第四章光電探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第四章光電探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1光電探測技術(shù)中的光學(xué)系統(tǒng)4.2光電變換的基本形式4.3光電檢測電路設(shè)計(jì)4.1光電探測技術(shù)中的光學(xué)系統(tǒng)光電探測系統(tǒng)中，為使待測光信息按設(shè)計(jì)需要正確達(dá)到光探測器，必須應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)和一些專用光學(xué)元件。組成光學(xué)系統(tǒng)所采用的光學(xué)材料隨工作波段而異。工作于不同光譜波段的光學(xué)系統(tǒng)，雖然在光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)、鍍膜要求、處理方法上會有很大區(qū)別，但其成像原理都符合光學(xué)基本規(guī)律。4.1.1系統(tǒng)組成及功能光電探測系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，包括觀察系統(tǒng)在內(nèi)，都可以認(rèn)為是由物鏡和其它光學(xué)元件組成。其它光學(xué)元件：目鏡、濾光鏡、調(diào)制盤、光機(jī)掃描器、光闌、探測器輔助光學(xué)元件等。系統(tǒng)的主要作用可歸納為：——收集來自目標(biāo)的光輻射通量；——觀察或瞄準(zhǔn)目標(biāo)；——確定目標(biāo)的方位；——實(shí)現(xiàn)大視場捕獲目標(biāo)與成像。4.1.2系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）光電探測器的大小和對應(yīng)視場的關(guān)系系統(tǒng)半視場角：ω=d/2f’=d/2FDd——圓形探測光敏面的直徑

f’——物鏡焦距

D——系統(tǒng)物鏡的口徑

系統(tǒng)的F數(shù)：F=f’/D=d/2ωD系統(tǒng)的數(shù)值孔徑：N﹒A=n’sinu’=n’/2Fu’——系統(tǒng)的孔徑角

n’——物方空間的折射率上述關(guān)系決定了對F數(shù)以及探測器直徑的限制。（2）光學(xué)系統(tǒng)的焦深和景深焦深——若成像面相對于理想像面前后移動一小量ΔL，像仍比較清晰，就把這種移動距離的極限范圍2ΔL0稱為焦深。以衍射為極限的焦深：2ΔL0=4λF2/n’不同波長和不同F(xiàn)數(shù)時(shí)焦深的計(jì)算結(jié)果n’λ/μmF2ΔL0/μmF2ΔL0/μm10.52843214264425611021604640

景深——在物方空間，物體沿光軸方向移動，只要其像面移動不超過焦深，則仍可得到清晰的像，所以對應(yīng)焦深在物空間的可清晰成像的范圍稱為景深。利用牛頓成像公式，可得到景深為：其中：x為物平面到光學(xué)系統(tǒng)物方焦點(diǎn)的距離，

f為光學(xué)系統(tǒng)的焦距。例：手機(jī)攝像頭孔徑為1mm，物距3m時(shí)，對550nm波長的可見光，其景深為19.8m。而對一個(gè)孔徑為45mm的鏡頭在同樣條件下的景深則是9.8mm。（3）小彌散斑及其角直徑光學(xué)系統(tǒng)中影響成像質(zhì)量的主要因素是像差和衍射。像差按照不同的設(shè)計(jì)有很大的差別。衍射作用的大小可用愛里斑來估計(jì)，其角直徑為：δθ=2.44λ/D；其直徑為角直徑與焦距的乘積：δ=fδθ=2.44λF。用于可見光和近紅外的光學(xué)系統(tǒng)，因波長較短，影響像質(zhì)的主要是各種像差；用于中遠(yuǎn)紅外的光學(xué)系統(tǒng)，影響像質(zhì)的主要因素是衍射。4.2光電變換的基本形式被測對象為輻射源的形式光透過被測對象的形式光由被測對象反射的形式光由被測對象遮擋的形式光信息由被測對象量化的形式光傳輸信息的形式4.2.1被測對象為輻射源的形式應(yīng)用于：火警監(jiān)測、制導(dǎo)、被動夜視儀、熱成像、探測溫度、光譜分析等。信號特征：緩慢變化量

