光电技术第8章 液晶显示(4).ppt

1 ~ i n Cn Cn e (an ibn ) 2
~ 1 T Cn 2T I (t ) exp(it )dt T 2
I0 , t 2 I (t ) 0, t T 2 2
a0 1 T 1 2T I (t )dt 2 I 0 dt I 0 2 T 2 T 2 T
一、调制的基本概念
1．概念：使载波的某一参量（幅度、频率、相位）按欲 传输信号规律变化的过程。 2．优点：由于既可携带信息，又与背景辐射特征不同，
第八章 光辐射的调制
所以： ①便于抑制背景光的干扰； ②抑制各环节的固有噪声； ③抑制外部磁场的干扰。 ∴调制的光电系统在信号传输和探测过程中，具有更高的探 测能力。 3．分类：模拟、脉冲、数字调制 ㈠模拟调制： ①原理：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振， 因此信息信号幅度与参数的幅度存在一一对应关系。 ②分类及特点：
第八章 光辐射的调制
△功率利用率高： 从信号的频谱图分析来看： 调幅系统的大部分能量集中在载频上，边频能量小。 调频系统，当 m f 1 时，能量主要集中在边频分量上，即能 量利用率高，调制效率高。 门限效应问题 2.非周期信号的频谱 ⑴单脉冲信号的频谱：
sin( / 2) I ( j ) I 0 / 2
二、调制信号的频谱
目的：利用信号频谱和噪声频谱的差异，抑制噪声，提高检 测质量，有利于电路处理。
第八章 光辐射的调制
复习以下内容： 1.周期信号的频谱： ⑴任何复杂的周期信号 I (t ) ，都可以表示为直流分量与无数 谐波分量之和，即任何周期信号都是由直流和无数不同频率 的正弦信号构成的。 n=1:基波，其基频为： 2 / T n>2:高次谐波 n=2:二次谐波 n=3:三次谐波 ⑵已知 I (t ) 求频谱叫频谱分析 特点：谱可以连续，也可以分立。 ⑶几种常见周期信号的频谱：

图8-29 全脉冲法零件长度检测原理
8.2.5 利用测量脉冲频率测定转盘转速
脉冲法测定圆盘转速的原理如图8-25所示。
图8-25 脉冲法转速测定原理 光源通过转动圆盘上的小孔为光电接收器GD提供光脉冲。经光 电转换、放大和整形等电路输出脉冲信号。设电机转速是n(r/min)， 圆盘上均匀开口数目为m，于是输出脉冲的频率为f＝n⋅m／60(Hz) ， 则有
∆Φ1 (1 − n) →0。
在有些电路中，采用两光通量比(除)的信号处理方法，那么光 源波动的影响可以完全消除。设 Φ1 ， 2 = n 则 1 / ∆Φ 2 = n ∆Φ /Φ
Φ1' / Φ '2 = ((Φ 2 + ∆Φ 2 ) /(Φ1 + ∆Φ1 )) = n
(8-10)
3. 单个探测器的差动测量
8.2.1 物体长度分检装置原理
如图8-19所示为按长度自动分选的装置，在传送带的两侧分 别配制两组光源—探测器对5、7和6、8，它们光轴间的距离恰应 等于产品4所需分类的长度。
图8-19 按长度自动分选的装置
如果工作中要对产品长度进行控制，则可采用图8-20所示的 三组光源一探测器对的方法。
图8-20 产品长度检控装置
在光电差动测量中，精度在很大程度上取决于两光电探测器性 能上的差异，两者完全一致将十分困难。因此提出采用单光电探测 器的设想，其装置原理如图8-5所示。其通量波形图如图8-6(a)所示。 当Φ1≠Φ2时，则产生交变信号，经放大和相敏整流后输出，波形如 图8-6(b)所示，幅值的大小表示两通量的差值Φ=Φ1-Φ2，信号的正、 负表示∆Φ的正负。
n = 60 f / m
(8-17)
8.2.6 利用脉冲持续时间测定零件尺寸

8.3 光盘存储
二、DVD与CD区别
DVD的特点是存储容量比现在的CD大得多 1．短波长激光 CD播放机和CD-ROM驱动器采用波长为780nm的红外光来读出盘 上的信息。DVD刻录机和播放机就需要采用波长更短的激光源。 2．大记录区域 DVD盘光道之间的间距由原来的1.6μm缩小至0.74μm，而记录信息 最小凹凸坑长度由原来的0.83μm缩小到0.4μm， DVD盘的记录区域从 CD盘的86 cm2提高到86.6 cm2。
8.2 摄像机和数码相机
单反相机是目前最流行的相机，“单反”是指用一个镜头反光， 取景和曝光共用一个镜头。在系统中，巧妙地设计了反光镜和五棱 镜。取景时，反光镜将光线反射到五棱镜上，再进入取景器，摄影 者可以直接观测到影像；拍摄时，将反光镜抬起，光线直接入射到 感光元件上。摄影和取景共用一个镜头，保证了取景时看到的景物 和拍摄的景物完全一致，解决了拥有独立取景镜头旁轴相机或双反 相机的视差问题
8.3 光盘存储
3．双面和多层记录. 使用盘片的两个面记录数据。
8.4 全息技术应用
一、全息干涉 全息干涉计量是指利用全息照相的方法获得两个光波一个光波是标 准波前，另一个光波是变形物体产生的变形波前，并使两光波进行干涉 度量比较的计量技术。 最常用的方法是单次曝光法、两次曝光法和时间平均法。
光电子技术基础
第8章光电子技术应用举例
厚德博学
求实创新

