第六章光电显示
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第六章光电检测原理与系统
• 信噪比损失小； • 检测灵敏度高 NEP hf
例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极 限为１个光子。
系统对探测器性能的要求
• 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 – 响应频带宽 – 均匀性好 – 工作温度高
光电检测有关电路（p120）----前置放大器
通常在选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号 和噪声的大小。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏 置电路的输出信号,如图所示。同时用源电阻的热噪声来等效探 2 测器和偏置电路的总噪声 Ens 4kTn Rs f，用最小噪声系数原则设 计前置放大器。
光电子学法
磁光效应、空间光调制 、光纤传光与传感等
光电信号的变换方法与应用
• 几何光学变换法是利用几何光学意义上的光传播的直线性、
通光、遮光、反射、折射、成像等光学方法进行变换，在光 开关、光扫描、光学编码以及光电瞄准、测距、几何尺寸及
外观品质检验等技术中应用十分广泛；
• 物理光学变换法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光谱 等光学方法进行干涉计量、光谱分析、散斑全息测量等； • 光电子学法是利用光控器件及光导纤维光学等方法实现光调 制、光记录、光存储、光传输等。
光电检测技术
Ch6 光电检测原理与系统
吕勇 lvyong@
•光电检测系统相关概念 •直接（非相干）探测基本原理 •相干探测的基本原理 •光电探测有关电路 •数据处理与误差分析
光电信号变换
• 在光电系统中，通常要借助于几何光学、物理光学和光电子
学的方法对信号进行变换，包括将一种光量转换为另一种光 量，将非光量转换为光量或将连续光量转换为脉冲光量等。
非相干检测
如果光源是非相干光，但用光调制的方法使被 测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然 后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中 检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，把直 接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相 干光调制频率、振幅或相位的方法统称为非相干检 测。
第6章-光电成像技术
【实训目的】 1.熟悉CCD检测技术的应用场合； 2.掌握CCD检测系统组合及测试系统原理。 【实训器材】 电子教案，多媒体教学系统 【实训内容及步骤】
2021/5/6
6.5 CMOS图像传感器
【任务要求】 通过对CMOS图像传感器理论知识的学习，掌握
CMOS图像传感器的基本知识，熟悉其特性参数。
6. 像管的时间响应特性
7. 空间分辨特性
6.2 像管的学生对像管知识的
理解。
2021/5/6
6.2.1 主动红外夜视仪的实训
【实训目的】 1. 掌握红外夜视仪的工作原理； 2. 对红外夜视仪的应用有一定的了解。 【实训器材】 多媒体教学系统，电子教案 【实训内容】
6.5.1 CMOS图像传感器的认识
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）， 即“互补金属氧化物半导体”，是电压控制的一种放 大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。
1. CMOS成像器件的结构原理
CMOS成像器件主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效 应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像 敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵 之分。
6.3.2 电荷耦合器件的特性参数
1. 电荷转移效率和转移损失率 电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。
设原有的信号电荷为Q0，转移到下一个电极下的信号电 荷Q1，
η =Q1 % Q0
2021/5/6
2. 暗电流 CCD图像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号
称为暗电流。 3. CCD的噪声源 CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声及热噪
1. 认识红外焦平面阵列器件 红外焦平面阵列是获取景物红外辐射信息的重要光电
2021/5/6
6.5 CMOS图像传感器
【任务要求】 通过对CMOS图像传感器理论知识的学习，掌握
CMOS图像传感器的基本知识，熟悉其特性参数。
6. 像管的时间响应特性
7. 空间分辨特性
6.2 像管的学生对像管知识的
理解。
2021/5/6
6.2.1 主动红外夜视仪的实训
【实训目的】 1. 掌握红外夜视仪的工作原理； 2. 对红外夜视仪的应用有一定的了解。 【实训器材】 多媒体教学系统，电子教案 【实训内容】
6.5.1 CMOS图像传感器的认识
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）， 即“互补金属氧化物半导体”，是电压控制的一种放 大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。
