光电检测技术课件.ppt

1、1复习2整体概述概述二点击此处输入相关文本内容概述一点击此处输入相关文本内容概述三点击此处输入相关文本内容3教材光电检测技术与应用第二版 郭培源、付扬编著，北京航空航天大学出版社参考书目光电检测技术与系统刘铁根主编，机械工业出版社近代光学测试技术杨国光主编，浙江大学出版社光电技术与实验江月松主编，北京理工大学出版社4课程主要内容 第一章绪论 光电检测技术概述 第二章光电检测器件工作原理及特性 第三章半导体光电检测器件及应用 第四章光电信号检测电路 第五章光电直接检测系统 第六章光外差检测系统 第九章光电检测技术的典型应用5本章内容：1.1 信息技术及光电检测技术1.2 光电检测与光电传感器概念

2、1.3 光电检测系统的组成及特点1.4 光电检测方法及应用发展趋势6光电检测系统光发射机光学通道光接收机光发射机：分为主动式和被动式 主动式：光源（或加调制器）被动式：无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射光学通道：大气、空间、水下和光纤等光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复信息7接收到的 光场接收透镜系统光电检测器后继检测处理器接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上光电检测器：完成光电信号的转换检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。功率检测接收机直接检测或非相干检测外差检测接收机相干检测（空间相干）8透镜光电检测器接收到的光场空间滤波器频率滤波器直接检测

3、接收机外差检测接收机合束镜光电检测器接收到的光场本地激光器本地光场聚焦光场透镜9课程主要内容 第一章绪论 光电检测技术概述 第二章光电检测器件工作原理及特性 第三章半导体光电检测器件及应用 第四章光电信号检测电路 第五章光电直接检测系统 第六章光外差检测系统 第九章光电检测技术的典型应用10本章内容：2.1 光电检测器件的物理基础2.2 光电检测器件的特性参数11辐射光入射到某些半导体，光子（电磁波）与物质微粒相互作用，引起光电效应和光热效应。2.1 光电检测器件的物理基础光电效应光电导效应光生伏特效应本征光电导效应杂质光电导效应光热效应物理基础热释电效应辐射热计效应温差电效应12物质受光照射

4、后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化光电导效应、光生伏特效应1314本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。入射光子能量h 大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：h Eg即存在截止波长：0=hc/Eg=1.24/Eg。基本概念：1、稳态光电流：稳定均匀光照 2、暗电导和暗电流3、亮电导和亮电流 4、光电导和光电流 15基本公式：暗电导 Gd=dS/L暗电流 Id=dSU/L亮电导 Gl=lS/L亮电流 Il=lSU/L光电导

5、Gp=S/L光电流 Ip=SU/L光电导效应示意图LS本征半导体样品光U16杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体的禁带宽度，则截止波长：0=hc/EI。特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。17达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应，简称光伏效应。物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的

6、扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压，即光生电动势。18PNeVD无光照有光照PNeVD-eVIpPN_VDV+光照形成过程：空穴电子I+V为光生电动势，或者叫做光生电压19物质受光照后，由于温度变化造成材料性质发生变化的现象。与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差

7、电效应20极化晶体：晶体中的正负电荷的中心不重合，表面束缚电荷。+-+-+-+-+-+-_P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-_j工作温度T1（左）和工作温度T2T1（右）光辐射强度变化 介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。温度变化极化强度用于描述束缚电荷的能力。极化强度变化21入射光照射材料由于受热而造成电阻率变化的现象。阻值与温度变化关系：R=TRTT为电阻温度系数R为元件电阻对金属材料，温度越高，电阻越大。对半导体材料，R与T具有指数关系。22 由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电

8、动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。xyT1T212导体a导体b温差电效应光照23本章内容：2.1 光电检测器件的物理基础2.2 光电检测器件的特性参数24热噪声热噪声是由载流子无规则热运动造成的。热噪声电压和电流均方值分别为：UNT=4kTRf INT =4kTf/R 其中R为导体电阻，k为玻耳兹曼常数，T为导体的热力学温度，f为测量系统的噪声带宽。热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声是一种白噪声。25散粒噪声 散粒噪声也称散弹噪声，是由穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。理论表明，在每个时间段内，穿越势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都在一个平均值上下起伏。这种起

