光电检测总结全

第一章光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理，最终显示输出所需要的检测物理参数检测通过一定的物理方式，分辨出被测参量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。测量将被测的未知量与同性质的标准量比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。光电检测系统组成光发射机，光学通道，光接收机。光发射机分为主动式和被动式。主动式光源（或加调制器）被动式无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射。光学通道大气、空间、水下和光纤等。光接收机收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信息光电检测技术的特点高精度。各种检测技术中最高。如激光干涉仪法检测长度的精度达005UM/M；光栅莫尔条纹法测角可达004秒；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1M。高速度。光电检测以光为介质，用光学方法获取和传递信息是最快的。远距离，大量程。光便于远距离传播的介质，适于遥控和遥测，如武器制导，光电跟踪，电视遥测等。非接触检测。光照可认为是没有测量力的，也无磨擦，可实现动态测量，效率最高。寿命长。光波可永久使用。具有很强的信息处理和运算能力。可将复杂信息并行处理。同时光电方法还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。光电检测基本方法直接作用法（受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量）、差动测量法（利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反应被测量的大小）、补偿测量法（是用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出补偿量值，其大小反应被测量变化大小）和脉冲测量法（测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽，相位，频率，脉冲数量等）反映被测量的大小）脉冲测量法特点抗干扰性能好，精度高，直接与计算机相连，易于实现在线测量和自动化控制。脉宽方法测长度LVTVKNKN双光路外差检测特点双光路可消除杂散光、光源波动、温度变化和电源电压波动带来的测量误差，使测量精度和灵敏度大大提高。第二章光电效应因光照二引起物体电学性质的改变（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。特点1）、光电效应对光波频率表现出选择性2）、光子直接与电子作用，响应速度比较快；3）、根据是否发射电子，分为外光电效应和内光电效应。外光电效应产生电子发射。内光电效应受到光照后物质内部电子能量状态发生变化，但不存在表面发射电子的现象。光电导效应光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。包括本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。属于内光电效应。稳态光电流当在垂直于电场方向有均匀光照入射到样品表面，且入射光通量恒定时，样品中流出的光电流为稳态光电流。暗电导率无光照时，半导体材料在常温下具有一定的热激发载流子浓度，此时材料处于暗态，具有一定的暗电导率。暗电流暗态下外加电压通过的电流。光电导亮电导与暗电导之差。光电流亮电流与暗电流之差。弛豫现象光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L的光电导体在两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的受光表面，又可减小电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度杂质光电导效应杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。特点容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。光生伏特效应达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势光伏效应中，与光照想联系的是少数载流子的行为，义因为少数载流子的寿命很短，所以以光伏效应为基础的监测器件要比以光电导效应为基础的检测器件偶更快的响应速度。光热效应收到光照后，由于温度变化而造成材料性质的变化与光电效应的区别光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。可分为热释电效应（介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。物理本质极化晶体在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩不为零，表面感应束缚电荷）、辐射热计效应（入射光照射材料由于受热而造成电阻率变化的现象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化）及温差电效应（由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应）光电检测器件利用特质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，可分为光子检测器件和热电检测器件。（热电检测器件热释电检测器（热释电效应），热敏电阻（辐射热计效应），热电偶和热电堆（温差电效应）（光子检测器件分为电真空或光电发射型检测器件（光电管和光电倍增管）和固体或半导体光电检测器件（光导型光敏电阻，光伏型光电池、光电二、三极管）热电检测器件的特点1、响应波长无选择性。对各种波长具有相同的敏感性。2、响应慢。即吸收辐射后产生信号所需时间长，在毫秒量级。光子检测器件的特点1、响应波长有选择性。存在截止波长。2、响应快。一般为纳秒到几百微秒响应时间响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。频率响应SF由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。可见光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽光电导器件或光敏电阻利用具有光电导效应的材料（如SI、GE等本征半导体与杂质半导体，如CDS、CDSE、PBO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件。结构特点体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。工作原理当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号。光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。设计原则，光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度SG与光敏电阻两电极间距离L的平方成反比，在强辐射作用下SG与L的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。工作性能特点1光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。2所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光3灵敏度高，光电增益可以大于1。4无选择极性之分，使用方便。缺点强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。应用照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。前历效应指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。暗态前历效应指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。亮态前历效应光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。基本结构1、金属半导体接触型（硒光电池）2、PN结型。几个特征1、栅状电极2、受光表面的保护膜。3、上、下电极的区分光电池光照特性特征1、VOC与光照E成对数关系；典型值在04506V。作电源时，转化效率10左右。最大15520。2、ISC与E成线性关系，常用于光电池检测，ISC典型值3545MA/CM2。2、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。3、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。光电池的应用太阳能电池（把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给）检测元件（利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等）。光电二极管与光电池的特性比较1基本结构相同，由一个PN结；2光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。3掺杂浓度光电池约为10161019/CM3，硅光电二极管10121013/CM3，4电阻率光电池01001，光电二极管1000/CM。5光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GAAS激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100KHZ。光电三极管的工作原理工作过程一、光电转换；二、光电流放大。光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路当有光线照射于光电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，这种电路称为亮通光电控制电路，也叫明通控制电路。如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则称它为暗通控制电路。光电耦合器件的工作原理光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。