光电检测技术与应用 第六章 光外差探测系统
光电检测技术-教学大纲6
光电检测技术教学大纲一、课程基本信息课程名称：光电检测技术（Optoelectronic Detection Technology）课程对象: 光学、通信、自动化等专业课程类别：选修课课程学时：32二、教学目的及要求光电检测技术是电子信息学科的主要应用课程之一，她综合了光电子学、模拟电路、数字电路、计算机接口技术等学科的内容，是光学、通信、自动化控制等专业可选修的重要专业课程。
本课程的目的：在牢固掌握光辐射度量和半导体物理的基本规律、基本理论基础上，学习工业生产中实际使用的光电、热电检测器件、发光器件的原理、分类和选用，再结合实际检测需要设计检测电路、检测系统，培养学生对实际光电检测系统的分析和设计能力，掌握从理论到生产实践应用的过程、方法及分析解决具体实际问题的能力，同时也为毕业工作的起到桥梁作用。
本课程的基本要求：1．牢固掌握光电检测系统的用到的三大基本理论（辐射与光度量、半导体物理、光电效应）和电路的基本定理。
2．牢固掌握光电检测器件的原理、分类、性能参数指标及其应用选择。
3．熟悉了解热电检测器件的原理、分类、性能参数指标及其应用选择。
4．掌握发光与耦合器件的基本原理、结构、性能参数指标及其应用选择。
5．牢固掌握光电信号的数据采集方法以及与PC机接口进行数据处理方法，学会在实际检测系统中的接口和编程。
三、教学内容第一章绪论第二章光电检测技术基础（4学时）课程要求: 光的基本性质和光辐射度量；半导体物理基础；光电效应。
2.1 光的基本性质2.2 辐射与光度学量2.3 半导体基础知识2.4 光电效应第三章光电检测器件（6学时）课程要求:器件的性能参数、真空器件、半导体器件，各类器件的性能比较和应用选择。
3.1 光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数3.3 半导体光电器件•光电导器件:光敏电阻•光伏器件: 光电池/光电二极管/三极管3.4 真空光电器件•光电管•光电倍增管3.5 热电检测器件•热敏电阻•热电偶和热电堆•热释电探测器件第四章发光、耦合和成像器件（4学时）课程要求:发光二极管、激光器、光电耦合器件。
光电检测技术课后部分答案
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）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。
（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
光电检测技术与应用
光电检测技术与应⽤光电传感器是基于光电效应将光电信号转换为电信号的⼀种传感器光学系统的基本模型：光发射机->光学信道—>光接收机光学系统通常分为：主动式，被动式。
主动式：光发射机主要由光源和调制器构成。
被动式：光发射机为被检测物体的热辐射。
光学信道：主要由⼤⽓，空间，⽔下和光纤。
光接收机是⽤于收集⼊射的光信号并加以处理，恢复光载波的信息。
光接收机分为：功率（直接）检测器，外差接收机。
光电检测技术特点：1.⾼精度：是各种检测技术中精度最⾼的⼀种：激光测距法测地球与⽉亮的距离分辨率达1m2.⾼速度：光是各种物质中传播速度最快的。
3.远距离，程量：光是最便于远距离传播的介质4.⾮接触性：光照到被测物体上可以认为是没有测量⼒，因此⽆摩擦。
5.寿命长：光波是永不磨损的。
6.具有很强的信息处理和运算能⼒，可将复杂信息并⾏处理。
光电传感器：1.直射型.2.反射型.3.辐射型光电检测的基本⽅法有：1.直接作⽤法.2.差动测量法.3.补偿测量法4.脉冲测量法直接作⽤法：收被测物理控制的光通量，经光电转换后有检测机构直接得到所求被测物理量。
差动测量法：利⽤被测量与某⼀标准量相⽐较，所得差或数值⽐克反应被测量的⼤⼩。
光电检测技术的发展趋势：1.发展纳⽶，亚纳⽶⾼精度的光电测量新技术。
2.发展⼩型的，快速的微型光，机，电检测系统。
3.⾮接触，快速在线测量。
4.发展闭环控制的光电检测系统。
5.向微空间或⼤空间三维技术发展。
6.向⼈们⽆法触及的领域发展。
7.发展光电跟踪与光电扫描技术。
在物质受到辐射光的照射后，材料的电学性质发⽣了变化的现象称为光电效应光电效应分为：外光电效应和内光电效应光电导效应是⼀种内光电效应。
光电导效应也分为本征型和⾮本征型两类得稳定的光电流需要⼀定能的时间。
弛豫现象也叫惰性。
光⽣伏特效应速度更快。
光热效应：某些物质在受到光照射后，由于温度变化⽽造成材料性质发⽣变化的现象。
光电检测器对辐射条件的不同，分为：光⼦检测器件和热点检测器件热点检测器的特点：Array1.响应波长⽆选择性。
光电检测技术精品专业课件
三、在军事上的应用
美军研制的未来单兵作战武器
夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。
四、检测技术在国防领域的应用
美国国家导弹防御计划---NMD
1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统
监测系统: 探测和发现 敌人导弹的发射并追踪 导弹的飞行轨道；
16、业余生活要有意义，不要越轨。2021/7/232021/7/23Jul y 23, 2021
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。2021/7/232021/7/232021/7/232021/7/23
光电检测技术
光电传感器：
– 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 – 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。
硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。
本征和杂质半导体
本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而 导带中的量子态全部空着（半导体的共价键结构，能带、 电子、空穴对，载流子）。温度升高，导电能力增强， 电子、空穴对
光电检测技术 与应用
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
光电检测技术基础 光的基本性质 辐射与光度学量 半导体基础知识 光电效应
