光電檢測(cè)技術(shù)第五章2015

1、CID智能相機(jī)1. CID電荷注入器件的原理P-Si氧化物氧化物(SiO2)金屬電極金屬電極E+耗盡區(qū)耗盡區(qū)反型層反型層N型溝道型溝道CID-電荷注入器件（Charge-Injected Device）CID陣列里每個(gè)單元有兩個(gè)耦合在一起的MOS電容，光生信號(hào)電荷可以在這兩個(gè)電容里依據(jù)X，Y驅(qū)動(dòng)電壓的高低相互轉(zhuǎn)移中間溝道耦合的單層多晶硅電極結(jié)構(gòu)雙層多晶硅的電極結(jié)構(gòu)2. CID電荷注入器件的結(jié)構(gòu)3. CID電荷注入器件的信號(hào)讀取方法微分方式積分方式平行注入方式襯底接電阻襯底接電容信號(hào)電荷的檢測(cè)和注入分離4.CID與CCD的主要區(qū)別CCD：信號(hào)電荷必須經(jīng)過轉(zhuǎn)移，才能讀出，信號(hào)一經(jīng)讀取即刻被復(fù)位消失

2、CID：信號(hào)電荷無需轉(zhuǎn)移，而是直接注入體內(nèi)通過形成電流來讀出的。每個(gè)像元中積累的光生電荷可以多次反復(fù)讀出，增加讀出次數(shù)可提高采集數(shù)據(jù)的信噪比。非破壞性讀?。∟on-Destructive Read Out）CID可尋址到任意一個(gè)或一組象素5. CID器件的特點(diǎn) 通過懸置電荷注射，使用者可以初始化多幀積分（延時(shí)曝光）同時(shí)能夠在找到最佳曝光時(shí)再來觀看圖像。 CID相機(jī)更能容忍強(qiáng)光，抗“溢出”和“拖尾”能力比CCD相機(jī)好 CID器件可提供寬的光譜響應(yīng) 由于 CID 中的每個(gè)像素都可以單獨(dú)尋址，因此可以彈性地讀數(shù)和選擇處理 循序掃描和快速掃描，在不需要全幀分辨但是需要更快捕捉圖像中的某些目標(biāo)時(shí)，“幀復(fù)

3、位”使照相機(jī)使用者可以降低垂直幀尺寸而取得更高的幀速率 任意存取 CID 陣列（RACID）提供在最大的掃描速率下以任意順序選擇性的讀數(shù)來尋址規(guī)定的像素。CCD image CID image 典型典型CCD測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成光源光源圖像卡圖像卡場(chǎng)景場(chǎng)景攝像機(jī)攝像機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)思考題思考題 設(shè)計(jì)一個(gè)精密圖像測(cè)量設(shè)計(jì)一個(gè)精密圖像測(cè)量系統(tǒng)，要求分辨力：系統(tǒng)，要求分辨力：3 3微米，視場(chǎng)范圍微米，視場(chǎng)范圍3mm3mm 3mm3mm，請(qǐng)選用合適的，請(qǐng)選用合適的CCDCCD和鏡頭和鏡頭第八節(jié)第八節(jié) 光調(diào)制器件光調(diào)制器件光調(diào)制器件 -是指利用各種物理效應(yīng)能夠?qū)獾恼穹?、頻率、相位、偏振狀態(tài)和傳播

4、方向等參量進(jìn)行調(diào)制的器件，又稱光控器件物理效應(yīng)電光效應(yīng)聲光效應(yīng)磁光效應(yīng)一、電光器件一、電光器件指利用某些物質(zhì)的電光效應(yīng)電光效應(yīng)所制成的電光器件受外電場(chǎng)作用時(shí)受外電場(chǎng)作用時(shí)折射率將隨外加電場(chǎng)變化,介電系數(shù)與折射率都與方向有關(guān)，光學(xué)性質(zhì)各向異性電光介質(zhì)的特點(diǎn)不受外電場(chǎng)作用時(shí)不受外電場(chǎng)作用時(shí)介電系數(shù)和折射率都是標(biāo)量，與方向無關(guān)，光學(xué)性質(zhì)各向同性電光介質(zhì)的種類大部分都是液體，也有鈮酸鉭鉀和鈦酸鋇等晶體電光效應(yīng)的兩種效應(yīng)電光效應(yīng)的兩種效應(yīng)幾種電光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)形式幾種電光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)形式G G 光源光源P PQ Q泡克耳斯泡克耳斯效應(yīng)光學(xué)效應(yīng)光學(xué)介質(zhì)介質(zhì)縱調(diào)泡克耳斯盒縱調(diào)泡克耳斯盒起偏器起偏器檢偏

