光電檢測總結(jié)

電磁波譜圖光變電換傳電感電磁波譜圖光變電換傳電感路第

一

章

概

論1.檢測技術(shù)的概念與分類。定義：確定被測對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作檢測技分類按工作原理：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.光電檢測技術(shù)特點(diǎn)，光電檢測系統(tǒng)組成。

S

VPi特點(diǎn)：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(duì)載有被檢測物體信號(hào)的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過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物體的幾何量或物理量。系統(tǒng)組成：光學(xué)變換

電路處理光源

光被學(xué)測系對(duì)光譜光數(shù)象器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性

章礎(chǔ)識(shí)光學(xué)變換量子效率線性度工作溫度

電信號(hào)處理

存顯

儲(chǔ)示一、響應(yīng)特性

控

制１．響應(yīng)度（或稱靈敏度光電探測器輸出信號(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２．光譜響應(yīng)度探測器在波長為λ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：檢測器對(duì)各種波長光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度．４應(yīng)時(shí)間應(yīng)時(shí)間τ是描述光電探測器對(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器后光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。５．頻率響應(yīng)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)二、噪聲特性在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號(hào)并不是平直的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)象用均方噪聲來表示噪聲值大小噪聲的類及性質(zhì)外部干擾噪聲: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(dòng)對(duì)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、溫度噪聲光電探器常見的噪熱噪聲載流子無規(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，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲。散粒噪：入射到光探測器表面的光子隨機(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關(guān)散粒噪聲是光電探測器的固有特性對(duì)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：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)合的平均數(shù)是一定的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。

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噪聲在上已衰減到可忽略不計(jì)典型代表流幅值漂移溫度噪：由熱探測器和背景之間的能量交所造成的探測器自身的溫度起伏，稱為溫度噪聲。第三章光電件電荷耦器件（）原理和工過程CCD一種電荷耦合器件(ChargeCCD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基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測。CCD的結(jié)MOS光敏元：構(gòu)成的基本單元是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。電荷存在柵極加正偏壓之前，P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＞時(shí)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結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。電荷的移（耦合）第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)極上的電壓2V變到10V，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)勢阱將合并在一起。原來在第一個(gè)極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢阱所共有。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)電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。CCD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)1μ間隙長度是足夠了。CCD的工原理

LDLDＣＣＤ主要由三部分組成：信號(hào)輸入、溫度控電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)輸出。輸入部分：將

第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。功率控制系電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入PIN電注入：用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)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(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)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(hào)電荷。在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(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MOS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中含的個(gè)數(shù)即為像數(shù)。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N溝道CCD，簡稱為型而以空穴為信號(hào)電荷的稱為型溝道簡稱為型由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N型P的工作頻率高得多。CCD的特體積小，功耗低，可靠性高，壽命長?？臻g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(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％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(jì)算機(jī)結(jié)合接口。第四章-測電路半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定

選頻頻法波(檢選頻頻法波(檢主動(dòng)法被動(dòng)法波長鎖定方法收器電流放大型輸入信號(hào)

相敏檢波

電壓放大型AC

En、噪聲模型（匹配電阻，噪聲系數(shù)，放大器噪聲，和In量方法）噪聲系數(shù)與噪聲匹配混低其中，前。由總是存在，NF=10log濾F(dB)。器器相參值越小，F(xiàn)越接近1敏ACF=1理想“無噪聲噪波器同樣，若存在，仍以達(dá)到第五章微弱信號(hào)檢測參考通道鎖放器LIA）基結(jié)、工原、作程特鎖放器成LIA的基本工作原理通過調(diào)制或斬光將被測信號(hào)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(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)；通過低通濾波器對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波。鎖相放器(Lock-inAmplifier,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)對(duì)被測信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻（或倍頻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(hào)處理比較簡單LIA的組成

取樣開取樣開關(guān)參考輸信號(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)輸入放大器相敏檢波：模擬乘法器，電子開關(guān)低通濾波：濾波器。

積分器

輸出放大器LIA特點(diǎn)輸入信號(hào)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；極窄帶高增益放大器，增益可達(dá)，帶寬窄到；

輸出信號(hào)交流－直流信號(hào)變換器；

門脈沖可以補(bǔ)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?？朔嗥?/p>

整形器

門延時(shí)

掃描發(fā)生器正交矢量鎖相放大器入克服頻漂移外差鎖相放大器

固定觸發(fā)取樣積器的基本結(jié)和工作程運(yùn)行步利用檢測光脈沖的激勵(lì)源，取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號(hào)；利用門延時(shí)和門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)過濾波后獲得輸出信號(hào)。取樣平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)的噪比改善為可見，取樣積分器的信號(hào)比改善與積分次數(shù)成正比。基線漂及克服在長時(shí)間的取樣、掃描過程中，電容漏電、放大器零點(diǎn)增益變化、溫漂、時(shí)漂、

AMmm00AMAMmm00AM00mAM000mAM激勵(lì)源起伏等，將導(dǎo)致被測信號(hào)產(chǎn)生漂移——線漂移第六章電檢測系統(tǒng)直接檢測與二次調(diào)制直接檢:無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)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cos(w0t+Ф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制基本理及特性(t)=[A+f(t)]c(t)其中，初始信號(hào)cos(wt+Ф)調(diào)制信號(hào)c(t)=cos(wФ)A為初振幅于是得到，(t)=Acos(wt+Ф)+Acos[(w+wФФAcos[(w-w)t+Ф-Ф]若Фm=Ф=0，則上式簡為(t)=At+A+wA-w)tAM制頻譜定義調(diào)制效輸入功率與調(diào)制后信號(hào)功率之比，亦即+

001-w0<w<w0其它0001-w0<w<w0其它0tcostL的探測有利——本振光功率s其中，A為振幅，為初始信號(hào)功率。一般而言，只有大概1/3的功率為信號(hào)傳遞。雙帶制DSB令A(yù)=0，則有fsL單帶制SSB）SP2GLLL直接檢測系統(tǒng)的解術(shù)sLs基本原為包絡(luò)信號(hào)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(hào)A即可得到輸入信號(hào)。那么，何實(shí)現(xiàn)包絡(luò)調(diào)光外差測（零差、差）系的基本結(jié)構(gòu)工作原，特點(diǎn)光外差檢測是相干解調(diào)技術(shù)一種。ss設(shè)f為信號(hào)光波f為本機(jī)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(hào)，最后進(jìn)入光電探測器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)接收。相干檢測基本原理設(shè)入射到探測器上的信號(hào)光場為：S(t(t)本機(jī)振蕩光場為：0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測的特性可獲得部信息：不僅可探測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)還可探測率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)即在光探測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。I24S2E2E2S2PSNIRPsL轉(zhuǎn)換效高：高，對(duì)