第四章 光学系统特性参数检测

– 光学变换 – 光电变换 – 电路处理
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： 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、…） …… 全部操作： 检测器具 检测过程 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
光电检测系统
光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 光 电 传 感 变 换 电 路
电 信 号 处 理
存 显 控
储 示 制
光学变换
电路处理
光电检测系统
• 光学变换
– – – – 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
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
光电检测技术
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

实验一 显微镜光学特性分析及参数测量[实验目的]1．了解显微镜的结构及其光学特性参数。

2．掌握测量显微镜的视觉放大率、视场、数值孔径的原理和方法。

[仪器和装置]待测显微镜(10×物镜、5×目镜)，测微目镜，小孔光阑，标准刻尺，照明光源[实验原理]显微镜是一种极为重要的目视光学仪器，它是人们用以观察小物体和认识微观世界的重要工具。

显微镜由物镜和目镜两部分组成。

1. 视觉放大率被观察的目标首先经物镜进行尺寸放大，然后由目镜组进行视觉放大。

所以显微镜的视觉放大率显Γ是物镜垂轴放大率β和目镜视觉放大率目Γ的乘积250f f β∆⨯ΓΓ''显目显目＝＝－ （1-1） 由几何光学可知，物镜的放大率β=物－f ∆ ，目镜的放大率250f Γ目目＝，根据式（1-1）分别测量出显微物镜的垂轴放大率β和目镜的视觉放大率目Γ，即可得出显微镜的视觉放大率显Γ。

2. 视场通常是以能观察到的物平面上的最大尺寸作为显微镜的线视场，以毫米为单位。

显微镜的视场受安置在显微物镜像平面上的视场光阑所限制。

显微镜的放大率愈大，其线视场愈小。

测量显微镜的视场，可以用显微镜来观测标准毫米分划的刻度尺完成。

3. 数值孔径显微物镜数值孔径是显微镜分辨率和成象照度的基本判据。

数值孔径越大，显微镜的分辨率越高，照度也越大，因此它是显微镜的主要光学特性参数之一。

显微物镜的数值孔径等于物平面中心发出的成象光束孔径半角u 的正弦与物方折射率n 的乘积，用符号NA 表示，即N A = nsinu 。

对在空气中的物镜，物方折射率n ＝１，故N A = sinu 。

由数值孔径NA 的定义可知，若物方介质的折射率已确定，则只需测量物方孔径半角u 值即可通过计算求得NA 。

1－目镜2－被测显微物镜3－小孔光阑4－刻度尺图1 测量数值孔径的原理图图1是测量物方孔径角的原理图。

小孔光阑3放在物镜工作平面中心。

在距小孔光阑d 处安置一根标准刻尺4，刻尺上A 、B 两点发出的光线经小孔光阑后被物镜成象，因A 、B 两点之外发出的光线被物镜框挡住，不能参加成象，因而A 、B 对小孔光阑3的张角2u 就是孔径角2u 。

无穷远物体经望远镜系统的物镜成像在后焦面上，若系 统装有分划板，则分划面应位于物镜后焦面上，如果由于安 装误差，分划面没有准确地装在后焦平面位置，通过目镜观 察时，物像和分划标记相对人眼不在同一深度的现象，就是 望远镜系统的视差。 视差分为前视差(或短视差)和后视差(或长视差)，分划 面位在物镜焦平面和物镜之间为前视镜;分划面位在物镜焦 平面之后为后视差。用有视差的系统进行测量和瞄准时会产 生对准误差，望远系统视差通常有如下几种表示方法。
第5章 光学系统特性参数的测量
图 5.6 以视差角表示视差的光路
第5章 光学系统特性参数的测量
第5章 光学系统特性参数的测量 2. 以视度差表示 望远系统的视差还可用视度差来表示。视度差是指物像 和分划在系统像方的视度之差，即以分划在系统的像方的视 度 SD k 和物像的视度 SD0 之差表示: 其视度差表示的原理如图 5.7 所示。当 F'0 和 F e 重合时， 分划面到 F'0 的距离为 b ，则目镜后像距为
第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量第5

第4章 光检测器与光接收机
2）PIN光电二极管
a、PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半 导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。 在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。 结构如下图：
由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入 材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此 大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N 层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器 件的响应速度。
1 05 Ge 1 04
数 (cm－ 1) 吸 收 系
GaAs 1 03
1 02 Si 1 01 0 .4 0 .6 0 .8
1 .0 1 .2 波长 / m
In 0 .70Ga0 .30As 0 .64P0 .36
1 .4 1 .6 1 .8
材料吸收系数随波长的变化情况
In 0 .53Ga0 .47As
第一节：概述
第二节：光检测器
第三节：数字接收机
第4章 光检测器与光接收机
第一节 概述 光接收机可分两类：模拟接收机和数字接收机， 如下图。 它们均由光检测器、低噪声前置放大器及其他信 号处理电路组成。 数字接收机比较复杂，在主放大器后还有均衡滤 波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大等电 路。 光检测器的作用是把接收到的光信号转换成光电
如下图，为检测器电路及其等效电路，其中 CPN 为 检测器的结电容； Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器 的输入电阻和输入电容； Rs为检测器的串联电阻，通常 只有几欧，可以忽略。 影响响应速度的主要因素有： （ 1 ）检测器及其有关电路的 RC时间常数，设它造 成的脉冲前沿上升时间为：ιRC 要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。 从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容