的目標搜索或成像的光電系統(tǒng)，光電探測器的靶面尺寸小，不能滿足瞬時視場的要求，通常采用光學機械掃描方法成像 掃描方式分類：平行光束掃描、會聚光束掃描 平行光束掃描 會聚光束掃描 常用光機掃描器2：光電探測器 能接收光學系統(tǒng)的光能信息，并將光信號轉換為電信號的器件 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，探測光子，并轉換為電流 光電管、光電倍增管 主要用于探測弱輻射目標、響應速度快：激光測距、光雷達2.光電導器件利用感光材料的光電導效應硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻：可見光硫化鉛PbS光敏電阻：近紅外1.03.5m波段

4、（第一個大氣紅外窗口），峰值響應波長2.4m銻化銦InSb光敏電阻：中紅外35m （第二個大氣紅外窗口）碲鎘汞Hg0.8Cd0.2Te光敏電阻：814m遠紅外（第三個大氣紅外窗口），峰值響應波長10.6m （和CO2激光器激光波長匹配）主要用于光電自動探測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導彈制導、紅外光譜系統(tǒng)等3.光伏探測器1）光電池光電池是一種特殊的半導體二極管，在光的照射下產生電動勢（光生伏特效應），能將可見光轉化為直流電。引起光伏效應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，自動化遙測和遙控方面。太陽能電池可以直接把太陽能轉變?yōu)殡娔?。應用在人?/p>

5、地衛(wèi)星、燈塔、無人氣象站等處光電池工作時不需要外加偏壓，其短路光電流與入射光功率成線性關系（做探測用時，負載電阻要很小，接近短路狀態(tài)，線性度也好）；開路電壓與入射光功率呈對數(shù)關系。 2）光電二極管 光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，由一個PN結組成，也具有單方向導電特性。但它不是作整流元件，而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件 光電二極管是在反向電壓作用下工作。沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子-空穴對，稱為光生載流子。 PN型：照度計、彩色傳

6、感器、光電三極管、線性圖像傳感器、分光光度計、照相機曝光計 PIN型（光電二極管的PN結中間摻入一層濃度很低的N型半導體，就可以增大耗盡區(qū)的寬度，達到減小擴散運動的影響，提高響應速度的目的。由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導體，故稱I層，因此這種結構成為PIN光電二極管）：高速光的檢測、光通信、光纖、遙控、光電三極管、寫字筆、 發(fā)射鍵型（使用Au薄膜與N型半導體結代替P型半導體）：主要用于紫外線等短波光的檢測 雪崩型（APD）（在以硅或鍺為材料制成的pn結上加上反向偏壓后，射入的光被pn結吸收后會形成光電流。加大反向偏壓會產生“雪崩” ，即光電流成倍地激增的現(xiàn)象，提

7、高了檢測靈敏度，增益可達102103響應速度非?？?，具有倍速作用，硅管約為0.51.1ns，頻率響應可達幾千赫茲，光電倍增管的窄脈沖響應很好，但0.81.1 m 區(qū)域APD更好）：可檢測微弱光、高速光通信、高速光檢測、激光測距儀、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，集電結為反偏置，發(fā)射結為正偏置，集電結為光電結當光照到集電結上時，集電結即產生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路產生了一個被

8、放大的輸出電流Ic=Ie=(1+)Ip)，為電流放大倍數(shù)。 在一定的光強范圍，輸出電流與入射光強成線性關系，入射光強變化35個數(shù)量級時光電流明顯非線性 4.熱探測器 熱探測器利用紅外輻射的熱效應。當熱探測器的敏感元件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關物理參數(shù)發(fā)生變化，通過對這些物理參數(shù)及其變化的測量就可確定探測器所吸收的紅外輻射。 常用熱探測器：熱敏電阻、熱電偶與熱電堆、熱釋電探測 熱釋電探測器特點 工作波段：可見光到紅外 頻響帶寬較大、工作頻率可達數(shù)十兆赫 有效時間常量達10-4310-5s（一般熱探測器典型值為10.01s 探測率高（有較大的均勻光敏面） 受環(huán)境溫度影響小 易受

9、外界振動影響 對恒定輻射沒有響應，只對交變輻射有響應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-半導體（MOS）電容結構，在金屬柵極加上偏壓形成勢阱，當光子穿過透明電極及氧化層，進入P型Si襯底，襯底中處于價帶的電子吸收光子躍入導帶，形成電子-空穴對，在外加電場作用下，分別向兩極運動，產生光生電荷貯存在勢阱電荷多少與入射的光強成線性關系 電荷轉移 電荷讀出 2）CMOS圖像傳感器 CMOS是互補金屬氧化物半導體（ Complementary Metal Oxide Semiconductor ）的縮寫，是指互補金屬氧化

10、物(PMOS管和NMOS管)共同構成的互補型MOS集成電路制造工藝 CMOS傳感器也可細分為被動式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS) 6.CCD圖像傳感器的性能 1）光電轉換特性 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 以硅為襯底的器件，光譜響應范圍：4001100nm 紅外器件的光敏材料有InSb、PbSnTe、HgCdTe，光譜范圍延伸至：35m和814m 3）動態(tài)范圍 飽和曝光量輸出信號與等效噪聲信號之比 等效噪聲信號是指CCD正常工作時，無光信號時總噪聲下能分辨的最小信號 通常在103104nA/cm2 4）暗電流 在無光照，又無電注入時輸出電流 影響因素很多，跟環(huán)境溫度密切相關，在室溫下約