第四章 光电探测系统设计

③线性电压输出
• 这种状态在串联的负载上能得到与入射光通量 近似成正比的信号电压，负载电阻增大有助于 提高输出电压。但增大到一定临界值时，输出 信号开始发生明显非线性畸变。 • 在线性关系要求不高时，可利用图解法简单得 到临界电阻RM
式中，R——光电变换系数
d
4.2.3光由被测对象反射的形式
应用于：激光测距、激光制 导、主动式夜视仪、电视摄像、 扫描仪、文字判读、条码识别、 光准直、转速测量、表面检测等。 反射面有光滑镜面和粗糙面， 对应镜面反射和漫反射两类反射。 镜面反射主要用于判断光信号的有无。 漫反射检测表面质量时，变换器输出信号电压为
①短路或线性电流放大
• 这是一种电流变换状态，后续电流放大级 作为负载从光电池吸取最大输出电流。为 此要求后续放大电路输入阻抗尽可能小。 • 由于负载电阻很小，输出电流接近于短路 电流，它与光通量有良好的线性关系。 • 短路状态器件噪声电流较低，所以最适用 于弱光信号的检测。 • 同一片光电池的短路电流或低阻负载时的 负载电流与受光面积呈线性关系。
（1）光伏型器件输入电路的形式
（2）无偏置输入电路的静态计算
U IRL {I p Io [exp(eU / kT ) 1]}RL
对给定的Φ 0，选定RL，工作点Q即可图解确定。
I I P I o [exp(eU / kT ) 1] I P I o [exp(eIRL / kT ) 1]
（3）小弥散斑及其角直径
• 光学系统中影响成像质量的主要因素是像差和 衍射。 • 像差按照不同的设计有很大的差别。 • 衍射作用的大小可用爱里斑来估计，其角直径 为：δθ=2.44λ/D；其直径为角直径与焦距的乘 积： δ= fδθ=2.44λF。 • 用于可见光和近红外的光学系统，因波长较短， 影响像质的主要是各种像差；用于中远红外的 光学系统，影响像质的主要因素是衍射。
景深——在物方空间，物体沿光轴方向移动，只 要其像面移动不超过焦深，则仍可得到清晰的像，所 以对应焦深在物空间的可清晰成像的范围称为景深。 利用牛顿成像公式，可得到景深为： x2 4x 2 2 4x 2 x 2 2L0 F 2 f n' f n' D 2
其中：x为物平面到光学系统物方焦点的距离， f为光学系统的焦距。 例：手机摄像头孔径为1mm，物距3m时，对550nm波 长的可见光，其景深为19.8m。而对一个孔径为45mm 的镜头在同样条件下的景深则是9.8mm。
对一定的△Φ ，小RL值输出信号电压较小；过大的RL值 会导致输出信号波形畸变。 Ub增大，输出信号幅度增，线性度改善，电路功耗增。
图解法应用原则
• 对于线性应用，应根据输入光通量的变化范围 和输出信号幅度的要求，使负载线稍高于转折 点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时 保证Ub不大于器件的最大工作电压。 • 对于非线性应用，例如用作光电开关的情况下， 可以合理地选择电路参数使之能可靠地动作， 同时保证不使器件超过其最大工作电流、最大 工作电压和最大耗散功率
kT ( I p I o ) I kT ( I p I o ) U / RL U ln ln e Io e Io
kTU I p I o U / RL P 光电池的工作曲 线分作四个区域：Ⅰ短路或线性电流放大；Ⅱ空载电 压输出；Ⅲ线性电压放大；Ⅳ功率放大。
4.2 光电变换的基本形式
• • • • • • 被测对象为辐射源的形式 光透过被测对象的形式 光由被测对象反射的形式 光由被测对象遮挡的形式 光信息由被测对象量化的形式 光传输信息的形式
4.2.1被测对象为辐射源的形式
应用于：火警监测、制导、 被动夜视仪、热成像、探测 温度、光谱分析等。 信号特征：缓慢变化量 不利因素：直流放大器零 点漂移；环境背景噪声干扰。 设计措施：对信号斩波调制，然后滤波放大。 系统输入信息：物体辐射出度
