光学辐射探测
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要:近年来,围绕着光电系统开展了各种关键技术研究,以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器(Photodetector)及光电集成电路(OEIC)已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度,高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器,不仅是光通信技术发展的需要,也是实现硅基光电集成的需要,具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向,对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词:光电探测器,Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ,highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用,这主要是基于半导体材料的光生伏特效应,所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
水下光学探测发展综述
一、水下探测技术发展现状光在水中传播,接收器接收的光信息主要由 3 部分组成:从目标反射回来并经水介质光在水中传播,接收器接收的光信息主要由3 部分组成:从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束;光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光;目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。
与大气成像技术相比,水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。
目前主要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果,它们的工作原理和技术特点如下所述。
1 同步扫描成像同步扫描技术是扫描光束(连续激光)和接收视线的同步,利用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。
该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。
如图1,激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器, 同时使用窄视场角的接收器, 探测器与激光扫描装置分开放置,这样使得被照明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少, 从而让后向散射光尽量少地进入接收器中,再利用同步扫描技术, 逐个像素点探测来重建图像,有效地提高成像的信噪比和作用距离。
美国Westinghouse 公司为美国海军生产的一种机械同步扫描SM2000 型水下激光成像系统, 其成像距离是普通水下摄像机的3 ~5 倍,有效视场可达70°,在30m 作用距离上可分辨25mm 量级的图像。
该系统的有效视场大约为距离选通技术的5 倍, 成像质量(即分辨率)也比距离选通好。
图1:2、距离选通技术距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机,以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光,使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。
如图2,采用脉冲激光源照明目标,接收端使用距离选通门,在照射的短脉宽激光的光从目标返回前,相机快门一直关闭,信号光抵达时,快门才打开,这样使得接收器几乎同时接收到整个视场内所有景物的反射光。
太阳紫外辐射光谱的光学多道探测与分析
目前 , 阳紫外辐射探测主要是采用滤 色片式 的分 波段 太
引 言
地球 表面太 阳辐射 由紫外 区的 2 0n 2 8 n 到红外 区的 18 0 0 nf r 构成 , 中紫外( l 其 UV) 波段辐射能量约 占太 阳辐 射总能量 的 3 。 然 UV辐射所 占的 比例很小 , 其强 度 的变化可 虽 但 以导 致极 大的环境效应 和生物效应 。 阳紫外辐射 可分为 三 太
个不同的波段 : UVC(0 2 0r , “ 2 0 8 m) 称 杀菌 区” 基 本 上 i ,
总量测量 , 中一类 为宽波 段 (8  ̄3 5n2的 u 波 段 , 其 2 0 1 n 和 3 5 0 Y uⅥ 波段 ) 带滤 光 片式 的紫外辐 射表 1  ̄4 0nn的 通 ( 如型号为 TB w一 ( z 2的紫外辐射表 ) 该类仪器可用于测量 , UV 和 UMB波段总辐射量_ 。第二类 紫外 辐射探测 仪器 A _ 4 ] 使用 窄带 滤光 片组合 , 可获得更细 的分波段 太 阳紫外 辐射光 谱, 每一分波段带宽在 1 m 左右 。为 了进一 步研 究太 阳紫 0n 外辐 射的生物学效 应 , 特别是研究不 同波 长太 阳紫 外辐 射对 人体细胞 、 组织 的不 同影响 ,需要对太 阳紫外 辐射光谱 进行 更 精确测 量 。冯 志 庆等 [ ,刁 丽军 等[ 6 ] 使用 光 栅 光谱 仪 分 光 、 电倍增管接收 ,测量 了太 阳紫 外辐射 光谱 。使用 光 电 光 倍增 管接收方法 及光 栅 扫描 ,难 以实现 光谱 的同 时实 时探 测 。使用阵列 C D探测器组建 的光学 多道分析 器 ( MA) C O 是 实时快速测量光谱的强有力手段 ,已经在可 见和近 红外波段 得到大量应用[ ] 利 用紫外 响应 C D探测 器可 以构 成紫外 8 。 C 多道式光学多道分析器 , 实现对太 阳紫外 辐射光谱 的实时快
光电探测器技术及其应用
光电探测器技术及其应用在现代科技高速发展的今天,探测器技术作为其中重要的一员,被广泛应用于各个领域。
其中,光电探测器技术不仅在军事、通信、医疗等领域有着广泛应用,还在制药、化工、环保等领域具有不可替代的作用。
本文将围绕光电探测器技术进行探讨,分析其应用前景以及在各个领域中的具体应用情况。
一、光电探测器技术的概述光电探测器技术是指利用光电转换效应将光辐射转化为电信号的一种技术。
其主要由光探头、前置放大器、信号处理器以及输出界面等组成。
光探头主要负责将光辐射转化为电信号,前置放大器则对电信号进行放大处理,信号处理器负责对处理后的信号进行数字化处理,并将其传送至输出界面。
光电探测器技术的发展历程可追溯至20世纪初期。
随着电子技术、信息技术以及光学技术的快速发展,光电探测器技术得到了迅猛的发展。
经历了多年的改进和完善,目前的光电探测器技术已经趋于成熟,具有高速、高精度、高可靠性等优良特性,已经成为现代科技中不可或缺的一部分。
二、光电探测器技术的应用前景随着技术的发展和需求的增长,光电探测器技术在未来的发展前景非常广阔。
以通信领域为例,光纤通信已经成为现代通信的主流方式,光电探测器作为核心光电部件在光纤通信中扮演着极其重要的角色。
随着宽带光网络的兴起,光电探测器技术需求将进一步得到增长。
除此之外,光电探测器技术还具有广泛的应用前景。
例如,在医疗领域中,它可以用于光动力治疗等方面,帮助医生更加精准地完成治疗工作;在军事领域中,它可以用于导航、侦查、预警以及无人机等领域;在环保方面,光电探测器技术可以帮助监测环境中的污染物,从而保护环境。
可见,光电探测器技术具有广泛的应用前景和市场需求,预计其在未来的发展中将持续保持高速的增长态势。
三、光电探测器技术在通信领域中的应用在通信领域中,光电探测器技术的应用相对较多。
其主要是利用光电探测器的高速、高精度等特性,完成光信号转化为电信号的工作。
以光纤通信为例,光电探测器的作用是将经过光纤传输的光信号转化为可用的电信号。
光学 游璞于国萍版 9 光源和光探测器
即是说,其辐射通量为1W时,其光通量 为638lm。
辐照度量与光度量对照表
§2 光源
热辐射光源—太阳、白炽灯、卤钨灯、黑体辐射器
光源
气体放电光源—汞灯、荧光灯、氙灯
固体发光光源—场致发光灯、发光二极管
激光器
气体激光器 固体激光器
半导体激光器
§3 黑体辐射
为什么要研究热辐射?
