光电传感器应用技术PDF电子书下载

第1章　光电传感器技术基础 1

1.1　光辐射的度量 1

1.1.1　与辐射源有关的参数 2

1.1.2　与接收器有关的参数 5

1.1.3　辐射源的光谱辐射分布 6

1.1.4　量子流速率 7

1.2　物体热辐射 8

1.2.1　黑体辐射定律 8

1.2.2　辐射体的分类 10

1.3　辐射度量参数与光度量参数的关系 11

1.3.1　人眼的光视效率 11

1.3.2　人眼的光谱光视效能 12

1.3.3　两种辐射体光视效能的计算 14

1.4　半导体对光的吸收 15

1.4.1　光吸收的一般规律 15

1.4.2　半导体对光的吸收 16

1.5　光电效应 17

1.5.1　内光电效应 17

1.5.2　光电发射效应 21

思考题与习题1 23

第2章　光源 24

2.1　光源的分类 24

2.2　钨丝灯 26

2.2.1　钨丝白炽灯 26

2.2.2　卤钨灯 30

2.3　气体放电灯 31

2.3.1　气体放电 31

2.3.2　氙灯 33

2.4　金属蒸气灯 34

2.4.1　水银蒸气灯 34

2.4.2　钠灯 36

2.5　半导体发光二极管光源 36

2.5.1　发光二极管的发光机理 36

2.5.2　发光强度-电流特性 37

2.5.3　发光光谱和发光效率 38

2.6　激光光源 40

2.6.1　激光的产生机理 40

2.6.2　氦-氖激光器 42

2.6.3　半导体激光器 44

2.7　光电传感器应用系统中光源与照度的匹配 46

2.7.1　光源的选择 46

2.7.2　照度匹配 46

思考题与习题2 48

第3章　光电导器件 49

3.1　光敏电阻的原理与结构 49

3.1.1　光敏电阻的基本原理 49

3.1.2　光敏电阻的基本结构 49

3.1.3　典型光敏电阻 50

3.2　光敏电阻的基本特性 52

3.2.1　光电特性 52

3.2.2　伏安特性 53

3.2.3　温度特性 54

3.2.4　时间响应 54

3.2.5　噪声特性 56

3.2.6　光谱响应 57

3.3　光敏电阻的偏置电路 58

3.3.1　基本偏置电路 58

3.3.2　恒流电路 59

3.3.3　恒压电路 60

3.3.4　举例 61

3.4　光敏电阻的应用实例 62

3.4.1　照明灯的光电控制电路 63

3.4.2　火焰探测报警器 63

3.4.3　照相机电子快门 64

思考题与习题3 65

第4章　光生伏特器件 67

4.1　硅光敏二极管 67

4.1.1　硅光敏二极管的工作原理 67

4.1.2　光敏二极管的基本特性 68

4.2　其他类型的光生伏特器件 71

4.2.1　PIN型光敏二极管 71

4.2.2　雪崩光敏二极管 72

4.2.3　硅光电池 74

4.2.4　光敏晶体管 77

4.2.5　色敏光生伏特器件 81

4.2.6　光伏器件组合器件 83

4.2.7　光电位置敏感器件 88

4.3　光生伏特器件的偏置电路 92

4.3.1　反向偏置电路 93

4.3.2　零伏偏置电路 95

思考题与习题4 96

第5章　光电发射器件 98

5.1　光电发射阴极 98

5.1.1　光电发射阴极的主要参数 98

5.1.2　光电阴极材料 99

5.2　真空光电管与光电倍增管的工作原理 101

5.2.1　真空光电管的原理 101

5.2.2　光电倍增管的原理 101

5.3　光电倍增管的基本特性 103

5.3.1　灵敏度 103

5.3.2　电流放大倍数 104

5.3.3　暗电流 105

5.3.4　噪声 106

5.3.5　伏安特性 107

5.3.6　线性 108

5.3.7　疲劳与衰老 109

5.4　光电倍增管的供电电路 110

5.4.1　电阻链分压型供电电路 110

5.4.2　末极的并联电容 111

5.4.3　电源电压的稳定度 111

5.5　光电倍增管的典型应用 112

5.5.1　光谱探测领域的应用 113

5.5.2　时间分辨荧光免疫分析中的应用 114

思考题与习题5 116

第6章　红外与THz的探测 117

6.1　热辐射的一般规律 117

6.1.1　温度变化方程 117

6.1.2　热电器件的最小可探测功率 118

6.2　热敏电阻与热电堆 119