不利因素：直流放大器零點(diǎn)漂移；環(huán)境背景噪聲干擾。設(shè)計(jì)措施：對信號斬波調(diào)制，然后濾波放大。系統(tǒng)輸入信息：物體輻射出度其中，ε為物體的發(fā)射率；σ為斯特凡——玻爾茲曼常數(shù)；T為物體的絕對溫度。在近距離時(shí)，不考慮大氣吸收，前置放大器輸出的電壓信號為：式中：τ——光學(xué)系統(tǒng)的透過率m——光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)透過率S——光電器件的靈敏度A——放大器放大倍數(shù)G——電路變換系數(shù)R——光電變換系數(shù)將物體的輻射出度與溫度的關(guān)系式帶入上式，有：4.2.2光透過被測對象的形式應(yīng)用于：測量液體或氣體濃度、透明度或渾濁度，檢測透明介質(zhì)厚度和質(zhì)量，測量膠片的密度和黑度。光透過均勻介質(zhì)被吸收而減弱的規(guī)律為：式中，d——介質(zhì)厚度；α——介質(zhì)吸收系數(shù)。光電變換前置放大器的輸出電壓為：式中，R——光電變換系數(shù)4.2.3光由被測對象反射的形式反射面有光滑鏡面和粗糙面，對應(yīng)鏡面反射和漫反射兩類反射。鏡面反射主要用于判斷光信號的有無。漫反射檢測表面質(zhì)量時(shí)，變換器輸出信號電壓為應(yīng)用于：激光測距、激光制導(dǎo)、主動式夜視儀、電視攝像、掃描儀、文字判讀、條碼識別、光準(zhǔn)直、轉(zhuǎn)速測量、表面檢測等。式中，E——照度；r1——正常反射率；r2——瑕疵反射率；B——探頭有效視場內(nèi)瑕疵面積；R——光電變換系數(shù)。4.2.4光由被測對象遮擋的形式應(yīng)用：光電測微計(jì)、光電投影尺寸檢測、光電計(jì)數(shù)、光電開關(guān)、防盜報(bào)警等。設(shè)光電器件光敏面被物體遮擋光照的面積為A，則變換器輸出的信號電壓為：式中，

E——照度；R——光電變換系數(shù)。4.2.5光由被測對象信息量化的形式應(yīng)用：數(shù)顯長度、角度精密測量；數(shù)控機(jī)床位移、角位移的精密測控。光信息量化變化形式在位移量通過光柵或碼盤干涉儀等變?yōu)樽優(yōu)闂l紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)閿?shù)字信號輸出。若長度信息L量化為條紋信息量，則長度式中q——量化單位；n——條紋個(gè)數(shù)4.2.6光傳輸信息的形式應(yīng)用：紅外遙控，相互絕緣電路之間的信息傳輸，光通信，光纖通信。4.3光電檢測電路設(shè)計(jì)由于光電檢測器件伏安特性是非線性的，一般采用非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法來計(jì)算。對于種類繁多的光電器件，可根據(jù)這些器件的伏安特性的性質(zhì)分作恒流源型、光伏型和可變電阻型三種基本類型，并且以光電二極管或光電池為線索，介紹它們在各種工作狀態(tài)下的電路計(jì)算方法。4.3.1恒流源型光電檢測電路的靜態(tài)計(jì)算工作電壓較小的范圍內(nèi)伏安特性曲線呈彎曲；隨電壓升高，曲線逐漸平直；對不同的輸入光通量，各曲線近似平行且間隔隨光通量的增大趨于相等；輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大的性質(zhì)稱為恒流源特性。（1）圖解計(jì)算法U(I)=Ub–IRL在伏安特性上畫出負(fù)載線Q點(diǎn)為輸入靜態(tài)工作點(diǎn)光通量改變△Φ，RL上產(chǎn)生△U和△I輸出。對一定的△Φ，小RL值輸出信號電壓較??；過大的RL值會導(dǎo)致輸出信號波形畸變。Ub增大，輸出信號幅度增，線性度改善，電路功耗增。圖解法應(yīng)用原則對于線性應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)輸入光通量的變化范圍和輸出信號幅度的要求，使負(fù)載線稍高于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時(shí)保證Ub不大于器件的最大工作電壓。對于非線性應(yīng)用，例如用作光電開關(guān)的情況下，可以合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠地動作，同時(shí)保證不使器件超過其最大工作電流、最大工作電壓和最大耗散功率(2)解析計(jì)算法轉(zhuǎn)折電壓U0，對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。初始電導(dǎo)G0，非線性區(qū)近似直線的初始斜率。結(jié)間漏電導(dǎo)G，線性區(qū)內(nèi)各直線的平均斜率。光電靈敏度：S=IP/P，單位輸入光功率引起的光電流。式中，光功率P也可以是光通量或光照度。利用折線化的伏安特性，可將線性區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)Q處的電流值表示為兩個(gè)電流分量的組合。它們分別是與二極管端電壓成正比的由結(jié)間漏電導(dǎo)形成的暗電流Id和與端電壓無關(guān)的僅取決于輸入光功率的光電流Ip。當(dāng)輸入光通量在確定的工作點(diǎn)附近作微小變化時(shí)，只需對上式作全微分即可得到微變等效方程：式中，g——微變等效漏電導(dǎo)

