光电信号处理课件.pptx
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- 光电 信号 处理 课件
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1、光电信号处理光电系统的构成光电系统的构成:光电系统:以光波作为信息或能量载体,光电系统:以光波作为信息或能量载体,实现传感、实现传感、传输、显示、控制等功能的系统。传输、显示、控制等功能的系统。按辐射源来分:主动光电系统和被动光电系统。按辐射源来分:主动光电系统和被动光电系统。一般地,一个光电系统(一般地,一个光电系统(被动)的构成如下:)的构成如下:一个典型的光电系统一般由五部分组成:一个典型的光电系统一般由五部分组成:光学镜头、光电探测器、光学镜头、光电探测器、前置放大器、前置放大器、信号处理电路、计算机。信号处理电路、计算机。光电探测器是光电系统的核心,光电探测器是光电系统的核心,其他部
2、分都是围绕光电探测器来设计的。其他部分都是围绕光电探测器来设计的。光学镜头光学镜头光电图像传感器光电图像传感器CCD/CMOSCCD/CMOS信号处理信号处理显示显示存储存储总体:智能光电仪器研制总体:智能光电仪器研制 光电探测器选择光电探测器选择 光学系统设计光学系统设计 硬件电路设计硬件电路设计 嵌入式软件嵌入式软件 Linux软件软件 精密机械设计精密机械设计 电子线路等课程,电路和信号处理的知识电子线路等课程,电路和信号处理的知识;光电系统的特点:输出的电信号十分微弱光电系统的特点:输出的电信号十分微弱当探测器输出的信号十分微弱时,噪声和干扰当探测器输出的信号十分微弱时,噪声和干扰的影
3、响就不能忽视。的影响就不能忽视。探测器的偏置电路、前置放大器都要进行特殊探测器的偏置电路、前置放大器都要进行特殊的考虑,的考虑,即:即:低噪声电子设计低噪声电子设计 当探测器输出的信号十分微弱,小到甚当探测器输出的信号十分微弱,小到甚至被噪声所淹没,这时要从噪声中分离至被噪声所淹没,这时要从噪声中分离出有用信号,就要采用特殊的方法,出有用信号,就要采用特殊的方法,即:即:微弱信号检测微弱信号检测 的方法。低噪声电子设计低噪声电子设计微弱信号检测微弱信号检测光电图像信号处理光电图像信号处理研究对象:研究对象:光电信号光电信号光电探测器输出的信号光电探测器输出的信号光电图像信号光电图像信号光电成像
4、器件(图像传光电成像器件(图像传感器)输出的信号感器)输出的信号教材:教材:何兆湘 光电信号处理光电信号处理 华中科技大学出版社 叶嘉雄 常大定等 光电系统与信号处理光电系统与信号处理 科学出版社 汪文杰 曾学文 施建华 光电技术光电技术 科学出版社1.画出主动光电系统框图,说明各个部分的作画出主动光电系统框图,说明各个部分的作用,并举一例。用,并举一例。2.画出被动光电系统框图,说明各个部分的作画出被动光电系统框图,说明各个部分的作用,并举一例。用,并举一例。3.将光电探测器按探测的物理原理、响应波段、将光电探测器按探测的物理原理、响应波段、探测器的几何结构分别分类,并各举一例。探测器的几何
5、结构分别分类,并各举一例。1.1 光电探测器概述光电探测器概述 1.2 噪声的基本知识噪声的基本知识 1.3 噪声的关联与相加噪声的关联与相加 1.4 含多个噪声源的电路及其计算法则含多个噪声源的电路及其计算法则 1.5 等效噪声带宽等效噪声带宽 1.6 噪声的基本属性噪声的基本属性l由于光电探测器的相关知识与本由于光电探测器的相关知识与本课程有重要关系,课程有重要关系,l所以,首先介绍有关探测器的基所以,首先介绍有关探测器的基本知识。本知识。1.1.1 光电探测器原理光电探测器原理 1.1.2 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数1.1.3 1.1.3 辐射度学与光度学基础辐射度学与光度
