第一章光电实际检测实施技术基础
第一章 光电信息技术物理基础_§1.1理论基础
原子能级和结晶格能带之比较
(4)导体内的能带 以金属钠(Z=11)为例(如图)
空 带
半满带
3p
与1s 、2s 和 2p 原子能 级对应的能带:完全填满。 但 3s 能带:仅有一半被填 充。在外界电场的作用下,获 得额外的少许能量就可到能带 内附近许多空的状态去,形成电
3s
2p 2s
满 带 钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
U
UT
1)
)
当I = 0时,可以确定开路光电压Voc为
式中为Isc短路电流。
光生伏特效应的应用: (1)太阳电池;(2)光电探测 器件。
$1.1.5 热释电效应
热释电效应:某些晶体的电极化强度随温度变化而变化, 从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。 此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。 某些晶体内正负电荷中心并不重合,有一定的电矩,其表 面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变 化时,由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷,从 而表现出热释电效应。
(2)杂质的电离能小于禁带宽度。
另外,因杂质原子数目少,所以杂质光电导效应
相对本征光电导来说也微弱得多。
掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线图 光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显,表示本征光电导开始。在 本征光电导长波限左边(光子能量小于锗禁带宽度)的某一波长处曲线 迅速下降,这就是杂质光电导的长波限。此处光子能量为杂质电离能。
(b)n 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价 杂质元素(如磷、锑、砷等),即构成 N
型半导体(或称电子型半导体)。
每掺入一个杂质原子,就有一个额外电子。这些额外的电 子占有恰在导带下方的某些分立的能级 。
第一章-光电概论
第一节 信息技术与光电测试技术
第二节 光电测试系统的组成 第三节 光电测试技术的展望及其特点
人类社会赖以生存的三大基础要素是物质、能量和信息。物质是基础,能量 是物质运动的动力,而信息作用于物质和能量并与人的主观认识相结合,使 人们能很好地认识物质与能量,并推动物质的发展和能量的运动。
二、检测技术在日常生活中的应用
家用电器: 数码相机、数码摄像机:自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯:亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲:温度检测---热敏电阻、热电偶 电话、麦克风:话音转换---驻极电容传感器 遥控接收:红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话:图像获取---面阵CCD 办公商务:扫描仪:文档扫描---线阵CCD 红外传输数据:红外检测---光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生: 数字体温计:接触式---热敏电阻,非接触式---红外传感器 电子血压计:血压检测 --- 压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器
三、检测技术在军事上的应用
美军研制的未来单兵作战武器
夜视瞄准机系统:非冷却红外传感器技术 激光测距仪:可精确的定位目标。
四、检测技术在国防领D 1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达) 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统 监测系统: 探测和发 现敌人导弹的发射并追 踪导弹的飞行轨道; 拦截器:能识别真假 弹头,敌友方
信息技术包括电子信息技术、光学信息技术和光电信息技术等。电子信息技 术是以电子学方法来实现信息获取、加工、处理、传输、存储和显示的技术, 在电子信息技术中目前最热而且影响最广泛的是微电子技术,它是通过控制 固体内电子微观运动来实现对信息的加工和处理,即对信号处理与信号传播 都在微小尺寸内进行,也就是在微小的芯片上集成出来的。
光电系统设计(第一章、绪论)
光电系统应满足预定的功能要求,包括光信号的输入、转换、传输和输出等。
功能性原则
高效性原则
稳定性原则
可维护性原则
光电系统应具有较高的能量转换效率和信号传输质量,以减少能源浪费和信号失真。
光电系统应具有稳定的性能,能够适应不同的环境条件和工作状态,保证系统的可靠性和稳定性。
光电系统的设计应便于安装、调试、使用和维护,降低系统的生命周期成本。
利用光电系统的非接触、高精度测量等优点,实现工业自动化、环境监测等领域的高精度测量和控制系统。
传感领域
