光电检测系统的基本工作原理
1光电检测系统的基本工作原理。
光电检测系统是指对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
光电检测系统的基本组成及各部份的主要作用。光电检测系统的组成：三要素：检测对象、光、光电变换。 能否使光束准确地携带所要检测量的信息，是决定所设计系统成败的关键
光电检测技术的现代发展1）非接触化发展2）尽可能多的信息量3）集成化，智能化发展
光电检测方法 （1）.光信息携带的物理量可分为：
光强型、频率型、相位型、脉冲型、偏振型、位置型等
（2）.所用的光学现象分为：
衍射法、干涉法、全息法、散射法、光谱法、莫尔条纹法、光扫描法等
（3）从检测系统角度分为：
直接作用法、差动法（差分法）、补偿法
光辐射所带的信息如光强分布、时间、光谱能量分布、温度分布等由光电探测器转变成电信号测量出来 2系统误差 在检测过程中产生恒定不变的误差叫恒差或按一定规律变化的误差叫变差，统称为系统误差。系统误差产生的原因有工具误差、装置误差、方法误差、外界误差和人身误差等
随机误差 在尽力消除并改正了一切明显的系统误差之后，对同一待测量进行反复多次的等精度测量，每次测量的结果都不会完全相同，而呈现出无规则的随机变化，这种误差称为随机误差。
灵敏度 系统在稳态下输出量变化引起此变化的输入量变化的比值
算术平均值 ：
均方差或标准误差
算术平均值的标准偏差
均方差的标准误差ss
最大误差
测量精度 大误差测值出现的处理 主要方法是：(1) 认真检查有无瞬时系统误差产生，及时发现并处理。
(2) 增加检测的次数，以减小大误差测值对检测结果的影响。
(3) 利用令人信服的判据，对检测数据进行判定后，将不合理数据给予剔除
辐射度量（Radiometry ）：能量的分布的强弱、时间、空间等特性
辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量。
光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受，包括生理学、心理学在内。
1)辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳(J ）
例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能48000J 。
(2)辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即 8416
.011==∑=N
n n x
N x σ?0025.0)(11?12=--=∑=N n n x x N σ00095.0===N s x σσ00067.02==N σσσx k x σ=?%
100??=x x J D
(3)辐射通量或者辐射功率(Φ,P):定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。 4)辐射强度（I ）：定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即
辐射强度描述了光源辐射的方向特性，且对点光源的辐射强度描述具有更重要的意义
大多数光源向空间各方向的辐射强度是不均匀的。辐射强度描述了光源在空间某个方向上发射辐射通量的大小和分布。
5)辐亮度 (L)：定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即 辐射亮度与辐射强度有何区别 前者描述面光源，后者描述点光源。 6)辐射出射度 (M)：定义为离开光源表面单位面元的辐射通量，即
辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即 辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性 如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那么该面元可看作是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值上等于照射辐照度
为了描述光源的光通量与辐射通量的关系，通常引入光视效能Ｋ，其定义为目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射通量之比，单位为lm/W 。 它度量了同样的辐射功率下人眼的不同亮度感觉。
照度和亮度的区别 不要把照度跟亮度的概念混淆起来。它们是两个完全不同的物理量。
照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。
亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关 辐射度学和光度学 区别：1.适用范围 辐射度学适用于整个电磁波谱。光度学适用于可见光波段。2.参量性质不同 辐射度学量是客观物理参量。光度学量生理量，由人眼感觉确定
联系：1.都是描述光辐射的强弱。2.所用物理符号一一对应
. 朗伯余弦定律 朗伯体反射或发射辐射的空间分布可表为 按照朗伯辐射体亮度不随角度q 变化的定义 即 即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立 体角内发射(或反射)的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角α的余弦成正比——朗伯余弦定律。
2. 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系图2-9，极坐标对应球面上微面元dA 的立体角为：
设朗伯微面元dS 亮度为L ，则辐射到dA 上的辐射通量为
在半球内发射的总通量P 为
按照出射度的定义得 2.3 光电检测器件的特性参量 （上）利用光电效应，把入射到物体表面的辐射能变换成可测量的电量 （下）利用热电效应，反映入射光辐射量
dQ
w dv =dQ dt
Φ=2cos cos d dI
L d dA dA θθΦ==Ωd M dA
Φ=00
()()()m e V m
e e K V d K K V d λλλλλ∞∞ΦΦ===ΦΦ??2cos d P L dAd θ=Ω0cos I I L dA dA θθ
==0cos I I θθ=2sin dA d d d r αα?Ω==?2cos sin d P L dsd d ααα?=2/200cos sin P Lds d d Lds ππ?αααπ==??P M L ds
π=
=
光磁电效应与霍尔效应 光磁电效应中在磁场作用下移动的是电子空穴对，而霍尔效应中移动的是自由电子。2）针对材料不同，一个是半导体材料，一个是导体材料。3）使用情形也不一样，一个需要光照，一个不需要
响应度定义为单位辐射度量产生的电信号量，记作R ，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度。对应不同辐射度量的响应度用下标来表示
对辐射通量的电流响应度(AW-1) 对辐照度的电流响应度(AW-1m2) 对辐亮度的电流响应度(AW-1m2Sr) 探测器的响应度一般是波长的函数。与上面定义的积分响应度对应的光谱响应度为
积分响应度和光谱响应度的关系为 探测器的辐射通量光谱电流响应度为: 对于光电探测器，由于受到材料能带之间的间隙——禁带宽度Eg 的限制，响应波长具有长波限，最大响应波长为光磁电效
Φ
=Φ/I R E
I R E /=L
I R L /=()()()() , () , ()()()()
E L I I I R R R E L λλλλλλλλλΦ===Φ()()()()()() , , ()()()E L E L R d R E d R L d I R R R d E d L d λλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλΦΦΦ====ΦΦ??????
