31光学系统与探测器
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• 1）光电池
• 光电池是一种特殊的半导体二极管，在光的照射下产生电 动势（光生伏特效应），能将可见光转化为直流电。引起 光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子
• 常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。 主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。
• 太阳能电池可以直接把太阳能转变为电能。应用在人造地 卫星、灯塔、无人气象站等处
• 主要分为五种类型： • 1.光电子发射器件 • 利用光电阴极材料的外光电效应，探测光
子，并转换为电流 • 光电管、光电倍增管 • 主要用于探测弱辐射目标、响应速度快：
激光测距、光雷达
• 2.光电导器件
• 利用感光材料的光电导效应
• 硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻：可见光
• 硫化铅PbS光敏电阻：近红外1.0~3.5μm波段（第一个大 气红外窗口），峰值响应波长2.4μm
• 光电二极管是在反向电压作用下工作。没有光照 时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗 电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后， 把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣 脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载 流子。
• PN型：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性 图像传感器、分光光度计、照相机曝光计
• 照相物镜是将物体的像成像在感光底片或 光电探测器靶面上。
• 照相物镜的光学特点：照相物镜是同时具 有大相对孔径和大视场的光学系统
• 主要光学特性参数：焦距f′ 、相对孔径 D/f′）、视场角2ω 、 F数
• 4.放映物镜和投影物镜
• 在成像关系方面相当于倒置使用的照相物 镜
• 主要光学特性参数：相对孔径D/f′、视场角 2ω、放大倍率β
• 发射键型（使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半 导体）：主要用于紫外线等短波光的检测
• 雪崩型（APD）（在以硅或锗为材料制成的pn结 上加上反向偏压后，射入的光被pn结吸收后会形 成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩” ，即光
电流成倍地激增的现象，提高了检测灵敏度，增 益可达102~103响应速度非常快，具有倍速作用， 硅管约为0.5~1.1ns，频率响应可达几千赫兹，光 电倍增管的窄脉冲响应很好，但0.8~1.1 μm 区域 APD更好）：可检测微弱光、高速光通信、高速
• PIN型（光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很 低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达 到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。 由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征 （Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成 为PIN光电二极管）：高速光的检测、光通信、 光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真
• 锑化铟InSb光敏电阻：中红外3~5μm （第二个大气红外 窗口）
• 碲镉汞Hg0.8Cd0.2Te光敏电阻：8~14μm远红外（第三个 大气红外窗口），峰值响应波长10.6μm （和CO2激光器 激光波长匹配）
• 主要用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、 红外光谱系统等
• 3.光伏探测器
光检测、激光测距仪、共焦显微镜检查、视频扫 描成像仪、 高速分析仪器、自由空间通信、紫外
线传感、分布式温度传感器
• 3）光电三极管 • 光电晶体管类似普通晶体管也有电流放大作用。
只是它的集电极电流受光的控制，不只是受基极 电路的电流控制。 • 管型为NPN型，集电极加正电压，集电结为反偏 置，发射结为正偏置，集电结为光电结当光照到 集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入， 同时在集电极电路产生了一个被放大的输出电流 Ic[=Ie=(1+β)Ip)]，β为电流放大倍数。 • 在一定的光强范围，输出电流与入射光强成线性 关系，入射光强变化3~5个数量级时光电流明显 非线性
