第一章光学测量的基础知识课件.ppt

作业在下面三张PPT中:P11P24P83,作业在下面三张PPT中:,1.1 光学测试技术的基础知识,本次课程的内容:,一、领域和特点,二、技术现状,三、方法的选择,四、技术发展的方向,1.1 光学测试技术的基础知识本次课程的内容:一、领域和,参考书目,范志刚,光电测试技术,电子工业出版社,2019苏大图，光学测试技术，北京理工大学出版社，2019杨国光，近代光学测试技术，浙江大学出版社，2019张琢，范志刚，激光干涉测试技术及应用，机械工业出版社，2019孙长库，叶声华，激光测量技术，天津大学出版社，2019殷纯永，现代干涉测量技术，天津大学出版社，2019汤顺青，色度学，北京理工大学出版社，1991,参考书目范志刚,光电测试技术,电子工业出版社,2019,一、领域和特点,1.研究领域,定义：光学测试技术 利用光学原理实现精密测 量的技术。,意义：是先进制造工业的核心技术,近代光学测试技术 利用激光，计算机等光机电算一体化实现精密测量的技术。,一、领域和特点1.研究领域定义：光学测试技术 利用光学原,名词：分清二套四组名词,1）计量（Metrology)对物理量的标定，传递与控制，重点是确保精度。,2）测量（Measurement)获取物理量的方法，重点是获取方法。,3)检验（Inspection)产品质量的评估技术。,4)测试（Measuring&Testing)是指具有试验研究性质的测量，一般是测量与试验的总称，侧重于技术方法。是人们认识客观事物的方法。,名词：分清二套四组名词1）计量（Metrology)对物,计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。或者说是以实现单位统一、量值准确可靠为目的的测量。,当生产的发展和商品的交换变成社会性活动时，客观上就需要测量单位的统一,并要求在一定准确度内对同一物体在不同地点，用不同的测量手段，达到其测量结果一致。为此，就要求以法定的形式建立统一的单位制，建立计量基准、标准，并以这种计量基准、标准检定其他计量器具，保证量值准确可靠，从而形成了区别于测量的新概念 计量，也可以说，统一准确的测量就是计量。,计量在历史上称之为“度量衡”。随着生产和科学技术的发展，现代计量已远远超出“度量衡”的范围。现有热学、力学、电磁学、无线电、时间频率、电离辐射、光学、声学、化学等计量专业，已形成了 一门独立的学科计量学。,计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。或者说是以实现单位统,1）光学计量对光学量的标定：光强、亮度、照度、光谱、色度等标定。,2）光学测量对光学参数的测量：D（通光口 径）、f(焦距）、2W（视场）、MTF（像质）。,3）光学检测对光学元件及光学系统进行质量 评估。,4）光学测试用光学方法进行精密测试。,1）光学计量对光学量的标定：光强、亮度、照度、光谱、色度等,第一章光学测量的基础知识课件,自70年代开始由于激光技术、光波导技术、数字技术、计算机技术以及傅里叶光学的出现，使光学发展成近代光学。以激光为代表的近代光学促使光学测试技术出现更多新方法和新技术，从而开始形成近代光学测试技术。,自70年代开始由于激光技术、光波导技术、数字技术、计,近代光学测试技术的出现适应了近代科学和工业技术上提出的高灵敏度、高效率、自动化的测试要求，实现了计量上的三维性、实时性和相关性。进入80年代，又提出了亚微米、纳米级灵敏度的测试要求，产生了无损检测、在线光学诊断等新技术。,近代光学测试技术的出现适应了近代科学和工业技术上提出,2 技术特色,利用光学进行精密测量，一直是计量测试技术领域中的主要方法。由于光学测试方法的非接触性，高灵敏度性和高精度性，而在近代科学研究，现代技术，工业生产，空间技术，国防技术中得到广泛应用，成为一种无法取代的技术。,1）非接触性,遥测，软表面（液面、高温表面）特种测量（深孔、微孔等）,特别是激光技术，微电子技术与计算机技术的发展，使光学测试技术向近代光学测试技术方向发展。,作业:简述光学测试技术的技术特色.,2 技术特色 利用光学进行精密测量，一直是计量测试技术,4）三维性全部信息。,3）高精度：,灵敏度：测量系统输出变化量与引起该变化量的输入量之比 K=yx,亚波长:/2=0.5m,灵敏度：0.25m深亚波长：/10 灵敏度0.05m（50nm),2）高灵敏度：,精度：反映测量结果与真值接近程度的量。,超精度测量，精度0.1m,4）三维性全部信息。3）高精度：灵敏度：测量系统输出变化量,因此近代光学测试技术已成为当代先进技术的表征之一。随着二元光学及微光学的发展，光学系统向微型化、集成化、经济化方向发展。