第四章光電探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、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)為是由物鏡物鏡和其它光學(xué)元件光學(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。

2、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：=d/2f=d/2FD d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/2D 系統(tǒng)的數(shù)值孔徑：NA =nsinu =n/2F u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L，像仍比較清晰，就把這種移動距離的極限范圍2L0稱為焦深。 以衍射為極限的焦深： 2L0 =4

3、F2/n不同波長和不同F(xiàn)數(shù)時(shí)焦深的計(jì)算結(jié)果n/mF2L0 /mF2L0 /m10.52843214264425611021604640 景深景深在物方空間，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：22222022442DnxFfnxLfxx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

4、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：=2.44/D；其直徑為角直徑與焦距的乘積： = f=2.44F。 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。信號特征信號特征：緩慢變化量 不利因素

5、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)輸入信息系統(tǒng)輸入信息：物體輻射出度4TM 其中，為物體的發(fā)射率；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：MRmSGAMUo式中：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：4RTUo4.2.2光透過被測對象的形式de0 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)

6、律為：式中，d介質(zhì)厚度；介質(zhì)吸收系數(shù)。光電變換前置放大器的輸出電壓為：doeRRU0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。BRrrEUo)(21 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)

7、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：EARUo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qnL 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

8、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，RL上產(chǎn)生U和I輸出。對一定的，小RL值輸出信號電壓較小；過大的RL值會導(dǎo)致輸出

9、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

10、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。SGUIIUfIpd),( 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：SdgdUdIdUUIdI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：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：max000S

11、GUUGiM故有：GGSU0max0或：0max0USGG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：000)UGGUULb（當(dāng)Ub已知，可計(jì)算出：max0max0000)(1SGGUSGUUUGRGbbLL當(dāng)RL已知，可計(jì)算出：)()(00maxGGGGGSULLb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：minmaxmaxmax00)()(SGUUUGSGUUUGbLbL以上二式分別有：LbLLbLGGSUGUGGSUGUminmaxmax0所以LLGGSG

12、GSUminmax計(jì)算輸出電流幅度LLLLGGSGGSGUGIII/1minmax通常GGL，上式簡化為SI計(jì)算輸出電功率22)(LLLGGSGUGUIP4.3.2 光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計(jì)算PoIkTeUII 1)/exp(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SIP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)/exp(kTeUIIIoP（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LopLRkTeUIIIRU1)/exp(對給定的0，選定RL，工作點(diǎn)Q即可圖解確定。 1)/exp( 1)/ex

13、p(kTeIRIIkTeUIIILoPoPoLopoopIRUIIekTIIIIekTU/)(ln)(lnoLopLIRUIIeRkTUIUP/ln 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：短路或線性電流放大；空載電壓輸出；線性電壓放大；功率放大。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?？蛰d電壓輸

14、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：)ln()ln() 1ln(oopopocISekTIIekTIIekTU 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)。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RMmax7 . 07 . 0SUIURocpocM輸出電壓變化選取max7 . 0ocMpMUSRIRU

15、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dpGGGIUR11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：SRGGGRdpp22)(（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LbLRRUI負(fù)載電阻端電壓bLLLURRRU輸入光通量變化光敏電阻的變化負(fù)載電流的變化：222)()(LbLbLRRSURRRRUI負(fù)載電阻端電壓的相應(yīng)變化為：LLbLLLRRRSURIRU22)(222)()(LbLbLRRSURRRRUILLbLLLRRRSURIRU22)(討論：兩種典型工作狀態(tài)恒流偏置，當(dāng)RLRLbLLbLRRSUURRSUI22)(；優(yōu)點(diǎn)：電壓信噪比較高， 適用于高靈敏度測量。缺點(diǎn)：需要很高的偏置電壓通常可用晶體管來實(shí)現(xiàn)恒流偏置。222)()(LbLbLRRSURRRRUILLbLLLRRRSURI