()()()()()1239.8I q R hc ληλληλλλλΦ===Φmax 1.24/ 1.24/()g g A E E E λ??=?+??内光电效应外光电效应
任何虚假的和不需要的信号称为噪声。
噪声总是伴随着测量信号存在
测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的过程
研究噪声的目的：探讨系统探测信息的极限，以及在系统设计中如何抑制噪声以提高探测本领。
噪声的分类及性质 外部干扰噪声:人为干扰噪声的和自然干扰噪声。
人为干扰：电器、电子设备的干扰噪声。如焦距测量仪在日光灯下，人的走动对干涉仪的光程影响。 自然干扰：大气和宇宙间的干扰，雷电、太阳等。如光电导盲器在太阳下受的干扰。
可采用适当的屏蔽、滤波等方法减小或者消除。
内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。
人为噪声：工频干扰和寄生反馈造成的自激干扰。如工频交流电（50Hz)、测试仪器的散热风扇引起的光路变化。合理的设计和调整将其消除或者减小到允许范围。
固有噪声：光电探测器中光子和带电粒子不规则运动造成的。散粒噪声、热噪声、产生-复合噪声、1/f 噪声、 温度噪声，不可消除
实际中，满足测量系统工作性能的前提下，尽可能减小频带宽度。一种方法是利用固定频率对信号进行控制，如锁频技术；另一种是增加信号的积分时间，缩小测量系统的频带。
信号电流与噪声电流的均方根值之比——信噪比，作为表征探测系统探测能力和精度的一个十分重要的指标，记作SNR 。 噪声等效功率是探测器产生与其噪声均方根电压相等的信号所需入射到探测器的辐射功率，即信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率
引入NEP 的倒数探测率D 来表示探测器的探测能力 3 1）热辐射光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。包括白炽灯和卤钨灯两种。
2）气体发光光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源。气体放电有弧光放电和辉
光放电两种。 3）固体发光光源：电场作用下，使固体物质发光的光源，电能直接转变为光能。包括场致发光光源和发光二极管（LED ）两种。
4）激光器：按工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、
燃料激光器和半导体激光器
2s N SNR I I =221
K N k k I I ==∑2N I NEP SNR ΦΦ==
一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要，光源发光光谱与探测器的光谱响应要匹配光源选的基本要求主要包括哪三个方面
1.对光源发光光谱特性的要求
2.对光源发光强度的要求
3.对光源稳定性的要求
人工光源按照其工作原理大致分为热光源、气体放电光源、固体光源和激光光源
热光源三大特点1.发光特性（光谱分布、出射度、亮度）可以用普朗克公式估算。
2.发出连续光谱，谱宽很宽，适应性强
3. 大多属于电热型，可以通过控制输入电量控制发光特性。
作用：1.一般光电检测的光源（白光干涉）
2.光（辐射）度量中做标准光源或标准辐射源，计量标准传递。
激光方向性好、高单色性和高亮度三个重要特性
特点：极小的光束发散角激光的单色性好；激光的输出功率密度很高
激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。
气体激光器氦氖激光器要输出波长有0.6328μm、1.15μm和339μm，
氩离子激光器它的输出波长有多个，功率主要集中在0.5145μm和0.4880μm两条谱线
二氧化碳激光器输出谱线波长分布在9～11μm，通常10.6μm
固体激光器红宝石激光器694.3 nm 玻璃激光器1.06μm波长YAG激光器1064 nm
固体激光器运行方式多样：连续，脉冲，调Ｑ，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；
主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；
结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；
ＮＤ：ＹＡＧ，红宝石，钕玻璃激光器
半导体激光器0.84μm
激光器除可作为检测光源外．还有着广泛的应用，其它主要用途有：(1)激光用作热源。激光光束细小，且带着巨大的功率，如用透镜聚焦，可将能量集中到微小的面积亡．产生巨大的热量。可应用于打细小孔、切割等工作；在医疗上做手术刀；大功率的激光武器等。(2)激光测距。激光作为测距光源?由于方向性好、功率大?可测很远的距离，且精度很高。(3)激光通讯。(4)受控核聚空中的应用。点火计划
光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用。也就是物质内 电子在光子作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。这种变化主要有以下三类 外光电效应（光电管与光电倍增管）内光电效应（光敏电阻）光生伏特效应（光电池，光电二极管，光电三极管） 光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化． 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起介质表面电荷变化的现象．
辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．
温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．
（热敏电阻，热电偶和热释电探测器）
光电倍增管 原理：当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA ，不易探测——常用光电倍增管。光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。
结构：光电倍增管由阴极、倍增极（次阴极）和阳极组成，这些电极被封装在真空的玻璃管中。
（1）闪烁光子作用在光阴极上时 由于光电效应可产生出电子。 （2）电子倍增是通过一系列倍增极 所构成的倍增系统完成。 （3）从阳极上得到的电子流与入射到光电倍增管光阴极上的闪烁光强度成正比
二次发射极简称二次极，有时又叫做打拿极。二次发射极的主要材料有锑铯(CsSb)、氧化铍(BeO)、银镁(AgMg)合金、磷化镓(GaP)和磷砷化镓等。打拿极的重要参数是二次发射系数δ: 式中n1、 n2分别是输入二次发射体的一次电子数和
二次发射体对应发出的电子数。
二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关。
光电倍增管的主要特性 光电倍增管的光谱特性主要由光阴极和玻壳材料的特性来确定。影响光电倍增管光谱特性的还有一些其它因素，如温度、受照点位置和磁场等。
）阳极
阳极又称收集极。光电流经过各二次发射极倍增后，由阳极收集并形成信号电流输出，阳极是管内电压最高的地方 。
当最后一个二次极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电子发射，这将破坏稳定的输出。 怎么办？1 选择发射系数小的材料
2 外面加上收集栅网
(栅网电位与阳极相同，阳极发射的二次电子将有栅网收集，相当于又回到了阳极)
灵敏度 光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管常用阳极灵敏度来表征这一特性。
定义阳极光谱灵敏度Sa(λ)为
式中，单色光通量为Φ(λ)，阳极电流为Ia
线性度 在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。光特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即I ＝f(Φ)。一般认为产生光特性非线性的原因主要有两个：一是内部的非线性源，它们包括光阴极的电阻率及材料特性、管内空间电荷间的互相作用，以及电子聚焦或收集效率的变化等。另一方面是外部非线性源，其中包括负载电阻的负反馈作用，以及由于信号电流过大造成极间电位的重新分布等)
(/)()(λλλΦ=a a I S 21
n n δ=
入射通量Φ增加输出电流Ia 偏离直线的情况
(4) 最大额定值 光电倍增管是极其灵敏的微信号光电探测器,为正确使用应了解各参量的最大额定值。 ①最大阴极电流Icm,有时给出最大电流密度(μA/cm2)。工作时不应超过额定值。有时阴极电流Ic 虽小于Icm ，但入射光点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏。这时应按电流密度的额定值来限制输入。
②最大阳极电流Iam,该值通常是以不产生严重的和不可逆的损坏为限，通常阳极功率限制在0.5w 以下。应当注意说明书中的Iam 不是指使用时的线性限，有的厂家还给出这时的非线性度，如10﹪等。 ③最大额定电压Um,该指标是从管子的绝缘性能和工作可靠性出发给出的。为使噪声不至太大，一般建议采用的总电压U ＜(60—80)﹪Um
光电倍增管的不稳定性 由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化