1. CMOS成像器件的结构原理
CMOS成像器件主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效 应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像 敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵 之分。
6.3.2 电荷耦合器件的特性参数
1. 电荷转移效率和转移损失率 电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。
设原有的信号电荷为Q0，转移到下一个电极下的信号电 荷Q1，
η =Q1 % Q0
2021/5/6
2. 暗电流 CCD图像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号
称为暗电流。 3. CCD的噪声源 CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声及热噪
1. 认识红外焦平面阵列器件 红外焦平面阵列是获取景物红外辐射信息的重要光电
第六章 2 光电效应
2光电效应[学习目标] 1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律(重点)。
2.理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题(重难点)。
一、光电效应如图所示，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开，用紫外线灯照射锌板。
(1)观察到验电器指针如何变化？(2)这个现象说明什么？答案(1)指针张角变小。
(2)说明紫外线会让电子从锌板表面逸出。
1．光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子会因吸收光的能量而逸出金属表面，这种现象称为光电效应，逸出来的电子称为光电子。
2．光电效应的实验规律(1)存在截止频率：对于给定的阴极材料，都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率ν0。
这个最小频率ν0叫作光电效应的截止频率，亦称为极限频率。
只有超过截止频率的光，才能引起光电效应。
不同金属材料的截止频率不同。
(2)存在饱和光电流：在发生光电效应时，如果外加电压U AK从零开始逐渐增大，则光电流随之增大，但当U AK增大至一定值时，光电流达到最大。
此时的光电流称为饱和光电流。
在入射光的频率保持不变的条件下，光的强度越大，饱和光电流越大。
(3)光电子的最大初动能只与光的频率有关：光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，它与照射到阴极上的光的强度无关。
(4)光电效应具有瞬时性：只要光的频率大于截止频率，即使用极弱的入射光，光电子也能立刻(约10－9 s)发射出来。
3．光的波动说在解释光电效应时的困难(1)无法解释光电效应的瞬时性：光电子的产生需要积累能量的过程，光越弱积累能量的时间越长，光电子不可能瞬间产生。
(2)无法解释截止频率的存在：只要光照足够长，总能让金属中的电子吸收到足够的能量，从金属表面逸出，与入射光频率无关。
(3)无法解释逸出的光电子的最大初动能问题：电子接收的能量越多，逸出的电子的最大初动能也越大。
如图是研究光电效应的电路图。
请结合装置图及产生的现象回答下列问题。
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
曼金折反射镜。
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
第六章-显示技术-等离子体显示
17
表面放电式结构
表面放电式结构避免了上述缺点，显示电极位于同一 侧的底板上，放电也在同侧电极间进行。
18
3、AC-PDP型工作原理
（1）当放电单元的电极加上比着火电压Vf低的维持电 压VS时，单元中气体不会着火，当在维持电压间隙加 上幅度高于Vf的书写电压Vwr，单元将放电发光。
Vwr
书写脉冲
前基板侧射出，是从前基板一侧观看画面，优点是可
增加荧光体的涂布量，并且是直视荧光体的发光，因
此画面亮度较高，视角大 。
透明电极
前玻璃基板 障壁
透明介电体层 保护层
白色介电体层
后玻璃基板
荧光层
选址电极 15
两种实现彩色显示的交流PDP结构
对向放电式
表面放电式
16
对向放电式
早期的PDP结构与单色结构相同，两个电极分别做在相 对放置的底板上，在MgO层上涂敷荧光粉，这种结构放 电时荧光粉受离子轰击会使发光性能变差，因此难以 实现实用的彩色显示，同时，荧光粉淀积在MgO绝缘层 上也使驱动电压不稳定。
§6.3.2 等离子显示的原理
等离子体显示器(Plasma Display Panel)缩写为PDP。 它是一种利用气体放电的显示技术，它采用了等离子 管作为发光元件，显示屏上排列有数百万个微小的等 离子管（即放电空间）,每个等离子管对应一个像素。
前玻璃基板
后玻璃基板
8
1、PDP的基本结构
显示屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经 气密性封接形成一个个放电空间 ，其结构如图所示。
46
Matrix drive mode矩阵驱动方式
导通 开关
Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5
DD D 12 3
表面放电式结构
表面放电式结构避免了上述缺点，显示电极位于同一 侧的底板上，放电也在同侧电极间进行。
18
3、AC-PDP型工作原理