0
利用光电系统的无创、无痛等优点,实现医学影像、生物组织检测等领域的光学仪器和设备。
医疗领域
0
利用光电系统的光谱分析、荧光分析等技术,实现食品安全、环境保护等领域的高灵敏度检测系统。
检测领域
0
光电系统的应用领域
光电系统设计(第一章、绪论)
TITLE
演讲人姓名
Ⅰ
contents
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Ⅱ
绪论 光电基础知识 光电系统设计基础 光电系统的性能指标 光电系统的应用案例
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目录
绪论
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光电系统概述
光电系统的基本组成
光电系统通常包括光子发射器、光子探测器、光子传输通道和信号处理电路等部分。
光电材料与器件的分类
03
光电材料与器件的发展趋势
随着科技的发展,光电材料与器件在性能和集成度方面不断提升,未来将有更多的创新和应用。
01
光电材料分类
光电材料包括无机材料、有机材料和复合材料等类型。
02
光电器件分类
光电器件包括光电管、光电倍增管、光电二极管和光电晶体管等类型。
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大,如温度、湿度、光照等,可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵,对于一些小型企业和实验室而言,购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能,操作和维护需要专业人员,限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大,对数据的解读和分析需要较高的专业水平,增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术,具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数,在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用,能够实现高精度的测量,尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料,降低环境因素对检测结果的影响,提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合,如物理学、化学、生物学等,拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产,降低光电检测设备的成本,促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛,例如在自动控制系统中用于检测光束的通断,在测量领域用于检测物体的位置和尺寸,在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成,其中光电器件是核心部分,其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术,具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数,在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
优选ch光电检测技术基础Ppt
由辐射表面定向发射的辐射强度。 Le= dΙe/(dA·cosθ)
单位面积内所接收到的辐射通量。 Εe= dΦe/dA
单位
焦耳(J) 焦耳/ 米3
(J/m 3)
瓦特(W)
瓦/平方米 (W·m-2)
瓦/球面度 (W·sr-1)
瓦/球面度平 方米 (W·sr1·m-2)
如:激光器
L
S cos
1010W /( sr m2 )
太阳的辐射亮度只有3*108W/(sr.m2)
第三十三页,共73页。
1.2 半导体物理基础
电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。 一、半导体的特性
半导体特性
电阻温度系数是负的,对温度变化敏感。
导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。 半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发
生显著的变化。
常见半导体材料有:
元素半导体:硅、锗、硒
化合物半导体:GaAs、铝砷化镓、InSb,CdS,PbS 氧化亚铜的氧化物:砷化镓-磷化镓固熔半导体
有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体
半导体器件:利用半导体的特殊电学特性制成的器件
第三十四页,共73页。
二、能带理论
1.2 半导体物理基础
晶体:原子(粒子)以一定的周期重复排列所构成的物体
晶体中电子的共有化:原子之间距离很近,致使离原子核较远的电子 轨道发生交叠,使电子不再属于某个原子,有可能转移到相邻原子及 更远的原子壳层上去,成为整个晶体所共有