光电检测技术与应用 第6章 光外差检测系统2
2
eη 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 = Ps R L hν 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G = = P0 Ps
2
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
fs fL
转镜 输出
ν
可变光阑
反射镜
光电检测器
放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的 回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏 振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 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：
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： ____ 2 V C2 eη PC = = 2 Ps PL R L RL hν 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ϕ L −ϕ s )]
8
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ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC (t )=iC (t ) RL =αAs AL RL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
《光电检测技术与应用》郭培源
辐射度的基本物理量
辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。 单位：［W/m2］ 辐射出射度Ｍe ：扩展辐射源单位面积所辐射 的通量（也称辐射本领）。单位：［W/m2］ 辐射亮度Ｌe ：辐射表面定向发射的辐射强度。 单位：［W/m2．Sr］ 光谱辐射通量Φe（λ）：辐射通量的光谱密度， 即单位波长间隔内的辐射通量。
辐射亮度
辐射出射度 辐射照度
Ｌ
Ｍ Ｅ
＝dI / dA cos
瓦特／球面度 Wm-2 sr-1 平方米
瓦特／平方米 瓦特／平方米 Wm-2 Wm-2
M d / dA
E d / dA
光度量的最基本单位
发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射， 在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位： 坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制 中七个基本单位之一。 光通量Φv：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内 发出的光通量。单位：流明［lm］。 光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量 ，单 位：勒克斯［lx］，相当于 1平方米面积上接 受到1个流明的光通量。
光电变换
– 光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 – 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大 和处理）。
电路处理
– 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。
光电检测系统与人操作功能比较
被测物体 手控
感觉器官
人脑
被测物体 执行机构
光电传感
微机
光电传感部分相当于人身的感觉器官
二、检测技术在日常生活中的应用
家用电器： 数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器 遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD 办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生： 数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 电子血压计：血压检测 --- 压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器
第6章 光电检测技术应用举例PPT课件
CCD
Measuring arm
Multi-mode optical fiber Optical fiber casing
Watch window
Lens
Multi-mode optical splitter Power
RF singal
Measuring arm
精选PPT课件
28
3) 测量臂工作原理
特点：非接触测量，稳定可靠；通过连续扫描测量，得到内加厚全轮廓， 对钻杆位置要求不高，可以满足不同规格的钻杆测量要求。
精选PPT课件
25
CCD camera Pipe
Ring of light
1 2
Laser diode
L
精选PPT课件
26
Laser
Multi-mode optical fiber
激光器 光学镜组
摄像机
图像卡
计
算
驱动器
机
原理：由计算机控制激光器发出32束激光， 激光束经过反射镜反射到钻杆内壁上，并形成激光光斑， 通过镜组成像到工业摄像机中，通过图像处理和计算得出光板坐标
特点：结构光+视觉测量原理，非接触，稳定可靠，技术成熟 通过连续32条扫描母线测量，得到内加厚全轮廓， 对钻杆位置要求不高，可以满足不同规格的钻杆测量要求。
显示器
打印机
图像卡 数据采集卡 数据采集卡
工业 控制 计算机
控制卡 控制卡 控制卡
操作面板
网络接口
精选PPT课件
驱动电机 激光器 加热器
37
5) 软件系统
图像采集处理 电机控制及驱动
显示、打印
软件 系统
存储、通讯
光栅传感器采样 辅助环节
光外差探测系统课件
环境监测是光外差探测系统在环保领域的应用，主要用于气体浓度、温度、压力 等参数的测量。
