光電檢測總結(jié)

1、第一章概論1.檢測技術(shù)的概念與分類。定義：確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作檢測技術(shù)分類按工作原理：機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. 光電檢測技術(shù)特點，光電檢測系統(tǒng)組成。特點：光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機運算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。系統(tǒng)組成：變換電路光電傳感光源光學(xué)系統(tǒng)被測

2、對象光學(xué)變換電信號處理存 儲顯 示控 制光學(xué)變換電路處理第2章 基礎(chǔ)知識電磁波譜圖光譜光視效率函數(shù)器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度1、 響應(yīng)特性響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率電壓響應(yīng)率： 光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率：光電探測器件輸出電流與入射光功率之比 光譜響應(yīng)度：探測器在波長為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比積分響應(yīng)度：檢測器對各種波長光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度響應(yīng)時間：響應(yīng)時間是描述光電探測器對

3、入射光響應(yīng)快慢的一個參數(shù).上升時間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。 頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)2、 噪聲特性在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機地起伏，它實質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象用均方噪聲來表示噪聲值大小噪聲的分類及性質(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。如焦距測量儀在日光燈下，人的走動對干涉儀的光程影響。自然干擾：雷電、太陽等。如光電導(dǎo)盲器在太陽下內(nèi)部噪聲:人為噪

4、聲和固有噪聲兩類。人為噪聲：如工頻交流電（50Hz)、測試儀器的散熱風(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、溫度噪聲光電探測器常見的噪聲熱噪聲：載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲。散粒噪聲：入射到光探測器表面的光子是隨機的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明：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，在載流子產(chǎn)生和

5、復(fù)合的平均數(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。典型代表：電流幅值漂移溫度噪聲：由熱探測器和背景之間的能量交換所造成的探測器自身的溫度起伏，稱為溫度噪聲。第3章 光電器件電荷耦合器件（CCD）原理和工作過程CCD是一種電荷耦合器件(Charge Coupled Device)CCD的突出特點：是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD工作過

6、程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。CCD的結(jié)構(gòu)MOS 光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。電荷存儲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，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，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)存儲電荷的功能。電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個電極保持10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第

7、一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長度是足夠了。CCD的工作原理主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。輸入部分：將信號電荷引入到的第一個轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD

8、硅片時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。在CCD柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚詈髲妮敵龆O管送出視頻信號。為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCD中含的MOS個數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴

9、的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。CCD的特點體積小，功耗低，可靠性高，壽命長。空間分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度。光電靈敏度高，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強，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量系統(tǒng)。無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計算機結(jié)合接口。第4章 -檢測電路半導(dǎo)體激光器驅(qū)動PINPout功率控制系統(tǒng)LD恒流源溫度控制半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定主動法被動法波長鎖定方法PIN接收器驅(qū)動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

10、大器噪聲，En和In測量方法）噪聲系數(shù)與噪聲匹配其中， 。 由于，EnA總是存在的，所以，F(xiàn)>1，單位為：NF=10log F(dB)。換言之，En、In的值越小，F(xiàn)越接近1。F=1，理想“無噪聲噪聲放大器”。同樣，若存在 ， 仍可以達(dá)到F=1的目標(biāo)。第5章 微弱光信號檢測鎖相放大器（LIA）的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程、特點選頻鎖相環(huán)移相器輸入信號AC參考信號AC信號通道相敏檢波前放混頻乘法器(相敏檢波器PSD)低通濾波器LPF 鎖相放大器組成參考通道LIA的基本工作原理通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；在調(diào)制頻率上對有用信號進(jìn)行選頻放

11、大；在相敏檢波中對信號解調(diào)。同步解調(diào)作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；通過低通濾波器對檢波信號進(jìn)行低通濾波。鎖相放大器(Lock-in Amplifier, LIA)是一種對交變信號進(jìn)行相敏檢波的放大器.利用與被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或倍頻）、同相的噪聲分類有響應(yīng).故能大幅度抑制無用噪聲，改善信噪比。具有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單.LIA的組成信號通道：交流放大、調(diào)制、帶通濾波參考通道：觸發(fā)、移相、方法驅(qū)動相敏檢波：模擬乘法器，電子開關(guān)低通濾波：RC濾波器。LIA特點要求對入射光束進(jìn)行斬光或光

