光電檢測(cè)總結(jié)

1、第一章概論1檢測(cè)技術(shù)的概念與分類(lèi)。定義：確定被測(cè)對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作檢測(cè)技術(shù)分類(lèi)按工作原理：機(jī)械式 阻抗式 電量式 光電式 輻射式按工作方式：接觸式，非接觸式按工作物質(zhì)：電量式，非電量式2光電檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，光電檢測(cè)系統(tǒng)組成。特點(diǎn)：光電檢測(cè)技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)載 有被檢測(cè)物體信號(hào)的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢 測(cè)，即通過(guò)光電檢測(cè)器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用的信息，再經(jīng)過(guò) A/D變換接口 輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測(cè)物體的幾何量或物理量。系統(tǒng)組成：顯 示控制號(hào)跡.理變換

2、電路光電傳感光學(xué)變換被測(cè)對(duì)象光學(xué)系統(tǒng)電路處理光學(xué)變換電磁波譜圖UJnl*dsQ百u(mài)6eLU2t5a_UJ(ZHlfruanbair呼11O1*光譜光視效率函數(shù)第二章基礎(chǔ)知識(shí)X-RaysUltravioletWsi la 珞NearInfr8<-redThermal1 nm400nimnmnmnmf WOO jim ' i immMicrowavesRadar10 cmRadio. TV1 m10 mH 100 mAM1 000 mLong-wavesLouie E Koi nor - CoasWl CsroHnw Uniwerslily器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線

3、性度工作溫度一、響應(yīng)特性1響應(yīng)度(或稱靈敏度)：是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系 的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率電壓響應(yīng)率：光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率：光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比2 光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為入的單色光照射下， 輸出電壓或電流與入 射的單色光功率之比3 積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度.4.響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間t是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù) 上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需 要的時(shí)間。下降時(shí)間：入射光遮

4、斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。5 .頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻 率響應(yīng)二、噪聲特性在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象；21 T: 2用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小i(t)i(t) i(t) dtT o噪聲的分類(lèi)和性質(zhì)外部干擾噪聲：人為干擾噪聲的和自然干擾噪聲。人為干擾： 電子設(shè)備的干擾噪聲。 如焦距測(cè)量?jī)x在日光燈下， 人的走動(dòng)對(duì)干 涉儀的光程影響。自然干擾：雷電、太陽(yáng)等。如光電導(dǎo)盲器在太陽(yáng)下內(nèi)部噪聲 :人為噪聲和固有噪聲兩類(lèi)。人為噪聲：如工頻交流電（50Hz）

5、、測(cè)試儀器的散熱風(fēng)扇引起的光路變化。固有噪聲：散粒噪聲、熱噪聲、產(chǎn)生 -復(fù)合噪聲、 1/f 噪聲、溫度噪聲 光電探測(cè)器常見(jiàn)的噪聲熱噪聲 ：載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。 熱噪聲存在于任何電阻中， 熱 噪聲與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲。散粒噪聲： 入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的， 光電子從光電陰極表面逸 出是隨機(jī)的， PN 結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的。散粒噪聲也是白噪聲， 與頻率無(wú)關(guān)。 散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性， 對(duì) 大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。產(chǎn)生 -復(fù)合噪聲： 半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生 -復(fù)合。在平衡狀態(tài)時(shí)，在 載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均

6、數(shù)是一定的。 但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是 有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。1/f 噪聲： 或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。噪聲的功率近似與頻率成反比。多數(shù)器件的1/f噪聲在200300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。典型代表：電流幅值漂 移溫度噪聲： 由熱探測(cè)器和背景之間的能量交換所造成的探測(cè)器自身的溫度起 伏，稱為溫度噪聲。第三章光電器件電荷耦合器件（ CCD ）原理和工作過(guò)程CCD 是一種電荷耦合器件 （Charge Coupled Device）CCD 的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者 電壓為信號(hào)。CCD 的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移

7、。CCD 工作過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCD 的結(jié)構(gòu)MOS光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬一氧化物一半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。電荷存儲(chǔ)對(duì)電報(bào)G （p鄭半粵體如«*辰型層(c J在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當(dāng)UG> Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高， 以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子（少子）吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了 MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10