光耦合器件有透光型与反射型两种，在透光型光耦合器件中，发光器件与受光器件面对面安放，在它们之间有一间隔，当物体通过这一间隔时，发射光被切断。利用这一现象可以检测出物体的有无。采用这种方式的耦合器件后边连接的接口电路设计比较简单，检测位置精度也高。反射型光耦合器件从发光器件来的光反射到物体上面由受光器件来检测出，比起透光型来显得体积小，把它放在物体的侧面就能使用。1光电耦合器件的特点具有电隔离的功能；2信号的传输是单向性的，适用于模拟和数字信号传输；3具有抗干扰和噪声的能力，可以抑制尖脉冲及各种噪声，发光器件为电流驱动器件4响应速度快5使用方便，结构小巧，防水抗震，工作温度范围宽；6即具有耦合特性又具有隔离特性。光电耦合器由发光器件（发光二极管）和受光器件（光敏三极管）封装在一个组件内构成；当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。光电耦合器件的应用1代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小2代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。3完成电平匹配和电平转换功能4用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性5饱和压降低，代替三极管做为开关元件6在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简单可靠。（电平转换，逻辑门电路，起隔离作用，光电开关）热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。有三种基本类型正温度系数，PTC，负温度系数，NTC，临界温度系数CTC。特点温度系数大、灵敏度高。电阻值大、引线电阻可忽略。体积小，热响应快，廉价。互换性差、测温范围窄。在汽车、家电领域得到大量应用热电偶的特点又称温差电偶原理是热电效应是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。热释电器件利用热释电效应制成的热或红外辐射检测器件，具有以下优点1宽的频率响应，工作频率可近兆赦兹，一般热检测器时间常数典型值在1001S范围内。而热释电器件的有效时间常数可低至1043105S。2检测率高，3有大面积均匀的敏感面，工作时不接外偏置。4与热敏电阻比，受环境温度变化影响小。5热释电器件的强度和可靠性比其它多数热检测器好，制造容易。热释电器件不同于其它光电器件的特点在恒定辐射作用情况下输出信号电压为零。只有在交变辐射作用下才会有信号输出。第五章光电检测系统直接检测（非相干检测，光源非相干或相干光源，原理利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。调制方法光强度调制、偏振调制。）光外差检测（相干检测，光源相干光源，原理利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测时需要用光波相干原理。调制方法光振幅调制、相位调制，频率调制。测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。）光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。光检测器的平方律特性光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方。直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角比辐射率物体在温度T，波长处的辐射出射度M1（T，）与同温度，同波长下的黑体辐射出射度M2（T，）的比值。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。莫尔条纹的定义在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角，光栅节距为P。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置安装光敏元件，即可检测到亮暗变化莫尔条纹有如下特征1）平均效应莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。2）对应关系当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。3）放大作用莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题辨向问题用一个光电元件无法辨别运动方向；精度低；分辨力只为一个栅距P。莫尔条纹的应用莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，通常为25，50，100，250条/MM。被广泛地应用于1光栅数显表2光栅传感器在位置控制中的应用3轴环式数显表4机械测长和数控机床中。脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，般可达兆瓦级。组成它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路等组成光外差检测系统对检测器性能的要求1响应频带宽主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆HZ。2均匀性好外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到在光敏面不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在整光敏面上都是一致。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。3工作温度高在实验室工作时，工作温度无严格要求。如果在室外或空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如HGCDTE红外检测器件。光外差检测特性1光外差检测可获得全部信息2光外差检测转换增益G高3良好的滤波性能4信噪比损失小激光干涉测长仪主要组成部分1激光光源2干涉系统3光电显微镜4干涉信号处理部分角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器对激光器带来不利影响；另一方面由于角锥棱镜具有“出射光束与入射光束的平行不受棱镜绕轴转动的影响”的特点。激光测速的原理是是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯纤芯和玻璃包皮包层两个同心圆柱的双层结构组成。光纤传感器结构原理由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类光纤的损耗当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，损耗的种类吸收损耗来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗如光纤弯曲也引起散射损耗。光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散的种类模式色散模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差光纤的光波调制技术1、强度调制利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。2、偏振调制（偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息）调制原理普克尔POCKELS效应电光效应，法拉第磁光效应，光弹效应。解调原理检偏器。3相位调制（相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息相位解调原理光外差检测原理）4频率调制5波长调制线偏振光光矢量只在一个固定平面内沿一个固定方向振动的光叫平面偏振光。偏振片将自然光转变成偏振光的仪器。偏振片有一个特定的方向，只让平行于该方向的光矢量通过。这个方向称为透振方向（或叫偏振化方向）。偏振片的作用1当作起偏器用它可以把自然光变成线偏振光。2当作检偏器用它可以检验光的偏振态。普克尔效应（电光效应）当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象。法拉第效应某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关迈克尔逊干涉仪干涉原理当激光束分得的两光束的光程差小于激光的相干长度时，射到光检测器上的两相干光束即产生干涉，且相位差为。马赫泽德尔干涉LK02仪由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器是产生干涉。优点没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。对干涉影响小。3萨格纳克干涉仪4法布里珀罗干涉仪，干涉原理是多光束干涉在光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤一般有四种分布A随机分布B半球形对开分布C共轴内发射分布D共轴外发射分布光纤温度传感器有功能型和传光型两种半导体光吸收型光纤温度传感器原理半导体材料的光吸收与禁带宽度EG有关，光子能量大于EG的光被吸收，光子能量等于EG的是半导体吸收的“红限波长G”，被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增加半导体吸收呈线性递减特性，超过这一波长范围的光几乎不产生吸收。当温度增加时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性地向长波方向平移。锁定放大器的构成1信号通道2参考通道3相敏检波器4低通滤波器锁相放大技术的四个基本环节通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；在调制频率上对有用信号进行选频放大；在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。特点要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到00004HZ；交流直流信号变换器；可以补偿光检测中的背景辐射噪声前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。取样积分器BOXCAR，是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形，因为信号提取取样是经过多次重复的，而噪声多