②在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移
③滞后作用造成阳极输出的不稳定
光电倍增管中的噪声源主要来自光阴极和二次极的热发射。入射光辐射本身亦带来噪声。
由光电阴极和K 个二次发射极组成的光电倍增管中．综合在阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为
要提高光电倍增管的信噪比可采取以下方法 ①管子致冷可减少Ic0值； ②当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子；
③选用δ较高的材料做二次发射极，并提高工作电压；
④减小检测系统频带宽度?f ，以提高信噪比
光电导器件是利用内光电效应制成的光子型探测器，其材料大都是半导体。在入射光的的作用下，激发出附加的自由电子或自由空穴，这些附加的载流子叫做光生载流子，由于光照增加了自由载流子，使电导率发生变化，这种现象叫做光电导效应
光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间的关系 光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的光灵敏度
光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测 本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg 时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。
杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流
本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。
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11112)(?????????? ??++++?=k an f qIc G i δδδδδδ 21212)12()(-?=δδf qI G i c an
光敏电阻工作性能特点 光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域
工作电流大，可达数毫安。 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光
灵敏度高，光电增益可以大于1
无选择极性之分，使用方便
缺点：强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。
CdS 光敏电阻：峰值响应波长0.52um 可见光波段最灵敏的光敏电阻
PbS 光敏电阻：响应波长在近红外波段缺点主要是响应时间太长
锑化铟（InSb ）光敏电阻：长波限7.5um
碲镉汞HgCdTe 系列光敏电阻可实现1-3um,3-5um,8-14um
碲锡铅（PbSnTe 主要用在8-10um 波段探测
1. PN 结与光伏效应（Photo Voltage Effect ）
当P 型半导体和N 型半导体直接接触时，P 区中的多数载流子—空穴向空穴密度低的N 区扩散，同时N 区中的多数载流子—电子向P 区扩散。这一扩散运动在P 区界面附近积累了负电荷，而在N 区界面附近积累了正电荷，正负电荷在两界面间形成内电场。在该电场逐步形成和增加的同时，在它的作用下产生载流子的漂移运动。随着扩散运动的进行和界面间内电场的增高，促使漂移运动加强。这一伴生的对立运动在一定温度条件下—定时间后达到动态平衡 当有外界光辐射照射在结区及其附近时．只要入射光子的能量ε=h υ大于半导体的禁带宽度Eg ，就可能产生本征激发，激发产生电子—空穴对。P 区中的光生空穴和N 区中的光生电子，因受P-N 结的阻挡作用而不能通过结区，结区中产生的电子—空穴对在内电场作用下，电子驱向N 区，空穴驱向P 区。而结区附近P 区中的光生电子和N 区中的空穴如能扩散到结区，并在内电场作用下通过结区，这样在P 区中积累了过量的空穴．在N 区中积累了过量的电子，从而形成一个附加的电场，方向与内电场相反，如图4-44(a)所示。该附加电场对外电路来说将产生由P 到N 方向的电动势。当联接外电路时，将有光生电流通过，这就是光伏效应
2. 光伏效应器件的伏安特性
曲线族与电压轴的交点．即I ＝0，表示光电池外电路开路的情况
曲线族与电流轴的交点．即Uoc ＝0，表示光电池外电路短路的情况。 /(1)eU kT d s I I I I e I ΦΦ
=-=--)1ln(+=Φs
oc I I q kT U s s e I I P h ην
Φ==
3. 光伏效应光电池 第一象限是正偏压状态，iD 本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。 第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于i －is ）是通过探测器的主要电流
由于这种情况外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管
在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL 上的电压或流过RL 上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测器称为光电池
光电池分类
用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）
测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等
材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好，转换效率高，寿命长，适于接受红外光.
硒光电池：转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm)，波谱峰值位于人眼视觉内(用于分析仪器、测量仪表).
砷化镓光电池:转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。 薄膜光电池：CdS 增强抗辐射能力
紫光电池：PN 结非常薄：0.2-0.3 μm,短波峰值600nm
光电池的特性(1)、伏安特性
无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。
有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。
曲线与电压轴交点称为开路电压VOC ，与电流轴交点称为短路电流ISC
（要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL ；
光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj 越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池）
2时间和频率响应 硅光电池频率特性好（动态响应快）。 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池
(3)、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿
4)、光谱响应度 硅光电池 响应波长0.4-1.1微米， (红-红外) 峰值波长0.8-0.9微米。(近红外) 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米， (紫-红) 峰值波长0.54微米。(绿) 可见光
太阳能特点：
①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。
要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太
阳能发电同现在的电网联网。、
利用PN 结光伏效应的另一种重要光电器件是光电二极管。PN 结工作在反向偏置的条件下，工作原理与晶体三极管类似，P 型区相当于基极区，N 型区相当于集电极区，由光照下产生的光生载流子引起N 区电流的变化，由于反向偏置，PN 结应具有较高的反向耐压性质。
(e 1)U qU kT d s I I I I I I I ΦΦ
Φ=-=--=-曲线族与电流轴短路电流的交点，及=0，与光电流大小相等线性ln(1)oc s I kT
U q I Φ
=+开路电压
非线性
光电二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，其PN结装在管顶，可直接受到光照射,实现光电转换。
为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。
为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。光敏二极管符号如图光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。
按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。
按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。