8、V，因這兩個(gè)電極靠得 很緊（間隔只有幾微米），它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來(lái)在第一個(gè)電極 下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電 荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱和電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對(duì) 絕大多數(shù)CCD，1卩m的間隙長(zhǎng)度是足夠了。2V1QV 2V 2V2V10V-2V1CV2V電荷移動(dòng)<d)2V10Vi-nv2V9 9 9 9(XT的二昨原円三相CED中電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)產(chǎn)CCD的工作原理CCD主要由三部分組成：信號(hào)輸入、 電荷轉(zhuǎn)移、

9、信號(hào)輸出。輸入部分：將信號(hào)電荷引入到CCD的 第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類(lèi)：光注入和電注入 電注入：用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等。通過(guò)輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)， 其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù) 載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷在CCD柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過(guò)閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形 成不同深淺的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱 內(nèi)信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移

10、，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰 MOS電荷 為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位 CCD中含的MOS個(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為N型CCD。而以空穴為 信號(hào)電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn) 大于空穴的遷移率，因此 N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。CCD的特點(diǎn)體積小，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)?？臻g分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測(cè)量精度。光電靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，紅外敏感性強(qiáng)，信噪比高。高速掃描，基本上不保留殘象（電子束攝象管有1520%的殘象）集成度高可用于非接觸精密尺寸測(cè)量系統(tǒng)。無(wú)像元燒傷、扭曲，不受電磁

11、干擾。有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計(jì)算機(jī)結(jié)合接口。第四章-檢測(cè)電路半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)被動(dòng)法波長(zhǎng)鎖定方法PIN接收器驅(qū)動(dòng)電路電流放大型電壓放大型En、In噪聲模型(匹配電阻，噪聲系數(shù)，放大器噪聲，En和In測(cè)量方法)噪聲系數(shù)與噪聲匹配卩2F 曲-其中， 鑒二眄+由于，EnA總是存在的，所以，F(xiàn)>1，單位為：NF=10l°gF(dB)。換言之，En、In的值越小，F(xiàn)越接近1。F=1，理想"無(wú)噪聲噪聲放大器”。同樣，若存在十f?尺 «E，仍可以達(dá)到f=i的目標(biāo)。第五章微弱光信號(hào)檢測(cè)鎖相放大器（LIA ）的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過(guò)程、特點(diǎn)介,/

12、亠口參考信號(hào)AC信號(hào)通道輸入信號(hào)AC前放相敏檢波0鎖相環(huán)| 移相器混頻乘法越相敏檢波器PSD)低通濾波器FLP參考通道鎖相放大器組成LIA的基本工作原理通過(guò)調(diào)制或斬光，將被測(cè)信號(hào)由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)。檢測(cè)系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；在調(diào)制頻率上對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行選頻放大；在相敏檢波中對(duì)信號(hào)解調(diào)。同步解調(diào)作用截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?hào)，使輸出信號(hào)的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；通過(guò)低通濾波器對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波。鎖相放大器（Lock-in Amplifier, LIA）是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器利用與被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻（或倍頻）

13、、同相的噪聲分類(lèi)有響應(yīng).故能大幅度抑制無(wú)用噪聲，改善信噪比。具有很高的檢測(cè)靈敏度，信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單LIA的組成信號(hào)通道：交流放大、調(diào)制、帶通濾波參考通道：觸發(fā)、移相、方法驅(qū)動(dòng)相敏檢波：模擬乘法器，電子開(kāi)關(guān)低通濾波：RC濾波器。LIA特點(diǎn)要求對(duì)入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號(hào)的檢測(cè);極窄帶高增益放大器，增益可達(dá) 1011，帶寬窄到0.0004Hz; 交流-直流信號(hào)變換器； 可以補(bǔ)償光檢測(cè)中的背景輻射噪聲和前置放大器的固有噪聲。信噪比改善可達(dá)1000 倍?？朔辔黄普皇噶挎i相放大器克服頻率漂移外差鎖相放大器+ 2fD取樣積分器的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程輸入放大器取樣開(kāi)關(guān)輸出放大運(yùn)行步驟禾