（1）当放电单元的电极加上比着火电压Vf低的维持电 压VS时，单元中气体不会着火，当在维持电压间隙加 上幅度高于Vf的书写电压Vwr，单元将放电发光。
Vwr
书写脉冲
前基板侧射出，是从前基板一侧观看画面，优点是可
增加荧光体的涂布量，并且是直视荧光体的发光，因
此画面亮度较高，视角大 。
透明电极
前玻璃基板 障壁
透明介电体层 保护层
白色介电体层
后玻璃基板
荧光层
选址电极 15
两种实现彩色显示的交流PDP结构
对向放电式
表面放电式
16
对向放电式
早期的PDP结构与单色结构相同，两个电极分别做在相 对放置的底板上，在MgO层上涂敷荧光粉，这种结构放 电时荧光粉受离子轰击会使发光性能变差，因此难以 实现实用的彩色显示，同时，荧光粉淀积在MgO绝缘层 上也使驱动电压不稳定。
§6.3.2 等离子显示的原理
等离子体显示器(Plasma Display Panel)缩写为PDP。 它是一种利用气体放电的显示技术，它采用了等离子 管作为发光元件，显示屏上排列有数百万个微小的等 离子管（即放电空间）,每个等离子管对应一个像素。
前玻璃基板
后玻璃基板
8
1、PDP的基本结构
显示屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经 气密性封接形成一个个放电空间 ，其结构如图所示。
46
Matrix drive mode矩阵驱动方式
导通 开关
Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5
DD D 12 3
第六章第二节液晶显示技术
第六章 液晶显示技术
液晶显示器的分类:反射型，全透型和半透型
反射型LCD的底偏光片 后面加了一块反射板， 它一般在户外和光线良 好的办公室使用。
全透型LCD的底偏光片 是全透偏光片，它需要 连续使用背光源，一般 在光线差的环境使用。
半透型LCD是处于以上两 者之间，底偏光片能部分 反光，一般也带背光源， 光线好的时候，可关掉背 光源；光线差时，可点亮 背光源使用LCD。
液晶面板为什么会有坏点？
液晶面板由两块玻璃板所构成，中间的夹层是厚约5微米的 水晶液滴。这些水晶液滴被均匀分隔开来，并包含在细小的单元 格里，每三个单元格构成屏幕上的一个像素点。在放大镜下像素 点呈正方形，一个像素点即是一个发光点。
每个发光点都有独立 的晶体管来控制其电流的 强弱，如果控制该点的晶 体管坏掉，就会造成该光 点永远发光或不亮。
第二节 液晶显示器件结构及其构成材料
LCD的发展及应用
1972年第一个使用液晶显示器的手表。
1973年Sharp EL-805，第一台使用液晶显示器的计算器。 1981年EPSON HX-20，第一台使用液晶显示器的 便携式计算机。
1989年NEC UltraLite，第一台笔记本计算机。
1、液晶显示器器件结构
利用上下两片偏振化方 向互相垂直的偏光片之间， 充满液晶，再利用电场控制 液晶转动，来改变光的行进 方向，如此一来，不同的电 场大小，就会形成不同灰阶 亮度了。
<1>结构 碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜与醋酸纤维素保
护膜做成的夹层片状结构
<2>偏光片的主要光学指标有： 颜色，一般为灰色（中灰和蓝灰），也有各种彩色的 偏光度，目前，最好的偏光度可达99％以上， 透光率和透射光谱 透光率一般略低于50％， 要求在整个可见光范围内透光率是均匀的，才能实现理
液晶显示器的分类:反射型，全透型和半透型
反射型LCD的底偏光片 后面加了一块反射板， 它一般在户外和光线良 好的办公室使用。
全透型LCD的底偏光片 是全透偏光片，它需要 连续使用背光源，一般 在光线差的环境使用。
半透型LCD是处于以上两 者之间，底偏光片能部分 反光，一般也带背光源， 光线好的时候，可关掉背 光源；光线差时，可点亮 背光源使用LCD。
液晶面板为什么会有坏点？
液晶面板由两块玻璃板所构成，中间的夹层是厚约5微米的 水晶液滴。这些水晶液滴被均匀分隔开来，并包含在细小的单元 格里，每三个单元格构成屏幕上的一个像素点。在放大镜下像素 点呈正方形，一个像素点即是一个发光点。
每个发光点都有独立 的晶体管来控制其电流的 强弱，如果控制该点的晶 体管坏掉，就会造成该光 点永远发光或不亮。
第二节 液晶显示器件结构及其构成材料
LCD的发展及应用
1972年第一个使用液晶显示器的手表。
1973年Sharp EL-805，第一台使用液晶显示器的计算器。 1981年EPSON HX-20，第一台使用液晶显示器的 便携式计算机。
1989年NEC UltraLite，第一台笔记本计算机。
1、液晶显示器器件结构
利用上下两片偏振化方 向互相垂直的偏光片之间， 充满液晶，再利用电场控制 液晶转动，来改变光的行进 方向，如此一来，不同的电 场大小，就会形成不同灰阶 亮度了。
<1>结构 碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜与醋酸纤维素保
护膜做成的夹层片状结构
<2>偏光片的主要光学指标有： 颜色，一般为灰色（中灰和蓝灰），也有各种彩色的 偏光度，目前，最好的偏光度可达99％以上， 透光率和透射光谱 透光率一般略低于50％， 要求在整个可见光范围内透光率是均匀的，才能实现理
第六章象限探测器和光电讲解
通过运算放大器进行相加相减的运算，最后通过 Us模拟除法器，得到光点的位置信号
二维PSD
• 二维PSD用于测定光点在平面上的二维（x， y）坐标。
• 受光面是方形的，比一维PSD多一对电极。 • 按结构分为以下三种形式： ① 单侧四电极型 ② 双侧双电极型 ③ 枕形
双侧双电极型
• 电极分别设置在器件的两侧（前表面和后表面） • 每个位置信号（光电流）由两个电阻层分成两
此分辨率和精度有限。
光电位置传感器
• Position Sensitive Detector，PSD • 利用离子注入技术，一种对入射到光敏面上的光
点位置敏感的光电器件，分一维和二维两种。 • 可确定光的能量中心位置。