,5）实时性,生产线控制实时监测控制,光电响应ps（皮秒）fs（飞秒）快速响应,因此近代光学测试技术已成为当代先进技术的表征之一。,二、技术现状,目前随着激光器的出现和傅立叶光学的形成，特别是激光技术与微电子技术、计算机技术的结合，出现了光机电算一体化的近代光学测试技术。,1、产业现状,二、技术现状 目前随着激光器的出现和傅立叶光学的形成，,光学产业金字塔中各组成产业及其产值的大致比例，这是1990年日本公布的统计值。,日本公布近三年光学产业国内产值的调查结果,光学产业金字塔中各组成产业及其产值的大致比例，这是1990年,2、技术现状,2、技术现状,第一章光学测量的基础知识课件,从原理上说近代光学测试技术的现状主要是三点：,1）从主观光学发展成为客观光学，也就是用光电探测器来取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度与测试效率；,2）用激光这个单色性、方向性、相干性、稳定性都极好的光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量上；,3）从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化。,从原理上说近代光学测试技术的现状主要是三点：1）从主观光学发,从功能上说，近代光学测试技术的现状主要有三点：,1)从静态测量发展成为动态测量；,2)从逐点测量发展成为全场测量；,3)从低速度测量发展成快速的，具有存贮、记录功能的测量。,从功能上说，近代光学测试技术的现状主要有三点：1)从静态测量,三、方法的选择,合理选择光学测试方法的五点原则：,以测温度为例，若我们采用传感器测量，那么如何选择合适的传感器呢？,温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器(见下表)。,1)测定对象；2)测定范围；3)灵敏度或精度；,4)经济性；5)测试环境。,三、方法的选择合理选择光学测试方法的五点原则：以测温度为例，,第一章光学测量的基础知识课件,自动风扇转速控制,将传感器的输出馈送给一个控制CUP散热风扇转速的脉冲宽度调制器(PWM)或DAC。这样可将CPU的温度保持在设计要求之内(见图3)。风扇转度控制在消费电子产品中正变得越来越重要。,自动风扇转速控制实际上是使用一个本地数字输出温度传感器来检测CPU的实际管芯温度。,自动风扇转速控制 将传感器的输出馈送给一个控制CUP散热风扇,第一章光学测量的基础知识课件,作业:选择光学测试方法的基本原则有哪些,对照这些原则,对比衍射计量和全息计量.,作业:选择光学测试方法的基本原则有哪些,对照这些原则,对比衍,四、技术发展的方向,工业生产的精密化、自动化和智能化，对光学测试技术提出了新要求，促使光学测试技术的近代发展走向如下几个方向：,(1)亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展；,(2)快速发展小型的、微型的非接触式光学传感器；,(3)半导体激光器(LD)及其阵列，光开关，光滤波器，光电探测阵列等新器件将在过程控制，在线测量与控制上得到广泛应用；,四、技术发展的方向 工业生产的精密化、自动化和智能化，,(4)微光学这类微结构系统将崭露头角；,(8)以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的集成光学和其他微传感器将成为技术的主流方向；,(5)快速、高效的3一D(三维)测量技术将取得突破；,(6)发展带存贮功能的全场动态应变测量仪器；,(7)发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与光学控制的一体化；,(9)发展光学诊断和光学无损检测技术。,(4)微光学这类微结构系统将崭露头角；(8)以微细加工技术为,光开关,1、液晶光开关,液晶光开关是利用液晶材料的电光效应，偏振光经过未加电压的液晶后，其偏振态将发生90度改变，而经过施加了一定电压的液晶时，其偏振态将保持不变。,液晶光开关一般由三部分组成，入射光首先进人偏振光分束器，被起偏后射入液晶，从液晶输出的光的偏振态取决于该液晶是否加电压，然后进人偏振光合束器。,与那些有移动部分的光开关相比，液晶光开关具有几乎无限的使用寿命。液晶光开关还具有无偏振依赖性，驱动功率低等优点。在液晶光开关发展的初期有两个主要的制约因素，即切换速度和温度相关损耗。现在已有技术使铁电液晶光开关的切换时间达到1ms以下，其典型插入损耗也较低。,光开关1、液晶光开关 液晶光开关是利用液晶材料的电光,2、声光光开关技术,基本原理：控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。