第五章 光电直接检测系统
光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
探测器上的光谱功率
Pe E e A0 0
探测器输出信号电压
A0 VS 2 L
I
1
2
e
1
0
RV d
输出信噪比
VS A0 2 I e 1 0 RV d 2 Vn Vn L 1
简化处理结果:
VS A0 I R 2 e 1 0 V Vn Vn L
15
信噪比为:
SNRp
Po e h PS2 2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT
2
(ePS G / hv) 2 2e 2 ( PS Pb )G 2 4kt 2 2eI d G f hv RL
当热噪声是主要噪声源时
E I 0 I(ωo)=I(0)为最大频谱分量
2
22
激光波形为:
I t Ae
光脉冲宽度。 频谱I(ω)为:
2t 2
β 是脉冲峰值, β ≈1.66 /τ0 , τ0是激
I I t e jt dt
A
e
2 4 2
SNR p
i
e h
2 NS
2
P G
2 S 2
i
2 NB
i
2 ND
G i
2
2 NT
G2很大时,热噪声可以忽略,光电倍增管可接
近散粒噪声限。
19
2)光导探测器直接探测系统的信噪比
主要噪声为复合噪声,它和偏置电流成比例, 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低,所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处,且物方与像方两侧的介 质相同。
光电检测系统
人眼视觉系统
机器视觉系统
• 机器视觉系统最重要的一个局部是图像处 理与决策模块,从逻辑上可分为三阶段: 图像的预处理、特征提取、模式识别和理 解。图像的预处理是将由成像设备获得的 低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经 过噪声过滤、 平滑处理、 图像增强等处理
变成易于进展特征提取等后续操作的过程。 图像特征提取就是从经过底层处理的图像 中提取有利于图像识别和理解的主要特征 量,用有限的特征来描述原始图像中的目
机器视觉技术与无损检测
• 机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量 和判断,它在半导体生产、汽车制造、医 药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。 在机器视觉系统中,机器视觉产品将被摄 取目标转换成图像信号,传输给图像处理 系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息, 转变成数字化信号,图像系统对这些信号 进展各种运算来抽取目标特征,从而得到 感兴趣的目标信息。
• 工业,农业
应用领域
• 军事,航天
• 家庭
• 医学
设计原理
• 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统 和信息处理与技术的提高,光电检测技术 作为一门研究光与物质相互作用开展起来 的新兴学科,已成为现代信息科学的一个 极为重要的组成局部。光电检测作为光电 信息技术的主要技术之一,它是以激光、 红外、光纤等现代光电子器件作为根底, 通过对被检测物体的光辐射,经光电检测 器承受光辐射并转换为电信号,由输入电 路、放大滤波等检测电路提取有用信息,
• X射线检测技术主要是获取部件的内部缺陷,
• 〔3〕远距离、大量程:光是最便于远距离 测量的介质,尤其适用于遥控和遥测,如
根据不同的应用对象和用户场 合可采用不同的无损光电检 测技术和相应的检测装置来 实现。
分类
• 红外光谱检测技术 • 拉曼光谱检测技术 • 机器视觉检测技术 • 超声波检测技术 • X射线检测技术 • 电子鼻和电子舌检测技术
第五章 光电直接检测系统
若要达到信号噪声限,要求 2 eG PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
信噪比:表征检测系统的灵敏度
PS ( PS Pn ) SNRo 2 2 PS Pn Pn 1 2( PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率 检测距离:是系统灵敏度的另外一种评价指标,与
j
k
(mv ) mv Pos ( K , mv ) e K!