国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si 为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线
光电二极管的主要特性①光特性
②光电二极管的光谱特性该特性通常是由材料来决定。锗光电二极管的光谱范围约为0.4-1.8
um，峰值波长约为1.4-1.5 um；硅光电二极管的光谱范围约为0.4-1.2 um，峰值波长约为0.8-0.9 um。
③光电二极管的伏安特性。
实际与理想情况略有出入，曲线略向上偏。
④光电二极管的频率特性
器件中影响频率响应速度的主要因素是：结电容和杂散电容的影响；在PN结外产生的光生载流子需经一段时间的扩散才能入结，与PN结内的光生载流子形成时间差的影响。
⑤光电二极管的温度特性
在外加电压为50V，入射照度不变的条件下，光电流随工作温度T的变化曲线
⑥光电二极管的暗电流
当无入射光照射时，硅、锗两光电二极管的暗电流IΦ=0随温度变化的关系
光电二极管与光电池的特性比较
1.基本结构相同，由一个PN结；
2.光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,
为数微安。
3.掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管1012-1013/cm3，
4.电阻率：光电池0.1-0.01Ω/cm，光电二极管1000Ω/cm。
光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。
雪崩光电二极管工作原理是在PN结上施加高反向偏压，使其接近击穿电压。
在雪崩光电二极管的使用中注意两个问题：
①雪崩过程伴有—定噪声；②局部击穿问题。
基于以上两个问题，工作偏压选择必须适当。偏压太小，雪崩增强作用不明显，增益不大；而偏压过高，则噪声增大，甚至击穿烧毁
雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。
不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。
在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。
其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大
雪崩光电二极管与光电倍增管比较体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测
光电三极管线性差主要是由电流放大倍数b的非线性所致
在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。
光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差
光敏三极管主要特性伏安特性（升平）光敏三极管的温度特性（升）光敏三极管的（调制）频率特性（升降）光敏三极管光谱特性（sin）
●CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)
●CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
●CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
●CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测
原理电荷耦合原理
CCD成像器件的主要特性分辨率: 用1p／mm(线对／毫米)表示
●暗电流: CCD成像器件在既无光注入又无电注人情况下的输出信号
●灵敏度：一定光谱范围内单位曝光量产生的输出信号电压
●动态范围：对于光照度有较大变化时仍能保持线性响应的程度，上限由电荷最大存贮
容量决定，下限由噪声所限制。光谱响应：范围由光敏面材料决定
热电探测器件:
●热敏电阻、
●热电偶、
●热电堆、
●热释电探测器
所谓变光度就是使某辐射光束在强弱上发生变化。具体地说是将光源或目标发出的光束利用衰减的手段，使光量满足探测接收的需要
2 光谱校正技术
均匀滤光片法
所谓均匀是指整块滤光片上，各点的光谱透射比一致。
白噪声是指功率谱密度在整个领域内均匀分布的噪声；即所有频率具有相同能量的随机噪声
噪声类型热噪声、散粒噪声、G-R噪声、1/f噪声、温度噪声
6.2 前置放大器
1.输出信号较强时，前置放大器及后续放大器的设计主要考虑：增益、带宽、阻抗匹配
和稳定性。
2.输出信号弱时，应主要考虑抑制噪声
（用最小噪声系数原则设计前置放大器。）
1．调制检测光信号的优点调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响。
(1)调制检测光信号可以消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。
(2)调制检测光信号的方法提供了多种形式的信号处理方案，可达到最佳检测的设计。通
常交流电路处理信号方便、稳定，而没有直流放大器零点漂移的问题。
(3)调制检测光信号的方法还提供了多种调制方案，如调幅、调频和调相等，从而扩大了
应用范围
光电信号调制的途径 1）对光源发光进行调制2）对光电器件产生的光电流进行调制
3）在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制
4）在光源与光电器件的途径中进行调制
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光学系统设计
光学系统设计(五) 一、单项选择题（本大题共 20小题。每小题 1 分，共 20 分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是正确的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1．对于密接双薄透镜系统，要消除二级光谱，两透镜介质应满足 ( )。 A.相对色散相同，阿贝常数相差较小 B.相对色散相同，阿贝常数相差较大 C.相对色散相差较大，阿贝常数相同 D.相对色散相差较小，阿贝常数相同 2．对于球面反射镜，其初级球差表达公式为 ( )。 A.?δ2h 81L =' B. ?δ2h 81L -=' C. ?δ2h 41 L =' D. ?δ2 h 41 L -=' 3．下列光学系统中属于大视场大孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 4．场曲之差称为 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 像散 D. 色差 5．初级球差与视场无关，与孔径的平方成 ( )。 A.正比关系 B.反比关系 C.倒数关系 D.相反数关系 6．下面各像差中能在像面上产生彩色弥散斑的像差有( )。 A.球差 B.场曲 C.畸变 D.倍率色差 7．不会影响成像清晰度的像差是 ( )。 A.二级光谱 B.彗差 C.畸变 D.像散 8．下列光学系统中属于大视场小孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 9．正弦差属于小视场的 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 畸变 D. 色差 10．初级子午彗差和初级弧矢彗差之间的比值为 ( )。 ：1 ：1 C.5：1 ：1 11．光阑与相接触的薄透镜重合时，能够自动校正 ( )。 A.畸变 B.场曲 C.球差 D.二级光谱 12．在子午像差特性曲线中，坐标中心为z B '，如0B '位于该点左侧，则畸变值为 ( )。 A.正值 B.负值 C.零 D.无法判断 13．厚透镜之所以在校正场曲方面有着较为重要的应用，是因为 ( )。 A.通过改变厚度保持场曲为零 B.通过两面曲率调节保持光焦度不变 C.通过改变厚度保持光焦度不变 D.通过两面曲率调节保持场曲为0 14．正畸变又称 ( )。 A.桶形畸变 B.锥形畸变 C.枕形畸变 D.梯形畸变 15．按照瑞利判断，显微镜的分辨率公式为 ( )。 A.NA 5.0λσ= B. NA 61 .0λ σ= C.D 014' '=? D. D 012' '=? 16．与弧矢平面相互垂直的平面叫作 ( )。 A.子午平面 B.高斯像面 C.离焦平面 D.主平面 17．下列软件中，如今较为常用的光学设计软件是 ( )。 软件 软件 软件 软件 18．光学传递函数的横坐标是 ( )。 A.波长数 B.线对数/毫米 C.传递函数值 D.长度单位 19．星点法检验光学系统成像质量的缺陷是 ( )。
光电测量系统设计报告
光电测量系统设计报告
光电测量系统设计报告
一、干涉的基本原理 干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。 1、劈尖的等厚干涉测细丝直径 见图7.2.1-2，两片叠在一起的玻璃片，在它们的一端夹一直径待测的细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖。当用单色光垂直照射时，如前所述，会产生干涉现象。因为程差相等的地方是平行于两玻璃片交线的直线，所以等厚干涉条纹是一组明暗相间、平行于交线的直线。 设入射光波为λ，则第m级暗纹处空气劈尖的厚度 由上式可知，m=0时，d=0，即在两玻璃片交线处，为零级暗条纹。如果在细丝处呈现m=N级条纹，则待测细丝直径 具体测量时，常用劈尖盒，盒内装有两片叠在一起玻璃片，在它们的一端夹一细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖，见图7.2.1-2。使用时木盒切勿倒置或将玻璃片倒出，以免细丝位置变动，给测量带来误差。