14、I用檢測(cè)光脈沖的激勵(lì)源，取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號(hào)；利用門(mén)延時(shí)和門(mén)脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖具有恒定時(shí)延或時(shí)延與時(shí)間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串；取樣脈沖控制取樣開(kāi)關(guān)對(duì)連續(xù)的周期性變化信號(hào)進(jìn)行掃描取樣；積分器對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行多次線性累加，經(jīng)過(guò)濾波后獲得輸出信號(hào)。取樣平均的基本原理：首先采用一個(gè)與信號(hào)重復(fù)頻率相同的參考信號(hào)對(duì)信號(hào)進(jìn)行 取樣，進(jìn)而基于信號(hào)相關(guān)原理，對(duì)信號(hào)多次重復(fù)提取，使噪聲的統(tǒng)計(jì)平均趨近于 零，從而獲得“干凈”的信號(hào)。對(duì)應(yīng)的信噪比改善為SNIR SNRo 皿1L 血 <mSNR VmN(t) S(t)可見(jiàn)，取樣積分器的信號(hào)比改善與積分次數(shù) m成正比?；€漂移和克服在長(zhǎng)

15、時(shí)間的取樣、掃描過(guò)程中，電容漏電、放大器零點(diǎn)增益變化、溫漂、時(shí)漂、 激勵(lì)源起伏等，將導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生漂移一一基線漂移。第六章光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)與二次調(diào)制 直接檢測(cè)：無(wú)論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息。光電探測(cè)器直接把接受到的光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，然后，用解調(diào)電路檢出所攜帶的信息。二次調(diào)制（副載波調(diào)制）x（t）一次調(diào)制二次調(diào)制s(t)主要調(diào)制方式x（t）=A cos（wOt+ ）振幅調(diào)制（AM ）頻率調(diào)制（FM）位相調(diào)制（PM）脈碼調(diào)制（PCM）波長(zhǎng)調(diào)制、偏振調(diào)制等幅度調(diào)制、雙邊帶調(diào)制、單邊帶調(diào)制AM調(diào)制基本原理和特性SAM(t)=Ao+f(t)c(t)其中，初始信

16、號(hào)f(t)=A mCOS(Wmt+m) 調(diào)制信號(hào)c(t)=cos(wot+)Ao為初振幅于是得到，SAM(t)=A0COS(W0t+)+0.5 AmCOS(Wm+WO)t+ m+ 0.5 AmCOS(Wm-W0)t+ m- 若m二=0,則上式簡(jiǎn)化為Sam (t)=Aocoswot+0.5 Amcos(wm+wo)t+0.5 Amcos(wm-wo)tAM調(diào)制頻譜定義調(diào)制效率：輸入功率與調(diào)制后信號(hào)功率之比，亦即Ps/PAM =0.5Am2/(A 02+0.5Am2)其中，Am為振幅，0.5Am2為初始信號(hào)功率。一般而言，只有大概1/3的功率作為信號(hào)傳遞。y ' I IfCb)雙邊帶調(diào)制(

17、DSB)令 A 0=0，則有 Sdsb(t)=m(t)cos(w 0t+ )單邊帶調(diào)制（SSB）HssB(w)= 1 -wO<w<wO直接檢測(cè)系統(tǒng)的解調(diào)屬于非相干解調(diào)，或稱為包絡(luò)解調(diào)技術(shù)基本原理為包絡(luò)信號(hào)經(jīng)AM調(diào)制后，其幅度為Sd(t)f(t) A若 A f(t)max，則有 Sd(t)f(t) A進(jìn)而，簡(jiǎn)單地去掉直流信號(hào)Ao即可得到輸入信號(hào)那么，如何實(shí)現(xiàn)包絡(luò)解調(diào)？光外差檢測(cè)（零差、外差）系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，特點(diǎn)光外差檢測(cè)是相干解調(diào)技術(shù)一種。設(shè)fs為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩光波，兩束相干光入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻, 得到二者的差頻信號(hào) f f ，最后進(jìn)入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)接收。Is 1LaJ信號(hào)光束©/探測(cè)器4*!敢大器光束相干檢測(cè)基本原理設(shè)入射到探測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)為:Es tAs cossts本機(jī)振蕩光場(chǎng)為：eltAlcos LtL入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為：E tEs(t)EL(t)As cos stsA_cosLtL相干檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比改善為snir IPRl4S2E；EL4S2PsPlS2Es2S2Ps4PLPs光外差檢測(cè)的特性可獲得全部信息： 不僅可探測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)， 還可探測(cè)頻率調(diào)制和相 位調(diào)制的光信號(hào)， 即在光探測(cè)器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、 頻率和相位等 全部信息。轉(zhuǎn)換效率高： 轉(zhuǎn)換增益可高， 107108，對(duì)微弱