第六章光电检测原理与系统
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1.0 相 0.8 对 幅 0.6 度 0.4 0.2
f = 0.25
f = 1 f = 0.5
f = 4
0
0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 相对脉冲持续时间 带宽对矩形脉冲波形的影响
最佳带宽
• 由于输出噪声功率随带宽线性增加，因而有一个最佳带 宽，脉冲峰值功率和噪声功率之比为最大。对于矩形脉 冲，当f=0.5时出现最大值；对于其他各种形状的脉冲 来说，获得信噪比最佳的带宽都在f=0.25~0.75的范围 内; • 当要求保持脉冲的形状时，带宽要求应该更宽些。对于 矩形脉冲，取f=4时，才能准确保持脉冲形状。而在 f >0.5以后输出的峰值幅度已经基本不变。所以从信噪 比的要求出发，f不必超过0.5。
K 2 2 I hs as a0 2as a0 cos[( s 0 )t (s 0 )] 2
式
s L
是光频差；
f f s f L 是相位差。
• 当两束光频率相同时，Δω=0，
I A( x, y){ 1 ( x, y) cos( ( x, y)}
式中PS为输入信号光功率。
• 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与发射 和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有关。
相干探测的基本原理
• fS 为信号光波，fL为本机
振荡光波，这两束相干光 入射到探测器表面进行混 频，形成相干光场。 • 经探测器变换后，输出信
号中包含 f s f L 的差频
放大器的噪声类型
1.热噪声 2.散粒噪声
I nT
4kTRf R
1/ 2
I nsh (2qIDC f )
4qI ( / e )f In 1 4 2 f 2 2
2
1/ 2
3.产生-复合噪声
4. 1/f噪声(电流噪声) 5.温度噪声
2 I dm 4k 2 Ps Po RL 4Po G 2 2 2 I ds k Ps RL Ps
• P 信号光功率 o 本振光功率， P s • 差频信号由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光 混频得到。
• 良好的滤波性能
取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的 杂散光，而在直接探测中，所有的杂散光都将被接收。
称为单频光干涉。
• 当Δω不等于0时，干涉条纹将以Δω的角频率随时
间波动，形成光学拍频，这时称为外差干涉。
光外差检测的特性
• 可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还 可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电 流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。 • 转换效率高：转换增益可高达107-10８，对微弱信号的探测 有利。外差检测与直接检测相比：
• 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
选用第一级放大器件的准则
检测电路的带宽
• 电子系统的带宽f在低噪声前置放大及耦合电路 的设计中是一个重要的参数，它与系统的性能有 密切的关系; • 探测系统所接收的信号光功率占有的频谱范围都 是有限的，而噪声频谱的范围可认为是无限的; • 所以，在保证信号有效带宽的前提下，限制电子 系统的通频带可有效地抑制噪声。
放大器设计中的其它考虑：
（1）按最小噪声系数原则设计前置放大器时，为减少后面 各放大级噪声对总噪声的影响，其电压放入倍数AV1不应小于10 倍，从而使噪声系数FF1。当然过高的前置放大器放大倍数没 有必要，且不易实现； （2）采用多级级联放大器时，总放大倍数AV可分配到各级 中，AV AV 1 AV 2 AVn ； （3）级间加入不同型式的负反馈电路，可以起到提高电路 的稳定性，调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用； （4）大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范 围，在电路设计中应予考虑； （5）完成电路设计前应验证设计是否满足噪声系数、电压 放大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围 等要求。如不满足则应反复修正。
探测器与偏置电路的等效
前置放大器设计的大致步骤
（1）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻RS；
（2）从噪声匹配原则 出发，选择前置放大器第 一级的管型，选择原则如 图所示。 （3）在管型选定后，第 一、二级应采用噪声尽可 能低的器件，按照最佳源 电阻的原则来确定管子的 工作点，并进行工作频率， 带宽等参量的计算及选 择。
• 变换的目的：
① 将待测信息载荷到光载波上进而形成光电信号；
② 改善系统的时间或空间分辨力和动态品质，提高传输效率和 检测精度； ③ 改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性。
光电信号的变换方法
变换方法 光学原理 透射、反射、折射、散 应用 光开关、光学编码、光扫描 、瞄准定位、光准直、外观
几何光学法
光电检测技术
Ch6 光电检测原理与系统
吕勇 lvyong@aliyun.com
•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 •光电探测有关电路 •数据处理与误差分析
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。
射、遮光光学成像等非
相干光学现象 干涉、衍射、散斑、全
质量检测、测长测角、测距
等。 莫尔条纹、干涉计量、全息
物理光学法