由于许多常见的辐射源,都是具有一定温度 的热源,所以要研究热辐射。
物体辐射的总能量及能量按波长分 布都决定于温度。
§3 黑体辐射
3.1 热辐射的基尔霍夫定律 实验表明:物体的单色辐出度和单色吸收率之间有 一定的关系。 吸收率大的物体其辐射本领也大。 吸收率小的物体其辐射本领也小。
光视效率V(λ )是用来表示人眼对各种波长光 的 相对灵敏度的物理量。
白天:555nm
夜晚:507nm V( λ )= 1
光谱光视效率
为了客观描述辐射通量引起的视觉强度,引入一 个新的物理量——光通量。
设波长为λ的辐射通量为Φ (λ),对应的光通量为 Φ V (λ),则两者的关系为
Φ V (λ)= Km V (λ) Φ (λ)
在1900年4月27日,开尔文勋爵在英国皇家研究所做了一篇名为 《在热和光动力理论上空的十九世纪乌云》的发言,演讲中开尔 文声称:
动力学理论认为热和光都是运动的方式,现在这一理论的优美和 明晰,正被两朵乌云笼罩着。 —— 开尔文勋爵《在热和光动力理论上空的十九世纪乌云》
开尔文所言的两朵乌云分别是指迈克耳孙-莫雷实验测量的零结 果和黑体辐射理论出现的问题。
一般: 辐射亮度的大小与源面上的位置及方向有关。
单位:[ W / sr .m2]
光谱探测的原理
光谱探测的原理光谱探测的原理光谱探测是一个广泛应用于光学、天文学、化学、生物医学等领域的技术。
通过对光信号进行光谱分析,可以获取关于被测物体的结构、组成、浓度和物理状态等信息。
下面,我们将从光谱成像、原理和应用等方面详细介绍光谱探测技术。
一、光谱成像光谱成像是一种可视化光谱数据的方法。
它不仅可以对单个像素的光谱进行分析,还能够对整个被测样品进行高分辨率成像。
通过光谱成像,可以实现对被测物体结构和组成的空间分布信息的获取。
二、光谱探测的原理光谱探测的原理是物质通过吸收、发射或散射等作用相应地改变了光束的能量,同时又可以通过光谱吸收带、荧光光谱和拉曼光谱等方法进行检测和分析。
其中最常用的是吸收光谱和荧光光谱。
1. 吸收光谱吸收光谱是指物质对特定波长的光的吸收程度。
物质吸收的光能量可以通过比较不同波长的光之间的差异进行分析。
不同的物质在不同波长的光下吸收的强度、位置和形状都不同,因此可以通过光谱分析来确定物质的成分和浓度。
2. 荧光光谱荧光光谱是指物质在受到激发光的激发下,发生自发辐射而产生的光谱。
荧光光谱的不同峰位置和强度可以区分不同的物质,并且可以通过观察它们的波长和强度的变化来获得关于物质在溶液中的位置、结构和组成的信息。
三、光谱探测的应用1. 化学分析化学分析是光谱探测最重要的应用之一。
光谱探测可以被广泛用于针对化学样品的成分分析、纯度检测、结构鉴定等方面。
例如,通过拉曼光谱的应用,结构中的化学键、分子电子所产生的振动信息可以被获取到,且可以通过光谱图谱进行识别。
2. 生物医学光谱探测在生物医学领域有着广泛的应用,主要用于分析和检测生物体组织、生物体液和生物大分子的成分。
例如,拉曼光谱和荧光光谱可以用于分析生物组织中的蛋白质、核酸、多糖等主要成分,进而揭示生物组织在不同生理状态下的可比性。
3. 大气环境光谱探测技术在大气环境研究领域也有着广泛应用。
它可以通过检测吸收光谱和散射光谱的变化,获取关于大气中污染物、气体成份、粒子大小和质量以及辐射等信息。
物理实验技术中的红外光学与红外探测技术
物理实验技术中的红外光学与红外探测技术红外光学与红外探测技术在物理实验技术中起着重要的作用。
红外光学研究了红外光在物质中的传播规律以及与物质相互作用的机制,是研究物质性质和结构的重要手段之一。
而红外探测技术则是利用物质对红外辐射的吸收、发射、散射等特性进行探测与应用。
在物理实验中,我们常用的光学系统主要是针对可见光的,在红外光学中我们需要根据不同波长的红外光进行适配,采用特殊的红外光学材料,以满足实验的需要。
例如,我们可以使用硫化锌(ZnS)或硫化锌锗(ZnSe)等材料来制造红外窗口、透镜等光学元件,以保证红外光的正常传播。
红外光学的研究内容较为广泛,可以包括红外光的传播理论、红外光的传感与检测、红外光与物质的相互作用等。
红外光的传播规律与可见光有一定差异,在实验中我们需要了解这些差异,并进行相应的校正。
同时,红外光在物质中会发生吸收、散射等现象,这些现象对于物质的研究具有重要意义。
例如,红外光可以用于探测化学物质的组成,通过红外光谱分析技术可以确定物质的结构与成分。
红外光谱是红外光学中最常见的实验技术之一。
通过红外光谱的测量,我们可以了解物质内部的振动与转动信息,进而判断物质的结构特征。
红外光谱的测量原理是基于物质的分子振动对红外辐射的吸收与发射。
每种物质的红外光谱都有其独特的特征峰,通过对这些特征峰的分析,我们可以确定物质的组成及其化学结构。
在红外光学实验中,探测技术也是非常重要的一环。
红外光的探测技术主要包括红外焦平面阵列探测器、红外光电探测器等。
红外焦平面阵列探测器具有快速响应、高分辨率等优点,广泛应用于红外成像系统。
而红外光电探测器则可以通过物质对红外辐射吸收后产生的电信号进行探测,进而实现对红外光的测量。
红外光学与红外探测技术在很多领域都有广泛的应用。
例如,红外成像技术在军事、安防等领域中起着非常重要的作用。
通过红外成像技术,可以实现对目标的红外辐射图像的获取与分析,进而获得目标的热分布、形状等信息。
光电检测方法