,声光光开关的切换速度在毫秒量级，该技术可方便地用来制作端口数较少的光开关。,声光光开关是利用介质的声光效应。,2、声光光开关技术 基本原理：控制电信号经换能器后产生一定频,3、Mach-Zehnder干涉仪型光开关,通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个Y形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射率，使光程相应变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。,基本原理：,优点：开关速度快，在微秒量级；,缺点：消光比不够高。,3、Mach-Zehnder干涉仪型光开关 通常在铌酸锂,在介质材料（如玻璃或硅基片）先做上波导结构,然后,再在波导上蒸镀金属薄膜加热器。当电流通过加热器时,金属薄膜通电发热,改变了波导分支区域内的热量分布,导致其下面的波导的折射率发生变化,这样就可将光耦合从主波导引导至目的分支波导,从而实现光的开关动作。,4、热光光开关,基本类型：数字型光开关（DOS）和干涉型光开关(Interferometric switches)。,基本原理：,在介质材料（如玻璃或硅基片）先做上波导结构,然后,再,微光学,微光学（micro-optiCS）是微米尺度上的光学，其中包括微米尺度的光学表面微结构。微光学在日本称为微小光学。,物理意义上的微光学其单元尺寸已在光波长量级，因此，建立在单元尺度远大于光波长的常规光学，其主要理论及设计方法已不适用微光学或其计算结果不够精确。,微光学是一个知识密集、前沿和技术先进的新的光学学科分支。,微光学 微光学（micro-optiCS）是微米尺度上,第一章光学测量的基础知识课件,闭环控制,输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统称为闭环控制系统。也叫反馈控制系统。,为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系统形成一个闭环。,闭环控制 输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与,家用电冰箱温度控制系统：,【视频】汽车空燃比闭环控制系统简介,家用电冰箱温度控制系统：【视频】汽车空燃比闭环控制系统简介,集成光学,集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。,传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，不能适应光电子技术发展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统问题的一种途径。,这样可有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。集成光学出现于1969年前后，从它的产生和发展过程中，贝尔实验室PK田等一批科学家起了重要作用。正从基础和开发研究进入工程应用阶段。,集成光学 集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元,集成光学integated optics研究集成光路特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。把光源、各种光学元件、耦合器和检测器等做成薄膜形式并组合在同一衬底上的微型光学回路称为集成光路。,集成光路中现已制成的光学元件包括薄膜微型激光器、薄膜透镜、棱镜、薄膜型光学波导、耦合器、光开关、光学调制器、滤波器、光学双稳态器件、模-数转换器、存储器和检测器等。,集成光学integated optics研究集成光路,1.2 光学测量中的常用光源,1.2.1 光源选择的基本要求和光源的分类,1.对光源发光光谱特性的要求,为适应各种科技工作的实际需要设计并生产了各种不同光学性质和结构特点的光源。在具体的光电检测系统中，应按实际工作的要求选择光源，这些要求综合起来主要包括以下几个方面。,除去那些直接检测规定光源或辐射源特性的光电检测系统外，总是要求光源特性满足检测的需要。,1.2 光学测量中的常用光源1.2.1 光源选择的基本,按照检测任务的不同，要求的光谱范围亦不同，如可见光区、紫外光区或红外光区等。有时要求连续的光谱，有时又要求几个特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时给以满足。,为增大光电检测系统的信号和信噪比，这里引入光源和光电探测器之间光谱匹配系数的概念，以此描述两光谱特性间的重合程度或一致性。