mv ()dt I d
v
是光电转换系数
光电信号检测
泊松计数统计是光电转换的最基本统计,它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。 光电探测器响应单个光子的求和,可作为平均 光电流。 K (0,T )
当输入信噪比远远大于1时,输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。 结论:直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
光电信号检测
直接探测系统的探测灵敏度
2.直接探测系统的探测灵敏度 输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
Pso SNRo Pno 2e[ e)Ps Pb) Id )]f 4kT f / RL ( ( hv
电子科学与技术教研室电子科学与技术教研室宁波工程学院电子与信息工程学院宁波工程学院电子与信息工程学院第五章光电直接检测系统光电信号检测电科08系统设计光电信号检测光电信号检测光电信号检测光电信号检测主动系统被动系统按信息光源分红外系统可见光系统按光源波长分可见光系统多用于民用点探测面探测系统按接受系统分用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统数字系统按调制和信号处理方式分直接检测相干检测系统按光波对信号的携带方式分光电信号检测光电信号检测主动系统主动系统通过信息调制光源或者光源发射的光受被测物体调制
光电检测系统原理
光电检测系统原理
光电检测系统是一种常用的检测技术,其原理基于光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时,光子的能量被电子吸收,使电子获得足够的能量从而跳出原子的束缚,产生自由电子。
在光电检测系统中,一般采用光敏元件作为光电转换器件。
光敏元件根据其工作原理的不同可以分为光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。
当光照射到光敏元件上时,会产生光生电流或改变电阻值,这种电信号可以被测量、放大并进一步处理。
光电检测系统的光源也是至关重要的组成部分。
光源的选择要根据被检测物体的特性来确定,可以使用白光、激光、红外线等不同种类的光源。
在某些应用中,还需要使用滤光片来选择特定波长的光源。
此外,光电检测系统中还包含光电信号的处理与分析。
光电信号一般较弱,需要经过放大、滤波、调整等处理,以提高信号质量和准确性。
处理之后的信号可以用于后续的数据分析、控制指令等。
总的来说,光电检测系统通过利用光电效应将光信号转化为电信号,进而实现对被检测物体的非接触式检测。
这种检测方式具有灵敏度高、响应速度快、精度较高等特点,广泛应用于工业制造、生命科学、环境监测等领域。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
(1)伽俐略望远镜( Galileo telescope )
结构 发散透镜作目镜,会聚 透镜作物镜,物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束,经物镜会聚后,原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物,最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下,三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种: 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
(3)最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84%时,所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中,三种典型波长的 焦深为例,说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见,当 ' =0.5μm,2 L = 8μm,说明像面有确定的位置,随着波长增加, 0 L'0 2 按正比增加,当 =10μm,2 = 160μm L'0 ,这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x,只要其像面移动不超过 L0,那 么仍可得到清晰的像。所以,对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
光电检测系统
长度:直尺、游标卡尺、千分尺
电压:万用表
质量:天平
间接测量:测量几个与被测量相关的物理量,通过函数关系式 计算出被测量。例如:
电功率:P = I * V(电流/电压)
重力加速度:单摆测量(L:摆的线长,T:摆动的周
期)
g
4
T
2L
2
返回
光电探测器的种类
类型 PN结
非PN结 电子管类
以光电子学为基础,以光电器件为主体,研究和发展光电信 息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到:
1、光电源器件(包括激光器)和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测 5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测,定向和制导 7、光电精密测试,在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析
光信息量化的变换方式在位移量(长度、宽 度和角度)的光电测量系统中得到广泛的应 用。
若长度信息量L量化为条纹信息量,则长度 L=qn
q为量化单位,采用莫尔条纹变换时,其为光栅节距,达到微米 量级;若采用激光干涉时,其 等于激光波长的二分之一或四分之一;n为条纹个数。
信息载入光学信息的方式
光通讯方式的信息变换
光电检测系统
光 光 被 光 光变 电
源
学 系 统
测 对 象
学 变 换
电换 传电 感路
信 号 处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
Байду номын сангаас
光电检测系统
光学变换