光外差探测系统具有高灵敏度、高精度、实时性强的特点，对于环境监测和污染 治理具有重要的意义。
06
光外差探测系统发展趋势与展望
高性能探测器研究
1 2 3
高灵敏度 通过优化探测器结构、提高材料质量等方式，提 高探测器的光子吸收效率和响应速度，从而提高 探测器的灵敏度。
数据存储与备份
将采集到的数据存储在可靠的存储介质中，并定 期进行备份，以防数据丢失。
系统调试与优化
系统调试
在实验过程中对系统进行实时监 测和调试，确保系统工作正常并 达到预期的性能指标。
性能优化
根据实验结果和实际需求，对系 统的性能进行优化，如调整探测 器参数、改善信号质量等。
故障排查与维护
在系统出现故障时，及时排查故 障原因并进行修复，确保系统的 稳定性和可靠性。
实验设备布局
根据实验需求合理布置实 验设备，包括激光器、光 外差探测器、信号源等， 确保设备间的连接无误。
环境温湿度控制
保持实验环境的温湿度稳 定，以确保实验结果的准 确性和可靠性。
数据采集与处理
数据采集方式
采用高速数据采集卡或示波器等设备，对探测器 输出的信号进行采集。
数据处理算法
根据实验需求选择合适的数据处理算法，如滤波、 放大、解调等，以提取有用的信号信息。
光谱分析
用于光谱分析中，实现对气体、液体、固体 等物质的高精度光谱测量。
光通信
用于光通信系统中，实现高速、大容量、低 噪声的光信号接收。
激光雷达
用于激光雷达系统中，实现高精度、远距离 的激光测距和成像。
02
光外差探测系统组成
《光外差探测系统》课件
光源
提供光源，通常为激光器。
光纤
将光信号输送到探测器中。
探测器
用于检测光外差信号并将其转 化为电信号。
放大器
用于放大探测器输出的信号。
示波器
用于显示光外差信号的波形。
测试方法
1
测试流程
在实验室或其他需要测量电场的场合下，地面上设置好靶标板，根据所要测量的 物体，调整系统的各个参数。
2
实验步骤
将光信号输送到探测器中，探测器将光外差信号转化为电信号后通过放大器放大， 然后输入示波器显示。
3 光外差探测系统的应用领域
主要应用于生物医学、无线通信和光通信领域。
原理
光外差测量原理简介
光外差效应是指介质中电场的变化能够引起材 料的折射率发生变化。光外差探1 示波器测量电荷
示波器是光外差信号的最终接收器，可以显示光外差信号的波形。
系统组成
3
数据处理
根据波形特征可以了解光外差信号对物体表面电场变化的响应，从而推断测试目 标的电场分布。
应用案例
生物医学领域
用于研究生物体内电活动变 化和细胞膜的电生理活动。
无线通信领域
用于研究天线、微带线、衬 底等的电特性。
光通信领域
用于研究光纤、关键元器件 等的表面电场分布。
优缺点
优点
高灵敏度、高空间分辨率和高时间分辨率。
光外差探测系统
在这个演示中，我们将介绍光外差探测系统的应用和原理，以及其在生物医 学、无线通信和光通信领域的实际应用。
简介
1 什么是光外差探测系统
光外差探测系统是一种测量材料表面电场变化的高精度方法。
2 探测系统的发展历史
该技术最早由霍尔斯特于1964年提出，在光学、电子学和物理学领域得到广泛应用。
光电检测技术
光电检系统：是利用光电传感器实现各类检测。它
将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利 用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量
光电检测系统包括
– 光学变换 – 光电变换 – 电路处理
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。
半导体基础知识
导体、半导体和绝缘体 半导体的特性 半导体的能带结构 本征半导体与杂质半导体 平衡和非平衡载流子 载流子的输运过程 半导体的光吸收 PN结
导体、半导体和绝缘体
自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。
固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两 者之间的半导体。
非平衡载流子的产生
光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把 价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导 带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部 分空穴。
产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增 加。
自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间 的跃迁引起的。
) aE( dE
PN结
将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成 半导体半导体内有一物理界面，界面附 近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。 是二极管、三极管、集成电路和其它结 型光电器件最基本的结构单元。
PN 结反向偏置
变厚
－ 内电场被被加强，多 子的扩散受抑制。少 子漂移加强，但少子 数量有限，只能形成 较小的反向电流。
光电检测技术课后部分答案
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）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。
（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
光电检测技术与应用_郭培源_课后答案
光电检测技术与应用课后答案第1章1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理。