12、源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號的檢測；極窄帶高增益放大器，增益可達(dá)1011，帶寬窄到0.0004Hz；交流直流信號變換器；可以補償光檢測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取樣積分器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程A1A2門脈沖門延時整形器掃描發(fā)生器輸入放大器取樣開關(guān)積分器輸出放大器輸出信號參考輸入固定觸發(fā)輸入信號運行步驟利用檢測光脈沖的激勵源，取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號；利用門延時和門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖具有恒定時延或時延與時間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串；取樣脈沖控制取樣開關(guān)對連續(xù)的周期性變化信號進(jìn)行掃描取

13、樣；積分器對取樣信號進(jìn)行多次線性累加，經(jīng)過濾波后獲得輸出信號。取樣平均的基本原理：首先采用一個與信號重復(fù)頻率相同的參考信號對信號進(jìn)行取樣，進(jìn)而基于信號相關(guān)原理，對信號多次重復(fù)提取，使噪聲的統(tǒng)計平均趨近于零，從而獲得“干凈”的信號。對應(yīng)的信噪比改善為可見，取樣積分器的信號比改善與積分次數(shù)m成正比?；€漂移及克服在長時間的取樣、掃描過程中，電容漏電、放大器零點增益變化、溫漂、時漂、激勵源起伏等，將導(dǎo)致被測信號產(chǎn)生漂移基線漂移。第六章 光電檢測系統(tǒng)直接檢測與二次調(diào)制直接檢測:無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強攜帶信息。光電探測器直接把接受到的光強的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，然后，用解調(diào)電路

14、檢出所攜帶的信息。二次調(diào)制（副載波調(diào)制） x(t) s(t) 一次調(diào)制 二次調(diào)制主要調(diào)制方式 x(t)=A cos(w0t+)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)制基本原理及特性SAM(t)=A0+f(t)c(t)其中，初始信號f(t)=Amcos(wmt+m) 調(diào)制信號c(t)=cos(w0t+) A0為初振幅于是得到，SAM(t)=A0cos(w0t+)+0.5 Amcos(wm+w0)t+m+ 0.5 Amcos(wm-w0)t+m-若m =0，則上式簡化為SAM(t)=A0cosw0t+0.5 Am

15、cos(wm+w0)t+0.5 Amcos(wm-w0)tAM調(diào)制頻譜定義調(diào)制效率：輸入功率與調(diào)制后信號功率之比，亦即 Ps/PAM=0.5Am2/(A02+0.5Am2)其中，Am為振幅，0.5Am2為初始信號功率。一般而言，只有大概1/3的功率作為信號傳遞。雙邊帶調(diào)制（DSB）令A(yù)0=0，則有Sdsb(t)=m(t)cos(w0t+)單邊帶調(diào)制（SSB）HssB(w)= 1 -w0<w<w0 0 其它直接檢測系統(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)信號經(jīng)AM調(diào)制后，其幅度為若 ，則有進(jìn)而，簡單地去掉直流信號A0即可得到輸入信號。那么，如何實現(xiàn)包絡(luò)解調(diào)？光外差檢測（零差、外差）系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，特點光外差檢測是相干解調(diào)技術(shù)一種。設(shè)fS 為信號光波，fL為本機振蕩光波，兩束相干光入射到探測器表面進(jìn)行混頻，得到二者的差頻信號 ，最后進(jìn)入光電探測器轉(zhuǎn)變成電信號接收。相干檢測基本原理設(shè)入射到探測器上的信號光場為： 本機振蕩光場為： 入射到探測器上的總光場為： 相干檢測系統(tǒng)的信噪比改善為光外差檢測的特性可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強度調(diào)制的光信號，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號，即在光探測器輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高，107108，對微弱信號的探測有利本振光功率高。差頻