时域变换:调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换:光学扫描 光学参量调制:光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收,便于后续电学处理的光学信息。
光电检测系统的工作原理及应用
光电检测系统的工作原理及应用概述光电检测系统是利用光电传感器来实现对光信号的检测和测量的一种系统。
它通过将光信号转化为电信号进行处理和分析,广泛应用于工业自动化、仪器仪表、机器视觉、安防监控等领域。
本文将介绍光电检测系统的工作原理及其在各个领域的应用。
工作原理光电检测系统的工作原理是将光信号转化为电信号,并通过电路进行处理和分析。
光电传感器是光电检测系统的核心组件,它可以将光信号转化为电信号。
光电传感器光电传感器主要由光电二极管(Photodiode)、光敏电阻(Photocell)和光电管(Phototube)等组成。
光电二极管是最常见的光电传感器之一,其工作原理是利用半导体材料对光的敏感性,在光照下产生电流。
光电二极管可根据光照强度的变化产生不同的电流信号,实现对光信号的检测和测量。
信号处理电路光电检测系统中的信号处理电路主要用于放大、滤波和处理光电传感器产生的微弱电信号。
通过增加电流放大器、滤波器和信号处理器等电路,可以提高系统对光信号的灵敏度和稳定性。
同时,信号处理电路还可以对电信号进行模数转换和数字信号处理,进一步对光信号进行分析和判断。
应用领域光电检测系统在各个领域有广泛的应用,以下是几个常见的应用领域:工业自动化光电检测系统在工业自动化领域中起到了重要作用。
它可以用于物料检测、位置判断和传感器触发等任务。
光电传感器可以检测到物体的存在与否,实现对物体的自动识别和测量。
在流水线上,光电检测系统可以实现对物体的计数和判断,提高生产效率和质量。
仪器仪表光电检测系统在仪器仪表领域中也有广泛的应用。
例如,在光谱仪中,光电传感器可以将光信号分解为不同波长的光谱,并进行光谱分析和测量。
在激光测距仪中,光电检测系统可以利用光信号的反射时间来测量目标物体与传感器的距离。
机器视觉光电检测系统在机器视觉领域中也被广泛应用。
它可以用于图像传感和边缘检测等任务。
利用光电传感器对光信号的感知和分析,可以实现对图像的自动采集、处理和判断。
光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
22
激光波形为:
I t Ae 2t2
第五章 光电直接探测系统
直接检测系统的基本工作原理 直接检测系统的基本特性 直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
直接探测(非相干探测)系统 利用光源出射光束的强度去携带信息, 光电探测器直接把接收到的光强度变化 转换为电信号变化,最后用解调电路检 出所携带的信息。 光外差探测(相干探测)系统 利用光波的振幅、频率、相位来携带信 息,而不是利用光强度,所以只有相干 光可被用来携带信息,检出信息时需用 光波相干的原理。
20
半视场角为: W d
2f
视场角立体角Ω为:
Ad f2
增大视场角Ω方法:增大探测器面积或 减小光学系统的焦距。
21
4、系统的通频带宽度
1) 等效矩形带宽 I(ω)为信号的频谱,则信号的能量为:
E 1
2
I d
2
等效距形带宽Δω定义为:
E I 0 2 I(ωo)=I(0)为最大频谱分量
G2很大时,热噪声可以忽略,光电倍增管可接 近散粒噪声限。
19
2)光导探测器直接探测系统的信噪比 主要噪声为复合噪声,它和偏置电流成比例, 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低,所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处,且物方与像方两侧的介 质相同。
[2
e2
hv
( PS
Pb )G 2
2dI d G 2
4kt RL
]fR
L
15
信噪比为:
SNR
p
Po Pno
iN2S
e h 2 PS2
iN2B iN2D iN2T
第5章 光电直接检测系统
e h
② 当散粒噪声远大于热噪声时,直接检测系统受散粒噪声限 2 制,信噪比为: e h Ps2 SNR p散 ____ ____ ____ 5-15 ③ 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 受背景噪声限制,信噪比为:
2 2 2 iNS iNB iND
5.3 直接检测系统的距离方程
光 源
强度 调制器 信 号 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
回收的 信息
背景噪声场
电路噪声
发射机
接收机
光电检测系统的灵敏度在不同的用途时, 灵敏度的表达形式不同,在对地测距、搜索和 跟踪等系统中,通常用“检测距离”来评价系 统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距 离方程推演出来。 直接检测系统分为被动检测和主动检测系 统,其距离方程不同。下面分别进行推导。
测量精度(灵敏度)更高,作用距离更远。
5.1 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。
假定入射光信号电场为:
数字系统的信噪比
用误码率评价它的性能。 “0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。
10
5.2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方法
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:
____ ____ ____ ____ 2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT RL
5.2.3 直接检测系统的视场角
视场角表示系统能检测到的空间 范围,是检测系统的性能指标之一。 对于检测系统,被测物看作是在无穷 远处,且物方与像方介质相同。当检 测器位于焦平面上时,其半视场角为:
第五章 光电检测系统
精品资料
莫尔条纹(tiáo wén)测长仪
光电探测器接收到的明暗变 化的光信号转换成电信号;
通过对莫尔条纹的直接测量 (cèliáng),可以测的光栅的 位移量;
在较宽的莫尔条纹间隔内安 放细分装置进行细分,可读 取位移的分数,提高测量 (cèliáng)的灵敏度和精度.