,光谱匹配系数定义为：,按照检测任务的不同，要求的光谱范围亦不同，如可见光区、紫外光,第一章光学测量的基础知识课件,供光电鼠标使用的对管,供光电鼠标使用的对管,第一章光学测量的基础知识课件,一般的光电探测器都属于选择性探测器，比如光电导探测器，其光谱响应率：,光电导探测器典型光谱曲线：,一般的光电探测器都属于选择性探测器，比如光电导探测器，其光谱,2.对光源发光强度的要求,光电二极管光谱曲线（光伏探测器）：,为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。,光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常检测。,2.对光源发光强度的要求光电二极管光谱曲线（光伏探测器）：,因此，在系统设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计，并按估计来选择光源。,光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等，同时也导致不必要的能源消耗而造成浪费。,3.对光源稳定性的要求,不同的光电检测系统对光源的稳定性有着不同的要求。,脉冲量的检测，包括脉冲数、脉冲频率、脉冲持续时间等，这时对光源的稳定性要求可稍低些，只要确保不因光源被动产生伪脉冲和漏脉冲即可。,因此，在系统设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小,3)当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪器控制下的稳流源供电。,光量或辐射量中强度、亮度、照度或通量等的检测系统，对光源的稳定性就有较严格的要求。,稳定光源发光的方法：,1)一般要求时，可采用稳压电源供电。,2)当要求较高时，可采用稳流电源供电,所用光源应预先进行老化处理。,3)当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输,4.对光源其它方面的要求,用于光电检测系统中的光源除上述基本要求外，还有一些具体要求。如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；以及光源发光效率相空间分布等。这些方面均应按检测系统的要求给以满足。,5.光源的种类,按照光辐射来源不同，通常将光源分成两大类：自然光源和人工光源。在光电检测系统中，除对自然光源的特性进行直接测量外很少采用它们做为检测其它物理量的光源。,4.对光源其它方面的要求 用于光电检测系统中的光源除上,自然光源主要包括太阳、月亮、恒星和天空等。这些光源对地面辐射通常很不稳定，且无法控制，为了解各种自然光照在不同条件厂的大致数量范围，给出了下面一些数据表，供使用时参考。,自然光源主要包括太阳、月亮、恒星和天空等。这些光源对,星的亮暗程度用地面所接收到的照度来衡量，具体表示为星等数字的大小。,星的亮暗程度用地面所接收到的照度来衡量，具体表示为星,星等数字愈大，对地面的照度愈弱，并规定零等星对地面的照度为2.651061x。各星等间每差五等，其照度差为l00倍。所以相邻两等星的照度比为：,若有m等星和n等星，当m等星比n等星亮时，则有nm，而这两颗星对地面产生的照度比为：,应当注意，比零等星更亮的星等为负数，且星等数不一定是整数。,星等数字愈大，对地面的照度愈弱，并规定零等星对地面的,在光电检测系统中，大量采用的是人工光源。按其工作原理不向，人工光源大致可以分为热光源、气体放电光源、固体光源及激光光源。,在光电检测系统中，大量采用的是人工光源。按其工作原理,电致发光是电能直接转换为光能的发光现象。实现这种发光的材料很多，可以分为以下几类：,固体光源,1）无机粉末发光：又分为交流（AC）与直流（DC）发光，后者由于技术问题，一直未能大规模实际应用，研究生产处于停顿。,2）无机薄膜发光：于70年代末期开始小规模使用真空溅射技术，主要用于终端显示器件，目前处于缓慢发展状态。,电致发光是电能直接转换为光能的发光现象。实现这种发光,3）无机厚膜发光：于90年代末开始小规模生产，主要应用于大屏幕电视，现处于规模化研究生产前期状态。,4）有机分子发光（OEL或OLED）。,于90年代末开始小规模生产，主要应用于小屏幕电视显示，如手机。现处于大规模化生产前期状态。,OLED是一项魔幻般的技术，未来可以发展为将电视机、电脑显示屏随意的折叠。,3）无机厚膜发光：于90年代末开始小规模生产，主要应用于大屏,一、无机粉末发光（EL,Electroluminescent）,5）P-N结发光器件（LED，发光二极管）。已经成熟应用。