2022年光電檢測總結(jié)教學(xué)內(nèi)容

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(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。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(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 源光 學(xué)

2、系 統(tǒng)被 測 對 象光 學(xué) 變 換光 電 傳變 換 電電 信 號 處 理存儲感路顯示控 制光學(xué)變換 電路處理第二章 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 工作溫度一、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SVVo電壓響應(yīng)率：光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比P i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，SIIoPi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) 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Ii1Ti t dti t ( )21T ( )i t ( )2dtT0用均方噪聲來表示噪聲值大小0T噪聲的分類及性質(zhì) 外部干

4、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(yùn)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(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

5、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 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(jì)。 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。第三章光電器件電荷耦

6、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(diǎn)：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

7、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 電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）MOS 結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。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)?2V，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，1 m 的間隙長度是足夠

8、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(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射 CCD 硅片時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。其多數(shù)載流子被柵極電壓排開， 少數(shù)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

9、表面?zhèn)鬏敚詈髲妮敵龆O管送出視頻信號。為了實(shí)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)大于空穴的遷移率，因此 CCD 的特點(diǎn)N 型 CCD 比 P 型 CCD 的工作頻率高得多。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，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強(qiáng)，信噪比高。

10、高速掃描，基本上不保留殘象 集成度高(電子束攝象管有 1520的殘象 ) 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 -檢測電路半導(dǎo)體激光器驅(qū)動半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定溫度控Pout 主動法LD 恒流源功率控制系PIN 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)，放大器噪聲，噪聲系數(shù)與噪聲匹配En 和 In 測量方法）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 越

11、接近 1。F=1，理想“ 無噪聲噪聲放大器”。， 仍可以達(dá)到F=1 的目標(biāo)。同樣，若存在第五章 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(diǎn)信號通道 相敏檢波輸入信號AC 前放選頻移相器混 頻 乘 法( 器相 敏 檢 波 器低 通 濾 波 器參考信號鎖相環(huán)LPF AC PSD) 參考通道鎖相放大器組成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)行選頻放大；在相敏檢波中對信號解調(diào)。 同步解調(diào)作用截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?，使輸出信號?帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；通過低通濾波器對檢波信號

12、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(diǎn) 要求對入射光束進(jìn)行斬光或光源調(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) 交流直流信號變換器；1011

13、，帶寬窄到 0.0004Hz；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 倍?？朔辔黄?正交矢量鎖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)和工作過程輸入放大器取樣開關(guān)積分器輸出放大輸出信號A1 器A2 輸入信號門脈沖整形器門延時掃描發(fā)生器參 考 輸 入固定觸發(fā)運(yùn)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

14、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(jì)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SNIRSNR omS (t)N(t)m m 成正比。mN(tS(t)SNR可見，取樣積分器的信號比改善與積分次數(shù)基線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(diǎn)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(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)換為電信號的

15、變化，所攜帶的信息。二次調(diào)制 （副載波調(diào)制）然后，用解調(diào)電路檢出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(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)=A mcos(wmt+ m) 調(diào)制信號 c(t)=cos(w0t+ ) A0 為初振幅 于是得到，SAM(t)=A 0cos(w0t+ )+0.5 Amcos(wm+w0)t+ m+ + 0.5 Amcos(wm-w0)t+ m- 若

16、 m = =0，則上式簡化為 SAM(t)=A 0cosw0t+0.5 Amcos(wm+w0)t+0.5 Amcos(wm-w 0)t AM 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， 0.5Am 2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 0=0，則有 Sdsb(t)=m(t)cos(w 0t+ ) 單邊帶調(diào)制（ SSB）HssB(w)= 1 -w0ww0 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)

17、 AM 調(diào)制后，其幅度為Sd(t)f(f( t)A 0若A 0f(t)max，則有Sdt)A 0(t)進(jìn)而，簡單地去掉直流信號A 0 即可得到輸入信號。那么，如何實(shí)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(diǎn) 光外差檢測是相干解調(diào)技術(shù)一種。設(shè) fS 為信號光波， f L 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fsfL，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：tEstAscoststLs本機(jī)振蕩光場為：ELA LLcos入射到探測器上的總光場為：EtE s( t)E L( t)sA LcosLtLA scoss t相干檢測系統(tǒng)的信噪比改善為SNIRI2 PRL4S2E2E24S2P sP LsLI2 0RLS2E2S2P ss4P LP s光外差檢測的特性可獲得全部信息： 不僅可探測振幅和強(qiáng)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。G22 S P P R L2P L只有2 2S