电子只能在能量相同的量子态之间转移 N个原子排列成晶体时,原来分属于N个原子的相同能级必须
光通量 (lm流明)
光电检测技术复习(汇总)
4
我的老师说过:光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
4
基本特性 光敏电阻的基本特性参数包括光电特性、 伏安特性、 温度特性、 时间响应、 光谱响应等。 1) 光电特性--电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏 定义光敏电阻 γ 值时必须说明其照度范围,否则 γ 值没有实际意义。 光敏电阻的 γ 值反映了在照度范围变化不大或照度 的绝对值较大甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值 与照度的关系。 2) 温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件,具有复杂 的温度特性。 降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻工作 稳定性的有效方法。这对长波长红外辐射的探测极为 重要。 温度升高导致: 载流子的定向移动性变差,大量的光生载流子热运 动剧烈发生复合。 半导体、光生伏特效应也是此温度特性。 3) 时间响应(惯性,与入射辐射信号的强弱有关)
3
6) 光电二极管与电子二极管的区别? 光电二极管 流动 电子流向 流动少子,电流弱 加反向偏压, 增大内建电场 电子二极管 流动多子,电流强 加正向偏压,抵消内建电场
问题六 常见器件名称英文缩写全称 PMT: Photo-multiple tube 光电倍增管 APD: Avalanche Photo Diode 雪崩光电二极管 PSD: Position Sensing Detector 光电位置敏感器件 CCD: Charge-coupled Device 电荷耦合元件 CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物(PMOS 管和 NMOS 管)共同构成的互补型 MOS 集成电路制造工艺
2
增大线宽,而不是长度
4. 光生伏特效应(重点) 1) 光生伏特效应是什么? 基于半导体 PN 结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。当入射辐射作 用在半导体 PN 结上产生本征吸收时, 价带中的光生空穴与导带中的光生电 子在 PN 结内建电场的作用下分开, 并分别向如图 1-11 所示的方向运动, 形成光生伏特电压或光生电流的现象。 2) PN 结形成过程中载流子的流动? i. P 区空穴为多子,电子为少子,空穴浓度高,N 区相反,在浓度 梯度的牵引下,P 区空穴向 N 区移动,N 区电子向 P 区移动,扩 散过程中伴随着复合; ii. 形成内建电场,方向 N->P,内建电场阻碍扩散运动的进一步进 行,将空穴导向 P 区,电子导向 N 区; iii. 内建电场力 = 扩散力,二者达到动态平衡,中间区域形成少数 载流子移动的区域, 称为耗散区, 为光生载流子的捕捉和探测提 供场所。
光电技术第一章
光电成像系统的应用
01 总结词
光电成像系统在安全监控领域 的应用具有全天候、远距离和 高清成像的优势。
02
详细描述
光电成像系统在安全监控领域 中发挥着重要作用,如红外热 成像仪可以检测物体温度分布 ,紫外成像仪可以检测火焰等 危险源。这些成像系统为安全 监控提供了实时、准确的图像 信息。
05
光电技术发展前景
新型光电材料的发展
总结词
随着科技的不断进步,新型光电材料的发展成为了光电技术领域的重要方向。
详细描述
新型光电材料,如钙钛矿、石墨烯等,具有优异的光电性能,为光电技术的发 展提供了新的可能性。这些材料在太阳能电池、光电探测器等领域的应用,有 望提高光电转换效率和响应速度,降低成本。
03
光电元件与器件
光电探测器
光电探测器是光电技术中的重要组成部分,用于将光信 号转换为电信号。
常见的光电探测器有光电二极管、光电晶体管和光电倍 增管等。
光电探测器的性能指标包括响应速度、灵敏度、线性范 围和光谱响应等。
光电探测器在通信、光谱分析、激光雷达和图像传感器 等领域有广泛应用。
光电二极管
详细描述
光电传感器在医疗领域的应用包括生理参数监测、医学影 像获取等方面。例如,光电容积描记技术利用光电传感器 测量血液流速和容积变化,用于监测心输出量和血压等生 理参数。
光电成像系统的应用
总结词
光电成像系统具有高分辨率、高灵敏度和快速成像的特点,广泛应用于科研、医疗和工 业检测等领域。
详细描述
光电成像系统利用光电转换器件将光信号转换为电信号,再通过电子学和计算机技术进 行处理和显示。在科研领域,光电成像系统可用于观测天体、微观粒子和生物组织等; 在医疗领域,光电成像系统可用于诊断疾病和辅助手术;在工业检测领域,光电成像系
光电技术与信息处理作业指导书