光电检测方法2.1直接探测2.1.1基本物理过程直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上,由光探测器将光信号直接转化为电流或电压,根据不同的要求,再经后续电路处理,最后获得有用的信号。
一般,光探测器前可采用光学天线,在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。
这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。
信号光场可表示为()cos S E t A t ω=,式中,A 是信号光电场振幅,ω是信号光的频率。
则其平均功率P 为(2.1.1)光探测器输出的光电流为(2.1.2)若光探测器的负载电阻为L R ,则光探测器输出的电功率为(2.1.3)光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。
从而可知,光探测器对光的响应特性包含两层含意,其一是光电流正比于光场振幅的平方,即光的强度;其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。
如果入射信号光为强度调制(TM )光,调制信号为()d t 。
从而得(2.1.4)式中第一项为直流项,若光探测器输出有隔直流电容,则输出光电流只包含第二项,这就是直接探测的基本物理过程,需强调指出,探测器响应的是光场的包络,目前,尚无能直接响应光场频率的探测器。
2.1.2信噪比设入射到光探测器的信号光功率为S P,噪声功率为n P,光探测器输出的信号电功率为P S,输出的噪声功率为P N。
可得(2.1.5)根据噪声比的定义,则输出功率信噪比为(2.1.6)从上式可以看出I.若,则有(2.1.7)输出信噪比等于输入信噪比的平方。
由此可见,直接探测系统不适于输入信号比小于1或者微弱光信号的探测。
II.若,则(2.1.8)输出信噪比等于输入信噪比的一半,即经光—电转换后信噪比损失了3dB ,在实际应用中还是可以接受的。
由此可见,直接探测方法不能改善输入信噪比。
如果考虑直接探测系统存在的所以噪声,则输出噪声总功率为(2.1.9)式中,222NS NB ND i i i ++分别为信号光,背景光和暗电流引起的散粒噪声。
红外探测工作原理
红外探测工作原理红外探测是利用物体辐射的红外波段进行探测的技术。
红外波段是电磁波的一个频段,其波长范围在0.75微米到1000微米之间。
红外探测器一般由光学系统、探测器和信号处理电路三部分组成。
红外光学系统主要包括滤光片和透镜,用于选择特定波长范围内的红外辐射并聚焦到探测器上。
探测器则是将红外辐射转化为电信号的元件。
红外探测器的工作原理可以分为热探测和光电探测两种。
1. 热探测原理:热探测器利用物体辐射的热能来检测红外波段的辐射。
常见的热探测器有热电偶和热释电探测器。
热电偶是利用材料的温度变化产生电势差的原理工作。
当红外辐射通过热电偶材料时,材料吸收红外能量导致温度升高,进而产生电势差。
这个电势差可以通过电路放大并测量,从而得到红外信号。
热释电探测器利用材料在吸收红外辐射时会产生温度变化的原理工作。
热释电探测器中通常使用的材料是氧化物,如锂钽酸盐和锰钒酸盐。
当红外辐射通过热释电探测器时,材料中的电荷会发生变化,进而产生电势差。
这个电势差可以被测量并转化为红外信号。
2. 光电探测原理:光电探测器利用物体在红外波段吸收辐射后电子能级的跃迁来产生电信号。
常见的光电探测器有光电二极管和光敏电阻。
光电二极管是利用半导体材料的能带结构和PN结的特性工作的。
当红外辐射照射到PN结上时,光子会激发电子跃迁到导带,产生电流。
这个电流可以被测量并转化为红外信号。
光敏电阻是利用材料在吸收红外辐射后导电性发生变化的原理工作。
当红外辐射照射到光敏电阻上时,材料的电阻值会发生变化,进而产生电压信号。
这个电压信号可以被测量并转化为红外信号。
综上所述,红外探测器的工作原理基于物体辐射的红外波段特性,利用热能或光电转换的原理将红外辐射转换为电信号,进而实现红外探测。
辐射照度检测实验报告(3篇)
第1篇一、实验背景随着科技的进步和人类对光环境要求的提高,辐射照度作为衡量光环境质量的重要指标,越来越受到重视。
辐射照度检测实验是光学测量技术的一个重要组成部分,通过对辐射照度的测量,可以评估光环境是否满足特定需求,如室内照明、户外照明、摄影等。
本实验旨在通过实际操作,掌握辐射照度计的使用方法,并对实验结果进行分析。
二、实验目的1. 了解辐射照度计的工作原理和结构。
2. 熟练掌握辐射照度计的使用方法。
3. 通过实际测量,了解不同场景下的辐射照度分布。
4. 分析实验数据,评估光环境质量。
三、实验原理辐射照度是指单位面积上接收到的光通量,单位为勒克斯(lx)。
辐射照度计是测量辐射照度的仪器,其工作原理基于光电效应。
当光照射到光电传感器上时,会产生电流,电流的大小与光强度成正比。
四、实验仪器与材料1. 辐射照度计2. 待测场景(如室内、户外、摄影场景等)3. 标准照度板(可选)4. 数据记录表格五、实验步骤1. 熟悉辐射照度计的操作方法,包括开机、设置测量参数、校准等。
2. 选择待测场景,根据实际情况选择合适的测量距离和位置。
3. 将辐射照度计放置在测量位置,启动测量,记录数据。
4. 重复步骤3,至少测量3次,取平均值作为最终结果。
5. (可选)使用标准照度板进行校准,确保测量结果的准确性。