息、波长变换、光学拍
频、偏振等相干光学现 象。 电光效应，声光效应、
计量、散斑计量、外差干涉
、外差通讯、光谱分析、多 普勒测速等。 光调制、光偏转、光开关、 光通信、光记录、光存储、 光显示等
I dS K Ps [1 d (t )]
• 式中第一项为直流电平，第二项为有用信号，即光载波的包络 线。
系统的基本特性
• 系统噪声：
2 IN 2Sqf ( Ps Pb ) 2qI d f 4k Tf / R
• 信噪比：表征检测系统的灵敏度
2 I ds S 2 PS2 SNRd 2 I N 2Sqf ( Ps Pb ) 2qId f 4kTf / R
信号，故又称相干探测。
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t As cos st f s
• 本机振荡光场为：
EL t AL cos Lt f L
• 入射到探测器上的总光场为：
E t As cos st fs AL cos Lt f L
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。
被动系统
• 光信号来自被测物体的自发辐射
相干检测与wenku.baidu.com相干检测
• 光载波所携带的被测光信息有多种，若光信息为光 强，即被测量携带于光载波的强度之中，不论光源 是相干光源还是非相干光源，光电器件都只直接接 收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息为 直接检测（非相干检测）； • 若光信息载荷于相干光源的光载波的振幅、频率或 者相位变化之中，称为相干检测。
1/ 2
4kT f Tn G (1 2 2 ) Q
1/ 2
低噪声放大器实验电路
集成运算放大器
29
前置放大器的实例
图所示为光电导探测器电路中的前置放大器电路图。它具 有良好的线性度，电路是由A 702A和A716两个集成器件构成。
光电子学法
磁光效应、空间光调制 、光纤传光与传感等
光电信号的变换方法与应用
• 几何光学变换法是利用几何光学意义上的光传播的直线性、
通光、遮光、反射、折射、成像等光学方法进行变换，在光 开关、光扫描、光学编码以及光电瞄准、测距、几何尺寸及
外观品质检验等技术中应用十分广泛；
• 物理光学变换法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光谱 等光学方法进行干涉计量、光谱分析、散斑全息测量等； • 光电子学法是利用光控器件及光导纤维光学等方法实现光调 制、光记录、光存储、光传输等。
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；
两束光合光时，光电探测器（平方律特性）输出电流
2 I hs E K U s (t ) U 0 (t ) K{U s2 (t ) U 0 (t ) 2U s (t )U s (t )} 2 2
K 2 2 2 {as a0 as2 cos(2s t 2s ) a0 cos(20t 20 ) 2 2a0 as cos[(s 0 )t (s 0 )] 2a0 as cos[(s 0 )t (s 0 )]}
非相干检测
如果光源是非相干光，但用光调制的方法使被 测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然 后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中 检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，把直 接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相 干光调制频率、振幅或相位的方法统称为非相干检 测。
直接检测系统的工作原理
光电系统的类型
• 主动和被动光电系统 (携带信息的光源）
• 可见、红外、紫外光电系统（光谱范围）
• 点探测系统和面探测系统 (接收系统) • 模拟和数字系统 (调制方式和信号处理电路的类型) • 直接探测系统和相干探测系统(光波对信息的携带方 式 )
光电系统的指标
• • • • • • • 信号的输出信噪比SNRp 模拟系统——线性度 数字系统——误码率 作用距离 视场 信号传输率，响应速度，带宽 分辨率
放大器设计中频率及带宽的确定
（1）根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典 型噪声谱，确定工作(调制)频率。典型探测器的噪声谱如图所示。
典型探测器的噪声谱
（2）光电检测系统中按照白噪声的特点，工作频率选定后， 应尽可能减小电路的频带宽度。
（3）当信号频率在一定范围内变化，不能选用固定频率的 窄带滤波方式工作时，除确定必要的窄带外，可采用设计选通 积分器的方法来抑制噪声。 （4）在某些系统如脉冲系统中，为保持信号的波形，必须 采用频带宽度较宽的处理电路。下图说明了所需保持波形和电 路3dB带宽f之间的关系。
• 信噪比损失小； • 检测灵敏度高 NEP hf
例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极 限为１个光子。
系统对探测器性能的要求
• 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 – 响应频带宽 – 均匀性好 – 工作温度高
光电检测有关电路（p120）----前置放大器
通常在选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号 和噪声的大小。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏 置电路的输出信号,如图所示。同时用源电阻的热噪声来等效探 2 测器和偏置电路的总噪声 Ens 4kTn Rs f，用最小噪声系数原则设 计前置放大器。
1 2 as 2
光电器件的输出功率
• 若光电器件的负载电阻为RL ，则它的输出功率为：
q 2 2 PL I RL ( ) PS RL h
2 ds
