光電檢測(cè)總結(jié)

光電檢測(cè)系統(tǒng)綜述第一章概論1.探測(cè)技術(shù)的概念和分類。定義：確定被測(cè)試對(duì)象的屬性和測(cè)量單位的所有操作測(cè)試技術(shù)分類根據(jù)工作原理：機(jī)械阻抗電光電輻射按操作：接觸，非接觸按工作物質(zhì)：電、非電光電檢測(cè)技術(shù)特性，光電檢測(cè)系統(tǒng)配置。特征：光電子檢測(cè)技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件為基準(zhǔn)，檢測(cè)包含被檢測(cè)物體信號(hào)的光輻射(發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等)。也就是說，光輻射通過光電檢測(cè)裝置接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。從輸入電路、放大濾波器等檢測(cè)電路中提取有用的信息，通過A/D轉(zhuǎn)換接口顯示或打印微機(jī)運(yùn)算、處理、輸出所需的檢測(cè)對(duì)象的幾何量或物理量。系統(tǒng)配置：改變電路光電傳感器光源光學(xué)系統(tǒng)被殺對(duì)象光學(xué)轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理保存現(xiàn)時(shí)控制劑光學(xué)轉(zhuǎn)換電路處理第二章基本知識(shí)電磁波譜光譜光學(xué)效率函數(shù)設(shè)備的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性工作溫度1、響應(yīng)特性1.響應(yīng)度(或靈敏度):對(duì)光電探測(cè)器輸出信號(hào)和輸入光功率之間關(guān)系的測(cè)量。描述了光電探測(cè)器部件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度隨著入射光的波長(zhǎng)而變化響應(yīng)度電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率電壓響應(yīng)率：光電探測(cè)器輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率：光電探測(cè)器輸出電流與入射光功率之比2.光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射單色光力的比率3.積分反應(yīng)度：探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光的連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度。4.響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是描述光探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)速度的參數(shù)。上升時(shí)間：入射光照射在光電探測(cè)器上時(shí)，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。下降時(shí)間：解除入射光阻擋后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。5.頻率響應(yīng)：光探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率變化的特性稱為頻率響應(yīng)2、噪音特性在一定波長(zhǎng)的光下，光探測(cè)器輸出的電信號(hào)不是直線，而是在平均值上上下隨機(jī)波動(dòng)，這實(shí)際上是物理量圍繞該平均值波動(dòng)的現(xiàn)象使用平均平方噪波表示噪波值的大小噪音的分類和特性外部干擾噪聲：人工干擾噪聲和自然干擾噪聲。人工干擾：電子設(shè)備的干擾噪音。人的步態(tài)對(duì)干涉儀光線路徑的影響，如日光燈下焦距測(cè)量?jī)x。自然干擾：閃電、太陽等。太陽下的光電導(dǎo)盲內(nèi)部噪音：人工噪音和獨(dú)特噪音兩種類型。使用者噪音：電源頻率AC (50Hz)，測(cè)試設(shè)備中冷卻風(fēng)扇造成的光纖路徑變更。獨(dú)特噪聲：粒子噪聲、熱噪聲、生成-復(fù)合噪聲、1/f噪聲、溫度噪聲光探測(cè)器的一般噪聲熱噪音：由托架不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的噪音。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，熱噪聲也稱為白噪聲。塊狀噪聲：進(jìn)入光電探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電離開光電表面是隨機(jī)的，在PN連接處通過連接區(qū)域的載波數(shù)也是隨機(jī)的。粒子噪音也是白色噪音，與頻率無關(guān)。體噪聲是光探測(cè)器的固有特性，根據(jù)對(duì)大多數(shù)光探測(cè)器的研究，體噪聲占主導(dǎo)地位。生成-復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體照明，載流量繼續(xù)生成-復(fù)合。載流量生成和復(fù)合平均在平衡狀態(tài)時(shí)是恒定的。但是，在某一時(shí)刻，載流量的產(chǎn)生和復(fù)合的數(shù)量會(huì)波動(dòng)。載流子濃度的波動(dòng)引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的波動(dòng)。