六、实验结果与分析1. 室内场景辐射照度分布实验结果表明,室内场景的辐射照度分布不均匀。
靠近窗户的位置辐射照度较高,远离窗户的位置辐射照度较低。
这可能与室内照明的布局和光源位置有关。
2. 户外场景辐射照度分布户外场景的辐射照度分布相对均匀,但受到天气、时间等因素的影响。
在晴朗的白天,辐射照度较高;在阴天或夜晚,辐射照度较低。
3. 摄影场景辐射照度分布摄影场景的辐射照度分布与被拍摄物体的亮度和光线条件有关。
在光照充足的情况下,辐射照度较高;在逆光或低光照条件下,辐射照度较低。
4. 光环境质量评估根据实验结果,可以评估光环境质量是否满足特定需求。
光电信号检测 光电探测器概述
6. 光学视场
7. 背景温度(红外)
二、有关响应方面的性能参数
1.响应率(响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比,并分 别用RV 和RI 表示,即
hc w (逸出功)
hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管,它的内部有电子倍增系统,因而有很高的电 流增益,能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段:可见光和近红外(<1.25μm) • 特点:响应快、灵敏度高
热探测器的特点: 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2-2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关,所以在给出性能参数时,要注明有关的 工作条件。只有这样,光电探测器才能互换 使用。
1.辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器,特别是光子探测器,其响应是辐射波长的 函数,仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时,一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展,在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要,从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前,光电探测器的另一个发展方向是集成化, 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面,其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来,可实现信息的传输。
水下光学探测发展综述
一、水下探测技术发展现状光在水中传播,接收器接收的光信息主要由3 部分组成:从目标反射回来并经水介质光在水中传播,接收器接收的光信息主要由3 部分组成:从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束;光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光;目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。
与大气成像技术相比,水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。
目前主要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果,它们的工作原理和技术特点如下所述。
1 同步扫描成像同步扫描技术是扫描光束(连续激光)和接收视线的同步,利用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。
该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。
如图1,激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器, 同时使用窄视场角的接收器, 探测器与激光扫描装置分开放置,这样使得被照明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少, 从而让后向散射光尽量少地进入接收器中,再利用同步扫描技术, 逐个像素点探测来重建图像,有效地提高成像的信噪比和作用距离。
美国Westinghouse 公司为美国海军生产的一种机械同步扫描SM2000 型水下激光成像系统, 其成像距离是普通水下摄像机的3 ~5 倍,有效视场可达70°,在30m 作用距离上可分辨25mm量级的图像。
该系统的有效视场大约为距离选通技术的5 倍, 成像质量(即分辨率)也比距离选通好。
图1:2、距离选通技术距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机,以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光,使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。
如图2,采用脉冲激光源照明目标,接收端使用距离选通门,在照射的短脉宽激光的光从目标返回前,相机快门一直关闭,信号光抵达时,快门才打开,这样使得接收器几乎同时接收到整个视场内所有景物的反射光。