• 评价参数相互关系：
• 5.光机扫描器
• 许多大空间区域的目标搜索或成像的光电 系统，光电探测器的靶面尺寸小，不能满 足瞬时视场的要求，通常采用光学机械扫 描方法成像
• 扫描方式分类：平行光束扫描、会聚光束 扫描
• 平行光束扫描
• 会聚光束扫描
• 常用光机扫描器
2：光电探测器
• 能接收光学系统的光能信息，并将光信号 转换为电信号的器件
• 2.望远物镜的光学特性 • 望远系统用于观察远距离物体。 • 光电望远系统是把光电探测器置于望远物
镜的像方焦平面处
• 望远物镜的光学特点：小视场、小孔径、 长焦距
• 主要光学特性参数：相对孔径D/f′、视场角 2ω、放大倍率、空间分辨率（工作距离）、
• 评价参数相互关系：
• 3.照相物镜的光学特性
• 光电池工作时不需要外加偏压，其短路光电流与入射光功 率成线性关系（做探测用时，负载电阻要很小，接近短路 状态，线性度也好）；开路电压与入射光功率呈对数关系。
• 2）光电二极管
• 光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样， 由一个PN结组成，也具有单方向导电特性。但它 不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的 光电传感器件
3.1光学系统与探测器
1：光学系统
• 是光电系统中获取目标光信息的组成部分。 • 两大类： • 能量传输系统：收集或传输目标的光能量
信息。主要用于光度测量 • 图像传输系统：摄取目标的图像信息
• 光学系统的基本特性
• 数值孔径（NA）或相对孔径（D/f′）、线视 场或视场角（2ω）、系统横向放大率 （β）、焦距（f′）、入瞳直径（D）、出 瞳直径（D′）
• 1.显微物镜的光学特性 • 显微镜是用来观察近距离微小物体的光学系统。 • 传统目视显微镜由显微物镜和目镜组成
• 光电显微系统是由显微物镜成一次像，通过光学 接口把物镜一次像成于光电探测器的靶面
• 显微物镜特点：短焦距、大孔径、小视场
• 主要光学评价参数：放大倍率β、数值孔径NA、 焦距f′
• 评价参数相互关系：
• 4.热探测器
• 热探测器利用红外辐射的热效应。当热探 测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温 度升高，使敏感元件的相关物理参数发生 变化，通过对这些物理参数及其变化的测 量就可确定探测器所吸收的红外辐射。
• 常用热探测器：热敏电阻、热电偶与热电 堆、热Baidu Nhomakorabea电探测
• 光电池是一种特殊的半导体二极管，在光的照射下产生电 动势（光生伏特效应），能将可见光转化为直流电。引起 光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子
• 常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。 主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。
• 太阳能电池可以直接把太阳能转变为电能。应用在人造地 卫星、灯塔、无人气象站等处
• 主要分为五种类型： • 1.光电子发射器件 • 利用光电阴极材料的外光电效应，探测光
子，并转换为电流 • 光电管、光电倍增管 • 主要用于探测弱辐射目标、响应速度快：
激光测距、光雷达
• 2.光电导器件
• 利用感光材料的光电导效应
• 硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻：可见光
• 硫化铅PbS光敏电阻：近红外1.0~3.5μm波段（第一个大 气红外窗口），峰值响应波长2.4μm
• 光电二极管是在反向电压作用下工作。没有光照 时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗 电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后， 把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣 脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载 流子。
• PN型：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性 图像传感器、分光光度计、照相机曝光计
• 照相物镜是将物体的像成像在感光底片或 光电探测器靶面上。
• 照相物镜的光学特点：照相物镜是同时具 有大相对孔径和大视场的光学系统
• 主要光学特性参数：焦距f′ 、相对孔径 D/f′）、视场角2ω 、 F数
• 4.放映物镜和投影物镜
• 在成像关系方面相当于倒置使用的照相物 镜
• 主要光学特性参数：相对孔径D/f′、视场角 2ω、放大倍率β
• 发射键型（使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半 导体）：主要用于紫外线等短波光的检测