,当荧光材料在足够强的电场或电流作用下，被激发而发光构成电致发光屏。按激发电源不同，又有交流和直流电致激发屏两种。,一、无机粉末发光（EL,Electroluminesce,1交流粉末场致发光屏(AC-EL),该发光屏的结构如图所示。其中铝箔和透明导电膜作为两个电极，透明导电膜通常用氧化锡制成；高介电常数的反射层常用搪瓷或钛酸钡等制成，用以反射光束，将光集中到上方输出。,1交流粉末场致发光屏(AC-EL)该发光屏的结构,粉层中自由电子在强电场作用下加速而获得很高的能量，它们撞击发光中心，使其受激而处于激发态，当激发态复原为基态时产生复合发光。,交流场致发光屏的工作原理：,荧光粉层由荧光粉(Zns)、树脂和搪瓷等混合而成，厚度很薄。玻璃板起支撑、保护和透光作用、为使发光屏发光均匀，每层的厚度部应十分均匀。,发光亮度的经验公式为：,粉层中自由电子在强电场作用下加速而获得很高的能量，它们,上式中A和b为与f有关的常数。,优点：光发射角大、光线柔和、寿命长、功耗小、发光响应速度快、不发热、几乎无红外辐射和不产生放射线。,缺点：是发光亮度低，驱动电压高和老化快。,应用：这种发光屏主要用在仪表及暗环境下的特殊照明；比如：飞机与汽车仪表的照明，广告屏等。,1982年中科院长春物理所成功的研制了4X4米的矩阵式超大型塑料发光屏幕，并在北京人民大会堂大礼堂悬挂应用10年之久。,上式中A和b为与f有关的常数。优点：光发射角大、光线柔和、,二、有机分子发光（OEL或OLED）,最早推出OLED的厂商是索尼公司，早在2019年索尼就推出了采用OLED屏幕的掌上电脑VZ90,左图为：APOD青苹果 AP629采用的就是OLED屏,二、有机分子发光（OEL或OLED）最早推出OLED的厂商是,盈泰光电,索尼在东京召开的显示器2019大会上展示了一款电致发光显示器，仅有一张打印纸那么薄（0.3mm）。,“OELD是很梦幻很令人向往，然而，由于OELD产业链不成熟，使其制造成本偏高，在全球范围内，尚无厂家盈利。”,在邱成峰的带领下，两条有机发光显示器生产线已经开发制造出多款产品样品，并可进行小批量生产。,视频,盈泰光电索尼在东京召开的显示器2019大会上展示了一,三、发光二极管,它是由P型和N型半导体组合而成的二极管，当在PN结上施加正向电压时产生发光。,为能将所发光引出，通常将P型半导体充分减薄，于是结中复合发光主要从垂直于P一N结的P型区发出。,在PN结上施加正向电压，则促进多子扩散运动的进行，即从N区流向P区的电子和从P区流向N区的空穴同时增多，于是有大量的电子与空穴在PN结相遇复合，并以光和热的形式放出能量。,1、发光机理：,三、发光二极管 它是由P型和N型半导体组合而成的二极,2、发光二极管的主要特点：,1）发光亮度与正向电流之间在电流低于25mA时，基本呈线性关系。,当电流高于25mA时，由于P-N结发热而使曲线弯曲。,正是由于这种线性关系使之可以通过改变电流大小的方法，对所发光量进行调制。,2、发光二极管的主要特点：1）发光亮度与正向电流之间在电流,2）发光二极管的响应速度极快，时间常数约为106109s也就是说它有着良好的频率特性。故其调制频率可以很高。,3）发光二极管的正向电压很低，约2v左右，可直接与集成电路匹配使用。,4）发光二极管还具有小巧轻便、耐振动、寿命长(大于5000h)和单色性好等一系列优点，使其应用越来越广泛。,5）主要缺点：,发光效率低；有效发光面很难做大；,另外，发出短波光(如蓝紫色)的材料极少，制成的短波发光二极管的价格昂贵。克服这些缺点将位发光二极管作用及应用范围剧增。,2）发光二极管的响应速度极快，时间常数约为10610,应用示例：,下面就是一种闪烁发光电路，该电路正常工作时，两只发光二极管将同时一闪一闪地发光。,Tt1t2应用示例：下面就是一种闪烁发光电路，该电路,第一章光学测量的基础知识课件,第一章光学测量的基础知识课件,第一章光学测量的基础知识课件,led电视,严格意义上的LED电视是指完全采用LED（发光二极管）做为显像器件的电视机，一般用于低精度显示或户外大屏幕。,目前中国大陆地区家电行业中通常所指的LED电视严格的名称是“LED背光源液晶电视”，是指以LED做为背光源的液晶电视，仍是LCD的一种。,液晶必须借助额外的光源才能发光。目前LCD电视常用的背光源有CCFL(冷阴极荧光灯管，也就是我们常见的日光灯)、LED(发光二极管)、HCFL(热阴极荧光灯管)等几种。其中CCFL是目前最常用的LCD背光源，目前通常也称传统背光源。,led电视 严格意义上的LED电视是指完全采用LED,因此，如果按照背光源的类型来划分LCD电视的种类，即可以分成：CCFL背光源LCD（也即通常所谓的“传统液晶电视”、“LCD”）；LED背光源LCD（也即通常所谓的“LED电视”）；HCFL背光源LCD（适合于较大尺寸电视，可以应用到66英寸产品，市面上较少）；,因此，如果按照背光源的类型来划分LCD电视的种类，即,目前，南昌已经形成LED从研发到生产，再到应用的完整产业链。