（1）光电检测技术在工业生产领域中的应用：在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…（2）光电检测技术在日常生活中的应用：家用电器——数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD医疗卫生——数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器办公商务——扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管（3）光电检测技术在军事上的应用：夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标光电检测技术应用实例简介点钞机（1）激光检测—激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
由于仿制困难，故用于辨伪很准确。
（2）红外穿透检测—红外信号的检测红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高，因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。
人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异，用红外信号对钞票进行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，利用这一原理，可以实现辨伪。
（3）荧光反应的检测—荧光信号的检测荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。
人民币采用专用纸张制造（含85％以上的优质棉花），假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420－460nm的蓝光），人民币则没有荧光反应。
所以，用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映，可判别钞票真假。
（4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用于根据钞票经过此红外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器的运行状态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。
第6章_光电系统设计PPT课件
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
光外差检测系统
滤光片
M
v
Q
BS
uv
PMT
ei
Q es
进入光阑由透镜会聚到光电倍增 管的光电阴极上的有两束频率相 近的光，发生干涉。
参考光模式
双缝 屏幕
S1
P
S1
S2
δ=0
P 中央亮纹
S2
由于从S1S2发出的光是振动情况完
全相同，又经过相同的路程到达P点，
其中一条光传来的是波峰，另一条
传来的也一定是波峰，其中一
条光传来的是波谷,另一条传来的也一定是波谷,在P点激起的
振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇,振幅A＝A1+A2为 最大,P点总是振动加强的地方,故应出现亮纹,这一条亮纹叫中 央亮纹.
19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性
波动说
光的干涉---预备知识复习
干涉现象是波动独有的特征，如果光真的 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．
思考1：如果我们先假设光是一种 波，那么按照我们所学的波动知 识，光要发生干涉现象需要满足 什么条件？
（频率相同）
光外差检测：可见光的频率很高（１０１４ Hz)，一般光电器件不能响应，也就无法直接 检测多普勒频移．因此，需要光外差的方法：
概念—声波多普勒效应
一辆汽车在我们身旁急 驰而过，车上喇叭的音调有 一个从高到低的突然变化； 站在铁路旁边听列车的汽笛 声也能够发现，列车迅速迎 面而来时音调较静止时为高， 而列车迅速离去时则音调较 静止时为低。此外，若声源 静止而观察者运动，或者声 源和观察者都运动，也会发 生收听频率和声源频率不一 致的现象。这种现象称为多 普勒效应。
讨论：明和暗为什么相间（依次出现）呢？
光电检测技术与应用 ppt课件
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
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光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
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例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
Hale Waihona Puke 空调机ppt课件返回12
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
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教材
《光电检测技术与应用》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》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
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目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
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检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
光电检测技术演示文档
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
功率信噪比为
SNR
G2
e h
❖3.2.1 光电外差检测的基本原理 ❖3.2.2 光电外差检测的基本特性 ❖3.2.3 光电外差检测的应用条件 ❖3.2.4 光电外差检测的应用举例
3.2.1 光电外差检测的基本原理