光电物理基础
课程名称：光电信息物理基础 学号 2014051105003 姓名刘丽 成绩
论LED恒流源的重要性 摘要：LED作为一种新型照明光源,具有发光效率高、寿命长、显色性好、绿色环保、不易 破损且易于进行数字控制等优点。LED照明方式是一种低压安全的照明方式,需要设计合理 的LED驱动电源。开关电源效率高,体积小,是LED驱动电源的首选,同时LED具有恒压负 载特性,其驱动电源一般采用恒流源。恒流源是现代电子工业和科学实验不可或缺的仪器设备，广泛应用于电子测量、仪表调试、医疗器械和航空航天等领域。随着电子技术的发展，数据采集与处理能力的不断提高，许多领域对恒流源的稳定度和精密度要求越来越高。只有 具备高精度、高稳定度、低纹波、大量程及强可靠性等特点的恒流源，才有更多的实用价值。 一个产品的质量好坏取决于它的设计,如何提高恒流源的品质,提高其稳定性。 关键词：LED，驱动器，恒流源 LED恒流电源是led电源的一种,是采用开关电源变换器，做成隔离型的恒 流电源，其输出电流恒定且可调，设计时还要注意输入功率因数要高。 主要原因是： 1. 避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。 2. 获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。 LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则 大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。 一、LED驱动一般特性要求 （1）高可靠性：特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便维修的花费也大。 （2）高效率：LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内 的结构尤为重要的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常 重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小， 也就降低了灯具的温升,对延缓LED的光衰有利。
最新1光电检测系统的基本工作原理
1光电检测系统的基本工作原理
1光电检测系统的基本工作原理。 光电检测系统是指对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。 光电检测系统的基本组成及各部份的主要作用。光电检测系统的组成：三要素：检测对象、光、光电变换。 能否使光束准确地携带所要检测量的信息，是决定所设计系统成败的关键 光电检测技术的现代发展1）非接触化发展2）尽可能多的信息量3）集成化，智能化发展 光电检测方法（1）.光信息携带的物理量可分为： 光强型、频率型、相位型、脉冲型、偏振型、位置型等 （2）.所用的光学现象分为： 衍射法、干涉法、全息法、散射法、光谱法、莫尔条纹法、光扫描法等 （3）从检测系统角度分为： 直接作用法、差动法（差分法）、补偿法 光辐射所带的信息如光强分布、时间、光谱能量分布、温度分布等由光电探测器转变成电信号测量出来2系统误差在检测过程中产生恒定不变的误差叫恒差或按一定规律变化的误差叫变差，统称为系统误差。系统误差产生的原因有工具误差、装置误差、方法误差、外界误差和人身误差等 随机误差在尽力消除并改正了一切明显的系统误差之后，对同一待测量进行反复多次的等精度测量，每次测量的结果都不会完全相同，而呈现出无规则的随机变化，这种误差称为随机误差。 灵敏度系统在稳态下输出量变化引起此变化的输入量变化的比值 算术平均值： 均方差或标准误差 算术平均值的标准偏差 均方差的标准误差σσ 最大误差 测量精度 大误差测值出现的处理 主要方法是：(1) 认真检查有无瞬时系统误差产生，及时发现并处理。 (2) 增加检测的次数，以减小大误差测值对检测结果的影响。 (3) 利用令人信服的判据，对检测数据进行判定后，将不合理数据给予剔除 辐射度量（Radiometry）：能量的分布的强弱、时间、空间等特性 辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量。 光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受，包括生理学、心理学在内。 1)辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳(J） 例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能48000J。 (2)辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即 8416 .0 1 1 = =∑ = N n n x N x σ?0025 .0 ) ( 1 1 ? 1 2= - - =∑ = N n n x x N σ 00095 .0 = = = N s x σ σ 00067 .0 2 = = N σ σ σ x k xσ = ? % 100 ? ? =x x J D
高灵敏度光学检测系统的制作技术
本技术公开了一种用于检测化学和生物分析物的高灵敏度光学系统，其包括容器、光导、分析物、激发光源、检测器、激发和发射滤光片以及导光组件。新颖的光学系统被固定在外壳中，并以外部连接或内部连接方式连接到设备，以进行数据输入、处理、显示、存储和通信。该光学系统可以以廉价的移动即时医疗方式对多种疾病进行临床水平的诊断。它可以是具有单个或一组光学结构的独立单元，也可以与其他检测系统例如移动显微镜结合使用成为定性和定量检测设备。它也可以在某些商业仪器中实施以提高灵敏度。此外，光学系统的尺寸可以大大减小，以形成高度集成的芯片实验室解决方案。 权利要求书 1.一种用于检测化学和生物分析物的光学系统，其包括容器、与容器分离的光导、在容器近端和/或在容器侧面的激发光源、在容器远端的检测器、激发和发射滤光片、透镜和沿激发与发射光路的其他光学组件。 2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光源是水银或氙弧灯、激光、LED和OLED 等，所述光源以单个光源或多个光源形式存在。 3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光导和容器：
由玻璃、石英、其他无机材料、聚合材料、金属或它们的组合材料制成；并且 是透明的、或部分不透明的、或部分被不透明材料覆盖；并且 是圆柱形、矩形或其他形状；并且 是实心的或空心的，或者全部或部分是其他结构。 4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述分析物： 是容器与光导之间和/或在容器和光导表面上的吸收性或发射性材料；并且 是自吸收性的或发射性的，或者是有吸收性或发射性材料标记物的。 5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述滤光片： 是吸收滤光片、干涉滤光片或衍射滤光片、或它们的组合；并且 是单个、数列或以多种形式存在。 6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述检测器是光电二极管、CMOS、CCD、PMT 等。 7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统包括分立的、部分集成的或高度集成的光学组件，所述光学组件是单个、数列或以多种形式存在。 8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统： 通过连接器或无线通信被外部连接至设备，例如(移动)电话、平板电脑、计算机等，用于数据输入、处理、显示、存储和通信；或者
光电检测方法研究毕业设计
摘要 随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展，煤矿爆炸事故日益增加。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数以煤为主要能源的国家之一。在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气体，带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此，对煤矿生产、加工过程中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。通信技术的发展使得光源及各种光纤器件性能更加完善。因此，在各种气体传感器中光纤气体传感器受到国内外研究者的广泛关注。光纤气体传感器因其敏感元件与检测电路和信号处理电路实现了完全的电隔离，使系统更加安全可靠。 本文基于差分检测原理，设计了用于气体传感中微弱信号测量的增益可调的便携式双光路光电检测和采集系统。系统采用以AD795 为核心的低噪声、高灵敏度前置放大器，通过有效的抗干扰措施，实现了微弱信号的高精度低噪声检测，并配以具有极强抗噪性能的24bitsΣ－△模数转换芯片AD7794，完成高分辨率的数据采集。通过AVR 单片机控制实现电路增益的自动调节，解决了差分检测中存在的小信号放大，大信号饱和的问题。 关键词：气体传感；光电检测；微弱信号测量；可调增益；数据采集