光电技术与信息处理作业指导书第1章光电技术基础 (4)1.1 光电效应及其应用 (4)1.1.1 光电效应概述 (4)1.1.2 外光电效应 (4)1.1.3 内光电效应 (4)1.1.4 光生伏特效应 (4)1.2 光的传播与变换 (4)1.2.1 光的传播 (4)1.2.2 光的变换 (4)1.3 光电探测器件 (5)1.3.1 光电探测器概述 (5)1.3.2 光电二极管 (5)1.3.3 光电三极管 (5)1.3.4 光电倍增管 (5)1.3.5 阵列式光电探测器 (5)1.3.6 光电探测器的发展趋势 (5)第2章光电信号与系统 (5)2.1 光电信号的特性 (5)2.1.1 电磁波谱与光电信号的分类 (5)2.1.2 光电信号的特性参数 (5)2.1.3 光电信号的优点 (6)2.2 光电信号处理系统 (6)2.2.1 光电信号发射与调制 (6)2.2.2 光电信号传输 (6)2.2.3 光电信号接收与解调 (6)2.3 光电信号传输与接收 (6)2.3.1 光电信号传输系统 (6)2.3.2 光电信号接收系统 (6)2.3.3 光电信号传输与接收技术的应用 (6)第3章图像传感器与成像技术 (6)3.1 CCD与CMOS图像传感器 (6)3.1.1 CCD图像传感器 (6)3.1.2 CMOS图像传感器 (7)3.2 成像系统原理 (7)3.2.1 光学成像原理 (7)3.2.2 成像系统组成 (7)3.3 图像处理与图像识别 (7)3.3.1 图像处理 (7)3.3.2 图像识别 (7)3.3.3 图像处理与图像识别在实际应用中的融合 (7)第4章光通信技术 (8)4.1.1 光纤结构及分类 (8)4.1.2 光在光纤中的传输 (8)4.1.3 光纤通信系统的基本组成 (8)4.2 光通信器件 (8)4.2.1 光源 (8)4.2.2 光检测器 (8)4.2.3 光放大器 (8)4.3 波分复用技术与光网络 (8)4.3.1 波分复用技术概述 (8)4.3.2 WDM系统的基本组成与关键技术 (8)4.3.3 光网络的结构与拓扑 (9)4.3.4 光网络的关键技术 (9)第5章光电信息处理算法 (9)5.1 数字图像处理算法 (9)5.1.1 图像增强算法 (9)5.1.2 图像复原算法 (9)5.1.3 图像分割算法 (9)5.1.4 图像识别算法 (9)5.2 光学信息处理算法 (9)5.2.1 光学滤波算法 (10)5.2.2 光学相关算法 (10)5.2.3 数字光学处理算法 (10)5.3 机器学习在光电信息处理中的应用 (10)5.3.1 深度学习算法 (10)5.3.2 支持向量机算法 (10)5.3.3 集成学习算法 (10)5.3.4 聚类算法 (10)第6章光电信息编码与解码 (10)6.1 编码技术概述 (10)6.1.1 编码技术的基本原理 (11)6.1.2 编码技术在光电信息处理中的应用 (11)6.2 光电编码方法 (11)6.2.1 光学编码 (11)6.2.2 电荷耦合器件(CCD)编码 (11)6.2.3 光电编码器的应用 (11)6.3 解码与信息提取 (11)6.3.1 光学解码 (11)6.3.2 数字信号处理(DSP)解码 (12)6.3.3 信息提取 (12)第7章光电信息存储技术 (12)7.1 光盘存储技术 (12)7.1.1 光盘存储原理 (12)7.1.2 光盘存储类型 (12)7.2 光存储器件与材料 (12)7.2.1 光存储器件 (12)7.2.2 光存储材料 (12)7.3 新型光电信息存储技术 (13)7.3.1 光电信息存储技术的发展趋势 (13)7.3.2 蓝光存储技术 (13)7.3.3 纳米光存储技术 (13)7.3.4 光子晶体存储技术 (13)7.3.5 光存储集成技术 (13)第8章光电显示技术 (13)8.1 显示技术概述 (13)8.1.1 显示技术的基本原理 (13)8.1.2 显示技术的分类 (14)8.2 液晶显示技术 (14)8.2.1 液晶材料 (14)8.2.2 液晶显示器件的结构与原理 (14)8.2.3 液晶显示技术的应用 (14)8.3 发光二极管显示技术 (15)8.3.1 发光二极管的工作原理 (15)8.3.2 发光二极管显示器件的结构与原理 (15)8.3.3 发光二极管显示技术的应用 (15)第9章光电测量与传感器技术 (15)9.1 光电测量原理 (15)9.1.1 光电效应 (15)9.1.2 光电探测器 (15)9.1.3 光电测量方法 (15)9.2 光电传感器及其应用 (15)9.2.1 光电传感器概述 (15)9.2.2 光电传感器的工作原理 (16)9.2.3 光电传感器的应用案例 (16)9.3 光电测量系统设计 (16)9.3.1 光电测量系统组成 (16)9.3.2 光电测量系统设计原则 (16)9.3.3 光电测量系统设计步骤 (16)9.3.4 光电测量系统优化 (16)9.3.5 光电测量系统在特定领域的应用案例 (16)第10章光电技术在现代信息技术中的应用 (16)10.1 光电技术在通信领域的应用 (16)10.1.1 光纤通信 (16)10.1.2 无线光通信 (17)10.2 光电技术在生物医学领域的应用 (17)10.2.1 生物检测 (17)10.2.2 医学成像 (17)10.3 光电技术在能源与环境领域的应用 (17)10.3.1 太阳能电池 (17)10.3.2 光电催化 (17)10.3.3 环境监测 (17)10.4 光电技术在智能制造领域的应用 (18)10.4.1 机器视觉 (18)10.4.2 激光加工 (18)10.4.3 光电器件 (18)第1章光电技术基础1.1 光电效应及其应用1.1.1 光电效应概述光电效应是指光照射在物质表面时,引起物质电性质变化的现象。