PSD的优点
• 光敏面上无象限分割线，消除死区 • 对光斑形状无严格要求，与聚焦无关 • 可连续测量，分辨率高，一维PSD可达
激光制导的导弹头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限 探测仪）。如果四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向 飞行，如果有一个接收器接收的激光少了，它就自动调整方向。
激光制导技术
• 核心部件：激光导引头 • 功能：利用激光目标指示器照射目标，反射回来
的信号经过接收处理形成控制指令控制导弹飞行。
美国海尔法导弹采用四 象限硅雪崩光电二极管
部分 • 位置探测能力强 • 位置探测误差小，分辨率高
单侧四电极型
• 四个电极都设置在器件的前表面 • 光电流在同一电阻层内分成四个部分 • 周边有相对较大的误差 • 施加偏压容易，暗电流小，响应速度快
枕形
• 为减少周边误差，对光敏面和电极进行了 改进。
• 边缘四周误差减小，暗电流小，响应时间 快，容易施加偏压
0.2μm • 同时检测光强和位置 • 忽略光斑形状细节，直接给出“重心”位
二维PSD
• 二维PSD用于测定光点在平面上的二维（x， y）坐标。
• 受光面是方形的，比一维PSD多一对电极。 • 按结构分为以下三种形式： ① 单侧四电极型 ② 双侧双电极型 ③ 枕形
双侧双电极型
• 电极分别设置在器件的两侧（前表面和后表面） • 每个位置信号（光电流）由两个电阻层分成两
此分辨率和精度有限。
光电位置传感器
• Position Sensitive Detector，PSD • 利用离子注入技术，一种对入射到光敏面上的光
点位置敏感的光电器件，分一维和二维两种。 • 可确定光的能量中心位置。
PSD的优点
• 光敏面上无象限分割线，消除死区 • 对光斑形状无严格要求，与聚焦无关 • 可连续测量，分辨率高，一维PSD可达
激光制导的导弹头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限 探测仪）。如果四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向 飞行，如果有一个接收器接收的激光少了，它就自动调整方向。
激光制导技术
• 核心部件：激光导引头 • 功能：利用激光目标指示器照射目标，反射回来
的信号经过接收处理形成控制指令控制导弹飞行。
美国海尔法导弹采用四 象限硅雪崩光电二极管
部分 • 位置探测能力强 • 位置探测误差小，分辨率高
单侧四电极型
• 四个电极都设置在器件的前表面 • 光电流在同一电阻层内分成四个部分 • 周边有相对较大的误差 • 施加偏压容易，暗电流小，响应速度快
枕形
• 为减少周边误差，对光敏面和电极进行了 改进。
• 边缘四周误差减小，暗电流小，响应时间 快，容易施加偏压
0.2μm • 同时检测光强和位置 • 忽略光斑形状细节，直接给出“重心”位
鲁科版(2019)高中物理选择性必修第三册第6章第1节光电效应及其解释课件
D [金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率 无关，A 错误；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强 度无关，B 错误；只有 ν>νc 时才会发生光电效应，C 错误；由爱因 斯坦光电效应方程 Ek＝hν－W 和 W＝hνc(W 为金属的逸出功)可得， Ek＝hν－hνc，可见图像的斜率表示普朗克常量，D 正确．]
对光电效应方程的理解与应用
如图所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的 氧化层，连接在验电器上(弧光灯发射紫外线)．
(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象是什么？ (2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射， 看到的现象是什么？ 为什么？ (3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较 长时间，看到的现象是什么？ 为什么？ 提示：(1)验电器张开． (2)验电器不张开 ，紫外线不能透过玻 璃． (3)验电器不张开，紫外线照射可以产生光电效应现象，白光不 可以．
2．光电效应规律中的两条线索、两个关系 (1)两条线索
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2)两个关系 光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大； 光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．
【例 2】 在研究光电效应现象时，先后用 两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流 I 与光电管两端所加电压 U 间的关系曲线如图所 示，下列说法正确的是( )
3．如图所示，一验电器与锌板相连，在 A 处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，指针 保持一定偏角．
(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将 ________(选填“增大”“减小”或“不变”)．
(2)使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射 锌板，验电器指针无偏转，那么，若改用强度更大的红外线照射锌 板，可观察到验电器指针________(选填“有”或“无”)偏转．