Abstract Along with the development of oil and natural gas industry,the coal mine exploding accident increased everyday.China is the country with the maximal coal yield and consumption,and also is one of the countries using coal as the most energy sources. Many kinds of inflammable and explosive gases such as methane(CH4)and carbon monoxide(CO)coexisting in the process caused a series of problem like the safety problem and environment pollution and so on.So it is very important to detect more sensitive the harmful gases engendering in the coal mine.
光学元件外观缺陷检测系统
一、光学元件检测系统描述 本系统用于光学元件外观缺陷识别以及产品位置获取，系统采用进口高分辨率工业相机，可 以快速获取产品图像，通过图像识别、分析和计算，给出产品外观缺陷，给出产品坐标，并 输出相应检测结果信号，以便于设备对不合格产品的处理。 二、光学元件检测系统设计方案 台州振皓自动化科技有限公司基于机器视觉图像处理技术研发的光学元件外观缺陷检测系统，具有高精度、高速、多样品化的特点。系统主要模块有：触发模块、图像处理模块。根据用 户需求，样品移动到检测位，触发相机并及时由视觉系统输出检测信号，从而完成检测功能。为了达到高精度的检测要求，首先要产品来料的位置一致，达到的效果是位置准、稳定。 三、系统主要功能 1．高速识别检测功能2/s； 2．检测精度±0.08mm； 3．自动完成被检产品与相机获取图像同步； 4．自动完成光学元件的外观缺陷检测； 5．还可根据需要对不同颜色产品类型学习并检测； 6．对产品图像进行自动存储，可进行历史查询； 7．自动统计（良品、不良品、总数等）； 8．异常时可提供声、光报警、并可控制设备停机； 9．系统有自学习功能，且学习过程操作简单。 四、项目系统检测界面 五、系统主要技术特点 1.操作界面清晰明了，简单易行，只需简单设定即可自动执行检测； 2.检测软件及算法完全自主开发，系统针对性强； 3.可灵活设置检测模板、检测范围； 4.可选择局部检测功能，提高检测速度； 5.专业化光源设计，成像清晰均匀，确保测量任务完成； 6.支持多种型号产品的检测、具备产品在线自动检测等功能； 7.安装简单、结果紧凑，易于操作、维护和扩充； 8.可靠性高，运行稳定，适合各种现场运行条件。
光电系统模拟与仿真设计报告
光电系统模拟与仿真设计报告 姓名: 学号: 专业: 光电技术学院
实验一Zemax仿真设计 实验目的 1．熟悉Zemax实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光学系统。 2．利用Zeamx的优化功能设计光学系统并使其系统的各项性能参数达到最优。 实验内容（1、2中任选一个，3必做） 1、显微物镜系统设计 在图1 显示一个10X 显微物镜。其包含二组远距的胶合双重透镜（Lister型式）。NA：0.25；EFL=0.591。表1 提供了这个设计的数据。第一镜面到像距为0.999。第一镜面到物距为6.076。最后一面供作保护面之用。畸变=0.26﹪。 图1 10倍显微物镜系统 表1 10倍显微物镜参数 要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。 （2）改变某一Lens Data，观察像质评价和分析，然后设置该Lens Data为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量
进行优化看能否得到更好的像质。 （3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。 （4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。 2、望远镜头系统设计 在图2 是一个望远镜头具有20°视场以及EFL=5 。这个镜组的资料给定在表2。 图2 望远镜头系统 表2 望远镜头系统参数 要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。 （2）改变某一Lens Data，观察像质评价和分析，然后设置该Lens Data为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。 （3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。 （4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。 3、广告投影机物镜设计
液晶显示屏背光源模组表面缺陷自动光学检测系统设计
液晶显示屏背光源模组表面缺陷自动光学检测系统设计 发表时间：2019-06-17T08:46:59.063Z 来源：《建筑模拟》2019年第16期作者：范明生 [导读] 在当今的科学技术不断发展以及社会经济水平不断提升的时代之中，液晶显示器已经在电视、电脑以及手机等的众多电子产品之中得到了广泛的应用和全面的普及。所以，光学检测技术也得到了进一步的发展。 范明生 深圳秋田微电子股份有限公司深圳龙岗 518000 摘要：在当今的科学技术不断发展以及社会经济水平不断提升的时代之中，液晶显示器已经在电视、电脑以及手机等的众多电子产品之中得到了广泛的应用和全面的普及。所以，光学检测技术也得到了进一步的发展。本文研究了一种自动的光学检测系统的设计，这种光学系统可以对液晶显示品的背光源模组表面存在的缺陷进行自动的检测。 关键词：液晶显示屏；背光源模组；表面缺陷；自动光学检测 引言：在液晶显示屏的生产过程中，原料方面的原因或者是技术方面的原因都有可能导致其背光源模组的表面产生缺陷，由于这些缺陷的存在，液晶显示屏的使用性能将会受到十分严重的不利影响。因此，为了让生产的成本得到有效降低，让液晶显示屏的生产成品率得到有效的提升，就应该在生产的过程之中，从宏观方面以及微观方面对液晶显示屏的背光源模组之中的各个光学膜片进行自动的检测。因此，自动光学检测系统对于液晶显示屏质量的保障有着至关重要的作用。下图就是液晶显示屏背光源模组的自动光学检测系统的设计简图： 一、表面缺陷的自动光学检测技术简介 在对液晶显示屏背光源模组表面的缺陷进行检测之中，自动光学检测技术发挥着十分显著的作用，在这一技术之中，不仅将光学的传感技术加以合理应用，同时也将信号的处理技术以及运动的控制技术等实现了有效的集成与应用，在工业生产之中可以实现识别、检测、测量以及引导等的诸多任务。就当今的工业生产而言，光学自动检测技术已经得到了相当广泛的应用，通过分辨率很高、灵敏度很强的成相技术，对检测的目标图形进行有效获取，然后通过快速的图形识别以及图像处理等的算法，在图像之中实现对目标方向、位置、尺寸以及所存在的缺陷等这些信息的获取，这样就实现了对目标产品的有效检测，对装配线上的目标进行有效的识别以及两阿红的鉴定，对目标进行准确的定位，对装配机制起到良好的引导作用。 二、对自动上料机构的设计 1、将一个负责监视的相机放在传输带（1）工位上，在完成了对模组的组装之后，就会将已经组装好的模组传输到（1）工位上，然后，负责监视的相机就可以对这个有待检测的模组图片进行拾取，然后就可以对其在（1）工位上的位置及其姿态方面的信息来实现有效的计算，同时会给后续的上料以及检测的系统发送工作同步的指令。 2、当负责监视的相机将同步指令发给检测系统之后，这个用电动缸以及气动缸所组成的专门负责送料的系统就会把正处在（1）工位上的模组给吸起来，然后，气动滑台会带着模组向（2）工位进行运送。在这一动作发生以前，首先应该计算出负责监视的相机在（1）工位上面所获取到图片之中的位置信息以及姿态信息，用对角度的位置负责校正的气缸来初步校正模组的空间角度。当把模组送到了（2）工位以后，四个气动的滑缸将会在四个不同的方向一起移动到中间来，进而有效校正模组的位置，这时候，模组的下面也会有一个相机，对模组进行及时的成相，通过这种方法就可以识别出将要进行测量的模组的编码序号，以便进行返修信息的获取。 3、当（1）工位上的吸盘对模组进行抓取的时候，右面吸盘就会在（2）工位上吸起校正完的模组，经过气滑台的作用，把模组送到（3）工位进行检测。 在这三步完成之后，一道上料的工序就已经完成。 三、对检测机构的设计 在这一系统的检测机构之中，主要的工位有探测上料位置的工位、检测模组画面的工位、进行间隙性转动的转盘、检测模组异常情况的工位以及检测模组外观情况的工位。以下是其工作的原理： 自动送料的机构会将模组传到转轮的（3）工位上，然后，转盘会受到系统的控制，并且把模组传送到转轮的（4）工位上。在转轮的（4）工位上也进行了相机的设置，通过这个相机可以确定模组的位置，还可以检测LED等的工作状况，同时负责向主控计算机传递检测的信息。如果检测发现所有元件都是正常的，就会按照之前预定的检测方案对进行后续的检测，如果检测过程中发现存在异常，那么在后续的检测过程中，就不要再花费时间来检测这个模组，可以直接把这个模组传输给（9）工位，这时候，分选机构就会按照不良品来抓取这个模组，把这个模组传送到不良品的传输带上。 2、在被检测的模组传送到了转轮的（5）到（8）工位之后，缺陷扫描以及成相系统就会扫描和检测缺陷的画面。在对模组的缺陷进行