9、伏引起的均方噪声电流为：INSh=2qIDCf IDC为流过器件电流的直流分量（平均值），q为电子电荷 散粒噪声也属于白噪声26课程主要内容 第一章绪论 光电检测技术概述 第二章光电检测器件工作原理及特性 第三章半导体光电检测器件及应用 第四章光电信号检测电路 第五章光电直接检测系统 第六章光外差检测系统 第九章光电检测技术的典型应用273.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1 光电池3.2.2 光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章 半导体光电检测器件及应用28UIp电极入射光当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时

10、，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加。光电导g与光电流Ip的表达式为：g=gL-gdIp=IL-Id29在一定弱光照射下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，伏安特性曲线为直线。光敏电阻使用时的实际功耗不应超过额定值。O10电压V/VI光/mA510050100 lx10 lx303.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1 光电池3.2.2 光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章 半导体光电检测器件及应用31按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）测

11、量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）按材料 硅光电池 硒光电池 砷化镓光电池 锗光电池3.2 光生伏特器件3.2.1 光电池光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。32光电池的伏安特性某一光照度下，输出电流和电压的特性。无光照时，伏安特性曲线与普通二极管相同。有光照时，伏安特性曲线发生平移，平移量与光照度成正比。曲线与电压轴的交点称为开路电压 Voc 曲线与电流轴的交点称为短路电流 Isc 331dqVIRkTLsIIIe光电池的等效电路光电池的伏安特性曲线伏安特性曲线方程其中IL=SE，Is 为等效二极管的反向饱和电流，q 为电子电荷量，k 为玻尔兹曼

12、常数，T为热力学温度。34光电二极管与光电池的比较属于光生伏特器件，基本结构相同，核心是一个PN结。光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同，但光电流普遍比光电池小，为数微安。掺杂浓度：光电池约为10161019/cm3，光电二极管约为10121013/cm3。光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。3.2.2 光电二极管与光电三极管1、光电二极管35光电二极管的工作原理NP光+_外加反向偏压符号36光电二极管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E2在反向偏压 U 较小时，光电流 I 随反向偏压的变化较为明显在反向偏压 U 较大时，光电流 I 趋于饱和，取决于入射光功

13、率 E372、光电三极管 光电三级管由光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线组成。光电三级管的作用和普通三级管类似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。光电三极管与光电二极管的比较光电三级管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系，所以多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。38发射极集电极基极发射极集电极光电三极管的工作原理cbeIcIpIbVo工作过程：一、光电转换，二、光电流放大。正常运用时，集电极加正电压，集电结为反偏置，发射结为正偏置。当光照到集电结

14、上时，集电结即产生光电流，向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流。光电三极管等效于一个光电二极管与普通三极管集电极-基极的并联。39伏安特性 光电三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般三级管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光照在集电极与基极之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光电三极管的主要特性403.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1 光电池3.2.2 光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章 半导体光电检测器件及应用41发光二极管（LED）发光二极管是

15、少数载流子在PN结区的注入和复合而产生发光的一种半导体光源，也称注入式场致发光光源。表面发光二极管发光二极管侧面发光二极管平面发光二极管圆顶形发光二极管超发光二极管 介于激光和荧光之间通信显示、报警、计算42发光二极管的工作原理基本结构：PN结工作偏压：正向偏压43发光二极管的光谱特性光谱特性决定了发光颜色半导体材料不同，光谱特性不同443.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1 光电池3.2.2 光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章 半导体光电检测器件及应用453.4 光电耦合器件光电耦合器件把发光器件和光接收器件组合的一种