6、学基础 光电探测器:光电探测器:光光 电电光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件,是光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件,是光电系统的核心组成部分,光电系统的核心组成部分,作用:发现信号、测量信号,并为随后的应用提供作用:发现信号、测量信号,并为随后的应用提供必要的信息。必要的信息。光电探测器的分类光电探测器的分类 光电探测器的种类很多,新的器件也不断出现,光电探测器的种类很多,新的器件也不断出现,按按探测机理探测机理的物理效应可分为两大类:的物理效应可分为两大类:一类是:利用各种光子效应的一类是:利用各种光子效应的光子探测器光子探测器 另一类是:利用温度变化效应的另一类是:利用温度
7、变化效应的热(电)探测器热(电)探测器 光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强器像增强器光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管(PIN、APD)光电三极管光电三极管位置传感器位置传感器PSD电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCMOS图像传感器图像传感器真空器件真空器件固体器件固体器件光子探测器光子探测器热探测器热探测器光光电电探探测测器器热电偶和热电堆热电偶和热电堆测辐射热计测辐射热计热释电探测器热释电探测器光电探测器的分类光电探测器的分类特点:特点:入射光子和材料中的电子发生各种直接相互入射光子和材料中的电子发生各种直接相互 作用,即光电子效应。作用,即
8、光电子效应。所用的材料:大多数为半导体。所用的材料:大多数为半导体。光电效应光电效应器件:器件:外光电效应外光电效应器件:器件材料中的电子吸收了入射光的器件:器件材料中的电子吸收了入射光的光子能量以后逸出材料表面,产生了光电子发射,光子能量以后逸出材料表面,产生了光电子发射,这种器件称为这种器件称为外光电效应外光电效应器件。器件。内光电效应内光电效应器件:器件:光电导效应光电导效应、光生伏特效应的器件,、光生伏特效应的器件,吸收了吸收了入射光入射光的光子能量以后,器件材料中出现光生的光子能量以后,器件材料中出现光生自由电子和空穴。自由电子和空穴。光电子发射效应也称光电子发射效应也称外光电效应外
9、光电效应。入射辐射的作。入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中,用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中,即产生光电子发射。即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴 极的逸出功。因此,光电子发射存在长波限,极的逸出功。因此,光电子发射存在长波限,光子能量光子能量hc低于阴极材料逸出功就不能产生低于阴极材料逸出功就不能产生光电子发射。光电子发射。阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。正比于入射辐射的功率。利用光电子发射效应的探测器:利用光电子发射效应的探测器
10、:光电子发射探测器光电子发射探测器 典型器件:典型器件:光电管光电管 光电倍增管光电倍增管PMT真空光电管真空光电管 由光电阴极和阳极构成,由光电阴极和阳极构成,用于响应要求极快的场合。用于响应要求极快的场合。光电倍增管光电倍增管 它的内部有电子倍增系统,它的内部有电子倍增系统,因而有很高的电流增益,因而有很高的电流增益,能检测极微弱的光辐射信号。能检测极微弱的光辐射信号。光电倍增管(光电倍增管(PMT)光电倍增管由光电倍增管由五个主要部分组成五个主要部分组成光窗光窗光电阴极光电阴极电子光学系统电子光学系统电子倍增系统电子倍增系统阳极阳极l光电子发射探测器主要是可见光探测器,光电子发射探测器主
11、要是可见光探测器,因为对红外辐射响应的光电阴极只有银因为对红外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲和势光电阴极,和势光电阴极,l它们的响应波长也只扩展到它们的响应波长也只扩展到125m,只适用于近红外的探测,只适用于近红外的探测,l因此在红外系统中应用不多。因此在红外系统中应用不多。光电导是应用最广泛的光电子效应光电导是应用最广泛的光电子效应原理:原理:入射光子与晶格原子或杂质原子的入射光子与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用,产生自由电子一空穴对束缚电子相互作用,产生自由电子一空穴对(本征光电导本征光电导)、自由电子或空穴、自由电子或
