光电检测总结

光电检测系统综述第一章概论1.探测技术的概念和分类。定义：确定被测试对象的属性和测量单位的所有操作测试技术分类根据工作原理：机械阻抗电光电辐射按操作：接触，非接触按工作物质：电、非电光电检测技术特性，光电检测系统配置。特征：光电子检测技术以激光、红外、光纤等现代光电子器件为基准，检测包含被检测物体信号的光辐射(发射、反射、散射、衍射、折射、透射等)。也就是说，光辐射通过光电检测装置接收，并转换成电信号。从输入电路、放大滤波器等检测电路中提取有用的信息，通过A/D转换接口显示或打印微机运算、处理、输出所需的检测对象的几何量或物理量。系统配置：改变电路光电传感器光源光学系统被杀对象光学转换电信号处理保存现时控制剂光学转换电路处理第二章基本知识电磁波谱光谱光学效率函数设备的基本特性参数响应特性噪声特性量子效率线性工作温度1、响应特性1.响应度(或灵敏度):对光电探测器输出信号和输入光功率之间关系的测量。描述了光电探测器部件的光电转换效率。响应度随着入射光的波长而变化响应度电压响应率和电流响应率电压响应率：光电探测器输出电压与入射光功率之比电流响应率：光电探测器输出电流与入射光功率之比2.光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射单色光力的比率3.积分反应度：探测器对各种波长光的连续辐射量的反应程度。4.响应时间：响应时间是描述光探测器对入射光响应速度的参数。上升时间：入射光照射在光电探测器上时，光电探测器输出上升到稳定值所需的时间。下降时间：解除入射光阻挡后，光电探测器输出下降到稳定值所需的时间。5.频率响应：光探测器的响应随入射光的调制频率变化的特性称为频率响应2、噪音特性在一定波长的光下，光探测器输出的电信号不是直线，而是在平均值上上下随机波动，这实际上是物理量围绕该平均值波动的现象使用平均平方噪波表示噪波值的大小噪音的分类和特性外部干扰噪声：人工干扰噪声和自然干扰噪声。人工干扰：电子设备的干扰噪音。人的步态对干涉仪光线路径的影响，如日光灯下焦距测量仪。自然干扰：闪电、太阳等。太阳下的光电导盲内部噪音：人工噪音和独特噪音两种类型。使用者噪音：电源频率AC (50Hz)，测试设备中冷却风扇造成的光纤路径变更。独特噪声：粒子噪声、热噪声、生成-复合噪声、1/f噪声、温度噪声光探测器的一般噪声热噪音：由托架不规则热运动引起的噪音。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声也称为白噪声。块状噪声：进入光电探测器表面的光子是随机的，光电离开光电表面是随机的，在PN连接处通过连接区域的载波数也是随机的。粒子噪音也是白色噪音，与频率无关。体噪声是光探测器的固有特性，根据对大多数光探测器的研究，体噪声占主导地位。生成-复合噪声：半导体照明，载流量继续生成-复合。载流量生成和复合平均在平衡状态时是恒定的。但是，在某一时刻，载流量的产生和复合的数量会波动。载流子浓度的波动引起半导体电导率的波动。1/f噪波：或闪烁噪波或低频噪波。噪声的功率近似与频率成反比。在大多数设备上，1/f噪声已衰减，可以在200-300hz或更高频率下忽略。典型代表：电流振幅漂移温度噪声：由于热探测器和背景之间的能量交换而引起的探测器本身的温度波动，称为温度噪声。第三章光电设备电荷耦合器件(CCD)原理和工作过程CCD是电荷耦合设备(Charge Coupled Device)CCD的突出特点：与大多数其他设备使用电流或电压不同，使用电荷作为信号。CCD的基本功能是电荷存储和电荷转移。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的创建、存储、传输和检测。CCD的结构MOS感光元件：构成CCD的基本单位是金属-氧化物-半导体(MOS)结构。电荷存储在闸门添加正偏位之前，p型半导体的孔(多子)分布均匀。添加正偏移会导致气穴被拒绝，从而产生耗尽区域，增加偏移，从而使耗尽区域向内扩展。在Ug ut h中，半导体和绝缘体接口的电势很高，将半导体内的电子(小数)吸引到表面，形成非常薄但电荷浓度高的半形层。反射层电荷的存在表明了莫尔斯结构存储电荷的功能。电荷转移(耦合)第一个电极保持10V，第二个电极的电压从2V变为10V，两个电极连接得很紧(间距只有几微米)，因此每个相应的电位井合在一起。原来第一个电极下的电荷是这两个电极下的势阱共同使用的。此后，如果第一个电极电压从10V更改为2V，第二个电极电压仍为10V，则公用电荷将传递到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱和电荷包向右移动一个位置。CCD电极间隙必须小，以便电荷不受干扰地从一个电极转移到相邻电极。大多数CCD，1m的间隔长度也足够了。CCD的工作原理Ccd主要是信号输入，电荷转移，信号输出。输入部分：用CCD引入信号电荷被称为电荷注入的第一个过渡栅下的势阱。电荷注入方法主要有两种电注入：用于过滤、延迟线和内存等。通过输入二极管将电压应用到输入门。注入灯光：用于摄影机。