16、器件，它是以光作为媒质把输入端的电信号耦合到输出端，因此也称为光耦合器。光电耦合器件由发光器件和受光器件封装在一个组件内构成；当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。463.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1 光电池3.2.2 光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章 半导体光电检测器件及应用47P层i层0AxAI1I2I0N层LL入射光1、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理LIIIIxLxLIILxLIIIIIAAA1212020121022依图中所示，电流I0、I

17、1、I2、入射光位置xA和电极间距2L之间有如下关系：一维PSD器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位置移动量。3.5 光电位置敏感器件（PSD）482、二维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理测量光束在二维坐标中的位置493.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1 光电池3.2.2 光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章 半导体光电检测器件及应用501、热敏电阻p热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。p有三种基本类型：p正温度系数，PTCp负温度系数，NTCp临界温度系数CTCp特点：p温度系数大、灵敏度高

18、p电阻值大、引线电阻可忽略p体积小，热响应快，廉价p互换性差、测温范围窄p在汽车、家电领域得到大量应用51热端T+T冷端TABII温差热电偶T+TJ1BAJ2IGc辐射热电偶T+TNPTTRLI+_涂黑金箔半导体辐射热电偶基于温差电效应，多用于测温。采用金属材料制成，用于探测入射辐射，温升小，对材料的要求高，结构严格且复杂，成本高。P型半导体冷端带正电，N型半导体冷端带负电，最小可检测功率一般为10-11W。2、热电偶52 “自发极化的电介质，其自发极化强度Ps（单位面积上的电荷量）与温度存在着如下关系：当温度升高时，极化强度减低，当温度升高一定值时，自发极化消失，这个温度称为”居里点“。在居

19、里点以下，Ps是温度t的函数，利用这一关系制造出热释电器件，温度的升高，电极化强度减小，相当于热”释放了“部分电荷，可由放大器转变成电压输出。TcPsTOPsTOTc 热释电器件不同于其它光电器件的特点：在恒定辐射作用情况下输出信号电压为零，只有在交变辐射作用下才会有信号输出。3、热释电器件53课程主要内容 第一章绪论 光电检测技术概述 第二章光电检测器件工作原理及特性 第三章半导体光电检测器件及应用 第四章光电信号检测电路 第五章光电直接检测系统 第六章光外差检测系统 第九章光电检测技术的典型应用54光电器件输入电路前置放大器光电器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节

20、，把被测光信号转换成相应的电信号。输入电路是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大器的电路匹配。前置放大器将光电器件输出的微弱电信号进行放大，同时匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。554.1 光电检测电路的设计要求4.2 光电信号输入电路的静态计算4.3 光电信号检测电路的动态计算4.4 光电信号检测电路的噪声4.5 前置放大器564.1 光电检测电路的设计要求设计原则：根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和电路参数，保证光电器件和后续电路最佳的工作状态，使整个检测电路满足下列要求：灵敏的光电转换能力

21、：光电灵敏度。快速的动态响应能力：频率响应及选择特性。最佳的信号检测能力：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。长期工作的稳定性和可靠性。574.1 光电检测电路的设计要求4.2 光电信号输入电路的静态计算4.3 光电信号检测电路的动态计算4.4 光电信号检测电路的噪声4.5 前置放大器584.2 光电信号输入电路的静态计算静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路检测时使用的设计方法。由于光电检测器件的非线性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解法和分段线性化的解析法。光电器件按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流源型、光伏型和可变电阻。59负载线与对应输入光通量为0时的器件的伏

22、安特性曲线交点Q，即为输入电路的静态工作点。1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。QobUQUIQIIUULbRU000LR1arctanoioU LbIRUIU负载线方程：UUbRLI图解法适用于大信号状态下的电路分析。602、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段折线化，称为折线化伏安特性。折线化的画法一折线化的画法二折线化的画法61折线化伏安特性可用下列参数确定：转折电压U0对应于曲线转折点M处的电压值。初始电导G0非线性区近似直线的初始斜率。结间漏电导G线性区各平行直线的平均斜率。光电灵敏度S单位输入光功率所引起的光电流值。PISp

