第四章光电探测系统设计

1、第四章 光电探测系统设计4.1 光电探测技术中的光学系统4.2 光电变换的基本形式4.3 光电检测电路设计4.1 光电探测技术中的光学系统 光电探测系统中，为使待测光信息按设计需要正确达到光探测器，必须应用光学系统和一些专用光学元件。 组成光学系统所采用的光学材料随工作波段而异。 工作于不同光谱波段的光学系统，虽然在光学材料、结构、镀膜要求、处理方法上会有很大区别，但其成像原理都符合光学基本规律。4.1.1 系统组成及功能 光电探测系统的光学系统，包括观察系统在内，都可以认为是由物镜物镜和其它光学元件光学元件组成。 其它光学元件：目镜、滤光镜、调制盘、光机扫描器、光阑、探测器辅助光学元件等。

2、系统的主要作用可归纳为： 收集来自目标的光辐射通量； 观察或瞄准目标； 确定目标的方位； 实现大视场捕获目标与成像。4.1.2 系统的特点（1）光电探测器的大小和对应视场的关系 系统半视场角：=d/2f=d/2FD d圆形探测光敏面的直径 f 物镜焦距 D系统物镜的口径 系统的F数： F= f/D =d/2D 系统的数值孔径：NA =nsinu =n/2F u系统的孔径角 n物方空间的折射率上述关系决定了对F数以及探测器直径的限制。（2）光学系统的焦深和景深 焦深若成像面相对于理想像面前后移动一小量L，像仍比较清晰，就把这种移动距离的极限范围2L0称为焦深。 以衍射为极限的焦深： 2L0 =4

3、F2/n不同波长和不同F数时焦深的计算结果n/mF2L0 /mF2L0 /m10.52843214264425611021604640 景深景深在物方空间，物体沿光轴方向移动，只要其像面移动不超过焦深，则仍可得到清晰的像，所以对应焦深在物空间的可清晰成像的范围称为景深。利用牛顿成像公式，可得到景深为：22222022442DnxFfnxLfxx其中：x为物平面到光学系统物方焦点的距离， f为光学系统的焦距。例：手机摄像头孔径为1mm，物距3m时，对550nm波长的可见光，其景深为19.8m。而对一个孔径为45mm的镜头在同样条件下的景深则是9.8mm。（3）小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成

4、像质量的主要因素是像差和衍射。 像差按照不同的设计有很大的差别。 衍射作用的大小可用爱里斑来估计，其角直径为：=2.44/D；其直径为角直径与焦距的乘积： = f=2.44F。 用于可见光和近红外的光学系统，因波长较短，影响像质的主要是各种像差；用于中远红外的光学系统，影响像质的主要因素是衍射。4.2 光电变换的基本形式 被测对象为辐射源的形式 光透过被测对象的形式 光由被测对象反射的形式 光由被测对象遮挡的形式 光信息由被测对象量化的形式 光传输信息的形式4.2.1被测对象为辐射源的形式 应用于：火警监测、制导、被动夜视仪、热成像、探测温度、光谱分析等。信号特征信号特征：缓慢变化量 不利因素

5、不利因素：直流放大器零点漂移；环境背景噪声干扰。设计措施设计措施：对信号斩波调制，然后滤波放大。系统输入信息系统输入信息：物体辐射出度4TM 其中，为物体的发射率；为斯特凡玻尔兹曼常数；T为物体的绝对温度。 在近距离时，不考虑大气吸收，前置放大器输出的电压信号为：MRmSGAMUo式中：光学系统的透过率m光学调制系统透过率S光电器件的灵敏度A放大器放大倍数G电路变换系数R光电变换系数将物体的辐射出度与温度的关系式带入上式，有：4RTUo4.2.2光透过被测对象的形式de0 应用于：测量液体或气体浓度、透明度或浑浊度，检测透明介质厚度和质量，测量胶片的密度和黑度。 光透过均匀介质被吸收而减弱的规