6.2.1　热敏电阻 119

6.2.2　热电偶探测器 123

6.2.3　热电堆探测器 125

6.2.4　热敏电阻的用途 125

6.2.5　典型热敏电阻简介 126

6.3　热释电器件 127

6.3.1　热释电器件的基本工作原理 127

6.3.2　热释电器件的电压灵敏度 131

6.3.3　热释电器件的噪声 132

6.3.4　响应时间 133

6.3.5　热释电探测器的阻抗特性 133

6.3.6　热释电器件的类型 134

6.3.7　典型热释电器件 136

6.4　红外与热辐射的探测技术 137

6.5　THz的探测技术 138

6.5.1　THz脉冲探测 139

6.5.2　THz连续波探测 140

6.5.3　THz单光子探测 142

思考题与习题6 143

第7章　图像扫描与图像传感器 145

7.1　图像传感器基本原理 145

7.1.1　图像传感器的基本结构 145

7.1.2　单元光电器件扫描成像实例 147

7.1.3　图像传感器基本技术参数 148

7.2　图像的显示与电视制式 150

7.2.1　电视监视器的扫描 150

7.2.2　电视制式 152

思考题与习题7 153

第8章　CCD光电图像传感器 154

8.1　电荷存储 154

8.2　电荷耦合 156

8.3　CCD电极结构 157

8.3.1　三相CCD的电极结构 157

8.3.2　二相CCD 158

8.3.3　四相CCD 159

8.3.4　体沟道CCD 160

8.4　电荷的注入和检测 161

8.4.1　光注入 161

8.4.2　电注入 162

8.4.3　电荷的检测 163

8.5　典型线阵CCD图像传感器 164

8.5.1　单沟道线阵CCD图像传感器 164

8.5.2　双沟道线阵CCD图像传感器 170

8.5.3　线阵CCD类型与发展 174

8.6　典型面阵CCD图像传感器 175

8.6.1　概述 175

8.6.2　典型帧转移型面阵CCD器件 177

思考题与习题8 186

第9章　CMOS光电图像传感器 187

9.1　MOS与CMOS场效应晶体管 187

9.1.1　MOS场效应晶体管的基本结构 187

9.1.2　场效应晶体管的主要性能参数 188

9.2　CMOS图像传感器的原理与结构 192

9.2.1　CMOS图像传感器的组成 192

9.2.2　CMOS图像传感器的像敏单元结构 193

9.2.3　CMOS图像传感器的工作流程 196

9.2.4　CMOS图像传感器的辅助电路 197

9.3　CMOS图像传感器的特性参数 202

9.4　典型CMOS图像传感器 207

9.4.1　IBIS4 6600型CMOS图像传感器 207

9.4.2　IBIS5—B—1300型CMOS图像传感器 209

9.4.3　高速CMOS图像传感器 212

9.5　CMOS图像传感器的应用实例 214

9.5.1　IM28—SA型CMOS摄像机 215

9.5.2　MC1300高速CMOS摄像机 217

思考题与习题9 219

第10章　彩色图像传感器与彩色数码相机概述 220

10.1　彩色线阵CCD图像传感器 220

10.1.1　ILX522K器件 220

10.1.2　TCD2252D器件 222

10.2　彩色面阵CCD图像传感器 225

10.3　彩色面阵CCD摄像机概述 229

10.3.1　三管彩色面阵CCD摄像机 230

10.3.2　两管彩色面阵CCD摄像机 233

10.3.3　单管CCD彩色摄像机 234

10.4　彩色面阵CCD数码相机概述 238

10.5　彩色面阵CMOS数码相机概述 241

思考题与习题10 242

第11章　光电传感器输出信号的数据采集 244

11.1　光电传感器信号的二值化处理 244

11.1.1　单元光电信号的二值化处理 244

11.1.2　序列光电信号二值化处理 246

11.2　光电信号二值化数据采集 248

11.3　光电信号的量化处理与A/D数据采集 250

11.3.1　单元光电信号的量化处理 250

11.3.2　单元光电信号A/D数据采集 255

11.3.3　序列光电信号的量化处理 257

11.3.4　序列光电信号的A/D数据采集与计算机接口 260