23、光电灵敏度的表达式：P为输入光功率Ip为对应的光电流62折线化的分析原则：利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意Q点处的电流值I表示为两个电流分量的和：pdQIIUfI,Id 为与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）。Ip为与端电压无关，仅取决于输入光功率的光电流。有：那么理想的光电二极管等效电路可表示为：SGUIIIpdIpIdIGRg163折线化伏安特性的分析：在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态：1、确定线性工作区域：OiM0U0U0UUbbU0arctan GGarctanLGarctanmax 由最大输入光通量的伏安曲

24、线弯曲处即可确定转折点M。相应的有转折电压U0和初始电导G0，在转折点M有关系：max000SGUUG由此可得：GGSU0max00max0USGG或642、计算负载电阻和偏置电压：iMNmaxUH0O0arctan GGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安曲线交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，可得关系：000UGGUULb当Ub已知时，可得负载电导GL或电阻RL：0max011max000GSGGbbLLUSUUUGRG当RL已知时，可得偏置电源电压Ub为：GGGGGSULLb00max653、计算输出电压幅

25、度：iMNmaxUH0O0arctan GGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU在输入光通量由min变化到max时，输出电压幅度为：0maxUUU由H和M点电流值计算：maxmaxminLbG UUGUS 00maxLbG UUGUS 联合求解：LbLGGSUGUminmaxLbLGGSUGUmax0求得U：LLGGSGGSUminmax664、计算输出电流幅度：iMNmaxUH0O0arctan GGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU输出电流幅度：UGIIILminmaxLLGGSGGSUminmax由下式可得：LLGGS

26、UGI1minmax通常 ，上式可简化为：GGLSSIminmax675、计算输出电功率：iMNmaxUH0O0arctan GGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU由功率关系：UIP可得：22LLLGGSGUGUIP68已知某 Si 光电二极管的灵敏度为 0.5A/W，结间电导为 0.01s（微西），转折电压为 10V，入射光功率的变化范围为15W 至 25W，偏压为 Ub=50V。求最大线性输出时的负载RL，输出电流I，输出电压U，和输出功率PL。694.1 光电检测电路的设计要求4.2 光电信号输入电路的静态计算4.3 光电信号检测电路的动态计算4.4

27、光电信号检测电路的噪声4.5 前置放大器70光电检测电路接收交变光信号时，与缓变光信号相比，交变信号有更丰富的频率分量，信号微弱还需要多级放大。在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下面的动态计算问题：1 1、确定检测电路的动态工作状态，使交变光信号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输出。2 2、使检测电路具有足够的频率响应，以能对复杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频率失真的变换和传输。71MoUimEE 00EmEE 0QIQUmQIImQIImQUUmQUUNQbGarctanbU光电二极管交流检测电路bUbRLRcC检测电路交变光信号输入光照度：tEEemsin0在通频带内，视

28、电容短路，负载为Rb和RL并联。画交流负载线，通过M点，以便充分利用线性空间。交流负载线与E0的伏安特性交点为静态工作点Q，通过Q点可以得到Rb和Ub。72HMoUimEE 00EmEE 0QIQUmQIImQIImQUUmQUUNQbGarctanbU 在三角形MHQ中，交流负载线MN的斜率GL+Gb。交流负载电流峰值为 Im，有：计算负载RL（或后续电路输入阻抗）的输出电压和输出功率值bLmmGGIU由交流负载线MN有电流关系：mmEmGUESIGGGESUbLmEm负载电阻RL上输出功率PL为：222121212121GGGESGUGUIUIPbLmELmLmLmLL73对 RL求偏微分

29、，计算最大功率输出下的负载电阻 RL0，可得：GGGbL0上式称为阻抗匹配条件。此时负载上输出电压峰值Um0、最大输出功率有效值PLm和输出电流峰值Im0为：002LmEmGESUbUbRLRcC20002218mLLmELmUGGESP00122mLmmEmIPUS E74求解最大功率输出条件的直流负载电阻Rb0和偏置电压Ub由解析法，Q点的电流值满足：0ESGUIEQQ由负载线得：bQbQGUUI由两式得：bEbbQGGESUGU0另外，在电压轴上Q点处的电压UQ为：MbmEMmQUGGESUUU20由UQ的两个式子可计算出MbMmEbUUGUEESG22200MmEMbbGUEESUUR