课程设计 光电脉搏检测电路设计报告
光电脉搏检测电路设计报告 脉搏波的概述 1.脉搏波的定义 脉搏波是以心脏搏动为动力源, 通过血管系的传导而产生的容积变化和振动现象。当心脏收缩时, 有相当数量的血液进入原已充满血液的主动脉内, 使得该处的弹性管壁被撑开,此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能; 心脏停止收缩时, 扩张了的那部分血管也跟着收缩, 驱使血液向前流动, 结果又使前面血管的管壁跟着扩张, 如此类推。这种过程和波动在弹性介质中的传播有些类似, 因此称为脉搏波(pulse wave) 。 2.脉搏信息 血液在人体内循环流动过程中，经历过心脏的舒张、内脏流量的涨落、血管各端点的阻滞、血管内波的折一反射以及血管壁的黏弹等过程。脉搏波不仅受到心脏状况的影响，同时要受到内环境调控功能器官(脏器) 状态所需血液参数以及系统状态参数等的影响。所以脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。 3.脉搏测量的意义 脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。 设计目的与意义 ?目的 应用光电式传感器、放大滤波电路组成的脉搏测量电路 通过示波器显示人体指端动脉脉搏信息 ?意义 通过观测到的脉搏的次数、跳动的波形为临床提供部分 诊断价值的信息，为人体某些器脏结构和功能的变换趋势提供生理参考信号 系统设计 1.测量信号的特征
《光电仪器系统设计》期末复习
《光电仪器系统设计》复习 注：以下题目的答案仅供参考，部分题目的答案可能不够完整与严格。 第一章概论 一、什么是光电仪器，其基本作用有那些？ 以光学原理为基础，综合采用电子、计算机、机械等其他技术的各类仪器，用于对物质实体及其属性进行观察、监测、测定、验证、传输、变换、显示、分析处理与控制。 二、光电仪器的基本构成包括哪几部分，涉及哪些内容？ 光电仪器的构成——三大部分 ●机械部分：仪器的传动机构、联接机构、调整机构和壳体等 ●电子与微机控制部分：各种电子线路、照明、显示和计算机控制等 ●光学部分：由各种透镜、棱镜、平面镜、光栅和光纤等元件组合而成 三、光电仪器设计的指导思想是什么？ (1) 仪器的性能指标确定要合理，综合考虑应用场合和整体性能 (2) 经济性：不盲目追求复杂、高级方案，尽可能采用最简单、最经济的设计方案满足所提出的功能要求。 (3) 可靠性：可靠性差，就没有使用价值。 (4) 环保与安全性：不污染环境，对操作人员没有伤害。 (5) 效率：尽可能提高测量速度 (6) 寿命：充分考虑器件的寿命，易耗元件的更换，维护的方便。 (7) 封装和造型：总体结构安装、部件建的造型、细部美化等都要考虑，尽量使产品。 (8) 操作方便：操作要符合人们的习惯，尽可能节省人的体力和脑力。 四、光电仪器设计的原则是什么？ (1) 从原理上提高性能的原则 (2) 精度匹配原则：在分析基础上，对各部分精度分配恰当 (3) 最短传动链原则：影响精度的测量和传动链最短，零部件最少 (4) 零部件的标准化、系列化和通用化原则
(5) 便于加工和生产的原则 (6) 最佳性价比的原则 五、光学仪器如何进行分类？ ①按光学工作原理： ●反射原理：采用各种反射镜及其组合：潜艇观察镜、反光镜等 ●成像原理：显微、望远、投影、照相、OCT等 ●物理光学：干涉、衍射、偏振等 ●导波光学：纤维光学和波导光电仪器等 ②按经典光学应用分类： ●观察仪器：望远镜、显微镜等 ●测量仪器：测距仪、干涉仪、OCT等 ●瞄准： ●摄像：照相机 ③按光谱波段分类： ●可见光仪器：目视光学仪器、可见光成像仪器 ●红外光学仪器：红外夜视仪器、空间红外探测仪器 ●紫外光学仪器：紫外成像仪器、光刻机器 ④按现代光学用途分类： ●民用光电仪器：普通目视光学仪器、可见光成像仪器、CCD观察及成像仪器等 ●军用光电仪器：观测仪器、头盔夜视仪、空间红外探测仪器、各种军用装备等 ●空间光电仪器：飞机机载光电仪器、卫星光电仪器 六、光学仪器设计包括哪些程序？ (1) 确定设计任务：根据用户需求、发展要求来确定 (2) 调研：了解国内外同类产品、性能和特点 (3) 分析设计任务，制定设计任务书 (4) 方案设计： ①实现功能分析；
光电传感器转速测量系统设计讲解
专业课程设计 题目 光电传感器的转速测量设计 院系：自动化学院 专业班级： 小组成员： 指导教师： 日期：2012年10月8---2012年10月19
一．课程设计描述 采用单片机、uln2003为主要器件，设计步进电机调速系统，实现电机速度开环可调。 二．课程设计具体要求 1、通过按键选择速度； 2、转速测量显示范围为0~9999转/秒。 3、检测并显示各档速度。 三．主要元器件 实验板（中号） 1个步进电机 1个 STC89C52 1个电容（30pF、10uF）各1个 数码管（共阳、四位一体）1个晶振（12MHz） 1个 小按键 4个 ULN2003 1个 电阻若干发光二极管 1个 三极管（NPN） 4个排阻 1个 四．原理阐述 4.1系统简述 按照题给要求，我们最终设计了如下的解决方案： 用户通过键盘键入控制指令（开关），微控制器在收到指令后改变输出的PWM 波，最终在ULN2003的驱动下电机转速发生改变。通过ST151传感器测量电机扇叶的旋转情况，将转速显示在数码管上。 在程序主循环中实现按键扫描与转速显示，将定时器0作为计数器，计数ST151产生的下降沿，可算出转速，并送至数码管显示。 设计思路： （1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一个圆盘，在圆盘上挖1小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通1次，利用此信号做为脉冲计数所需。 （2）对光电开关信号整流放大。 （3）脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时。 （4）显示电路采用单片机动态显示。
4.2转速测量原理 在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N （r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值[1]： N=60m/pTc (r/min) （1） 4.3转速测量系统组成框图 系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。系统的原理框图如图2.1所示。 图2.1 系统的原理框图 五．系统硬件电路的设计 系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。在硬件搭建前，先通过Proteus Pro 7.5进行硬件仿真实现。 5.1脉冲产生电路设计
武汉工程大学 考研《光电系统设计基础》考试大纲
武汉工程大学考研《光电系统设计基 础》考试大纲 一. 参考教材 吴晗平编著.《光电系统设计基础》.科学出版社，2010年第1版. 二. 考试方法、考试时间 闭卷考试，试卷满分150分。考试时间180分钟 三. 试题形式 简答题约占30% 分析题约占20% 证明题约占20% 设计计算题约占30% 四. 考试要求 《光电系统设计基础》是光学、光电类专业的重要专业基础课程，使学生具有进行光电系统实际技术工作的基本方法和技能，为从事具体光电系统设计、科研、生产等，打下良好的工程技术基础。在要求较扎实的理论知识基础上，着重考查考生灵活运用知识的能力和专业知识面。 为了组织好该门课程的研究生入学考试，以便能真正选拔出优秀人才，考试试题的评价标准是高等学校优秀本科毕业生能达到的及格或及格以上水平，以保证被录取者具有基本的专业水平，并有利于高等学校的择优选拔。故试题的难度系数在原本科生该门课程结业考试试题难度系数的基础上，适当加大。 五. 考试内容 参加该门课程考试的考生须掌握如下内容： 第一章绪论 1.1 光电系统及其基本组成与设计 1.2 光电系统的分类 1.3 光电系统的应用 1.4光电系统的发展基础 1.5 光电技术及系统发展的制约因素 1.6 光电产品工程设计控制程序 1.7 光电产品设计图样文件技术要求 1.8 光电系统设计与仿真软件 第二章光学系统设计概要 2.1光学仪器及其发展 2.2光学设计及其发展 2.3应掌握的光学设计基础 2.4光线追迹及像差校正常用方法 2.5光学设计的大致类型及各类镜头的设计差别 第三章目标辐射及其工程计算
3.1光辐射与度量 3.2 绝对黑体及其基本定律 3.3 辐射源及特性形式分类 3.4 点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度 3.5 目标与环境光学特性的分类及特点 3.6 环境与目标光辐射特性 3.7 目标辐射的简化计算程序 第四章红外辐射大气透过率的工程理论计算 4.1大气衰减与透过率 4.2 大气的组成及吸收作用 4.3 大气中辐射衰减的物理基础 4.4 大气透过率数据表 4.5 海平面上大气气体的分子吸收 4.6 不同高度时的分子吸收修正问题 4.7 大气分子与微粒的散射 4.8 与气象条件有关的衰减 4.9 平均透过率与积分透过率的计算方法 第五章红外凝视成像系统 5.1 热成像技术特点 5.2 红外凝视成像技术发展 5.3 红外凝视成像系统的工作原理 5.4 红外焦平面阵列非均匀性产生的原因及其校正技术第六章红外传感器工程设计 6.1 红外工作波段的选取分析 6.2 系统总体对红外传感器提出的功能及性能指标要求6.3红外传感器工作原理与组成 6.4红外探测器件及物镜光学参数选取 第七章CCD及其应用系统设计 7.1 CCD成像器件的特征参量及其评价 7.2 CCD摄像机分类 7.3 CCD图像传感器在微光电视系统中的应用 7.4 CCD的工程技术应用与设计 第八章光电系统作用距离工程理论计算 8.1 红外系统作用距离计算 8.2 激光测距系统作用距离计算 8.3 电视跟踪仪作用距离计算 8.4 微光电视作用距离计算 第九章LED及其应用设计 9.1 LED的工作原理 9.2 LED的发展历史与半导体材料的分代 9.3 LED的工作特性 9.4 LED特性与主要参数 9.5 LED的分类