6、律为：式中，d介质厚度；介质吸收系数。光电变换前置放大器的输出电压为：doeRRU0式中，R光电变换系数4.2.3光由被测对象反射的形式 反射面有光滑镜面和粗糙面，对应镜面反射和漫反射两类反射。 镜面反射主要用于判断光信号的有无。 漫反射检测表面质量时，变换器输出信号电压为 应用于：激光测距、激光制导、主动式夜视仪、电视摄像、扫描仪、文字判读、条码识别、光准直、转速测量、表面检测等。BRrrEUo)(21 式中，E 照度；r1正常反射率； r2瑕疵反射率；B探头有效视场内瑕疵面积； R光电变换系数。4.2.4光由被测对象遮挡的形式 应用：光电测微计、光电投影尺寸检测、光电计数、光电开关、防盗报

7、警等。 设光电器件光敏面被物体遮挡光照的面积为A，则变换器输出的信号电压为：EARUo式中， E 照度；R光电变换系数。4.2.5光由被测对象信息量化的形式 应用：数显长度、角度精密测量；数控机床位移、角位移的精密测控。 光信息量化变化形式在位移量通过光栅或码盘干涉仪等变为变为条纹或代码等数字信息量，再由光电变换电路变为数字信号输出。若长度信息L量化为条纹信息量，则长度qnL 式中q量化单位；n条纹个数4.2.6光传输信息的形式 应用：红外遥控，相互绝缘电路之间的信息传输，光通信，光纤通信。4.3 光电检测电路设计 由于光电检测器件伏安特性是非线性的，一般采用非线性电路的图解法和分段线性化的解

8、析法来计算。 对于种类繁多的光电器件，可根据这些器件的伏安特性的性质分作恒流源型、光伏型和可变电阻型三种基本类型，并且以光电二极管或光电池为线索，介绍它们在各种工作状态下的电路计算方法。4.3.1恒流源型光电检测电路的静态计算 工作电压较小的范围内伏安特性曲线呈弯曲； 随电压升高，曲线逐渐平直； 对不同的输入光通量，各曲线近似平行且间隔随光通量的增大趋于相等； 输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质称为恒流源特性。（1）图解计算法 U(I)=Ub IRL 在伏安特性上画出负载线 Q点为输入静态工作点 光通量改变，RL上产生U和I输出。对一定的，小RL值输出信号电压较小；过大的RL值会导致输出

9、信号波形畸变。Ub增大，输出信号幅度增，线性度改善，电路功耗增。图解法应用原则 对于线性应用，应根据输入光通量的变化范围和输出信号幅度的要求，使负载线稍高于转折点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证Ub不大于器件的最大工作电压。 对于非线性应用，例如用作光电开关的情况下，可以合理地选择电路参数使之能可靠地动作，同时保证不使器件超过其最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率(2)解析计算法 转折电压U0，对应于曲线转折点M处的电压值。 初始电导G0，非线性区近似直线的初始斜率。 结间漏电导G，线性区内各直线的平均斜率。 光电灵敏度：S=IP/P，单位输入光功率引起的光电流。式中，光功率P也

10、可以是光通量或光照度。 利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意点Q处的电流值表示为两个电流分量的组合。它们分别是与二极管端电压成正比的由结间漏电导形成的暗电流Id和与端电压无关的仅取决于输入光功率的光电流Ip。SGUIIUfIpd),( 当输入光通量在确定的工作点附近作微小变化时，只需对上式作全微分即可得到微变等效方程：SdgdUdIdUUIdI式中，g微变等效漏电导 S微变光电灵敏度 在输入光通量变化范围为已知时，用解析法计算输入电路的工作状态的步骤：确定线性工作区域 由对应最大输入光通量的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M，相应的转折电压U0或初始电导G0 M点的电流值可表达为：max000S