8.1光电成像系统的应用
一、线性CCD的应用
线阵ＣＣＤ常用于几何量的测量，如位移、直径等。图８.1（ａ）所示为用投影 方式测量某小型零件直径原理图，线阵ＣＣＤ放在被测对象后面，用平行光照射被
测目标，没有被被测目标遮挡的光线直接入射到ＣＣＤ单元上，而被被测物体遮挡

序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像
素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感 器以自扫描的方式输出一维时序电信号。
监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子束偏
转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数 进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。
(8-1)
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子 束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为
f=fx〃vhf
（8-2）
CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上 述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因
此， CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。

8.2.2 电视制式
电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像
当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。 由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征 层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载 流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被 拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场 看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结 果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面 上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成 了图像的变换和记录过程。
传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像 转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为 视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相 应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能 保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。

光体的能带结构示意图
它由晶体基质所决定的价带和导带、制备发 光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级 G(一般为基态能级)以及晶体结构缺陷或加 入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般 为电子陷阱能级）等几部分组成。其发光 的微观过程包括：
(1) 吸收激发能电离过程
晶体吸收外界激发能，引起基质价带电子 和激活剂G能级上的电子（远少于基质电子） 激发、电离而到达导带，从而在价带中引 入空穴，导带中引入电子。
• 电视彩色图像的获得需经过景物彩色画面的分色、 摄像器件的光电转换、电信号的处理和传输、显 像器件的电光转换等主要过程。
• 彩色显像管利用红、绿、蓝三种荧光粉作为显像 三基色，采用空间相加混色法实现彩色重现。
• 对图像的亮度、色调和饱和度三参量的电信号进 行色度编码，通过矩阵电路使其成为发送端的编 码矩阵。
人眼彩色视觉特性包括：
(1)人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最 敏感；
(2)人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种 不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出 其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性
(3)人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的 变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨 出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色；
任一彩色光F总可以通过下列配色方程配出：
F R(R) G(G) B(B) mr(R) g(G) b(B)
式中，R(R)、G(G)、B(B)称为F的三色分量， R、G、B称为三色系数，m称为色模，代
表F所含三基色单位的总量，r、g、b称为
色度坐标或相对色系数，分别代表F所用三 基色单位总量为１时所需的各基色量的数 值，且
(2) 电子和空穴的中介运动过程
电离产生的电子和空穴分别在导带和价带中

Q(0) Q(t) 1 Q(t)
Q(0)
Q(0)
(8-9)
如果电荷转移损失率定义为
Q(t)
Q(0)
电荷转移效率与电荷转移损失率的关系为
(8-10)
1
(8-11)
n次转移前、后电荷量之间的关系为
Q(n) n en
Q(0)
(8-13)
影响电荷转移效率的主 要因素是界面态对电荷的俘 获。为此，常采用“胖零” 工作模式，即让“零”信号 也有一定的电荷。图8-22为P 沟道线阵CCD在两种不同驱 动频率下的电荷转移损失率ε 与 “ 胖 零 ” 电 荷 Q(0) 之 间 的 关系。
VOS
4.0
5.5
7.0
NDO
0.6
F
1
20
单位 V/(lx·s)
% mv v lx·s mv mv
mw % kΩ
v
mv MHz
备注 f1=fR
4、驱动电路
5、外形尺寸
输出信号电压，即
R UO
（8-7）
HV
式中的UO为线阵CCD输出的信号电压，HV光敏面上的曝光量。
当然，衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时
光敏面上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光
量SE越小的器件其灵敏度越高。T06(lx.s)。
（3）动态范围
TCD1209D的光谱响应 特性曲线如图8-21所示。光 谱响应的峰值波长为550nm， 短波响应在400 nm处大于 70%（实践证明该器件在 300nm处仍有较好的响应）， 光谱响应的长波限为1100nm。 响应范围远远超出人眼的视 觉范围。
（2）灵敏度
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下器件的