本机振荡光场为: E L t A L c L o t L s
入射到探测器上的总光场为: E t A s c s t o s A L s c L t o L 精品资料
光探测器输出(shūchū)的光电
i p t 流 S E 2 t S E s t E L t 2 S A s 2 c 2 s t s o A L 2 c 2 L s t o L
fS 为信号光波,fL为本 机振荡光波,这两束相 干光入射到探测器表面 (biǎomiàn)进行混频,形 成相干光场。
经探测器变换后,输出 信号中包含 fs fL 的 差频信号,故又称相干 探测。
精品资料
基本原理
设入射到探测器上的信号(xìnhào)光场为:
E s t A s co s t s s
测距原理: 由激光器对被测目标发射一
个光脉冲,然后接受目标反射 回来的光脉冲,通过测量光脉 冲往返所经过(jīngguò)的时间来 计算出目标的距离。
测距仪原理:
由激光发射系统、接受系
统,门控电路、时钟脉冲振荡
器和计数器等组成。
脉冲激光测距仪的原理框图
精品资料
激光器:LD,ND:YAG(调Q/锁模)
Ip S P q h E 2(t)2 q h A 2
输出的电功率正比于入射光功率的平方
计算光电检测系统的作用距离
1 2
④ 当以信号光的散粒噪声为主要噪声 2hf h
--量子极限下的最小可检测功率
5.2.3 直接检测系统的视场角
半视场角:
d 2f
视场立体角:
Ad 2 f
5.2.4 系统的通频带宽度 确定系统的通频带宽度方法:
NEP
② 当散粒噪声为主要噪声
h 4kTf 2 e I I I f p B D e RL
1 2
NEP 散
1 h 2eI p I B I D f 2 e
③ 当背景噪声为主要噪声
NEP 背 2hPB f /
W t 为光辐射能量: W t tt t P t dt e e K e P t Ps 故 则 Is h t h
h
若负载为RL,则光电检测器件输出的电功率为:
Po
2 Is RL
e 2 Ps RL h
直接检测系统的功率 设入射光场信号:E s t A cos t A 光场振幅
2 A 平均光功率 Ps E s 2 t 2
ω 光频率
E s t 的时间平均值
2
I s Ps 光电检测器的输出光电流:
光电 变换比例常数
设量子效率为η,产生的平均光电子数: K W t
1. 等效矩形带宽 令I(w) 为信号的频谱,则信号的能量:
1 2 I d 2 定义等效带宽 : E I 0 2 E
2.频谱曲线下降3dB的带宽 3. 包含90%能量的带宽
以钟形波表示的脉冲激光信号为例进行分析:
I t Ae
2t 2
1 信噪比 误码率 误差函数 2 2 2
第五章 光电直接检测系统
激光器发射激光脉冲被分为两 部分:参考信号和回波信号。 回波脉冲经光电探测器变换成 电信号,再经放大和整形后, 将电子门打开,使通过电子门 的时钟脉冲进入计数器开始计 时;当回波脉冲(负与门)到 来时,关闭电子们。 在参考和回波脉冲之间计数器 所接收到的时钟脉冲个数代表 来被测距离。
时钟频率越高,测量的分辨率 越高。但分辨率最终取决于激 光脉冲的上升时间。
注意:
在电子细分技术中,常采用四倍频细分法, 这种细分法也是许多其他细分法的基础。
依次相距B/4的位置安放四个光电元件
细分电路原理框图
i
+
C
u1
_
uc _ +
+
R
u2
_
uC (0 _) 0 V
u1
U
tp
u2
t1
t
t
四倍频细分电路
激光测距仪
激光测距仪的类型 – 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪 激光测距仪的特点 – 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大 激光测距仪广泛应用于工业、 国防军事、科学技术。
长光栅莫尔条纹
播放动画
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
圆弧莫尔条纹
播放动画 单击准备演示 播放中……
辐射、光闸莫尔条纹
播放中…… 播放动画
环形莫尔条纹
播放中…… 播放动画
单击准备演示
辐射形莫尔条纹
单击准备演示 播放动画
莫尔条纹测长仪
莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(同节距)叠加在一 起,并且两者的栅线成很小的 角度θ ,透过光栅能看到随光 栅的移动,某点透过的光强呈 现明暗交替变化.这就是莫尔 条纹的光强调制作用. 条纹变化情况与光栅节 距之间是什么关系? 光栅相对运动一个节距, 条纹变化一个周期
第五章相干光电检测系统2
单频光相干时,合成信号的瞬时光强为:
I x, y a12 a22 2a1a2 cos t
I
x,
y
I0
1
cos
2
n
L
可见,ΔL变化,I随之做周期变化。当ΔL变化λ时,
I变化一个周期。若对I的变化进行计数,根据移动方向进行
两束平行的相干光在光电探测器表面形成相干光场,经 光电检测器后能输出频率为υL- υs 的差频信号。