• 雪崩型（APD）（在以硅或锗为材料制成的pn结 上加上反向偏压后，射入的光被pn结吸收后会形 成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩” ，即光
电流成倍地激增的现象，提高了检测灵敏度，增 益可达102~103响应速度非常快，具有倍速作用， 硅管约为0.5~1.1ns，频率响应可达几千赫兹，光 电倍增管的窄脉冲响应很好，但0.8~1.1 μm 区域 APD更好）：可检测微弱光、高速光通信、高速
• PIN型（光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很 低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达 到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。 由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征 （Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成 为PIN光电二极管）：高速光的检测、光通信、 光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真
• 锑化铟InSb光敏电阻：中红外3~5μm （第二个大气红外 窗口）
• 碲镉汞Hg0.8Cd0.2Te光敏电阻：8~14μm远红外（第三个 大气红外窗口），峰值响应波长10.6μm （和CO2激光器 激光波长匹配）
• 主要用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、 红外光谱系统等
• 3.光伏探测器
光检测、激光测距仪、共焦显微镜检查、视频扫 描成像仪、 高速分析仪器、自由空间通信、紫外
线传感、分布式温度传感器
• 3）光电三极管 • 光电晶体管类似普通晶体管也有电流放大作用。
只是它的集电极电流受光的控制，不只是受基极 电路的电流控制。 • 管型为NPN型，集电极加正电压，集电结为反偏 置，发射结为正偏置，集电结为光电结当光照到 集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入， 同时在集电极电路产生了一个被放大的输出电流 Ic[=Ie=(1+β)Ip)]，β为电流放大倍数。 • 在一定的光强范围，输出电流与入射光强成线性 关系，入射光强变化3~5个数量级时光电流明显 非线性
• 评价参数相互关系：
• 5.光机扫描器
• 许多大空间区域的目标搜索或成像的光电 系统，光电探测器的靶面尺寸小，不能满 足瞬时视场的要求，通常采用光学机械扫 描方法成像
• 扫描方式分类：平行光束扫描、会聚光束 扫描
• 平行光束扫描
• 会聚光束扫描
• 常用光机扫描器
2：光电探测器
• 能接收光学系统的光能信息，并将光信号 转换为电信号的器件
• 2.望远物镜的光学特性 • 望远系统用于观察远距离物体。 • 光电望远系统是把光电探测器置于望远物
镜的像方焦平面处
• 望远物镜的光学特点：小视场、小孔径、 长焦距
• 主要光学特性参数：相对孔径D/f′、视场角 2ω、放大倍率、空间分辨率（工作距离）、
• 评价参数相互关系：
• 3.照相物镜的光学特性
• 光电池工作时不需要外加偏压，其短路光电流与入射光功 率成线性关系（做探测用时，负载电阻要很小，接近短路 状态，线性度也好）；开路电压与入射光功率呈对数关系。
• 2）光电二极管
• 光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样， 由一个PN结组成，也具有单方向导电特性。但它 不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的 光电传感器件
3.1光学系统与探测器
1：光学系统
• 是光电系统中获取目标光信息的组成部分。 • 两大类： • 能量传输系统：收集或传输目标的光能量
信息。主要用于光度测量 • 图像传输系统：摄取目标的图像信息
• 光学系统的基本特性
• 数值孔径（NA）或相对孔径（D/f′）、线视 场或视场角（2ω）、系统横向放大率 （β）、焦距（f′）、入瞳直径（D）、出 瞳直径（D′）
• 1.显微物镜的光学特性 • 显微镜是用来观察近距离微小物体的光学系统。 • 传统目视显微镜由显微物镜和目镜组成
• 光电显微系统是由显微物镜成一次像，通过光学 接口把物镜一次像成于光电探测器的靶面
• 显微物镜特点：短焦距、大孔径、小视场
• 主要光学评价参数：放大倍率β、数值孔径NA、 焦距f′
• 评价参数相互关系：
• 4.热探测器
• 热探测器利用红外辐射的热效应。当热探 测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温 度升高，使敏感元件的相关物理参数发生 变化，通过对这些物理参数及其变化的测 量就可确定探测器所吸收的红外辐射。
• 常用热探测器：热敏电阻、热电偶与热电 堆、热Baidu Nhomakorabea电探测