红外焦平面探测器原理-概述说明以及解释
红外焦平面探测器原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述红外焦平面探测器是一种具有广泛应用价值的光电探测器,它能够对红外辐射进行高效、高灵敏度的检测和测量。
红外焦平面探测器的原理是基于材料的红外辐射响应特性以及焦平面阵列的工作原理。
红外焦平面探测器在许多领域中具有重要的应用,包括军事、安防、医疗、航空航天等。
它能够实现夜视、目标探测、温度测量等功能,在战争、反恐、火灾救援等工作中发挥着不可替代的作用。
红外焦平面探测器的工作原理是利用材料与红外辐射的相互作用,将红外辐射转化成电信号。
通过光学系统将红外辐射聚焦到焦平面阵列上,每个像素都能够独立地检测和测量红外辐射信号。
这些信号经过放大和处理后,可以得到目标的红外辐射分布情况和强度。
红外焦平面探测器的核心部件是焦平面阵列,它由众多微小的探测单元组成。
这些探测单元通常采用半导体材料,如硅基或砷化镓等。
它们具有很高的响应度和灵敏度,能够在较低的红外辐射强度下实现可靠的探测和测量。
随着红外焦平面探测技术的不断发展,红外焦平面探测器的性能和应用领域也在不断扩展。
新的材料和工艺的应用使得红外焦平面探测器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更广的波段范围。
未来,红外焦平面探测器有望在军事侦察、航空航天探测、医疗诊断等领域取得更多的突破和应用。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写:1.2 文章结构本文主要围绕红外焦平面探测器的原理展开论述,共分为以下几个部分:第二部分:红外焦平面探测器的基本原理这一部分将介绍红外焦平面探测器的基本概念及其组成结构。
首先会对红外辐射的特性进行简要描述,为后续理解红外焦平面探测器的工作原理打下基础。
然后,将详细介绍红外焦平面探测器的组成结构,包括光学系统、红外感光器件等部分,以帮助读者了解其工作原理的关键要素。
第三部分:红外焦平面探测器的工作原理这一部分将深入探讨红外焦平面探测器的工作原理。
首先会对红外焦平面探测器的工作过程进行整体概述,包括信号采集、信号处理等环节。
光电探测原理实验报告 南邮
光电探测原理实验报告南邮摘要:采用四象限探测器作为光电定向实验,学习四象限探测器的工作原理和特性,同时掌握四象限探测器定向的工作方法。
实验中,四象限探测器的四个限区验证了具有完全一样的光学特性,同时四象限的定向具有较良好的线性关系。
关键词:光电定向四象限探测器1、开场白随着光电技术的发展,光电探测的应用也越来越广泛,其中光电定向作为光电子检测技术的重要组成部分,是指用光学系统来测定目标的方位,在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点,因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。
光电定向方式有扫描式、调制盘式和四象限式,前两种用于连续信号工作方式,后一种用于脉冲信号工作方式。
,由于四象限光电探测器能够探测光斑中心在四象限工作平面的位置,因此在激光准直、激光通信、激光制导等领域得到了广泛的应用[1]. 本光电定向实验装置采用激光器作为光源,四象限探测器作为光电探测接收器,采用目前应用最广泛的`一种光电定向方式现直观,快速定位跟踪目标方位。
定向原理由两种方式完成:1、硬件模拟定向,通过模拟电路进行坐标运算,运算结果通过数字表头进行显示,从而显示出定向坐标;2、软件数字定向,通过AD转换电路对四个象限的输出数据进行采集处理,经过单片机运算处理,将数据送至电脑,由上位机软件实时显示定向结果。
本实验系统就是根据光学雷达和光学制导的原理而设计的,利用其光电系统可以轻易、间接地测定目标的方向。
使用650nm激光器搞光源,用四象限探测器表明光源方向和强度。
通过实验,可以掌控四象限光电探测器原理,并观测至红外红外线电磁辐射至四象限探测器上的边线和强度变化。
并利用实验仪展开设计性实验等内容,将光学定向应用领域至各领域中[2]。
2、实验原理2.1、系统了解光电定向是指用光学系统来测定目标的方位,在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点,因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域获得了广为的应用领域。
辐射度量的测量
• 9.1.1 分光装置
• 常用作分光的装置有单色仪、滤光片等。
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9.1 光谱辐射度量的测量
• 单色仪具有较高的光谱分辨率, 能十分方便地连续改变输出光的波长, 所以在测量光谱能量分布变化较大、光源光谱分布有明显的吸收带或 者发射谱线时, 常用它作为分光装置。
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9.1 光谱辐射度量的测量
• (1) 不因放入滤光片而改变光能的传播方向, 因为这种变化往往会给 测量带来误差,尤其是探测器尺寸较小时。 还要注意滤光片放入可能 造成其与其他表面之间的多次反射。