设信号光、本振光电场分别为:
ES t AS cos St S ,
EL t AL cos Lt L
在光电检测器光敏面上总的光电场为:
E t AS cosSt S AL cosLt L
A(x, y){1 (x, y) cos[t (x, y)]}
式中, A(x, y) a12 a22 是条纹光强的直流分量; (x, y) 2a1a2 / (a12 a22 ) 是条纹的对比度;
1 2 是光频差; (x, y) 1(x, y) 2(x, y) 是相位差。
一 相干检测的基本原理
1光学干涉和干涉测量 2 干涉测量技术中的调制与解调
二 基本干涉系统及应用
1 典型的双光束干涉系统 2 多光束干涉系统 3光纤干涉仪
三 同频相干信号的相位调制与检测方法
1 相位调制与检测原理 2 同频相干信号的检测方法
四 光外差检测方法与系统
1 光外差检测原理 2 光外差检测特性 3 光外差检测条件
条纹比较法波长测量 原理图 1-半透半反镜 2,3-圆锥角反射镜
两个锁相振荡器分别与 Dr 和 Dx 输出的光电信号Ur和Ux同步,产生与λr 和λx的干涉条纹同频的整形脉冲信号。其中,与λr 对应的脉冲信号经M倍频 器进行频率倍频,而与λx 对应的信号则进行N倍分频。利用脉冲开关,由N分 频信号控制M倍频信号进行脉冲计数,最后由显示器输出。被测波长的计数
第五章光电检测系统
Ch5 光电检测系统
吕勇 lvyong222@
0
•光电检测系统相关概念
•直接(非相干)探测基本原理
•相干探测的基本原理
•光调制/解调
1
光电信号变换
• 在光电系统中,通常要借助于几何光学、物理光学和光电子
学的方法对信号进行变换,包括将一种光量转换为另一种光 量,将非光量转换为光量或将连续光量转换为脉冲光量等。
• 直接检测是将待测的光信号直接入射到光电器件的光敏面 上,光电器件的输出电流或电压与入射光强度有关。 • 若入射光波的振幅为 U (t ) a sin( t )
S s s s
那么入射光功率为
PS (t ) as [sin( st s )]平均
2
光电检测器件的输出光电流为 I K P 1 K a 2 dS s s 2 q 式中K为光电灵敏度 K 其中 q 为产生的电荷, h h 为入射光功率。 平方律:输出光电流和输入光振幅的平方成正比
6
被动光电系统和主动光电系统
• 光源、光电变换系统和光电接收器件一起构成光电测量系统。 • 如果信息源通过调制光源的电源电压或电流,把信息载荷到光 载波上,而发射调制光,或者用光电系统的光源(人工光源) 照射目标再进行光电变换,然后由光电接收系统接收,称为主 动光电系统。 • 如果光电系统所接收的信号完全来自于被测对象的自发辐射而 非人工光源照明,称为被动光学系统;
• 2、按时空状态分类 按调制位置是在光源内发生还是在光源外进行可分为内调制和外调制;
24
光调制的分类:
• 3、按载波波形分类 按调制光波的参量可分为振幅调制、频率调制、相 位调制等; • 4、按调制元件分类 根据应用的物理效应分为电光调制、声光调制、磁 光调制; • 5、按调制形式分类 按调制的形式分模拟调制、数字调制和脉冲调制。
第5章光电直接检测系统2
x
同样,莫尔条纹2、3的方程为
y2
P2 P1cos P1sin
x
P2
sin
y3
P2 P1cos P1sin
x
P2
sin
由以上三方程可得:莫尔条纹是周期函数,其周期
T=P2/sinθ,也叫莫尔条纹的宽度B。
当P1=P2时,莫尔条纹中线斜率为
tan
1 cos
tan
sin
2
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。
1、莫尔条纹光栅原理
简单光栅读数头 1:灯,2:聚光镜, 3:指示光栅,4:长 光栅,5:光电探测器
构成: 主光栅--标尺光栅,定光栅;指示光栅--动光栅
•将指示光栅与标尺光栅 (节距分别为P1和P2)叠加在
一起,并且两者的栅线成很小的角度θ,在长光栅中标尺
光栅固定不动,而指示光栅安装在运动部件上,所以
由此可知,只要计算输出电压的周期数,便可测出位 移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内, 输出波形的变化是位移在一个节距内变化的余弦函数, 每一周期对应一个节距。
但是如果只用一个光电元件,其输出信号还存 在两个问题:
① 辨向问题:用一个光电元件无法辨别运动 方向;
② 精度低;分辨率只为一个栅距P。
5.4 直接检测系统的举例
5.4.1 莫尔条纹测长仪
在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是 利用光的透射和反射现象,常用于位移测量,有很高 的分辨力,可优于0.1m。
计量光栅可分为透射式 光栅和反射式光栅两大类, 均由光源、光栅对、光敏元 件三大部分组成。光敏元件 可以是光敏二极管,也可以 是光电池。透射式光栅一般 是用光学玻璃或不锈钢做基 体,在其上均匀地刻划出间 距、宽度相等的条纹,形成黑白光栅 连续的透光区和不透光区。