,晶能光电依托南昌大学开发的硅衬底蓝光LED外延片、芯片技术，打造南昌LED产业园，2019年公司形成年产100亿粒蓝、绿光芯片的产能。,据南昌市政府相关负责人介绍，目前南昌已有联创光电、晶能光电等一批LED企业，初步形成了从研发到生产，再到应用的完整产业链。据报道，维修后的八一大桥以及改造完的阳明路、八一大道，都已使用LED路灯。,目前，南昌已经形成LED从研发到生产，再到应用的完整产业链。,第一章光学测量的基础知识课件,目前实用的发光二极管大多用族半导体材料制成。如磷化镓、砷化镓和磷砷化镓等。,3、目前常用的几种发光二极管及特点：,目前实用的发光二极管大多用族半导体材料制成。如,在磷化镓中掺入锌和氧时，所形成的复合物可发红光，发光中心波长为0.69m，其带宽为0.1m。,当掺入锌和氮时，器件可发绿光，其发光的中心波长为0.565m，而带宽约为0.035m。,1）磷化嫁（GaP）发光二极管,2）砷化镓(GaAs)发光二极管,砷化镓发光二极管的发光效率较高。该二极管发出近红外光，中心波长为0.94m，带宽为0.04m。,在磷化镓中掺入锌和氧时，所形成的复合物可发红光，发光,这种发光二极管的最大优点是脉冲响应快，时间常数约为几十名微秒，所以能产生高频调制的光束，这使它的应用十分广泛。如用于光纤通讯、红外夜视等多种领域中。,3.磷砷化嫁(GaAs1-xPx)发光二极管,当磷砷化嫁的材料含量比不同时，即x内1一0变化，其发光光谱可从0.56m变化到0.91m。所以，可以制成不同发光颜色的发光二极管。,一般取x0.4，于是有0.565m，0.04m。,这种发光二极管的最大优点是脉冲响应快，时间常数约为几,1.2.5 激光光源,一、半导体激光器,它们是以半导体材料作为工作物质的激光器。其结构原理与发光二极管十分类似。,如图为注入式砷化镓激光二极管。将PN结切成长方块，其侧面磨成非反射面、二极管的端面是平行平面，构成端部反射镜。,1.2.5 激光光源一、半导体激光器 它们是以半导体材,半导体激光器体积小，重量轻，寿命长，具有高的转换效率。如砷化嫁激光器的效率可达20，寿命超过一万小时。,半导体激光器是目前最被重视的激光器，它的商品化程度高。随着半导体技术的快速发展，新型的半导体激光器也在不断出现。,目前可制成波长可从0.4m到16m功率可由mw数量级到w数量级的多种类型半导体激光器。,它们可应用于光通讯技术、光存储技术、光集成技术、光计算机和激光器泵浦等领域中。,半导体激光器体积小，重量轻，寿命长，具有高的转换效率,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上，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。,二、激光器的主要用途：,(1)激光用作热源。,金运小型激光打标机加工演示,ESP回顾、激光焊接、简讯,烟台冠金激光切割,激光光束细小，且带着巨大的功率，如用透镜聚焦，可将能,第一章光学测量的基础知识课件,(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，精度很高。,(3)激光通讯。,(4)受控核聚变中的应用。,将激光射到氘与氚混合体中，激光所带给它们巨大能量，产生高压与高温，促使两种原子核聚合为氦与中子，并同时放出巨大辐射能量。由于激光能量可控制，所以该过程称为受控核聚变。,视频,(2)激光测距。激光作为测距光源由于方向性好、功率,1.3 光学测量中的常用光电探测器,1.3.1 常用光电探测器分类,凡是能把光辐射量转换为电量的探测器，都称为光电探测。,从物理效应通常分为两类：,1.3 光学测量中的常用光电探测器1.3.1 常用光电探测,第一章光学测量的基础知识课件,温差电效应,由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。光照射结点产生温差变化也能造成温差电效应。,温差电效应根据具体作用原理及表现形式，有赛贝克效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应三种。目前主要应用前两个效应，赛贝克效应应用在半导体温差发电技术上面，而帕尔贴效应应用在半导体致冷。,塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。,温差电效应 由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素,温差电制冷：如红酒柜、啤酒机、小冰箱等，由于其制冷效果没有压缩机制冷效果好，并且最好的制冷温度也在0度左右，所以还不能取代冰柜、冰箱。