光电检测总结教材

1、光电检测系统总结第一章概论1.检测技术的概念与分类。定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测技术分类按工作原理：机械式 阻抗式 电量式 光电式 辐射式按工作方式：接触式，非接触式按工作物质：电量式，非电量式2.光电检测技术特点，光电检测系统组成。特点：光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载 有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检 测，即通过光电检测器件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的信息，再经过 A/D 变换接口 输入微型计算机运算、 处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理 量。系统组

2、成：显示控制号处变换电路 光电传感光学变换被测对象光学系统电路处理光学变换光电检测系统总结第二章基础知识电磁波谱图光谱光视效率函数2光电检测系统总结器件的基本特性参数响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度、响应特性响应度(或称灵敏度) ：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率电压响应率： 光电探测器件输出电压与入射光功率之比SVVoPi电流响应率：光电探测器件输出电流与入射光功率之比SIIoPi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 射的单色光功率之比积

3、分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数 上升时间：入射光照射到光电探测器后， 光电探测器输出上升到稳定值所需 要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频 率响应二、噪声特性 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的， 而是在平均值 上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象1TI i i(t)dtTT 0T i(t)i(t)2dtT02 用均方噪声来表示噪声值大小i(t)2噪声的分类及性质外部干扰噪声 :人

4、为干扰噪声的和自然干扰噪声。光电检测系统总结人为干扰： 电子设备的干扰噪声。 如焦距测量仪在日光灯下， 人的走动对干 涉仪的光程影响。自然干扰：雷电、太阳等。如光电导盲器在太阳下内部噪声 :人为噪声和固有噪声两类。人为噪声：如工频交流电（ 50Hz）、测试仪器的散热风扇引起的光路变化。 固有噪声：散粒噪声、热噪声、产生 -复合噪声、 1/f 噪声、温度噪声 光电探测器常见的噪声热噪声 ：载流子无规则的热运动造成的噪声。 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，热噪声又称为白噪声。散粒噪声： 入射到光探测器表面的光子是随机的， 光电子从光电阴极表面逸 出是随机的， PN 结中

5、通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声， 与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性， 对 大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。产生 -复合噪声： 半导体受光照，载流子不断产生 -复合。在平衡状态时，在 载流子产生和复合的平均数是一定的。 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是 有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。1/f 噪声： 或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比。多数 器件的 1/f 噪声在 200300Hz 以上已衰减到可忽略不计。 典型代表：电流幅值漂 移温度噪声：由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的温度起 伏，称为温度

6、噪声。第三章光电器件电荷耦合器件（ CCD ）原理和工作过程CCD 是一种电荷耦合器件 （Charge Coupled Device）CCD 的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者 电压为信号。CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。CCD 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。CCD 的结构光电检测系统总结MOS 光敏元：构成 CCD 的基本单元是 MOS（金属氧化物半导体 ）结构。电荷存储在栅极加正偏压之前， P 型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。当 UG Uth 时，半导体

7、与绝缘体界面上的电势变得非常高， 以致于将半导 体内的电子 （少子 ）吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了 MOS 结构存储电荷的功能。 电荷的转移（耦合）第一个电极保持 10V，第二个电极上的电压由 2V 变到 10V，因这两个电极靠得 很紧 （间隔只有几微米 ），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极 下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。若此后第一个电极电压由 10V 变为 2V，第二个电极电压仍为 10V，则共有的电 荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。光电检测系统总结CCD 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍

8、地自一个电极转移到相邻电极。对 绝大多数 CCD，1m 的间隙长度是足够了。CCD 的工作原理主要由三部分组成：信号输入、 电荷转移、信号输出。输入部分：将信号电荷引入到的 第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入 电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。 光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射 CCD 硅片时，在 栅极附近的半导体体内产生电子空穴对， 其多数载流子被栅极电压排开， 少数 载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光电检测系统总结在 CCD 栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表

9、面形 成不同深浅的势阱。 势阱用于存储信号电荷， 其深度同步于信号电压变化， 使阱 内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。 为了实现电荷的定向转移， 在 CCD 的 MOS 阵列上划分成以几个相邻 MOS 电荷 为一单元的循环结构。一位 CCD 中含的 MOS 个数即为 CCD 的像数。 以电子为信号电荷的 CCD 称为 N 型沟道 CCD，简称为 N 型 CCD。而以空穴为 信号电荷的 CCD 称为 P 型沟道 CCD，简称为 P 型 CCD。由于电子的迁移率远 大于空穴的迁移率，因此 N 型 CCD 比 P型CCD 的工作频率高得多。CCD 的特点 体积小，功耗低，可靠

10、性高，寿命长。 空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。 光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。 高速扫描，基本上不保留残象 （电子束摄象管有 1520的残象 ） 集成度高 可用于非接触精密尺寸测量系统。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。 有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。第四章 -检测电路光电检测系统总结Pout半导体激光器功率稳定主动法恒流源被动法PIN光电检测系统总结波长锁定方法PIN 接收器驱动电路电流放大型电压放大型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) 噪声系数与噪声匹配其中， 。 由于，