第五章光通信之光电检测器PPT课件
■雪崩光电二极管的结构与PIN不同表现在增 加了一个附加层,以实现碰撞电离产生二次 电子-空穴对,在反向时夹在I层和N层间的P 层中存在高电场,该层称为倍增区或增益区 雪崩区,耗尽层仍为I层,起产生一次电子 -空穴对的作用。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的,应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失,增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
工作原理
光照hv>Eg-->耗尽区吸收大部分光-->受激吸收 -->光生载流子-->耗尽区电场作用,电子向N区漂移, 空穴向P区漂移-->反向电压,耗尽区加宽 -->接通电 路,R上有电流
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2 接收机中存在的噪声源可分为()()() 二、简答题: 1 雪崩光电二极管是利用什么原理使检测灵敏度
得到大大提高的? 2 半导体光电二极管是利用什么原理实现光/电
转换的? 3 比较APD、PIN光电检测器的优缺点。
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3 PIN光电二极管
■由于PN结耗尽区只有 几微米,大部分入射 光被中性区吸收,因 而光电转换率低,响 应速度慢。为改善器 件的特性,在PN结中 间设置一层掺杂浓度 很低的本征半导体 (称为I层),这种 结构便是常用的PIN 光电二极管。
基于异质结的PIN光电二极管
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第五章 光电信号的检测方法
这就是双频干涉测长装置的测量公式。
2、萨格纳克效应(光程差随转速而改变的现象)和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时,顺时针光路和
逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL,其数值满足下列 关系:
式中,c为光速,A为封闭光路包围的面积;φ为转速矢量与面积 A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时,上式简化为:
图5-13给出像偏移测量轴向位移的原理示意图。
下图为采用PSD和半导体激光器的距离传感器示意图。
驱动电路
半导体 激光器
聚光 透镜
光学 滤光 片
PSD 器件
模拟开关 取样放大器
A/D变 换器
成像聚光镜
信号电 极距 PSD光 敏区中
放大器 输出
电脑 Z K I A I B
IA IB
入射光 点距中
像点的ΔZ′偏移引起原像面上的离焦,使像面照 度分布扩散,如图所示。
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
像点偏移法又称光切法。它是一种三角测量方式的轴 向位移测量方法。当将光束照射到被测物体时,用成 像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像,通过 三角测量关系可以计算出物面的轴向位移大小。这种 方法数毫米到数米的距离范围可实现高精度的测量。 在工业领域内的离面位移检测中常常用到。
这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应,图5-22给 出这一效应的图解说明。
三个或三个以上反射绕组成的激光谐振腔使光路转折形 成闭合环路。这种激光器称作环形激光器(如图5-23)。
小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了 激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动,在惯性导 航中作为光学陀螺仪使用。此外,作为一种测角装置, 它是一种以物理定律为基准的客观角度基准,有很高的 测角分辨率。图5-23(b)给出了早期激光陀螺的结构示 意图。
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eG2PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
❖ 信噪比:表征检测系统的灵敏度
SNRo
PS 2 2PS Pn Pn2
(PS Pn )2 1 2(PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率
❖ 检测距离:是系统灵敏度的另外一种评价指标,与
▪ 等效矩形带宽 ▪ 频谱曲线下降3dB的带宽 ▪ 包含90%能量的带宽 ❖ 频带宽度越宽,通过信号的能量越大,系统的噪 声功率也越大.