温差发电：可以做一些热水发电，汽车尾气发电，还有一些工业废热发电，这些还只在实验室研究，目前转换效率较低，还未能应有到实际当中。,两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应（PeltierEffect）。帕尔帖效应可以视为塞贝克效应的反效应。通常将塞贝克效应称为热电第一效应，帕尔帖效应称作热电第二效应，汤姆逊效应则称作热电第三效应。帕尔帖效应是法国科学家珀尔帖于1834年发现的。,温差电制冷：如红酒柜、啤酒机、小冰箱等，由于其制冷效果没有压,一、光子探测器,在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。,在众多的光电子效应中，只有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛的应用。,一、光子探测器 在光电探测器的发展中，最受重视的是入,基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后器件材料中的电子能逸出材料表面，这种器件称为外光电效应器件。,基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件。在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。,内、外光电效应及器件的区分,1）外光电效应及器件,2）内光电效应及器件,思考题：简述内外光电效应的区别，列举一些常用的利用内光电效应和外光电效应的器件。,基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能,1）光电子发射探测器,利用外光电效应。,a)基本物理原理：入射辐射的作用下，电子从光电阴极表面发射到周围的空间。,产生光电子发射所需要的光电能量取决于光电阴极的溢出功。因而存在长波限。,b)主要器件有：真空光电管、充气光电管和光电倍增管。,其中应用最广的是光电倍增管，它内部有电子倍增系统，有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。,1）光电子发射探测器利用外光电效应。a)基本物理原理：入射,光电倍增管,工作原理：,K为光电阴极，D为聚焦极，它与阴极共同构成电子光学聚焦系统，将光,电阴极发射的电子会聚成束，并通过膜孔打到第一倍增极D1上。,DlD10为倍增极(打拿极)，所加电压逐级增加(每一级约80150V)，a为收集电子的阳极。,光电倍增管工作原理：K为光电阴极，D为聚焦极，它与阴,在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场作用下，又打到第二倍增极处，又引起更多的二次电子发射，此过程一直继续到D10。最后，经倍增的光电子被阳极a收集而输出光电流，在负载RL上产生信号电压。,若用n表示第n级的二次发射系数，即：,显然n的物理意义为：第n级倍增极每一个入射电子所能产生的二次电子的倍数。,在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子,假设共有n个倍增极，且各级性能相同，则光电倍增管的电流增益M为:,iA：阳极电流,iK：阴极电流,f：第一倍增极对阴极发射电子的收集效率；,g：各倍增极间的电子传递效率；,假设共有n个倍增极，且各级性能相同，则光电倍增管的电,2）光电导探测器,它是应用最广泛的光电子效应。,（1）基本物理原理：入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对(本征光电导)、自由电子或空穴(非本征光电导)，从而使半导体材料的电导增加。,本征型:足够能量的光子使电子进入导带，同时，在价带中产生空穴，在电场作用下电子和空穴同时参与导电，使得电导增大。,光子的能量至少要和禁带宽度一样，因此：,2）光电导探测器它是应用最广泛的光电子效应。（1）基本物理原,非本征光电导的长波限是：,所以本征光电导体的长波限0(也称截止波长)是：,或者：,非本征型：在纯净的半导体材料中掺入杂质后，增加了受主和施主两个能级。,能量足够大的光子使施主能级中的电子和受主能级中的空穴跃迁到导带或者价带，从而使电导增加。,非本征光电导的长波限是：所以本征光电导体的长波限0(也称截,（2）光电转换规律,如图为光电导探测器的简单模型，假设为n型。,VA表示外加偏压，RL为负载电阻，L、w、d为样品的几何尺寸。,设光功率为P的光辐射沿x方向均匀入射。如果光电导材料的吸收系数为，表面反射率为R。