S——微變光電靈敏度在輸入光通量變化范圍為已知時(shí)，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)的步驟：①確定線性工作區(qū)域由對應(yīng)最大輸入光通量的伏安曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓U0或初始電導(dǎo)G0

M點(diǎn)的電流值可表達(dá)為：故有：或：②計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出，負(fù)載線與最大光通量照對應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過M點(diǎn)，有：當(dāng)Ub已知，可計(jì)算出：當(dāng)RL已知，可計(jì)算出：③計(jì)算輸出電壓幅度

當(dāng)輸入光通量從最小值變化到最大值，輸出電壓變化幅度可由M、H兩點(diǎn)的電流值計(jì)算：以上二式分別有：所以④計(jì)算輸出電流幅度通常，上式簡化為⑤計(jì)算輸出電功率4.3.2光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計(jì)算光電池的輸出電流式中e—電子電量k—玻爾茲曼常數(shù)T—絕對溫度—短路電流如果使伏安特性倒轉(zhuǎn)到第一象限，即對電流的正方向作相反的規(guī)定，那么伏安特性方程可表示為：（1）光伏型器件輸入電路的形式（2）無偏置輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對給定的Φ0，選定RL，工作點(diǎn)Q即可圖解確定。根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值可以把光電池的工作曲線分作四個(gè)區(qū)域：Ⅰ短路或線性電流放大；Ⅱ空載電壓輸出；Ⅲ線性電壓放大；Ⅳ功率放大。①短路或線性電流放大這是一種電流變換狀態(tài)，后續(xù)電流放大級作為負(fù)載從光電池吸取最大輸出電流。為此要求后續(xù)放大電路輸入阻抗盡可能小。由于負(fù)載電阻很小，輸出電流接近于短路電流，它與光通量有良好的線性關(guān)系。短路狀態(tài)器件噪聲電流較低，所以最適用于弱光信號的檢測。同一片光電池的短路電流或低阻負(fù)載時(shí)的負(fù)載電流與受光面積呈線性關(guān)系。②空載電壓輸出這是一種非線性變換狀態(tài)，此時(shí)光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大短路連接，相當(dāng)于輸出開路。開路電壓可寫成：在入射光強(qiáng)從零到某一定值作跳躍變化的光電開關(guān)等應(yīng)用中具有不需偏置電源即可組成控制電路的優(yōu)點(diǎn)。③線性電壓輸出這種狀態(tài)在串聯(lián)的負(fù)載上能得到與入射光通量近似成正比的信號電壓，負(fù)載電阻增大有助于提高輸出電壓。但增大到一定臨界值時(shí)，輸出信號開始發(fā)生明顯非線性畸變。在線性關(guān)系要求不高時(shí)，可利用圖解法簡單得到臨界電阻RM輸出電壓變化選取4.3.3可變電阻型光電檢測電路的靜態(tài)計(jì)算光敏電阻的伏安特性是一組以輸入光功率為參量的通過原點(diǎn)的直線簇。在一定范圍內(nèi)光敏電阻的阻值僅取決于輸入光功率（或光通量/光照度）,并有式中，G——亮電導(dǎo)；Gd——暗電導(dǎo)；Gp=S?

——光電導(dǎo)當(dāng)入射光通量變化時(shí)，光敏電阻阻值的變化可表示為：（1）簡單輸入電路簡單輸入電路工作狀態(tài)的解析計(jì)算負(fù)載電阻上的電流負(fù)載電阻端電壓輸入光通量變化→光敏電阻的變化→負(fù)載電流的變化：負(fù)載電阻端電壓的相應(yīng)變化為：討論：兩種典型工作狀態(tài)