使用光敏元件代替输入二极管。CCD硅片在光照下在靠近栅极的半导体中产生电子-孔对，其中大多数由栅极电压分隔，少数载流子从势阱中收集以形成信号电荷。转换为一定的周期，将超过阈值的电压应用于CCD门，在半导体表面形成不同深度的势阱。势阱用于存储信号电荷，深度与信号电压变化同步，使陷阱内的信号电荷沿着半导体表面传输，最后使输出二极管发送视频信号。为了传递电荷的方向性，在CCD的MOS阵列中，将几个相邻的MOS电荷分成一个单元的循环结构。CCD包含的MOS数是CCD上的照片数。以电子为信号电荷的CCD称为n型通道CCD，简称为n型CCD。孔带信号电荷的CCD称为p通道CCD，简称为p型CCD。n型CCD的工作频率比p型CCD高得多，因为电子的移动率比孔移动率高得多。CCD的功能体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。空间分辨率高，位置精度高，测量精度高。高光电灵敏度、大动态范围、强红外灵敏度、高信噪比。高速扫描，基本上不保留重影(电子束相机15%到20%的重影)房性高可用于非接触式精密尺寸测量系统。没有图像烧伤、失真、电磁干扰。有数字扫描能力。元件的位置可以由数字代码确定，以便于与计算机连接。第4章-检测电路半导体激光器驱动大头针流行音乐电力控制系统LD恒流源温度调节半导体激光电源稳定性主动法被动法波长锁定方法接脚接收器驱动电路电流发射大电压发射大En，In噪声模型(匹配电阻、噪声系数、放大器噪声、En和In测量方法)噪波系数和噪波匹配在这里，EnA始终存在，因此F1为NF=10log F(dB)。也就是说，En，In的值越小，f越接近1。F=1，理想的“无噪声放大器”。同样，如果存在，则可以实现F=1的目标。第五章弱光信号检测锁相放大器(LIA)的基本结构、工作原理、工作过程和特性频率选择固定拓扑回路移相器输入信号交流参考信号交流信号通道相位检测放在前面混合倍增(相位探测器PSD)低通滤波器LPF锁相放大器的配置参考通道LIA的基本工作原理通过调制或切削从0频率范围到设定的高频范围传输经测试的信号。测试系统变为交流系统。调制频率下有用信号的频率选择放大；在相位检测检查中解调信号。同步解调功能阻止异步噪声信号，从而将输出信号的带宽限制在非常窄的范围内。通过低通滤波器检测信号的低通滤波器。锁相放大器(Lock-in Amplifier，LIA)交流信号的相位检测放大器。以与正在测量的信号具有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，仅响应与正在测量的信号本身和参考信号具有相同频率(或倍频)的相同相位噪声分类。因此，可以大大抑制无用的噪声，提高信噪比。检测灵敏度高，信号处理比较简单。LIA的配置信号通道：交流放大、调制、带通滤波器参考通道：触发，相移，驱动方法相位检测：模拟乘数，电子开关低通滤波器：RC过滤器。LIA的特点需要适合幅度调制光源信号检测的入射光束切割或光源调制。极窄波段高增益放大器，1011增益，0.0004Hz的带宽；Ac-dc信号转换器；可以校正光检测中的背景辐射噪声和前置放大器中的固有噪声。提高信噪比1000倍。克服拓朴偏移正交矢量锁相放大器克服频率漂移外差锁相放大器取样积分器的基本结构和工作过程A1A2门脉冲门延迟了成型机扫描生成器输入放大器取样开关积分器输出放大器输出信号输入参考固定触发器输入信号执行步骤使用用于光脉冲检测的激励源获取和输入光脉冲同步的触发信号。利用门延迟和门脉宽控制装置，形成与触发脉冲具有一定延迟或延迟和时间-线性关系的可调脉宽采样脉冲串。采样脉冲控制采样开关对连续周期性变化信号进行扫描采样。积分器对采样信号进行多次线性累积过滤，然后得到输出信号。采样平均的基本原理：首先，使用与信号重复频率相同的参考信号对信号进行采样，然后根据信号相关原理多次重复提取信号，获得噪声的统计接近平均0的“干净”信号。相应的信噪比已得到改善，如下所示可以看出样品积分器的信号对增强与积分数m成正比。基线偏移和克服由于长采样、扫描期间电容泄漏、放大器零增益变化、温度漂移、时间漂移、激励源波动等原因，测试目标信号可以生成基线漂移。第六章光电检测系统直接检测和二次调制:使用光源发出的发光强度传递信息，无论是一致光源还是非一致光源。光探测器将接收的亮度的变化直接转换为电信号的变化，然后检测发送到解调电路的信息。二次调制(副载波调制)X(t) s(t)一次调制二次调制主要调制方式x(t)=a cos(Wnt 1099)振幅调制(AM)频率调制(FM)相位调制(PM)脉冲编码调制(PCM)波长调制、偏振调制等振幅调制、量子频带调制、单边带调制AM调制的基本原理和特性SAM(t)=A0 f(t)c(t)其中初始信号f(t)=am mos(wmt 109m)调制信号c(t)=cos(Wnt 1099)A0是初始振幅所以得到，得到，Sam(t)=a0cos(Wnt 1090)0.5 amos(wmw 0)t 109m 10900.5 amos(WM-w0)t 109m-1099 m= 1099=0时，向上简化为Sam(t)