11.4　面阵CCD的数据采集与计算机接口 263

11.4.1　基于PC总线的图像采集卡 264

11.4.2　典型图像数据采集卡 267

11.4.3　基于USB2.0的计算机接口 275

11.4.4　基于嵌入式系统的CCD图像数据采集 277

思考题与习题11 278

第12章　特种图像传感器 280

12.1　微光图像传感器 280

12.1.1　微光图像传感器的发展概况 280

12.1.2　微光电视摄像系统 282

12.1.3　微光电视摄像系统观察距离的估算 284

12.1.4　微光CCD摄像器件 286

12.2　红外CCD图像传感器 295

12.2.1　主动红外电视摄像系统 295

12.2.2　被动红外电视摄像系统 297

12.3　X射线CCD图像传感器 299

12.3.1　X射线像增强器 300

12.3.2　医用X射线电视CCD摄像系统 302

12.3.3　工业用X射线光电检测系统 303

思考题与习题12 304

第13章　光电传感器应用实例 305

13.1　光电传感器用于一维尺寸的测量 305

13.1.1　玻璃管内、外径尺寸测量控制仪器的技术要求 305

13.1.2　仪器的工作原理 305

13.1.3　线阵CCD的选择 306

13.1.4　光学系统设计 307

13.1.5　外径、壁厚的检测电路 309

13.1.6　微机数据采集接口 312

13.1.7　讨论 312

13.2　CCD的拼接技术在尺寸测量系统中的应用 312

13.2.1　CCD的机械拼接技术在尺寸测量中的应用 312

13.2.2　线阵CCD的光学拼接 314

13.3　线阵CCD传感器用于二维位置的测量 316

13.3.1　高精度二维位置测量系统 316

13.3.2　光学系统误差分析 318

13.4　CCD在BGA管脚三维尺寸测量中的应用 319

13.4.1　测量原理 319

13.4.2　数学模型 320

13.4.3　系统的标定 321

13.4.4　BGA芯片测量实验 322

13.5　CCD图像传感器用于平板位置的检测 323

13.5.1　平板位置检测的基本原理 323

13.5.2　平板位置检测系统 324

13.6　利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法 325

13.7　激光光斑的尺寸测量系统 328

13.7.1　激光光斑的尺寸测量原理 329

13.7.2　系统的总体设计 329

13.7.3　系统的基本组成及工作流程 330

13.7.4　系统硬件设计 331

13.7.5　系统软件设计 331

13.8　CCD图像传感器用于物体振动的非接触测量 332

13.8.1　工作原理 333

13.8.2　振动测量的硬件电路 334

13.8.3　软件设计 334

13.8.4　振动台测试实验结果 335

13.9　利用激光准直技术测量物体的直线度与同轴度 335

13.9.1　激光准直测量原理 335

13.9.2　不直度的测量 337

13.9.3　不同轴度的测量 337

13.10　光电信息变换技术在搜索、跟踪与制导中的应用 338

13.10.1　搜索仪与跟踪仪 338

13.10.2　激光制导 340

13.10.3　红外跟踪制导 341

13.11　CCD光电传感器用于ICP—AES光谱探测 344

13.11.1　ICP—AES探测器的基本原理 344

13.11.2　实验结果分析 346

13.12　扫描成像技术在表面质量检测中的应用 348

13.12.1　宽幅面物体表面质量的检测与分析 348

13.12.2　汽车制动钳内凹槽表面质量的检测 351

13.13　面阵CCD图像传感器用于钢板长宽尺寸测量系统 352

13.14　医用电子内窥镜系统 355

13.14.1　工作原理 355

13.14.2　系统的设计 356

13.14.3　CCD驱动、图像采集、编码电路 357

13.14.4　内窥镜视频驱动亮度控制系统的研制 358

13.14.5　电子内窥镜标准视频图像的畸变实时校正 359

13.14.6　基于PCI总线的内窥镜图像实时采集系统 359

13.14.7　电子内窥镜图像处理软件系统的设计 360

思考题与习题13 360

参考文献 361