4.3.1恒流源型光电检测电路的静态计算
• 工作电压较小的范围内伏安特性曲线呈弯曲； • 随电压升高，曲线逐渐平直； • 对不同的输入光通量，各曲线近似平行且间隔随光通 量的增大趋于相等； • 输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质称为恒 流源特性。
（1）图解计算法
• • • •
U(I)=Ub –IRL 在伏安特性上画出负载线 Q点为输入静态工作点 光通量改变△Φ ，RL上产生△U和△I输出。
光电池的输出电流 I I o [exp(eU / kT ) 1] I P 式中e—电子电量
k— 玻尔兹曼常数
T— 绝对温度 I P S —短路电流 如果使伏安特性 倒转到第一象限，即 对电流的正方向作相 反的规定，那么伏安 特性方程可表示为：
I I P Io [exp(eU / kT ) 1]
Uo E (r1 r2 ) BR
式中，E ——照度；r1——正常反射率； r2——瑕疵反射率； B——探头有效视场内瑕疵面积； R——光电变换系数。
4.2.4光由被测对象遮挡的形式
应用：光电测微计、光电 投影尺寸检测、光电计数、光 电开关、防盗报警等。 设光电器件光敏面被物体 遮挡光照的面积为A，则变换 器输出的信号电压为：
1 G0U 0 GL RL U b U 0 G0 Smax U b (G0 G ) Smax
当RL已知，可计算出：
Smax (GL G0 ) Ub GL (G0 G )
③计算输出电压幅度 当输入光通量从最 小值变化到最大值，输 出电压变化幅度可由M、 H两点的电流值计算：
②空载电压输出
• 这是一种非线性变换状态，此时光电池应通过高 输入阻抗变换器与后续放大短路连接，相当于输 出开路。开路电压可写成：
Ip kT U oc ln( 1) e Io Ip kT kT S ln( ) ln( ) e Io e Io
在入射光强从零到某一 定值作跳跃变化的光电开关 等应用中具有不需偏置电源 即可组成控制电路的优点。
I f (U , ) I d I p GU S
当输入光通量在确定的工作点附近作微小变化时， 只需对上式作全微分即可得到微变等效方程：
I I dI dU d gdU Sd U
S——微变光电灵敏度
式中，g——微变等效漏电导
在输入光通量变化范围为已知时，用解析法计算输入 电路的工作状态的步骤： ①确定线性工作区域
Uo RT
4
4.2.2光透过被测对象的形式
应用于：测量液体或气 体浓度、透明度或浑浊度， 检测透明介质厚度和质量， 测量胶片的密度和黑度。 光透过均匀介质被吸收 而减弱的规律为：
0e
d
式中，d——介质厚度；α ——介质吸收系数。 光电变换前置放大器的输出电压为：
Uo R R0e
M T 4
其中，ε 为物体的发射率；σ 为斯特凡——玻尔兹曼 常数；T为物体的绝对温度。
在近距离时，不考虑大气吸收，前置放大器输 出的电压信号为：
Uo MmSGA MR
式中：τ ——光学系统的透过率 m——光学调制系统透过率 S——光电器件的灵敏度 A——放大器放大倍数 G——电路变换系数 R——光电变换系数 将物体的辐射出度与温度的关系式带入上式，有：
第四章 光电探测系统设计
4.1 光电探测技术中的光学系统 4.2 光电变换的基本形式 4.3 光电检测电路设计
4.1 光电探测技术中的光学系统
• 光电探测系统中，为使待测光信息按设计需要 正确达到光探测器，必须应用光学系统和一些 专用光学元件。 • 组成光学系统所采用的光学材料随工作波段而 异。 • 工作于不同光谱波段的光学系统，虽然在光学 材料、结构、镀膜要求、处理方法上会有很大 区别，但其成像原理都符合光学基本规律。
4.1.2 系统的特点