光电检测 技术 第一章 光电检测应用中的基础知识
光电检测系 统组成: 被测对象的
信息加载
例:
激光 外径 扫描 仪原 理图
光源
信息 载体
被测 对像
光电探 测器
信息处理
光学 系统
光电
转换
t nT
d t
放大 边缘检测
电动机 驱动
门控
主
振
处理
§1.1 辐射度学和光度学基本概念
X光辐射(10~100nm)
电磁辐射
紫外辐射 (100~380nm)
红、橙、黄、 可见光辐射 (380~780nm) 绿、青、蓝、
) )
0
1. 基尔霍夫定律
M e1( ,T ) M e2 ( ,T ) M e3( ,T ) ... M eB( ,T ) 常数
1( ,T ) 2( ,T ) 3( ,T )
B ( ,T )
aB( ,T ) 1
M e1( ,T ) 1( ,T )
M e2 ( ,T ) 2( ,T )
带填充空位
价带
•间接复合---通过“缺陷、错位、
导带
杂质”等形成的复合中心复合
价带
1.2.4 载流子的扩散和漂移
1.扩散
------在某种作用下(如光照),使材料中的局部位置的光生载 流子浓度高于其它地方的载流子浓度,这时载流子就从浓度高 的地方向浓度低的地方运动,这种现象称为扩散
扩散形成电流的大小:J nD
0.38 0.55μm
0.52 μm
0.7 λ
定义:
视见函数
V
K Km
V
1
C
明视
k kmV CV
0.38 0.55μm0.7 λ
v
2 1
ke d
光电检测与技术知识点总结
光电检测与技术知识点总结一、光电检测基础知识1. 光电效应:光子射入物质时,将能量传递给物质,或者将物质中的粒子激发出来。
前者称为光吸收,后者称为光发射。
2. 光电效应分类:外光电效应、内光电效应和光热效应。
3. 光电效应的应用:光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
二、光电检测技术基础1. 光电检测器的分类:根据工作原理,可分为外光电效应检测器、内光电效应检测器和光热效应检测器。
2. 光电检测器的工作特性:光谱响应、频率响应、线性范围、探测率和噪声等。
3. 常用光电检测器:光电二极管、光电晶体管、光电池、光电倍增管等。
三、光电检测系统1. 光电检测系统的基本组成:光源、被测物、光电检测器、信号处理电路和显示设备。
2. 光电检测系统的应用:测量长度、测量角度、测量速度、测量温度等。
3. 光电检测系统的误差来源:光源的不稳定性、光学系统的误差、探测器噪声和信号处理电路的误差等。
四、常用光电检测技术1. 红外线检测技术:利用红外线的热效应,可以测量物体的温度和辐射功率。
红外线传感器有热敏电阻、热电偶等。
2. 激光雷达技术:利用激光的反射和散射,可以测量物体的距离和形状。
常用的激光雷达有脉冲式和连续波式两种。
3. 光纤传感器技术:利用光纤的传光特性,可以测量物体的位移、压力和温度等物理量。
光纤传感器有折射率型、光强调制型和光相位调制型等。
4. 图像传感器技术:利用图像传感器将光学图像转换为电信号,可以测量物体的尺寸和形状。
常用的图像传感器有CCD和CMOS两种。
5. 色彩传感器技术:利用色彩传感器测量物体的颜色和色差,可以应用于颜色识别和颜色检测等方面。
常用的色彩传感器有RGB和CMYK两种。
光电检测技术与系统教学设计
光电检测技术与系统教学设计背景随着科技的迅猛发展,光电检测技术在许多领域中得到了广泛应用,如生物医药、环保、新材料等。
因此,掌握光电检测技术成为了现代科技人才必须的一项基本技能。
在高等教育中,培养学生的光电检测技术需要通过实践教学来实现,才能更好地逐步掌握和应用。
光电检测技术与系统教学设计是一项必不可少的工作,为学生提供了更好的学习和实践机会,也促进了教育教学改革的进展。
教学目标本次教学设计旨在培养学生的光电检测技术与系统应用能力,让学生了解光电检测技术的基本原理和应用,了解光电检测系统的主要组成部分,以及光电检测技术在各种领域中的应用情况。
教学内容1. 光电检测技术基础•光的本质及其与物质的相互作用•光学基础和光电探测器原理•光电检测器的种类和特点•光电元器件和微光测量2. 光电检测系统•光电检测系统的基本组成和原理•光电检测系统的设计和调试•光电检测系统在各个领域中的应用3. 实践操作•光电检测器的基本使用方法•光电检测系统的实际操作•常用光电检测器的测量试验及结果分析教学方法本次课程的主要教学方法为理论讲授与实践操作相结合。
通过理论讲解和实验操作让学生更好地掌握光电检测技术和系统,让学生在实验中发现问题,分析问题,解决问题的能力。
教学评价本次教学的评价主要是以学生的课堂出勤率、课程参与度和实践操作成绩综合评价。
学生必须在参加实践操作,完成实验报告,并按时提交。
同时,教师也将为学生提供充足的实验室时间,为学生有出色成果提供机会。
教学资源本次光电检测技术与系统教学使用的设备资源如下:•光电检测器•激光器•光电探测器同时,还需要配备实验室的常规设备,如电脑、投影仪等。