• (2) 滤光片不应有明显的曲率, 否则相当于一个聚光元件, 有可能使通 过滤光片后探测器上的辐照度增加, 使滤光片的“透射比” 大于1。
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9.1 光谱辐射度量的测量
• 同样对于参考波长λr也有相似结果, 故光源的相对光谱分布为
• 在测得单色仪的相对光谱透射比τ(λ)、探测器的相对光谱响应r(λ) 以 及已知单色仪的线色散dλ / dl 时, 即可由输出电压比值V(λ) / V(λ r ), 可对光源的相对光谱能量进行分析。
• 测量前应对单色仪进行波长标定, 否则波长误差会直接导致响应面积 S等的测量误差。
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9.1 光谱辐射度量的测量
• 当线光谱密度或吸收带造成光谱辐射度量随波长变化较大、用单色仪 进行光谱辐射度量测量时, 应当考虑缝宽的影响。 因为出射狭缝处探 测器的读数是光谱辐射度量和缝函数卷积的结果, 如果直接用探测器 读数和波长的关系去求光谱辐射度量, 那么得到的是被狭缝“平滑” 后的结果, 缝的平滑作用随缝宽的增加而增大。
红外线望远镜原理
红外线望远镜原理
红外线望远镜是一种用于探测和观测红外线辐射的光学仪器。
它的原理是利用物体在红外波段发射或反射的红外辐射,通过透镜系统将红外光聚焦在探测器上,再转化为电信号进行处理和分析。
红外线望远镜的透镜系统由一系列特殊的透镜组件组成,这些透镜能够聚集红外光,并通过光学路径将其传播到探测器上。
通常,望远镜的主透镜由反射性材料制成,如金属镜或红外透明的材料。
这样可以有效地避免红外光的吸收或衰减。
在红外线望远镜的光学路径上,一些特殊的滤光器也会被安装,用于屏蔽其他波段的光线。
这些滤光器通常是红外透明的,可以让红外光通过,同时阻挡可见光和紫外光等其他频段的光线。
探测器是红外线望远镜系统中的重要部分,通常采用半导体材料制成。
当红外光聚焦在探测器上时,光子与半导体材料相互作用,产生电子-空穴对。
通过适当的电路将这些电子-空穴对
转化为电信号,可以得到红外辐射的强度和分布等相关信息。
为了提高红外线望远镜的灵敏度和清晰度,通常采用冷却技术来降低探测器的工作温度。
这样可以减少探测器本身的噪声,提高信噪比。
总结来说,红外线望远镜的工作原理是通过光学透镜系统将红外光聚焦在探测器上,然后将红外光转化为电信号进行处理和
分析。
通过这种方式,我们可以观测和研究红外线辐射带来的各种现象和信息。
光子的产生与探测
光子的产生与探测光子是光的基本单位,是光的量子。
光子的产生与探测是光学领域中的重要研究课题,对于深入理解光的性质和应用具有重要意义。
本文将从光子的产生和光子的探测两个方面展开讨论,探究光子在光学中的重要作用。
一、光子的产生光子是光的量子,具有能量和动量。
光子的产生主要有以下几种方式:1. 自发辐射:自发辐射是指原子或分子在激发态自发跃迁到基态时发射光子的过程。
这种过程是随机的,不受外界干扰的影响,是光子产生的基本方式之一。
2. 受激辐射:受激辐射是指原子或分子受到外界光子的激发后,发射与激发光子相同频率、相干相位的光子的过程。
这种过程是光的放大过程的基础,是激光产生的重要原理。
3. 吸收辐射:吸收辐射是指原子或分子吸收光子能量而跃迁到高能级的过程。
在吸收辐射过程中,光子的能量被物质吸收,从而使物质发生相应的变化。
4. 散射:散射是光子与物质相互作用的过程,包括弹性散射和非弹性散射。
在散射过程中,光子的能量和动量可能发生改变,从而产生新的光子。
光子的产生是光学研究的基础,不同的产生方式对应着不同的光学现象和应用。
通过研究光子的产生机制,可以深入理解光的本质和行为。
二、光子的探测光子的探测是指利用各种光学仪器和技术来检测和测量光子的性质和行为。
光子的探测在光学实验和应用中起着至关重要的作用,常见的光子探测方法包括:1. 光电探测:光电探测是利用光电效应将光子能量转化为电子能量的过程。
通过光电探测器可以测量光子的能量、强度和波长等参数,是光子探测中常用的方法之一。
2. 光子计数:光子计数是指利用光子计数器对光子进行计数和统计。
光子计数器可以用于测量光子的数量、分布和时间间隔等信息,广泛应用于光学实验和通信领域。
3. 光子相干性测量:光子相干性测量是指利用干涉和干涉仪器来测量光子的相干性。
通过干涉实验可以研究光子的波动性质和相干长度,对光学干涉现象进行深入探究。
4. 光子成像:光子成像是利用光学成像系统对光子进行成像和观测。
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光学辐射探测的应用——基于红外成像的生命探测仪1光学辐射探测简介光学辐射是波长10nm~1mm之间的电磁辐射,包括紫外光、红外光以及可见光,可见光波长380~780nm,由于光波是电磁波的一种,因而它具有电磁波的基本特性。
以电磁波形式或粒子(光子)形式传播的能量,可以用平面镜、透镜或棱镜之类的光学元件反射、成像或色散,这种能量传播的过程称为辐射。
辐射度学:是一门测量电磁辐射的科学和技术。
在整个电磁辐射波谱范围内,不同波段的辐射能可以用不同的测量方法进行测量[1]。
光辐射探测器是一种用来探测光辐射的器件(军用光学中最常用的是可见光和红外辐射),它通过把光辐射转换成易于测量的电量来实现对光辐射的探测,是光探测系统的重要组成部分。