该式表明光电检测器件输出的功率正比于入射光功率的平方。 • 若入射光信号为强度调制光，调制信号为d(t)，那么光电检测 器件输出的光电流为：
f = 0.25
f = 1 f = 0.5
f = 4
0
0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 相对脉冲持续时间 带宽对矩形脉冲波形的影响
最佳带宽
• 由于输出噪声功率随带宽线性增加，因而有一个最佳带 宽，脉冲峰值功率和噪声功率之比为最大。对于矩形脉 冲，当f=0.5时出现最大值；对于其他各种形状的脉冲 来说，获得信噪比最佳的带宽都在f=0.25~0.75的范围 内; • 当要求保持脉冲的形状时，带宽要求应该更宽些。对于 矩形脉冲，取f=4时，才能准确保持脉冲形状。而在 f >0.5以后输出的峰值幅度已经基本不变。所以从信噪 比的要求出发，f不必超过0.5。
K 2 2 I hs as a0 2as a0 cos[( s 0 )t (s 0 )] 2
式
s L
是光频差；
f f s f L 是相位差。
• 当两束光频率相同时，Δω=0，
I A( x, y){ 1 ( x, y) cos( ( x, y)}
式中PS为输入信号光功率。
• 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与发射 和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有关。
相干探测的基本原理
• fS 为信号光波，fL为本机
振荡光波，这两束相干光 入射到探测器表面进行混 频，形成相干光场。 • 经探测器变换后，输出信
号中包含 f s f L 的差频
放大器的噪声类型
1.热噪声 2.散粒噪声
I nT
4kTRf R
1/ 2
I nsh (2qIDC f )
4qI ( / e )f In 1 4 2 f 2 2
2
1/ 2
3.产生-复合噪声
4. 1/f噪声(电流噪声) 5.温度噪声
2 I dm 4k 2 Ps Po RL 4Po G 2 2 2 I ds k Ps RL Ps
• P 信号光功率 o 本振光功率， P s • 差频信号由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光 混频得到。
• 良好的滤波性能
取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的 杂散光，而在直接探测中，所有的杂散光都将被接收。
称为单频光干涉。
• 当Δω不等于0时，干涉条纹将以Δω的角频率随时
间波动，形成光学拍频，这时称为外差干涉。
光外差检测的特性
• 可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还 可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电 流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。 • 转换效率高：转换增益可高达107-10８，对微弱信号的探测 有利。外差检测与直接检测相比：
• 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
选用第一级放大器件的准则
检测电路的带宽
• 电子系统的带宽f在低噪声前置放大及耦合电路 的设计中是一个重要的参数，它与系统的性能有 密切的关系; • 探测系统所接收的信号光功率占有的频谱范围都 是有限的，而噪声频谱的范围可认为是无限的; • 所以，在保证信号有效带宽的前提下，限制电子 系统的通频带可有效地抑制噪声。
放大器设计中的其它考虑：
（1）按最小噪声系数原则设计前置放大器时，为减少后面 各放大级噪声对总噪声的影响，其电压放入倍数AV1不应小于10 倍，从而使噪声系数FF1。当然过高的前置放大器放大倍数没 有必要，且不易实现； （2）采用多级级联放大器时，总放大倍数AV可分配到各级 中，AV AV 1 AV 2 AVn ； （3）级间加入不同型式的负反馈电路，可以起到提高电路 的稳定性，调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用； （4）大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范 围，在电路设计中应予考虑； （5）完成电路设计前应验证设计是否满足噪声系数、电压 放大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围 等要求。如不满足则应反复修正。
探测器与偏置电路的等效
前置放大器设计的大致步骤
（1）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻RS；
（2）从噪声匹配原则 出发，选择前置放大器第 一级的管型，选择原则如 图所示。 （3）在管型选定后，第 一、二级应采用噪声尽可 能低的器件，按照最佳源 电阻的原则来确定管子的 工作点，并进行工作频率， 带宽等参量的计算及选 择。
• 变换的目的：
① 将待测信息载荷到光载波上进而形成光电信号；
② 改善系统的时间或空间分辨力和动态品质，提高传输效率和 检测精度； ③ 改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性。
光电信号的变换方法
变换方法 光学原理 透射、反射、折射、散 应用 光开关、光学编码、光扫描 、瞄准定位、光准直、外观
几何光学法
光电检测技术
Ch6 光电检测原理与系统
吕勇 lvyong@aliyun.com
•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 •光电探测有关电路 •数据处理与误差分析
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。
射、遮光光学成像等非
相干光学现象 干涉、衍射、散斑、全
质量检测、测长测角、测距
等。 莫尔条纹、干涉计量、全息
物理光学法
息、波长变换、光学拍
频、偏振等相干光学现 象。 电光效应，声光效应、
计量、散斑计量、外差干涉