1/f噪波：或閃爍噪波或低頻噪波。噪聲的功率近似與頻率成反比。在大多數(shù)設(shè)備上，1/f噪聲已衰減，可以在200-300hz或更高頻率下忽略。典型代表：電流振幅漂移溫度噪聲：由于熱探測(cè)器和背景之間的能量交換而引起的探測(cè)器本身的溫度波動(dòng)，稱為溫度噪聲。第三章光電設(shè)備電荷耦合器件(CCD)原理和工作過程CCD是電荷耦合設(shè)備(Charge Coupled Device)CCD的突出特點(diǎn)：與大多數(shù)其他設(shè)備使用電流或電壓不同，使用電荷作為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的創(chuàng)建、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCD的結(jié)構(gòu)MOS感光元件：構(gòu)成CCD的基本單位是金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)。電荷存儲(chǔ)在閘門添加正偏位之前，p型半導(dǎo)體的孔(多子)分布均勻。添加正偏移會(huì)導(dǎo)致氣穴被拒絕，從而產(chǎn)生耗盡區(qū)域，增加偏移，從而使耗盡區(qū)域向內(nèi)擴(kuò)展。在Ug ut h中，半導(dǎo)體和絕緣體接口的電勢(shì)很高，將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(小數(shù))吸引到表面，形成非常薄但電荷濃度高的半形層。反射層電荷的存在表明了莫爾斯結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。電荷轉(zhuǎn)移(耦合)第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極的電壓從2V變?yōu)?0V，兩個(gè)電極連接得很緊(間距只有幾微米)，因此每個(gè)相應(yīng)的電位井合在一起。原來第一個(gè)電極下的電荷是這兩個(gè)電極下的勢(shì)阱共同使用的。此后，如果第一個(gè)電極電壓從10V更改為2V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則公用電荷將傳遞到第二個(gè)電極下的勢(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱和電荷包向右移動(dòng)一個(gè)位置。CCD電極間隙必須小，以便電荷不受干擾地從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。大多數(shù)CCD，1m的間隔長(zhǎng)度也足夠了。CCD的工作原理Ccd主要是信號(hào)輸入，電荷轉(zhuǎn)移，信號(hào)輸出。輸入部分：用CCD引入信號(hào)電荷被稱為電荷注入的第一個(gè)過渡柵下的勢(shì)阱。電荷注入方法主要有兩種電注入：用于過濾、延遲線和內(nèi)存等。通過輸入二極管將電壓應(yīng)用到輸入門。注入燈光：用于攝影機(jī)。使用光敏元件代替輸入二極管。CCD硅片在光照下在靠近柵極的半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子-孔對(duì)，其中大多數(shù)由柵極電壓分隔，少數(shù)載流子從勢(shì)阱中收集以形成信號(hào)電荷。轉(zhuǎn)換為一定的周期，將超過閾值的電壓應(yīng)用于CCD門，在半導(dǎo)體表面形成不同深度的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，深度與信號(hào)電壓變化同步，使陷阱內(nèi)的信號(hào)電荷沿著半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后使輸出二極管發(fā)送視頻信號(hào)。為了傳遞電荷的方向性，在CCD的MOS陣列中，將幾個(gè)相鄰的MOS電荷分成一個(gè)單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。CCD包含的MOS數(shù)是CCD上的照片數(shù)。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為n型通道CCD，簡(jiǎn)稱為n型CCD。孔帶信號(hào)電荷的CCD稱為p通道CCD，簡(jiǎn)稱為p型CCD。n型CCD的工作頻率比p型CCD高得多，因?yàn)殡娮拥囊苿?dòng)率比孔移動(dòng)率高得多。CCD的功能體積小，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)。空間分辨率高，位置精度高，測(cè)量精度高。高光電靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、強(qiáng)紅外靈敏度、高信噪比。高速掃描，基本上不保留重影(電子束相機(jī)15%到20%的重影)房性高可用于非接觸式精密尺寸測(cè)量系統(tǒng)。沒有圖像燒傷、失真、電磁干擾。有數(shù)字掃描能力。元件的位置可以由數(shù)字代碼確定，以便于與計(jì)算機(jī)連接。第4章-檢測(cè)電路半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)大頭針流行音樂電力控制系統(tǒng)LD恒流源溫度調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光電源穩(wěn)定性主動(dòng)法被動(dòng)法波長(zhǎng)鎖定方法接腳接收器驅(qū)動(dòng)電路電流發(fā)射大電壓發(fā)射大En，In噪聲模型(匹配電阻、噪聲系數(shù)、放大器噪聲、En和In測(cè)量方法)噪波系數(shù)和噪波匹配在這里，EnA始終存在，因此F1為NF=10log F(dB)。