光电检测总结.docx

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光电检测总结

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。

系统组成：

光学变换电路处理

第2章基础知识

电磁波谱图

光谱光视效率函数

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

1、响应特性

１．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

电流响应率：

光电探测器件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λ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

３．积分响应度：

检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度．

４．响应时间：

响应时间τ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。

5．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

2、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

用均方噪声来表示噪声值大小

噪声的分类及性质

外部干扰噪声:

人为干扰噪声的和自然干扰噪声。

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200~300Hz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，称为温度噪声。

第3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（ChargeCoupledDevice）

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

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。

CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。

对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够了。

CCD的工作原理

ＣＣＤ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ＣＣＤ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。

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15~20％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4章-检测电路

半导体激光器驱动

半导体激光器功率稳定

主动法

被动法

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，EnA总是存在的，所以，F>1，单位为：

NF=10logF（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。

第5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

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。

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-inAmplifier,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.

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

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

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；

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

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

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:

无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。

光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。

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）=Acos（w0t+Ф）

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）=[A0+f（t）]c（t）

其中，初始信号f（t）=Amcos（wmt+Фm）

调制信号c（t）=cos（w0t+Ф）

A0为初振幅

于是得到，

SAM（t）=A0cos（w0t+Ф）+0.5Amcos[（wm+w0）t+Фm+Ф]+0.5Amcos[（wm-w0）t+Фm-Ф]

若Фm=Ф=0，则上式简化为

SAM（t）=A0cosw0t+0.5Amcos（wm+w0）t+0.5Amcos（wm-w0）t

AM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A0=0，则有Sdsb（t）=m（t）cos（w0t+Ф）

单边带调制（SSB）

HssB（w）=1-w0

0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

若，则有

进而，简单地去掉直流信号A0即可得到输入信号。

那么，如何实现包络解调？

？

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。

相干检测基本原理

设入射到探测器上的信号光场为：

本机振荡光场为：

入射到探测器上的总光场为：

相干检测系统的信噪比改善为

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，107~108，对微弱信号的探测有利——本振光功率高。

差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。

良好的滤波性能取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光；而直接探测中，所有的杂散光都被接收

信噪比损失小

检测距离远

检测灵敏度高，等效噪声功率低

系统对探测器性能的要求

光外差检测对探测器的要求比直接检测高

响应频带宽

均匀性好

工作温度高

光外差检测的条件

空间条件：

θ:

两束光的夹角，

l：

检测器光敏面线度．

波长越短或口径越大，要求相位差角θ越小，越难满足要求．

频率条件：

要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。