单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是 直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及 细分都比较困难。
si ni r
输出有效信号为 输出信噪比为
sono2rsini
so si no ni
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(2)光外差探测信噪比 与直接探测方法比较
SNRso no
si /ni2
12si /ni
si
/ni
对于输入信号为小信噪比的情况，外差检测方法具 有明显的优越性。
3.2.2 光电外差检测的基本特性
输出信号有效功率为
PIF
2G2
e2 h
PsPLRL
ห้องสมุดไป่ตู้
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
功率信噪比为
SNRP P In F2G2eh e PsP 2bG 2P Lh e I2dP s PL fR IFL RL4KTfIFRL
取本振信号强度充分大
2 G 2e h eP sP bP LId 4 K T fIF R L
光电检测技术
优选光电检测技术
3 光电检测技术
2
光电外差检测技术
3 光电检测技术
❖ 光接收机可分为：功率接收机和外差接收机
功率接收机（直接检测接收机或非相干接收机）
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3、外差检测信噪比 设存在背景光波fB(t)，其功率为PB。则探测器
的输出电流为：
输出信噪比为
I 2 P P P C S B L
2 P P I P A S L S S S I P A 2 P P n B B B L
4、最小可探测功率 内部增益为G的光外差探测器的输出有 效信号功率为: 2 e P G P C 2 SP LR L h
6.3 影响光外差检测灵敏度的因素
2v fS fL 1 c
频差为：
2 v c2 v 2 v f f f f 1 S L L c L c L 6 2 v 2 15 10 6 3 10 Hz 10 . 6 L
若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽 若为10 ，所对应的带宽 Δ f 2为 A
A
f2 f2 f1 c
c
2 1
4
c
c 2 1
2 1
2
2
10 .6 10
18 3 10
9 Hz 10 3 10 2
带宽之比为：
9 3 10 3 f2 f1 10 6 3 10
第六章 光外差探测系统
光外差检测原理
光外差检测特性
影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例
6.1 光外差探测原理
光波f（t）写成:
f t A cos t
平均光功率Pcp为:
1 A 2 2 P A cos td t cp 2 0 2
2
2
外差探测原理
P 2PL C G P P 0 S
e 2 P P 0 S R L h
2
2、光谱滤波性能
取差频信号宽度为信息处理器的通频带
f ( ) / 2 f f
L S L
S
外差检测系统相当于一个低通滤波器， 可以有效的抑制噪声。 例如，目标沿光束方向的运动速度v＝0～ 15m／s，对于10.6μm的CO2激光，经目标反 射后回波的多卜勒频率fS为
2
当本征功率PL足够大时 P SNR P S hf 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
当热噪声是主要噪声源时，量子噪声限 探测的条件为：
e R L P f 2 KT f L h
2
即
2KTh P L e2RL
NEP hvf
最小可探测功率
当η=1，Δf=1时
fS为信号光波，fL为本机振荡（本振）光波
外差探测的实验装置
信号光场为:
f t A cos t S S S S
f t A cos t L L L L
本机振荡光场为:
干涉光场为：
f t A cos t A cos t S S S L L L
2
A A cos t A A cos t S L L S S L S L L S L S
e /h ：光电变换比例常数； ：量子效率 ； h ：光子能量； C L S 称为差频
当差频低于光探测器的截止频率时，光探 测器就有频率为ω c/2π的光电流输出。 带通滤波器的瞬时中频电流为：
瞬时中频信号电压为： V A A R cos
i t A A cos t C S L L S L S
光导探测器G＝0～1000；对于光伏探测器 G＝1；对于光电倍增管G在106以上。
e P 2 M e P P P I fR 4 KT f n S B L d L h
2
噪声:
功率信噪比为:
e P R M P S L L h SNR P e 2 M e P P P I fR 2 KT f S B L d L h
光外差检测原理
光外差检测特性
影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例
6.2 光外差探Байду номын сангаас特性
1、转换增益
P 转换增益定义为： G C P0 光外差检测中频输出有效信号功率为
e P P C 2 SP LR L h
2
直接检测探测器输出的电功率为 所以有：
C S L L LS LS
中频输出有效信号功率：
V e 其中 P 2 R P C SP L L 2 R h L P L A L /2
2 C 2
P S A /2
2 S
当ω1= ω2时
i t A A cos C S L L S
称为零差探测。 检测时，检测的是差频信号，它包含了 信号的振幅和相位。当使用具有稳定频 率和相位差的光源（相干光源）时，即 可得到稳定的差频输出。
光探测器的光电流为：
i t f t f t f t p S L
2
2 i t f t f t f t p S L 2 2 2 2 2 A cos t A cos t S S S L L L
NEP hv单光子计数
5、光外差探测系统对探测器性能的要求
系统性能主要取决于探测器的性能。 1．响应频带宽 被测两动态范围宽，使得要求探测器的响应 范围也相当宽。 2．均匀性好 探测器的光电性能在整个光敏面上都能保持 一致。 3．工作温度高 实用性考虑。
光外差检测原理
光外差检测特性
影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例