30、22200HMoUimEE 00EmEE 0QIQUmQIImQIImQUUNQbGarctanbUQmUU754.1 光电检测电路的设计要求4.2 光电信号输入电路的静态计算4.3 光电信号检测电路的动态计算4.4 光电信号检测电路的噪声4.5 前置放大器76等效噪声电路将噪声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式，便于与其它电器件以统一的方式建立起等效噪声电路。RRTI如图示为简单电阻的噪声等效电路，由热噪声电流源IT和电阻并联。若两个电阻串并联组成合成电路，综合噪声电流表示为：RfkTIT42R为合成电阻。77 确定检测器件和前级电路的噪声源；计算等效电阻和复合阻抗下的噪声等效带

31、宽，画出检测电路的噪声等效电路；根据噪声等效电路计算噪声输出电压、信噪比和最小输出光功率值。噪声估算的具体步骤：784.1 光电检测电路的设计要求4.2 光电信号输入电路的静态计算4.3 光电信号检测电路的动态计算4.4 光电信号检测电路的噪声4.5 前置放大器794.5 前置放大器光电系统中微弱的光信号被深埋在噪声之中，要有效地利用这种信号，必要对其进行放大。光电检测系统中，光电器件的输出端紧密连接一个低噪声前置放大器。低噪声前置放大器的任务：1、放大光电检测器件所输出的微弱电信号；2、匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。对前置放大器的要求：1、性能上：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信

32、号 带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。2、结构上：紧凑、靠近检测器件，良好的接地与屏蔽。80放大器的噪声模型sRtEsUnEiEnIiZsoUnoE放大器无噪声将放大器内的所有噪声源折算到输入端，一个阻抗为零的噪声电压源En串联在输入端和阻抗为无限大噪声电流源In与输入端并联。放大器内部成为一个无噪声放大器。En和In通过测量得到。这种等效模型称为放大器的En-In噪声模型。信号源电阻信号源热噪声电压信号源电压81噪声系数噪声系数是描述放大器或其它电路的噪声性能，噪声系数F的定义为放大器总输出噪声功率与源电阻在放大器输出端的噪声功率之比，可表示为：nipnoPAPFAp为放大器的功率

33、增益；Pni为放大器的输入噪声功率，即源电阻产生的噪声功率；ApPni表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；Pno为放大器输出端总的噪声功率。输出信噪比输入信噪比nosonisiPPPPF引入Ap（输出信号功率Pso与输入信号Psi之比），噪声系数可表示为：82噪声匹配fkTRIfkTREEEFsnsntni4412222式表明噪声系数与源电阻Rs有关。在其中某个Rs值时，噪声系数存在一个最小值，此时放大器在源热噪声基础上噪声增加最小，这个源电阻称做最佳源电阻R0。044122fkTRIfkTREdRddRdFsnsnss可得：nnsIERR0上式被称为噪声匹配条件，此时得噪声系数最小值为

34、：fkTIEFnn21min满足噪声匹配条件时最小噪声系数与放大器的En和In的乘积有关。83课程主要内容 第一章绪论 光电检测技术概述 第二章光电检测器件工作原理及特性 第三章半导体光电检测器件及应用 第四章光电信号检测电路 第五章光电直接检测系统 第六章光外差检测系统 第九章光电检测技术的典型应用84相干检测 光源：相干光源 原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测时需要用光波相干原理。调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测 光源：非相干或相干光源 原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、

35、偏振调制直接检测是一种简单实用的方法。光外差检测直接检测光电检测系统85主要内容：5.1 光电直接检测系统的基本工作原理5.2 光电直接检测系统的基本特性5.3 光电直接检测系统的距离方程5.4 光电直接检测系统举例865.1 光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息强度调制直接检测模型87假定入射光信号电