那么产生的光电流Ip为：,（2）光电转换规律 如图为光电导探测器的简单模型，假设,P：入射光功率,P：入射光功率,a)硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)是在可见光范围内使用最广泛的光电导器件。主要用作光敏电阻。,缺点:响应慢，只适用于直流和低频光探测。,（3）常用光电导器件：,单晶型光敏电阻:不但对可见光灵敏，而且对x、射线也灵敏，但受光面较小；,多晶型光敏电阻:受光面可以做得较大。,a)硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)是在可见光范围内使,b)用于红外光电导探测器的材料有铅盐薄膜类，如硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)、Hg1xCdxTe、PblxSnxTe等。,通过调节组分比例，可工作在3个大气窗口13m，35m，814m。,光电导探测器应用的电路如图所示。入射辐射使光电导探测器的电导发生变化，从而在负载两端产生正比于入射辐射的信号。,（4）偏置电路：,b)用于红外光电导探测器的材料有铅盐薄膜类，如硫化铅,光敏电阻制作的公用电话标志灯控制电路,应用示例,光敏电阻制作的公用电话标志灯控制电路应用示例,3)光伏探测器,属内光电效应，是半导体受光照射产生电动势的现象。它与光电导效应不同之处，在于需要一种将正、负载流子在空间上分离的机制内部势垒。通常用p-n结来实现这种效应。,P-n结产生光伏效应的原理：,当入射光在pn结附件产生电子空穴对时，光生载流子受在内建电场的作用下，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。,如果在外电路中把p区和n区短接，就产生短路信号电流；假如外电路开路，则光生电子在n区积累，光生空穴在p区积累，两端便产生电动势。,3)光伏探测器 属内光电效应，是半导体受光照射产生电,在不加偏置电压下也能工作，此时即为通常所说的光电池。,主要特点:是工作时不需外加偏压，接收面积大，使用方便；缺点是响应速度低。,光电池除了作为光电探测器应用外，还可作能源。如太阳能电池等。,如果上述结型光伏探测器在反向偏压下工作，则入射辐射会使反向（光）电流增加，此时即为通常所说的光电二极管。,在不加偏置电压下也能工作，此时即为通常所说的光电池。主要特点,第一章光学测量的基础知识课件,第一章光学测量的基础知识课件,产品介绍:该产品可为笔记本电脑、手机、数码相机、MP3、MP4等产品供电或充电使用。此产品由于采用了锂聚合物电池，所以具有循环寿命高于一般电池，重量轻，安全性能高等优点。另外此产品除了采用市电充电方式之外还采用太阳能充电方式，可以在有太阳光的地方随时随地充电。一、主要规格/特殊功能：1、适用于笔记本电脑、手机、数码相机、MP3、MP4等产品。2、精巧细致，时尚美观。3、体积小，重量轻，携带方便。4、该产品的输入输出端孔不同，避免了使用中产生的插头插错问题。5、智能保护芯片：过充电，过放电，过载，短路和剩余容量指标。6、该产品具有五个输出口，一个USB输出口，四个DC输出口。为了避免插错，四个DC输出口用颜色区分：蓝色标贴输出口11.1V，绿色标贴输出口16V，黄色标贴输出口19V，红色标贴输出口：24V。,产品介绍:,二、产品参数1、容量：12000mAh/3.7V(锂聚合物电池)2、太阳能板功率：16V/2.5W3输入电流：800mA输入电压：12.6V直流4输出电压：5.5V、11.1V、16V、19V、24V的直流输出电流：500mA4000mA5、重量：815g三、输出端的用途USB输出：主要为各种手机或数码相机等产品提供电源DC11.1V:主要为适配器为12V的笔记本电脑等与之电压相对应的产品提供电源。DC16V主要为适配器为16V的笔记本电脑等与之电压相对应的产品提供电源。DC19V主要为适配器为19V的笔记本电脑等与之电压相对应的产品提供电源。DC24V主要为适配器为24V的笔记本电脑等与之电压相对应的产品提供电源。,二、产品参数,第一章光学测量的基础知识课件,如果在上述结型光伏探测器的p型和n型半导体之间加入一个本征区域，可制成pin结光电二极管。,与同样材料的p-n结光电二极管相比，pin结光电二极管的频率响应和效率都要好。,应用：光电二板管制作的抽屉防盗报警器,IC选用KD9561型四声模拟报警器音响集成块。,如果在上述结型光伏探测器的p型和n型半导体之间加入一,位置敏感探测器（PSD）,是一种能检测光电位置，常作为与发光源组合使用的位置传感器广泛使用。也称为坐标光电池。,有两种：一维PSD和二维PSD。,一维PSD用于测定光电装置的一维坐标位置；二