总结光电检测技术与系统是一门在实践中不断发展和创新的学科,学生应当深入理解其原理和应用,掌握光电检测技术和系统设计。
通过教学设计实践,教育教学将能更好地促进学生的能力发展,培养具有实际应用能力的工程技术人员。
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 。
第1章 光电检测技术中的基础知识
(2)空穴扩散电流密度
J
pD
qD
d ( p )
p
dx
Dn和Dp是电子和空穴的扩散系数,式中负号表示空穴扩 散方向由高浓度向低浓度运动。
2、漂移运动
漂移运动是在电场作用下,除了热运动之外获得的 附加运动。 如在外加电场的作用下,电子的电流密度:
(2) 发光强度Iv:点光源单位立体角内所发出的光 通量,称为光源在该方向上的发光强度。
I v d v / d
单位:cd ,是国际单位制中七个基本单位之一。 1cd是指光源在给定方向上发出波长为555nm的单 色辐射,且其辐射强度是1/683W/sr。
意义:描述光源发出的光通量在空间一定范围内的分布 值。
cd,lm/sr
nt, cd/m2 lx,lm/m2 lx,lm/m2
I d / d
L d / d dA cos
2
= dI / dA cos
辐射出射度 Wm-2 辐射照度 Wm-2
M d / dA
E d / dA
辐射度学与光度学的比较 1、两者的相同点: ①光度量和辐射度量的定义、定义方程是
3、非平衡载流子的产生 产生非平衡载流子的方式:光照、电注入或其他能 量传递方式。 如:光照产生非平衡载流子的过程,如图所示:
n
光照
p
在一般情况下,注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度 小很多,如n型材料,△n≤n0, △p≤n0,满足这个条件称小注入。
4、非平衡少数载流子寿命
有光等外界影响发生时,载流子产生率大于复合率,并最 终平衡;光等外界因素消除时,复合率大于产生率,并最后 趋于平衡。 当给半导体材料去掉外界条件(停止光照)时,由于净复 合的作用,非平衡载流子会逐渐衰减以致消失,最后载流子 浓度恢复到平衡状态时的值。但非平衡载流子不是立刻消失, 而是有一个过程,即他们在导带和价带上有一定的生存时间。 这些非平衡少数载流子在半导体内平均存在的时间称为非平 衡载流子的寿命,简称少子寿命, 用τ 表示。非平衡少数 载流子寿命的衰减规律成指数衰减
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本章着重介绍三个主要内容: 一、辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系; 二、半导体光电器件的物理基础,如能带理论、PN结理论; 三、光电效应如半导体光电导效应和光电发射等。
这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础,对于正确理解 和掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。
在第一个方程中,项麦克斯韦称 为位移电流 ,这是他在理论上的一个重大发现,也是他建立 麦克斯韦方程组的关键。
麦克斯韦方程组表明: 空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场 ,而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场 和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即 电磁波。
麦克斯韦方程还说明:电磁波的速度只随介质 的电和磁的性质而变化,这个速度可表示为:
第一章光电实际检测实施技术基础
一、 光的主要性质:
光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子流。
1. 1860年麦克斯韦(C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。 证明了光在传播时表现出波动性。 表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射
2. 1900年,普朗克(Max.Planck)提出了辐射的量子论。
(1858-1947)
第一章光电实际检测实施技术基础
10
普朗克的量子假说提出后的几年内,并未引
起人们的兴趣,爱因斯坦却看到了它的重要性。
他赞成能量子假说,并从中得到了重要启示:在
现有的物理理论中,物体是由一个一个原子组成
的,是不连续的,而光(电磁波)却是连续的。
在原子的不连续性和光波的连续性之间有深刻的
3. 1905年,爱因斯坦(Albert.Einstein)将量子论用于光电效 应之中,提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。
表现为光的发射、吸收、色散、散射
第一章光电实际检测实施技术基础
4
麦克斯韦
麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的伟
大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、
毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和
实验成果,建立了第一个完整的电磁理论体系
,不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭示
了光、电、磁现象的本质的统一性,完成了物
理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成
果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无线
电工业的基础。
1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电
磁学大成的划时代著作,全面地总结了19世纪
中叶以前对电磁现象的研究成果,建立了完整
1 c
divE
E 4 t c
1 B c t
4 7
J
divB 0
普朗克
1、引入了著名的普朗克常数h。
对黑体辐射的研究发现了热物体辐射强度正 比于它的绝对温度,而反比于这个发射光线波长 的平方:
ρ(ν)=(8πhν2/c3)·(1/ehν/KT-1)
其中引入了一个常数h,后来被称为普朗克常 数。1900年10月19日他在德国物理学会上报告了 自己的成果,普朗克公式被认为是正确的普遍公
矛盾。为了解释光电效应,1905年爱因斯坦在普
朗克能量子假说的基础上提出了光量子假说。
爱因斯坦大胆假设:光和原子电子一样也具
有粒子性,光就是以光速C运动着的粒子流,他
把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样,
每个光量子的能量也是E=hν,根据相对论的质
能关系式,每个光子的动量为
的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自
然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》
和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的
著作。
第一章光电实际检测实施技术基础
(1831-1879)
5
麦克斯韦在总结前人工作的基础上,引入位 移电流的概念,建立了一组微分方程。这方程 组确定电荷、电流(运动的电荷)、电场、磁 场之间的普遍联系,是电磁学的基本方程,麦 克斯韦方程组的微分形式是
curlB 1 c
curlE divE
E 4 t c
1 B c t
4
J
divB 0
E—电场强度 B—磁场强度 c—真空中的光速
t—时间 J—电流密度 ρ—电荷密度
curl—旋度 div—散度
(1831-1879)
第一个方程表示磁场对位移电流密度(或电场的时间变化率)和 传导电流密度(或电荷的运动速度)的依赖关系。第二个方程是 法拉第感应定律。第三个第一方章程光电表实际明检测除实电施技源术基外础,没有其它磁场源6。 第四个方程相当于库仑定律。
第一章光电实际检测实施技术基础
1
§1-1 光谱与光子能量 §1-2 光度学(Photometry)
与辐射度学(Radiometry) §1-3 半导体基础知识 §1-4 光电效应
第一章光电实际检测实施技术基础
§1-1 光谱与光子能量
一、 光的主要性质 二、 电磁波谱与光谱 三、 光电检测的理论依据
μ—介质的磁导率,ε—介电常数或电容率 由此式可证明电微波在以太(即真空)中传播的 速度,等于光在真空中传播的速度。这不是偶然 的巧合,是由于光和电磁波在本质上是相同的。 光是一定波长的电磁波,第一这章就光电是实际麦检测克实斯施技韦术基创础立的 光的电磁学说。
(1831-1879)
curlB curlE
(1858-1947)
第一章光电实际检测实施技术基础
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普朗克
3、能量子假说。
黑体是由许多振子组成的,振子的能量不可 以连续地变化,当它吸收和辐射频率为ν的电磁 波时只能是一份一份地进行,每份能量为:E= hν,每个振子的能量是这个基本能量单元的整 数倍。 他根据这个假设从理论上推导出了普朗克公式。
式。 普朗克认为这个公式必能从某些理论中推导出来, (1858-1947) 经典物理学的所有理论和方法他都试过了,但都
失败了。他从失败中认识到这个公式不能单纯从
经典理论中推导出来。
第一章光电实际检测实施技术基础
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普朗克
2、提出了能量子假说。
能量子假说的提出,给经典物理学打开了一 个缺口,为量子物理学安放了一块奠基石,宣告 量子物理学的诞生。普朗克在做出量子假说时已 年过四十。他受过严格的经典物理学训练,对经 典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理 学决裂,只是迫于事实的压力,才不得不做出能 量子的假说。 1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了 自己的研究结果,他的公式受到欢迎,但他的能 量子假说,却受到冷遇,当时没有人相信他的假 说。