11、EnA 总是存在的，所以， F1，单位为： NF=10log F(dB) 。换言之， En、In 的值越小， F 越接近 1。F=1 ，理想“无噪声噪声放大器” 。 同样，若存在 ， 仍可以达到 F=1 的目标。光电检测系统总结第五章 微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、特点参考信号AC信号通道输入信号AC前放相敏检波锁相环 移相器混频乘法器(相敏检波低通滤波器PSD)参考通道锁相放大器组成LIA 的基本工作原理通过调制或斩光， 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。

12、 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。 锁相放大器 （Lock-in Amplifier, LIA） 是一种对交变信号进行相敏检波的放大器 . 利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准， 只对被测信号 本身和那些与参考信号同频（或倍频） 、同相的噪声分类有响应 .故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比。 具有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单 .10光电检测系统总结LIA 的组成信号通道：交流放大、调制、带通滤波参考通道：触发、移相、方法驱动相敏检波：模拟乘法器，电子开关低通滤波：RC 滤波器。LIA 特点

13、 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 0.0004Hz； 交流直流信号变换器； 可以补偿光检测中的背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。克服相位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11光电检测系统总结输入放大器输入信号A取样开关积分器运行步骤利用检测光脉冲的激励源，取得和输入光脉冲同步的触发信号； 利用门延时和门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲具有恒定时延或时延与时间 成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进行扫描取样；

14、积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后获得输出信号。 取样平均的基本原理： 首先采用一个与信号重复频率相同的参考信号对信号进行 取样，进而基于信号相关原理， 对信号多次重复提取， 使噪声的统计平均趋近于 零，从而获得“干净”的信号。对应的信噪比改善为SNIR SNRoSNRimS(t) N(t) m mN (t) S(t)可见，取样积分器的信号比改善与积分次数 m 成正比。 基线漂移及克服12光电检测系统总结在长时间的取样、扫描过程中，电容漏电、放大器零点增益变化、温漂、时漂、 激励源起伏等，将导致被测信号产生漂移 基线漂移 。第六章 光电检测系统直接检测与二次调制 直接检测 :无论是相

15、干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电然后，用解调电路检出探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，所携带的信息。二次调制 （副载波调制）x(t)一次调制二次调制s(t)主要调制方式x(t)=A cos(w0t+ )振幅调制（ AM ） 频率调制（ FM）位相调制（ PM）脉码调制（ PCM）波长调制、偏振调制等幅度调制、双边带调制、单边带调制AM 调制基本原理及特性SAM(t)=A 0+f(t)c(t)13光电检测系统总结其中，初始信号 f(t)=A mcos(wmt+ m) 调制信号 c(t)=cos(w0t+)A0 为初振幅于是得到，SAM (t)=A 0cos(w

16、0t+ )+0.5 Amcos(wm+w0)t+m+ 0.5 Amcos(wm-w0)t+m- 若 m = =0，则上式简化为SAM(t)=A 0cosw0t+0.5 Amcos(wm+w0)t+0.5 A mcos(wm-w 0)tAM 调制频谱 定义调制效率 ：输入功率与调制后信号功率之比，亦即Ps/PAM=0.5Am2/(A02+0.5Am2) 其中， Am为振幅， 0.5Am2为初始信号功率。 一般而言，只有大概 1/3 的功率作为信号传递。双边带调制( DSB )令 A 0=0，则有 Sdsb(t)=m(t)cos(w 0t+ )14光电检测系统总结单边带调制（ SSB）HssB(w

17、)= 1 -w0ww00 其它直接检测系统的解调属于非相干解调，或称为 包络解调 技术基本原理为包络信号经 AM 调制后，其幅度为Sd(t)f (t) A0若 A0f(t) max ，则有 Sd(t)f (t) A0进而，简单地去掉直流信号 A0 即可得到输入信号。那么，15光电检测系统总结光外差检测（零差、外差）系统的基本结构、工作原理，特点 光外差检测是相干解调技术一种。设 fS 为信号光波， fL 为本机振荡光波，两束相干光入射到探测器表面进行混频，得到二者的差频信号，最后进入光电探测器转变成电信号接收。s相干检测基本原理设入射到探测器上的信号光场为：EsAs cosst本机振荡光场为：ELALcosLt入射到探测器上的总光场为：Et Es(t)EL(t)As cos stAL cosLt相干检测系统的信噪比改善为SNIRI P2 RLI02RL4S2Es2EL2S2 Es24S2PsPL2S2Ps4PLPs16光电检测系统总结光外差检测的特性 可获得全部信息： 不仅可探测振幅和强度调制的光信号， 还可探测频率调制及相 位调制的光信号， 即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、 频率和相位等 全部信息转换效率高： 转换增益可高， 107108，对微弱信号的探测有利本振光功率高。2S2 Ps PL RLS2P