③胆固醇液晶(Cholesteric LC) 它们大部份是由胆固醇的衍生物所生成的. 但有些没有 胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相。这种液晶如果把它 的一层一层分开来看，会很像线状液晶。但是在Z轴方向 来看，会发现它的指向矢会随着一层一层的不同而像螺旋 状一样分布，而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度 就称为螺距(pitch)。正因为它每一层跟线状液晶很像，所 以也叫Chiral nematic phase。
STN(Super Twisted Nematic)型LCD STN LCD与TN型LCD在结构上是很相似的, 其主要的差 别在于 TN型的LCD,其液晶分子的排列, 由上到下旋转 的角度总共为90度. 而STN型LCD的液晶分子排列, 其旋 转的角度会大于180度, 一般为270度.(请见图12) 正因为 其旋转的角度不一样, 其特性也就跟着不一样. 从图13中TN型与STN型LCD的电压对穿透率曲线可以 知道, 当电压比较低时, 光线的穿透率很高. 电压很高 时, 光线的穿透率很低. 所以它们是属于Normal White的 偏光板配置. 而电压在中间位置的时候, TN型LCD的变化 曲线比较平缓, 而STN型LCD的变化曲线则较为陡峭. 因 此在TN型的LCD中, 当穿透率由90%变化到10%时, 相对 应的电压差就比STN型的LCD来的较大.
4.4 偏振器
4.5 TN 型LCD(Twisted Nematic Liquid crystal display)
图可以知道, 当上下两块玻璃之间没有施加电压时, 液 晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定. 对于TN型 的液晶来说, 上下的配向膜的角度差恰为90度，所以液晶 分子的排列由上而下会自动旋转90度, 当入射的光线经过 上面的偏光板时, 会只剩下单方向极化的光波. 通过液晶 分子时, 由于液晶分子总共旋转了90度, 所以当光波到达 下层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了90度. 而下层的 偏光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异90度。所以光线 便可以顺利的通过, 但是如果对上下两块玻璃之间施加电 压时, 由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶 (ε// >ε⊥), 所以从图中便可以看到, 液晶分子的排列都变 成站立着的. 此时通过上层偏光板的单方向的极化光 波, 经过液晶分子时便不会改变极化方向, 因此就无法通 过下层偏光板.

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序 前言
第一章：光电信息技术物理基础



§1.1 理论基础 §1.1.1 半导体能带理论 §1.1.2 光电发射效应 §1.1.3 光电导效应 §1.1.4 光伏效应 §1.1.5 热释电效应
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8
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专家倡导的“863计划”受信息化、数字 化、网络化浪潮的推动，中国的光电信 息市场和产业也呈现出高速增长态势， 成为拉动整个国民经济增长的第一支柱 行业。1999年底全国范围内建成了“八 横八纵”的光缆网．武汉、广东和长春
等地提出了建设中国光谷的规划。
现代信息技术的发展，迫切需要培
划的
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重点是光电子产业。据国家统计资料显 示，世纪具有代表意义的主导产业，第 一是光子产业，第二是信息通信产 业……”。 我国政府十分重视光电子技术和产 业的发展，已将它列入国民经济优先发 展的领域，把光电子产业列为国家重点 发展计划，继1986年3月王大恒等四位
8 ．试设计一个用于水下作业的光纤开关系统， 用双向可控硅控制用电器。请画出全部电子线 路图。

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§4.2.2 光电遥控 §4.2.3 光纤开关 §4.3 光纤通信 §4.3.1 光纤通信原理及构成 §4.3.2 光纤通信系统 §4.3.3 光纤网络系统 §4.4 光纤传感器 §4.4.1 元件型光纤传感器 §4.4.2 传输型光纤传感器
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光强
(3) 基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器
反射光谱
λB
布拉格波长 B 2neff
传感器头
磁致伸缩材 料
螺线管内磁场 B 0nI
光纤光栅电流传感器结构 1
宽光谱光源 波长测量
环形器
信号 处理
施加磁场改变光栅的周 期，使其反射波长产生 变化。
电流传感器结构 2
GMM--磁致伸缩材料
弱而伸缩，使得通过光纤的光
程发生变化。信号光与参考光
干涉后，得到与磁场成比例的
输出信号。这种磁场传感器灵
敏度高，分辨率可达10-12T, 可
用于测量磁场、探矿等。
光纤 干涉仪测量
a）光纤马赫—泽德尔磁场传感器
光源
3dB
磁场
磁致伸缩材料被覆 光纤作为测量臂
测量臂
3dB
耦合器
耦合致伸缩效应的物理解释
在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的 交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的 自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和 状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。
磁畴
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
磁场增强 H
在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁 能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自 发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位， 这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场 成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不 断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失， 留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。
沉积镍薄膜
裸光纤
几种敏感元件的基本结构
a) 被覆式 b) 心轴式 c) 带式
被覆材料

光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
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光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
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例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
Hale Waihona Puke 空调机ppt课件返回12
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
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教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
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目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
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检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……