光电信号检测
5.3 直接检测系统的距离方程
1.被动接收系统的距离方程 2.主动接收系统的距离方程 ❖ 以上内容学生讲解
光电信号检测
5.4 光电直接检测系统举例
时变光信号的检测 ❖ 光电系统所处理的输入信号有一类是辐射光通量直接
Psi2
(SNRpi)2
SNRpo
Pno
2PsiPni Pni2
1 2(SNRpi)
光电信号检测
信号光较弱时
分两种情况分析: ❖ 1)当Psi<<Pni时,直接探测系统的输出信噪比
SNRpo (SNRpi)2 (Psi / Pni)2 1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 图中,由辐射源1产生的光通量Φ0,经布置于光路上的 被测样品或标准样品2的部分吸收或散射,投射到检测 器3的光敏表面上。
❖ 利用光电信号放大器4可以测量出载有信息的光通量Φ, 最后由指示仪表5显示记录下被测量的结果。
❖ 单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。
光电信号检测
1)直读法 ❖ 在单通道系统中,直接测量载荷信息的光通量值,并
SNRpo ( Psi )2 Pni
❖ 输出的信噪比将更小,检测灵敏度也低,直接检
测系统不适合弱光检测。
光电信号检测
信号光很强时
2)当Psi>>Pni 时,相应的输出信噪比:
(SNRpi)2
(Psi / Pni)2
SNRpo
1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 用单元探测器接受目标的总辐射功率 ▪ 用面接受元件测量目标的光强分布
❖ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) ❖ 直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
光电信号检测
主动系统
❖ 通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测 物体调制。
光电信号检测
SNRpo 1 (Psi / Pni) 2
当输入信噪比远远大于1时,输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。
结论:直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
光电信号检测
直接探测系统的探测灵敏度
❖2.直接探测系统的探测灵敏度
输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
光电信号检测
§5-1 光电直接检测系统的基本原理
5.1.1直接测量系统的工作原理 ❖ 定义:
光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏
面上,光检测器响应于光辐射强度(幅度)而输出相应 的电流或电压。
❖ 换句话说,直接检测系统是随时间变化光信号或随空间 变化的光信号的直接测量 ,属于非相干检测。
第五章 光电直接检测系统
电科08(系统设计)
宁波工程学院电子与信息工程学院
电子科学与技术教研室
丁志群 制
光电信号检测
光电信号检测
光电检测系统分类
❖ 主动系统/被动系统(按信息光源分)
❖ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) ▪ 红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 ▪ 可见光系统多用于民用
发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有 关.
光电信号检测
(三)直接检测系统的视场角
❖ 表征系统能“观察”到的空 间范围。
❖ 系统的视场角越大越好。但 是增大检测器面积使系统的
噪声增大;减小焦距使系统 的相对孔径加大。
2
d Ad / f 1
光电信号检测
(四)系统的通频带宽度
❖ 检测系统要求Δf保持原由信号的调制信息. ❖ 确定系统频带宽度的几种方法:
N(t)是接收光场的光电子计数速率。
光电信号检测
(二)光电检测的平方律特性
❖假设 入射号 Es(t) Acos t
式中A为信号光电场振幅, 为信号光的频
率。平均功率为
Ps Es2 (t) A2 / 2
❖ 光检测器输出电流为
Is Ps e Es2 (t) e A2
h
2h
❖式中:Es2 (t) 表示 Es2 (t) 的时间平均值; 为光电变换比例常数,且有 e
光电信号检测