11、GUUGiM故有：GGSU0max0或：0max0USGG计算负载电阻和偏置电压 为保证最大线性输出，负载线与最大光通量照对应的伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，有：000)UGGUULb（当Ub已知，可计算出：max0max0000)(1SGGUSGUUUGRGbbLL当RL已知，可计算出：)()(00maxGGGGGSULLb计算输出电压幅度 当输入光通量从最小值变化到最大值，输出电压变化幅度可由M、H两点的电流值计算：minmaxmaxmax00)()(SGUUUGSGUUUGbLbL以上二式分别有：LbLLbLGGSUGUGGSUGUminmaxmax0所以LLGGSG

12、GSUminmax计算输出电流幅度LLLLGGSGGSGUGIII/1minmax通常GGL，上式简化为SI计算输出电功率22)(LLLGGSGUGUIP4.3.2 光伏型光电检测电路的静态计算PoIkTeUII 1)/exp(光电池的输出电流式中e电子电量 k 玻尔兹曼常数 T 绝对温度SIP短路电流 如果使伏安特性倒转到第一象限，即对电流的正方向作相反的规定，那么伏安特性方程可表示为： 1)/exp(kTeUIIIoP（1）光伏型器件输入电路的形式（2）无偏置输入电路的静态计算LopLRkTeUIIIRU1)/exp(对给定的0，选定RL，工作点Q即可图解确定。 1)/exp( 1)/ex

13、p(kTeIRIIkTeUIIILoPoPoLopoopIRUIIekTIIIIekTU/)(ln)(lnoLopLIRUIIeRkTUIUP/ln 根据所选负载电阻的数值可以把光电池的工作曲线分作四个区域：短路或线性电流放大；空载电压输出；线性电压放大；功率放大。短路或线性电流放大 这是一种电流变换状态，后续电流放大级作为负载从光电池吸取最大输出电流。为此要求后续放大电路输入阻抗尽可能小。 由于负载电阻很小，输出电流接近于短路电流，它与光通量有良好的线性关系。 短路状态器件噪声电流较低，所以最适用于弱光信号的检测。 同一片光电池的短路电流或低阻负载时的负载电流与受光面积呈线性关系。空载电压输

14、出 这是一种非线性变换状态，此时光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大短路连接，相当于输出开路。开路电压可写成：)ln()ln() 1ln(oopopocISekTIIekTIIekTU 在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中具有不需偏置电源即可组成控制电路的优点。线性电压输出 这种状态在串联的负载上能得到与入射光通量近似成正比的信号电压，负载电阻增大有助于提高输出电压。但增大到一定临界值时，输出信号开始发生明显非线性畸变。 在线性关系要求不高时，可利用图解法简单得到临界电阻RMmax7 . 07 . 0SUIURocpocM输出电压变化选取max7 . 0ocMpMUSRIRU

15、4.3.3可变电阻型光电检测电路的静态计算 光敏电阻的伏安特性是一组以输入光功率为参量的通过原点的直线簇。 在一定范围内光敏电阻的阻值仅取决于输入光功率（或光通量/光照度）,并有dpGGGIUR11式中，G亮电导；Gd暗电导；Gp=S? 光电导当入射光通量变化时，光敏电阻阻值的变化可表示为：SRGGGRdpp22)(（1）简单输入电路简单输入电路工作状态的解析计算负载电阻上的电流LbLRRUI负载电阻端电压bLLLURRRU输入光通量变化光敏电阻的变化负载电流的变化：222)()(LbLbLRRSURRRRUI负载电阻端电压的相应变化为：LLbLLLRRRSURIRU22)(222)()(LbLbLRRSURRRRUILLbLLLRRRSURIRU22)(讨论：两种典型工作状态恒流偏置，当RLRLbLLbLRRSUURRSUI22)(；优点：电压信噪比较高， 适用于高灵敏度测量。缺点：需要很高的偏置电压通常可用晶体管来实现恒流偏置。222)()(LbLbLRRSURRRRUILLbLLLRRRSURI