12、空穴(非本征光非本征光电导电导),从而使半导体材料的电导增加。,从而使半导体材料的电导增加。特征:特征:光子所激发的载流子仍保留在材料光子所激发的载流子仍保留在材料 内部,是一种内光电效应。内部,是一种内光电效应。利用光电导效应的探测器:利用光电导效应的探测器:光电导探测器光电导探测器 典型器件:典型器件:光敏电阻光敏电阻光电导体光电导体电极电极电极电极光电流光电流Ip符号 在均匀的光电导体两端加上电极后构成为光在均匀的光电导体两端加上电极后构成为光敏电阻,两电极加上一定电压,当光照射到光电敏电阻,两电极加上一定电压,当光照射到光电导体上,由光照产生的光生载流子在外加电场作导体上,由光照产生的
13、光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动,在电路中电流会发生变化,用下沿一定方向运动,在电路中电流会发生变化,电流变化的大小与光照射的强度有关。电流变化的大小与光照射的强度有关。光敏电阻的工作原理:光敏电阻的工作原理:光电导探测器响应范围根据器件材料不同可从光电导探测器响应范围根据器件材料不同可从可见光、近红外延伸至远红外;可见光、近红外延伸至远红外;与工作温度有关,冷却可以使光谱响应曲线的与工作温度有关,冷却可以使光谱响应曲线的峰值和长波限向长波方向移动,同时可提高器峰值和长波限向长波方向移动,同时可提高器件的灵敏度;件的灵敏度;光电导探测器是均质型器件,没有极性之分,光电导探测器是均质型器
14、件,没有极性之分,工作时必须外加偏压工作时必须外加偏压(偏流偏流),并应注意选择正,并应注意选择正确工作温度和最佳偏压确工作温度和最佳偏压(或偏流或偏流),以便充分发,以便充分发挥器件性能。挥器件性能。光敏电阻的特点:光敏电阻的特点:光伏(光生伏特)效应:光伏(光生伏特)效应:是半导体受光照射产生电动势的现象。是半导体受光照射产生电动势的现象。是另一种应用广泛的内光电效应,是另一种应用广泛的内光电效应,光光 -电压电压(伏特)伏特)与光电导效应不同之处:与光电导效应不同之处:存在内部势垒,将正、负载流子在空间上分离存在内部势垒,将正、负载流子在空间上分离有光照射时,有光照射时,若若PN结电路接
15、负载电阻结电路接负载电阻RL,在在PN结内出现两种相反的电流:结内出现两种相反的电流:光激发产生的电子空穴对,光激发产生的电子空穴对,在内建电场作用下,在内建电场作用下,形成光生电流大小形成光生电流大小Ip与光照有关,与光照有关,方向与方向与PN结反向。结反向。RLIpID通常用通常用PN结来实现这种效应结来实现这种效应NP当入射光子在当入射光子在PN结及其附近产生电子结及其附近产生电子空空穴对时,光生载流子受势垒区电场作用,电穴对时,光生载流子受势垒区电场作用,电子漂移到子漂移到N区,空穴漂移到区,空穴漂移到P P区。区。如果在外电路中把如果在外电路中把P区和区和N区短接,就产生区短接,就产
16、生反向的短路信号电流。反向的短路信号电流。假若外电路开路,则光生的电子和空穴分别假若外电路开路,则光生的电子和空穴分别在在N区和区和P区积累,两端便产生电动势,这称区积累,两端便产生电动势,这称为光生伏特效应,简称光伏效应。为光生伏特效应,简称光伏效应。结型光伏探测器工作时可以不加偏置电压,结型光伏探测器工作时可以不加偏置电压,不加偏置电压光伏探测器不加偏置电压光伏探测器光电池。光电池。如果加上反向偏压,则入射辐射会使反向电如果加上反向偏压,则入射辐射会使反向电流增加,这时观测到的光电信号是光电流。流增加,这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的光伏探测器加偏压工作的光伏探测器光电二极管。光
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