传感器课程设计基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计
沈阳工程学院 课程设计 设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系别自动化学院班级 学生姓名学号 指导教师职称讲师
沈阳工程学院 课程设计任务书 课程设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系别自动化学院班级 学生姓名学号 指导教师职称讲师 课程设计进行地点： F430 任务下达时间： 起止日期：
教研室主任年月日批准 基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： （1）了解脉搏检测相关背景知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 （2）初步掌握常用常用脉搏检测方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 （3）通过学习，具体掌握所选择脉搏测量传感器的使用特点、测量电路和使用方法。 1.2 基本要求 （1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。 （2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。 （3）设计异常心跳的报警电路。 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必须完成，发挥部分可任选； （2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。 （2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。 3 时间进度安排 顺序阶段日期计划完成内容备注 1 2016.1.4 讲解主要设计内容，安排学生查阅资料打分 2 2016.1.5 检查任务框图的设计情况打分 3 2016.1.6 检查整个设计理论方面的准备情况打分 4 2016.1.7 指导学生进行传感器的选择打分 5 2016.1.8 进程传感器及测量电路的硬件电路设计打分 6 2016.1.11 讲解原理图的绘制要求打分 7 2016.1.12 检查原理图完成情况，讲解及纠正错误打分 8 2016.1.13 检查流程图的绘制及报告的书写要求打分 9 2016.1.14 布置答辩打分 10 2016.1.15 答辩、写报告打分 2016-1-4
光电检测期末复习
复习题 1、光电检测系统通常主要由光学变换、光电转换、电信号处理三部分组成。 2、在环境亮度大于102时,最强的视觉响应在光谱蓝绿区间的555 处。 3、光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。由于其引入了电子倍增机构，因此具有灵敏度高、响应时间快等特点，常被使用。 4、指的是帧转移型 5、发光二极管()是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。其发光机理可以分为结注入发光_、_异质结注入发光。 6、光电池的结工作在零偏状态，它的开路电压会随光照强度的增加而增加。 7、对于辐射源来说，光通量（光功率）定义为单位时间内向所有方向发射的可见光能量。 8、激光的形成必须具有工作物质、泵浦源、光学谐振腔。 9、入瞳位于无限远，物方主光线平行于光轴的光学系统称为物方远心光路，此光路克服了调焦不准带来的测量误差，常用于瞄准、读数和精密测量。 10、短焦物镜用于拍近距离物体，焦距越短，视场角越大，因此也称为广角物镜。 11、载光电耦合器件既具有光电耦合特性，又具有隔离特性
12、三种典型光子效应是指光电发射效应、光电导效应和光伏效应。 1 / 14 13、光敏电阻的工作原理是光照产生光生载流子，使其电阻值急剧减小。 14、与其它器件相比，最突出的特点是它以电荷作为信号，而其他大多数器件是以电流或者电压作为信号。 15、依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。 16、由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向 是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线。 17、人眼按不同照度下的响应可分为明视觉、暗视觉。 18、降压使用对于光电测量用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。 19、出瞳位于像方无限远处，平行于光轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中心的光路被称为像方远心光路，它用于大地测量中测距，能大大提高测距精度。 20、集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上，称为远心柯勒照明。 1、光子效应
基于光电传感器的转速测量系统设计_毕业设计
毕业设计 学生姓名Xxx学号170302041 院(系) 电子与电气工程 专业Xxx 题目基于光电传感器的转速测量系统设计指导教师 年月
摘要：转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。目前常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。详细分析了系统的组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法，给出了部分程序流程图和程序清单。该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。 关键词：单片机，光电转速传感器，转速测量，数据处理
Abstract：The rotate speed is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. At present there are many methods for the tachometric survey measurement. After analyze various rotate speed measurement methods, the photoelectric sensor tachometric survey system is presented. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The whole system has the bigger promotion application value. Key words：single-chip computer，photoelectric sensor，rotate speed measurement，data processing
光电脉搏信号检测电路
医用电子设计报告 光电脉搏信号检测电路 医仪一班黄爽3004202313 一、设计目的与意义 脉搏的概念： 脉搏的广义内容包括心尖搏动波、动脉波和静脉波。其共同特点是频率甚低。动脉脉搏为一般所说的脉搏，由心脏节律性地收缩和舒张引起主动脉中的容积和压力发生改变，从而使动脉管壁出现振动而产生的。脉搏产生后沿管壁向全身动脉传播，在身体浅表有动脉通过的部位，都可触摸到脉搏。所以动脉波的测量相对来说比较方便。 正常动脉波形如图。它由以下几个部分组成。上升支：在心室快速射血期，动脉血压迅速上升，管壁被扩张，形成脉搏波形中的上升支；下降支：心室射血的后期。射血速度减慢，进入主动脉的血量少于由主动脉流向外周的血量，故被扩张的大动脉开始回缩，动脉血压逐渐降低，形成脉搏波形中下降支的前段。随后，心室舒张，动脉血压继续下降，形成下降支的其余部分。因为心室舒张时室内压下降，主动脉内的血液向心室方向返流。这一返流使主动脉瓣很快关闭。返流的血液使主动脉根部的容积增大，并且受到闭合的主动脉瓣阻挡，发生一个返折波，因此在降中峡的后面形成一个短暂的向上的小波，称为降中波。老年人或者高血压病人由于血管顺应性较差，所以降中波不明显或者消失。血管弹性不良而硬化时，上升及下降段也均呈陡峭状。 脉搏能反映心血管系统多方面的状态，如心跳的频率和节律、心脏的收缩力、血管充盈度、动脉管壁的弹性等等。所以脉搏的测定是一项重要的临床检查顶目。中医更将扪脉作为诊治疾病的主要方法。在中医现代化研究中，对脉搏的分析更为细致，可以分辨出迟脉、数脉、代脉、浮脉、弦脉、滑脉和涩脉等等。其中有以频率之不同而区分的（如迟脉、数脉），有以节律区分的（如结脉、代脉），有以深浅和形态区分的（如弦脉、滑脉、涩脉）等。这就要求在设计脉搏传感器时，要对其灵敏度、频响、拾取信号的方向等作认真的考虑。