36、场为：光场平均光功率为：表示的时间平均值；光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数 cossEtAt _222ssPEtA _2sEt 2sEt _222ssseeIPEtAhheh88光检测器的平方律特性：光检测器输出的电功率正比于入射 光功率的平方。若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：如果入射光是调幅波，即其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。222osLsLePI RP Rh 1cossEtAd tt 2212siAA d t89主要内容：5.1 光电直接检测系统的基本工作

37、原理5.2 光电直接检测系统的基本特性5.3 光电直接检测系统的距离方程5.4 光电直接检测系统举例905.2 光电直接检测系统的基本特性5.2.1 直接检测系统的信噪比光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：考虑到信号和噪声的独立性，有：由信噪比定义，输出功率信噪比为：22onoLsnePPRPPh222noLsnnePRPPPh222212snospnosnnsnP PPPSNRPPPPP P91说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半，即经过光电转换，信噪比损失了3dB。直接检测不能改善输

38、入信噪比。(1)若，则有：(2)若，则有：2snpSNRP P12spnPSNRP1snP P 1snP P 925.2.2 直接检测系统的检测极限考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：输出信噪比为：5-13分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热噪声之和。_2222noNSNBNDNTLPiiiiR_ _222,NSNBNDiii和2NTi22_2222sopnoNSNBNDNTehPPSNRPiiii932、当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限 制，信噪比为：5-153、当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统 受背景噪声

39、限制，信噪比为：1、当热噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：224spLehPSNRkTf R热22_222spNSNBNDehPSNRiii散22222sspBBehPPSNRehf Pe fPh 背94假定光波长=0.7m，检测器的量子效率=1，测量带宽f=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为4、当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：5-17该式为光电直接检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度。若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论

40、上可测量的最小功率为：2spPSNRhf信2hfNEP量18min10PW95主要内容：5.1 光电直接检测系统的基本工作原理5.2 光电直接检测系统的基本特性5.3 光电直接检测系统的距离方程5.4 光电直接检测系统举例965.4 光电直接检测系统举例两块光栅互相重叠，并使它们之间的栅线形成一个较小的夹角。当光栅对之间有一相对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。5.4.1 莫尔条纹测长仪在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。组成莫尔条纹的两块计量光栅的相邻刻线之间的

41、宽度称为光栅的节距。常用光栅的节距大于0.01mm，称为黑白光栅。此时节距远大于波长。主光栅指示光栅莫尔条纹97黑白光栅莫尔条纹的数学形式设标尺光栅和指示光栅的节距分别为P1和P21ixiP主光栅的刻线方程为2cosjjPx指示光栅的刻线与x轴的交点为莫尔条纹的方程为1ijxiP，2211cotcotcotcossinijjijyxxjPjPiPiP，98莫尔条纹1的（i=j）斜率为211costansinijijijyyPPxxP，0，0，莫尔条纹1的（i=j）方程为2111costansinPPyxxP莫尔条纹2和3的方程分别为21221cossinsinPPPyxP21231cossin

42、sinPPPyxP99莫尔条纹是周期函数，周期为2sinPT，也叫做莫尔条纹的宽度 B。1 costantansin2实际中夹角很小，可以认为莫尔条纹与y轴垂直，为“横向莫尔条纹”。21cosPP时，得到严格的横向莫尔条纹。21PP时，莫尔条纹的斜率为120,PP时，得到纵向莫尔条纹。100莫尔条纹有如下特征：1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。3）放大作

43、用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了 倍。由此可见，莫尔条纹起到光学放大器的作用。1/sin1015.4.2 激光测距仪 激光测距是光波测距中的一种测距方式。如果光以速度c在空气中传播在A,B两点间往返一次所需时间为t，则A,B两点间距离D可用下列表示：D=ct/2由上式可知，要测量A,B距离实际上是要测量光传播的时间t。根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。1021、脉冲激光测距仪激光器发射光束回波光束启动按钮复原电路控制电路整形电路放大电路时钟振荡器电子门计数器干涉滤光片测器光