为了深入研究光辐射的探测过程以及对光探测系统的性能进行正确的分析计算,首先要了解光辐射探测器赖以工作的物理效应、光电转换的基本规律和光辐射探测器的特性参数。
从不同的角度出发可以将光辐射探测器分为不同的类型。
按其是否成像可以分为成像型和非成像型辐射探测器,按工作方式可以分为相干探测和非相干探测,按其反应机理可以分为光子探测器和热探测器,按其结构可分为单元和多元探测器,下面就部分类型进行介绍:热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。
这是一类研究最早并且较早得到实际应用的探测器。
由于其中的相当多探测器不需制冷,以及在全部波长上具有平坦响应两大特点,一直有广泛的应用。
而另外由于其在红外热辐射领域具有较好的大气传输特性,因此,红外热辐射的探测近年已经成为军事及民用发展的重要方向。
2红外热成像技术红外热成像技术最早在军事领域得到广泛应用,并且已经成为军事应用中具有重要战略地位的高新技术手段。
除此之外,红外成像技术还应用于各个方面,比如:应用于卫星的侦查、遥感和预警,对国家安全和经济利益有重大的影响;应用于战场系统中,避免电磁干扰,获取战场信息优势,成为获得胜利的主要技术;服务于飞机、舰艇、车辆的夜间导航与侦查,现代装备大部分装有红外仪器;应用于导弹的精确制导方面,成为重要反坦克导弹和肩射地空导弹发射的热瞄具;广泛应用于海上巡逻与救援、编队航行等方面。
红外热成像技术还应用于国民经济领域。
航天系统中,利用气象卫星等设备进行天气预报,对国民经济有重大影响。
热成像技术不仅能够在灾难发生后进行生命的探测,而且还可以预报地震的发生,利用卫星的红外云图可以发现,地震之前,震区的上空空气的温度会急剧升高,可以判断出这片区域的异常以进行预测。
在工业领域,已应用于输电线、变压器等装置的带电检测和检查炉体的温度分布。
在飞机、轮船、汽车方面的安装,避免了雾天的相撞事故的发生,保证了夜间的行车安全。
随着热成像技术水平的不断提高和科学技术不断发展,必将能应用于更多新领域[2]。
灾后现场环境极为复杂,传统的光学探生仪和声波/振动探生仪极易受到现场浓烟、大火、噪声的影响,以致探测设备受到干扰,不能够很好的完成任务。
红外生命探测仪弥补了这些不足,它不受工作环境照度的影响,不需要附加照明光源,耗电量低、能够连续工作、准确率高,而且能够很好的在黑暗的环境中工作,对于分秒必争的救援工作来说是如虎添翼。
红外生命探测仪通过区别人的辐射特性与周围环境的不同,收集到人体辐射能量,经过光学探测镜头汇聚到红外探测器中,经过信号处理系统转换成可测量的物理信号,然后经成像系统显示出所探测到的图像,由显示器上的图像显示来判别有无生还人员。
通过使用这种仪器,使救援人员对被困生命体的精确位置和周围情况一目了然,可在地震发生后的黑暗环境中探测被埋在废墟中的生命。
美国新蛇眼生命探测仪、德国库玛特可视生命探测仪等都是将红外传感器安装在可弯曲、可延伸的线缆上对救援环境进行采集并转换成视频图像以帮助救援人员进行快速定性检查。
红外生命探测仪与红外热成像技术紧密相连,可以说红外热成像技术决定着红外生命探测仪的先进程度[3][4]。
3红外生命探测仪物体因为自身的温度而向外部发射的能量叫做热辐射,从微观角度来讲,即分子热运动产生的红外辐射。
热辐射的规律是自然界的普遍规律之一,它是研究红外成像生命探测仪的理论和技术基础。
在孤立系统内热辐射的能量可以达到平衡,这是区别热辐射与其他辐射形式的特点。
人体的辐射特性也符合热辐射规律,根据普朗克辐射定律:4w T εσ= (1) 式中ε是人体皮肤的比辐射率(ε≈1); σ为玻尔兹曼常数;T 为人体温度;w 是人体辐射的总能量。
根据维思位移定律,相应于最大辐射强度的波长与绝对温度成反比,近似地以下式表示:002893T t λ=+ (2) 式中λ是辐射波长(μm);T 0为0 C 时相应的绝对温度;t 0是人体温度(C ),正常情况下为37 C 。
人体红外辐射能量较集中的中心波长为 9. 4μm ;人体皮肤的红外辐射范围为 3~ 50μm ;其中8~ 14μm 占全部人体辐射能量的46%,这个波段是我们设计人体红外探测仪的一个重要技术参数。
光学系统将接收到的人体红外辐射能量聚焦在红外传感器上,当人体和接收系统发生相对移动时,接收到的能量发生变化,传感器输出一个变化的信号,这个信号经电路放大、滤波、判别等处理后触发报警和指示。
根据地震救灾的需要,对地震后被埋幸存者采用被动红外探测的方案,其设计方框图如图1所示。
图1 红外生命探测仪的工作流程图对红外探测仪器的性能估算,采用噪声等效温差方程式作为设计的依据: 452 1.4410/228*1()()()1.3510T t T e f f NETD T AD D D λλελλη⨯-∆=∆=⨯∆ (3) 式中t λ为传输路径透过率,AD 为探测器面积,f 为光学系统焦距,f ∆为放大器带宽,η为由于遮档或滤光作用引起的实际几何面积差,λ为辐射源波长,λ∆为辐射源的带宽,ε为辐射体的发射率,D 为光学系统通光孔径,T 为辐射源温度。
从上述的一般系统性能方程式( 3) 可以看出,为了使仪器获得很高的灵敏度和很小的NETD ,就需要:( 1) 利用长波红外探测。
这里探测的是人体辐射的中心波长λ= 9. 4μm ,已确定。
( 2) 尽量减少传输路线上的损失,即t λ要大。
( 3) 利用尽可能宽的光谱带,以提高光学效率。