（1）光电探测器的大小和对应视场的关系 • 系统半视场角：ω =d/2f’=d/2FD d——圆形探测光敏面的直径 f’ ——物镜焦距 D——系统物镜的口径 • 系统的F数： F= f’/D =d/2ω D • 系统的数值孔径：N﹒A =n’sinu’ =n’/2F u’——系统的孔径角 n’——物方空间的折射率 上述关系决定了对F数以及探测器直径的限制。
（2）光学系统的焦深和景深
• 焦深——若成像面相对于理想像面前后移动一小量 Δ L，像仍比较清晰，就把这种移动距离的极限范 围2Δ L0称为焦深。 • 以衍射为极限的焦深： 2Δ L0 =4λF2/n’
不同波长和不同F数时焦深的计算结果
n’ 1 1 1 λ/μm 0.5 4 10 F 2 2 2 2Δ L0 /μm 8 64 160 F 4 4 4 2Δ L0 /μm 32 256 640
GL (Ub U0 ) GU0 Smax GL (Ub U max ) GUmax Smin
以上二式分别有： GLU b Smax U0 G GL GLU b Smin U max G GL
所以
U S
max min
G GL
S G GL
(2)解析计算法
• 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，线性区内各直线的平均斜率。 • 光电灵敏度：S=IP/P，单位输入光功率引起的光电流。 式中，光功率P也可以是光通量或光照度。
利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意点Q处 的电流值表示为两个电流分量的组合。它们分别是与二 极管端电压成正比的由结间漏电导形成的暗电流Id和与 端电压无关的仅取决于输入光功率的光电流Ip。
④计算输出电流幅度
I I max I min GL U S S GL GL G 1 G / GL
通常 GL G，上式简化为
I S
⑤计算输出电功率
S 2 P IU GL U GL ( ) G GL
2
4.3.2 光伏型光电检测电路的静态计算
L qn
式中q——量化单位；n——条纹个数
4.2.6光传输信息的形式
应用：红外遥控，相 互绝缘电路之间的信息传 输，光通信，光纤通信。
4.3 光电检测电路设计
• 由于光电检测器件伏安特性是非线性的，一般 采用非线性电路的图解法和分段线性化的解析 法来计算。 • 对于种类繁多的光电器件，可根据这些器件的 伏安特性的性质分作恒流源型、光伏型和可变 电阻型三种基本类型，并且以光电二极管或光 电池为线索，介绍它们在各种工作状态下的电 路计算方法。
4.1.1 系统组成及功能
• 光电探测系统的光学系统，包括观察系统在内， 都可以认为是由物镜和其它光学元件组成。 • 其它光学元件：目镜、滤光镜、调制盘、光机 扫描器、光阑、探测器辅助光学元件等。 • 系统的主要作用可归纳为： • ——收集来自目标的光辐射通量； • ——观察或瞄准目标； • ——确定目标的方位； • ——实现大视场捕获目标与成像。
由对应最大输入光 通量的伏安曲线弯曲处 即可确定转折点M，相 应的转折电压U0或初始 电导G0
M点的电流值可表达为：
iM G0U0 GU0 Smax
Smax 故有： U 0 G0 G
或：
Smax G0 G U0
②计算负载电阻和偏置电压 为保证最大线性输出，负载线与最大光通量照对应的 伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点， 有： （Ub U0 )GL G0U0 当Ub已知，可计算出：
Uo EAR
式中， E ——照度；R——光电变换系数。
4.2.5光由被测对象信息量化的形式
应用：数显长度、角度 精密测量；数控机床位移、 角位移的精密测控。 光信息量化变化形式在位 移量通过光栅或码盘干涉仪等 变为变为条纹或代码等数字信 息量，再由光电变换电路变为 数字信号输出。 若长度信息L量化为条纹信息量，则长度