❖ 利用图b中的方框图可以计算出系统的测量关系。设被 测偏振面转角为θx,检偏器的读出转角为θ0,偏振器组 合的相对转角为θx-θ0,对于透光率τ的转换因子为M, 则检偏-起偏器组合和指示仪表的输出值θ分别可表示为:
τ=M(θx-θ0)
和
❖ 由以上二式有
θ=KSIΦ0τ
θ=KSIΦ0M(θx-θ0)=K0(θx-θ0)
光电信号检测
一、光通量的幅度测量 1.单通道测量系统
单通道测量系统和直读法 a) 原理示意图 b) 方框图 1-辐射源 2-被测样品(或标准样品) 3-检测器 4-光电信号放大器 5-指示仪表
光电信号检测
❖ 被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器,经由读 出装置进行测量的系统称作单通道测量系统。
❖ 只考虑热噪声影响 P min, TL (2 hv kT f / RL e
光电信号检测
❖ 3.光电探测器内增益对检测灵敏度的影响
SNRo Pso
(GPs)2
Pno 2eG(2 e)(Ps Pb)f 4kT f / RL
hv
Ps / ef
G2 2 G2
)( e)(1 hv
Pb )f Ps
随被测信息变化的。这种情况下的被测信息是载荷在 光通量的幅度大小、变化频率或变化相位上,检测这 些参量可以测量出所需要的信息。 举例: ➢ 直接测量来自被测物体的光辐射进行的光谱分析和辐 射测温; ➢ 通过检测被测物体的透光率测量气体液体的浓度或薄 膜厚度; ➢ 通过测量反射率检测物体的表面状态等。下面介绍直 接随信息改变的光通量测量方法。
通过与标准样品的比对测定被测量的方法称作直读法。 ❖ 例如为了测量样品的透过率,可以在图a所示的光路中
事 先分别放置透过率已知的标准样品,每次对电表值 进行标定。 ❖ 经过这样的处理后再将被测样品放在光路中,即可由电 表的示值直接得到被测的透过率值。
光电信号检测
❖ 直读法测量系统的方框图示于图b中。设照明样品的光 通量为Φ0,样品透过率为τ,透过样品并为光电检测器 接收的光通量为Φ,检测器的电流灵敏度为SI,放大器 增益为K,读出装置的传递系数为M,输出值为θ,则 直读系统的测量值可表示为
i 1 A2 A2d (t) 2
若光电检测输出端有隔直电容,则输出仅有第二 项(即实现包络检测)。
光电信号检测
二、直接检测系统的信噪比和灵敏度 1. 直接探测系统的信噪比
Pso Pno (e)2(Psi Pni)2RL hv
(e)2(Psi2 2PsiPni Pni2 )RL hv
Pso
光电信号检测
❖ 式中,K0=KSIΦ0M,Φ0为入射照明光通量,SI为光检 测器灵敏度,K为放大器增益。在无试样的校准状态下, 即θx=0时,调整θ0,使θ=0。随后加入试样则θx≠0, 因而θ≠0。重新调整θ,使θ再次为零,此时有 θx=θ0
❖
θ=SIKMΦ0τ=K0τ
或
❖
τ=θ/K0
式中K0=SIKMΦ0。
光电信号检测
❖ 当K0保持恒定不变时,被测值τ和读出示值θ之间存在着 一一对应的关系,可根据θ确定被测的τ值。但实际上K0 值不是完全不变的。
❖ 特别是Φ0因子与照明状态有关,存在着长期工作的不 稳定性和不重复性。
❖ 比例因子K0的波动会直接造成测量示值的偏差。此外定 标所用基准的误差或在定标过程中引入的偏差也会直接 影响测量结果,因此直读法在实际应用中受到一定的限 制。
h
光电信号检测
(二)光电检测的平方律特性
❖ 若光检测器的负载电阻为RL,则光电检测器 输出功率为
结论:
Po
Is2 RL
( e)2
P R2 s L
h
直接探测系统的平方律特性
❖光电探测器的的光电流正比于光场振幅的平 方;
❖光电探测器输出的电功率正比于入射光功率 的平方。
光电信号检测
❖若入射波是调幅波,即 Es(t) A[1 d(t)]cost 式中: d (t) 为调制信号。则检测器输出电流为
K!
是光电转换系数
光电信号检测
❖ 泊松计数统计是光电转换的最基本统计,它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。
❖ 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。
❖ 光电探测器响应单个光子的求和,可作为平均
光电流。
K (0,T )
Ip E[ X (t)] E[ h(t tj)]
j0
T
e(t tj)N (tj)dtj eN (t) 0
SNRo
Pso Pno
2e([ e)(Ps
(e hv
Pb)
Ps)2 Id)]f
4kT f
/
RL
hv
光电信号检测
❖强信号下, SNRpo 1
❖只考虑散弹噪声的影响 SNRpo, sL Ps 2hvf
NEP P min, sL 2hvf /
❖ 只考虑背景噪声影响