根据人体皮肤红外辐射范围,8~ 14μm 的光谱集中了全部辐射能量的46%,因此选取λ∆= 8~ 14μm 这段光谱最为合适。
( 4) 辐射体的发射率要大。
由于辐射体是人,人体皮肤的发射率(比辐率) 不论肤色如何,都接近于1,在温度36 C 时为0. 98,也已确定, 所以取ε= 1。
( 5) 减少光路上遮档面积,提高透过率,即η要小。
( 6) 尽量窄的电路带宽,f 要小。
( 7) 采用高探测效率( D *) 的探测器,探测器面积尽量大,并与辐射体聚焦的像相匹配。
( 8) 光学系统相对孔径要大。
在设计时,重点是探测器的选择、光学系统及电子线路的设计。
3.1 传感器选择传感器是红外探测系统的眼睛,根据地震救灾现场使用条件,应采用常温工作的红外传感器。
因其探测目标是人体,需选取常温长波红外探测器,它具有较高灵敏度。
选用SD02 -CH -1 型双元PZT 热释电红外传感器可以在很宽的光谱范围内得到响应,其灵敏度达10- 10W 入射通量,敏感波长8~ 14μm,适合红外生命探测。
这种双元PZT 热释电传感器有两个敏感元件,相互反极性串联连结,任何相继穿越两个敏感元件的入射能量皆使接收器产生正、负两个信号,而这两个输出信号的峰) 峰值电压在很宽的范围内变化,由于两块晶体的极性相反,故产生的电压相互抵消,使任何同时入射在两元件上的能量不会产生输出信号,所以双元件接收器能避免虚报,具有很强的抗干扰能力。
3.2 光学系统参数设计在红外系统中,光学系统的功能是尽可能多地收集辐射能量而又使噪声最小。
HSY - 1型红外生命探测仪对光学系统的要求如下:探测距离最远15 m;探测面积1700 mm×500mm(以人体为目标),接收敏感面尺寸为2×1( mm) 。
根据这些要求可选定下列参数:( 1) 光学系统视场2 W = 1. 9( 2) 光学系统焦距f:为了使探测目标(人体)的聚焦像与传感器敏感面尺寸相匹配,以便获取最大的接收能量,选定f = 30 mm( 3) 光学系统通光孔径D:由于光学系统安装在红外传感器的前面,要求能深入到地下,因此光学系统透镜的直径不能太大,这里选取 D = 30 mm。
( 4) 透镜结构形式的选择:由于上面已确定了光学系统的焦距f = 30 mm,孔径D = 30mm,相对孔径D / f = 1,采用一般的透镜结构,必然会复杂化。
在这里采用多元列阵结构的菲涅尔透镜,在保证同样大的总孔径和焦距的情况下,使每个小透镜简化为平凸透镜,而使探测的视场带数大大增加,同时也使探测视场扩大到55 ,这对于人体的探测是很有利的。
( 5) 透镜材料的选择:HSY -1 型红外生命探测仪的工作波长是8~ 14μm,为长波红外段,一般光学玻璃是无法透过的,需要采用价格昂贵的晶体。
由于采用了菲涅尔透镜的结构,使透镜简单化,故采用模压红外塑料透镜,使透镜重量及造价得以降低。
3.3 电子线路设计由于红外传感器产生的原始信号是微弱的,必须经过放大和处理,才能推动报警装置。
一个健康人的能量辐射约为10~ 100 W,其能量密度与距离的平方成反比。
要求探测距离15 m,则射入到受光面积很小的接收器上,能量也就非常微弱了。
要很好地探测人体辐射的红外线,除采用“光学增益”外,必须将传感器输出的信号放大。
在HSY- 1 型红外生命探测仪中,在通光孔径为30 mm 的情况下,一般采用的放大倍数约60~ 80 dB。
这里选取放大倍数为80 dB。
PZT 热释电红外传感器输出的电信号是接近直流的低频信号,同时在地震救灾中探测被埋在废虚中的幸存者时,探头移动是缓慢而平稳的,为了提高信噪比,要求电路带宽为0. 1~10 Hz。
红外传感器( PZT) 产生的信号由前置放大器源极输出到第一级运算放大器的同相端,这是一个有源低通滤波低噪声放大器,放大倍数为40 dB。
第二级为有源带通滤波放大器,其放大倍数为42 dB,总的带宽为0. 1~ 10 Hz。
放大后的信号送入窗口比较器判别后,再送入驱动器,开启声、光报警和指示器,指示发现被埋目标[5][6]。
4 总结本文主要介绍了光学辐射探测、红外热成像技术以及其应用——红外生命探测仪,其中主要介绍了红外生命探测仪的原理、工作流程以及生命探测仪设计的基本要求。
参考文献:[1] Kun-Mu Chen,Devenora Misra,Huei Wang. An X-Banc Microwave Life-Detection System[J].IEEE Transactions On Biomedical Eegineering,1986,33(7):697-701. [2] Jeongwoo Han,Cam Nguyen.Development of a Tunable Multiband UWB Radar Sensor and Its Applications to Subsurface Sensing[J].IEEE Sensors Journal,2007,7(1):51-58.[3] 姚振静,高韬.震后生命探测技术研究综述[J].传感器与微系统,2011,30(12):8-10.[4] 孙黎明.基于红外成像的生命探测仪设计与研究[D].燕山大学精密仪器及机械专业硕士学位论文,2012.[5] 刘良刚,詹碧燕,俞飞鹏.红外生命探测仪的研制及试验[J].地壳形变与地震,1999,19(3):82-86.[6] 王瑞凤,杨宪江,吴伟东.发展中的红外热成像技术[J].红外与激光工程,2008,37:699-702.。