也就是說，En，In的值越小，f越接近1。F=1，理想的“無噪聲放大器”。同樣，如果存在，則可以實(shí)現(xiàn)F=1的目標(biāo)。第五章弱光信號(hào)檢測(cè)鎖相放大器(LIA)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程和特性頻率選擇固定拓?fù)浠芈芬葡嗥鬏斎胄盘?hào)交流參考信號(hào)交流信號(hào)通道相位檢測(cè)放在前面混合倍增(相位探測(cè)器PSD)低通濾波器LPF鎖相放大器的配置參考通道LIA的基本工作原理通過調(diào)制或切削從0頻率范圍到設(shè)定的高頻范圍傳輸經(jīng)測(cè)試的信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。調(diào)制頻率下有用信號(hào)的頻率選擇放大；在相位檢測(cè)檢查中解調(diào)信號(hào)。同步解調(diào)功能阻止異步噪聲信號(hào)，從而將輸出信號(hào)的帶寬限制在非常窄的范圍內(nèi)。通過低通濾波器檢測(cè)信號(hào)的低通濾波器。鎖相放大器(Lock-in Amplifier，LIA)交流信號(hào)的相位檢測(cè)放大器。以與正在測(cè)量的信號(hào)具有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，僅響應(yīng)與正在測(cè)量的信號(hào)本身和參考信號(hào)具有相同頻率(或倍頻)的相同相位噪聲分類。因此，可以大大抑制無用的噪聲，提高信噪比。檢測(cè)靈敏度高，信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單。LIA的配置信號(hào)通道：交流放大、調(diào)制、帶通濾波器參考通道：觸發(fā)，相移，驅(qū)動(dòng)方法相位檢測(cè)：模擬乘數(shù)，電子開關(guān)低通濾波器：RC過濾器。LIA的特點(diǎn)需要適合幅度調(diào)制光源信號(hào)檢測(cè)的入射光束切割或光源調(diào)制。極窄波段高增益放大器，1011增益，0.0004Hz的帶寬；Ac-dc信號(hào)轉(zhuǎn)換器；可以校正光檢測(cè)中的背景輻射噪聲和前置放大器中的固有噪聲。提高信噪比1000倍?？朔貥闫普皇噶挎i相放大器克服頻率漂移外差鎖相放大器取樣積分器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程A1A2門脈沖門延遲了成型機(jī)掃描生成器輸入放大器取樣開關(guān)積分器輸出放大器輸出信號(hào)輸入?yún)⒖脊潭ㄓ|發(fā)器輸入信號(hào)執(zhí)行步驟使用用于光脈沖檢測(cè)的激勵(lì)源獲取和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號(hào)。利用門延遲和門脈寬控制裝置，形成與觸發(fā)脈沖具有一定延遲或延遲和時(shí)間-線性關(guān)系的可調(diào)脈寬采樣脈沖串。采樣脈沖控制采樣開關(guān)對(duì)連續(xù)周期性變化信號(hào)進(jìn)行掃描采樣。積分器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行多次線性累積過濾，然后得到輸出信號(hào)。采樣平均的基本原理：首先，使用與信號(hào)重復(fù)頻率相同的參考信號(hào)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后根據(jù)信號(hào)相關(guān)原理多次重復(fù)提取信號(hào)，獲得噪聲的統(tǒng)計(jì)接近平均0的“干凈”信號(hào)。相應(yīng)的信噪比已得到改善，如下所示可以看出樣品積分器的信號(hào)對(duì)增強(qiáng)與積分?jǐn)?shù)m成正比。基線偏移和克服由于長(zhǎng)采樣、掃描期間電容泄漏、放大器零增益變化、溫度漂移、時(shí)間漂移、激勵(lì)源波動(dòng)等原因，測(cè)試目標(biāo)信號(hào)可以生成基線漂移。第六章光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)和二次調(diào)制:使用光源發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度傳遞信息，無論是一致光源還是非一致光源。光探測(cè)器將接收的亮度的變化直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，然后檢測(cè)發(fā)送到解調(diào)電路的信息。二次調(diào)制(副載波調(diào)制)X(t) s(t)一次調(diào)制二次調(diào)制主要調(diào)制方式x(t)=a cos(Wnt 1099)振幅調(diào)制(AM)頻率調(diào)制(FM)相位調(diào)制(PM)脈沖編碼調(diào)制(PCM)波長(zhǎng)調(diào)制、偏振調(diào)制等振幅調(diào)制、量子頻帶調(diào)制、單邊帶調(diào)制AM調(diào)制的基本原理和特性SAM(t)=A0 f(t)c(t)其中初始信號(hào)f(t)=am mos(wmt 109m)調(diào)制信號(hào)c(t)=cos(Wnt 1099)A0是初始振幅所以得到，得到，Sam(t)=a0cos(Wnt 1090)0.5 amos(wmw 0)t 109m 10900.5 amos(WM-w0)t 109m-1099 m= 1099=0時(shí)，向上簡(jiǎn)化為Sam(t)