44、电检小孔光阑取样器103 由光电器件得到的电脉冲，经放大电路和整形电路以后，输出一定形状的负脉冲至控制电路。由启动信号产生的负脉冲A，经控制电路去打开电子门。这时振荡频率一定的时钟振荡器产生的时钟脉冲，可以通过电子门进入计数显示电路，计时开始。当反射回来经整形后的测距信号B到来时，关闭电子门，计时停止。计数和显示的脉冲数如图(g)所示。从计时开始到计时停止的时间正比于参考信号与测距信号之间的时间。则被测距离为：2/t ncD1042、相位激光测距仪相位激光测距仪是通过测量从测距仪发出的连续调制光在待测距离上往返所产生的相位移来计算待测距离的。测距时，调制激光照在合作目标上，被反回接收经光电转换

45、后得到相同的电信号，与光源的驱动电压相比较，测得相位差，由相位差可算得所测距离。相位激光测距仪适合于民用测量，如大地测量和地震测量。105课程主要内容 第一章绪论 光电检测技术概述 第二章光电检测器件工作原理及特性 第三章半导体光电检测器件及应用 第四章光电信号检测电路 第五章光电直接检测系统 第六章光外差检测系统 第九章光电检测技术的典型应用106第六章 光外差检测系统6.1光外差检测原理6.2 光外差检测特性6.3 影响光外差检测灵敏度的因素6.4 光外差检测系统举例107放大器探测器sf信号光束sLff光束本振Lf光外差检测原理示意图分光镜可变光阑光频混光外差检测原理如图，两束平行的相干

46、光，经分光镜和可变光阑入射到探测器表面进行混频，形成相干光场，经探测测器变换后，输出信号包含差频信号，故又称相干检测。6.1 光外差检测原理108 LLLssstAtAtfcoscos那么，入射到检测器上的总光场为：光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为：222222coscoscoscospsLsssLLLsLLsLssLLsLsitftftftAtAtA AtA At式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为差频项，频率低得多，当差频信号(L-s)/2=C/2低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为

47、C/2的光电流输出。首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：sssstAtfcos LLLLtAtfcos109如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以C为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：sLsLLsCtAAticos在中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22当L-s=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为：sLLsCAAticos这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。110第六章 光外差检测系统6.1光外

48、差检测原理6.2 光外差检测特性6.3 影响光外差检测灵敏度的因素6.4 光外差检测系统举例111最小可检测功率当本振功率PL足够大时，本振散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为：LLsCRPPMheP22检测器本身的散粒噪声和热噪声影响最大、难以消除。外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比为：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限。112引入最小可检测功率

49、（等效噪声功率）NEP表示，在量子检测极限下，光外差检测系统的NEP值为：fhNEPPs最小光电直接检测系统的量子极限为：fhNEP2这里面需要说明的是：直接检测量子限是在理想光检测器的理想条件下（不存在噪声）得到的，实际中无法实现量子极限的，对于光外差检测，利用足够的本振光是容易实现的。总之，检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，增大本振光功率是有利的，但本振光本身也引起散粒噪声，本振功率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反而降低。应合理选择本振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。113第六章 光外差检测系统6.1光

50、外差检测原理6.2 光外差检测特性6.3 影响光外差检测灵敏度的因素6.4 光外差检测系统举例1146.3 影响光外差检测灵敏度的因素6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）放大器探测器sf信号光束Lsff 光束本振Lf光外差检测原理示意图分光镜可变光阑光频混 sLsLLsCtAAticos 信号光和本振光的波前在光检测器光敏面上保持相同的相位关系，才得式：实质上，由于光的波长比光检测器面积小很多，混频作用是在一个个小面积元上产生的，即总的中频电流是每个小微分面元所产生的微分电流之和，显然要使中频电流达到最大，这些微分中频电流要保持恒定的相位关系，即要求信号光和本振光的波前是重合的，必须保