、外差通讯、光谱分析、多 普勒测速等。 光调制、光偏转、光开关、 光通信、光记录、光存储、 光显示等
I dS K Ps [1 d (t )]
• 式中第一项为直流电平，第二项为有用信号，即光载波的包络 线。
系统的基本特性
• 系统噪声：
2 IN 2Sqf ( Ps Pb ) 2qI d f 4k Tf / R
• 信噪比：表征检测系统的灵敏度
2 I ds S 2 PS2 SNRd 2 I N 2Sqf ( Ps Pb ) 2qId f 4kTf / R
信号，故又称相干探测。
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t As cos st f s
• 本机振荡光场为：
EL t AL cos Lt f L
• 入射到探测器上的总光场为：
E t As cos st fs AL cos Lt f L
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。
被动系统
• 光信号来自被测物体的自发辐射
相干检测与wenku.baidu.com相干检测
• 光载波所携带的被测光信息有多种，若光信息为光 强，即被测量携带于光载波的强度之中，不论光源 是相干光源还是非相干光源，光电器件都只直接接 收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息为 直接检测（非相干检测）； • 若光信息载荷于相干光源的光载波的振幅、频率或 者相位变化之中，称为相干检测。
1/ 2
4kT f Tn G (1 2 2 ) Q
1/ 2
低噪声放大器实验电路
集成运算放大器
29
前置放大器的实例
图所示为光电导探测器电路中的前置放大器电路图。它具 有良好的线性度，电路是由A 702A和A716两个集成器件构成。
光电子学法
磁光效应、空间光调制 、光纤传光与传感等
光电信号的变换方法与应用
• 几何光学变换法是利用几何光学意义上的光传播的直线性、
通光、遮光、反射、折射、成像等光学方法进行变换，在光 开关、光扫描、光学编码以及光电瞄准、测距、几何尺寸及
外观品质检验等技术中应用十分广泛；
• 物理光学变换法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光谱 等光学方法进行干涉计量、光谱分析、散斑全息测量等； • 光电子学法是利用光控器件及光导纤维光学等方法实现光调 制、光记录、光存储、光传输等。
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；
两束光合光时，光电探测器（平方律特性）输出电流
2 I hs E K U s (t ) U 0 (t ) K{U s2 (t ) U 0 (t ) 2U s (t )U s (t )} 2 2
K 2 2 2 {as a0 as2 cos(2s t 2s ) a0 cos(20t 20 ) 2 2a0 as cos[(s 0 )t (s 0 )] 2a0 as cos[(s 0 )t (s 0 )]}
非相干检测
如果光源是非相干光，但用光调制的方法使被 测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然 后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中 检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，把直 接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相 干光调制频率、振幅或相位的方法统称为非相干检 测。
直接检测系统的工作原理
光电系统的类型
• 主动和被动光电系统 (携带信息的光源）
• 可见、红外、紫外光电系统（光谱范围）
• 点探测系统和面探测系统 (接收系统) • 模拟和数字系统 (调制方式和信号处理电路的类型) • 直接探测系统和相干探测系统(光波对信息的携带方 式 )
光电系统的指标
• • • • • • • 信号的输出信噪比SNRp 模拟系统——线性度 数字系统——误码率 作用距离 视场 信号传输率，响应速度，带宽 分辨率
放大器设计中频率及带宽的确定
（1）根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典 型噪声谱，确定工作(调制)频率。典型探测器的噪声谱如图所示。
典型探测器的噪声谱
（2）光电检测系统中按照白噪声的特点，工作频率选定后， 应尽可能减小电路的频带宽度。
（3）当信号频率在一定范围内变化，不能选用固定频率的 窄带滤波方式工作时，除确定必要的窄带外，可采用设计选通 积分器的方法来抑制噪声。 （4）在某些系统如脉冲系统中，为保持信号的波形，必须 采用频带宽度较宽的处理电路。下图说明了所需保持波形和电 路3dB带宽f之间的关系。
• 信噪比损失小； • 检测灵敏度高 NEP hf
例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极 限为１个光子。
系统对探测器性能的要求
• 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 – 响应频带宽 – 均匀性好 – 工作温度高
光电检测有关电路（p120）----前置放大器
通常在选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号 和噪声的大小。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏 置电路的输出信号,如图所示。同时用源电阻的热噪声来等效探 2 测器和偏置电路的总噪声 Ens 4kTn Rs f，用最小噪声系数原则设 计前置放大器。
1 2 as 2
光电器件的输出功率
• 若光电器件的负载电阻为RL ，则它的输出功率为：
q 2 2 PL I RL ( ) PS RL h
2 ds
该式表明光电检测器件输出的功率正比于入射光功率的平方。 • 若入射光信号为强度调制光，调制信号为d(t)，那么光电检测 器件输出的光电流为：