5、器檢偏器G G 光源光源P PQ Q泡克耳斯泡克耳斯效應(yīng)光學(xué)效應(yīng)光學(xué)介質(zhì)介質(zhì)橫調(diào)泡克耳斯盒橫調(diào)泡克耳斯盒G 光源光源PQ克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)光學(xué)介質(zhì)光學(xué)介質(zhì)克爾盒克爾盒起偏器起偏器檢偏器檢偏器xzP，Q光軸互相垂直不加電壓時(shí)Q沒有光輸出外加電壓時(shí)，光軸平行于電場(chǎng)，偏振光改變振動(dòng)方向，不與Q光軸垂直，Q有光輸出幾種電光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)形式幾種電光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)形式M M起偏器起偏器光軸光軸N N檢偏器檢偏器光軸光軸EMAxlAylAxNAyN介質(zhì)光軸方向（電場(chǎng)方向）o光e光xye光分量o光分量基本物理原理：基本物理原理：光通過晶體產(chǎn)生雙折射，光通過晶體產(chǎn)生雙折射，o o光和光和e e光光折射率不同

6、，傳播速度不同，在輸出端產(chǎn)生相位差折射率不同，傳播速度不同，在輸出端產(chǎn)生相位差tAAMsincos)sin(tAAylsinsintAAxlsinxlxNAAcosylyNAA)2/(電光效應(yīng)的原理推導(dǎo)電光效應(yīng)的原理推導(dǎo)sinsinsincoscos)sin(ttAAAAyNxNN電光效應(yīng)的原理推導(dǎo)電光效應(yīng)的原理推導(dǎo)改變P,Q的相對(duì)方位，可以控制輸出當(dāng)=/4時(shí)，輸出最強(qiáng))2/cos()2/cos()2/sin(0tAtAANm)2/sin(0AA 其中發(fā)光強(qiáng)度)2/(sin2220AAI相位差隨電光調(diào)制介質(zhì)的不同而不同對(duì)于克爾效應(yīng)的介質(zhì)，o光和e光通過厚度為l的介質(zhì)后，產(chǎn)生的相位差為2)/(2

7、dUkl克爾系數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)到克爾盒兩極板上的電壓兩極板間距離介 質(zhì)厚度1）U=0時(shí)，相位差=0，通過檢偏器的光強(qiáng)度I=02）當(dāng)U=d(2kl)-1/2時(shí)，相位差=， ， 此時(shí)o、e光相應(yīng)的光程差為(ne-no)l= /2，此時(shí)U稱為半波電壓，記為U/2或U，克爾盒相當(dāng)于半波片2AI 3）如果0UU /2，則0R)時(shí) LbLRRUILbLRUI22)(LbRRSURI2LbRRSUI上式表明輸出信號(hào)電流取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏置電壓成正比。恒流偏置的電壓信噪比較高，因此適用于高靈敏度的測(cè)量。但是由于RL很大，為使光敏電阻正常工作所需的偏置電壓很高，有時(shí)達(dá)100V以上，這給使用帶

8、來不便。512）恒功率偏置）恒功率偏置LLbLRRRSURIRU22)(由于對(duì)RL微分32)()(LLbLRRRRRSUdRUd當(dāng)負(fù)載電阻RL與光敏電阻R相等時(shí)，表示負(fù)載匹配 0LdRUd探測(cè)器的輸出功率最大，稱它為匹配狀態(tài)，R為對(duì)應(yīng)于某光通量的光敏電阻值，此時(shí)輸出功率 LbLLRUUIP42523）恒壓偏置）恒壓偏置當(dāng)光敏電阻在較高的頻率下工作時(shí)，除選用高頻響應(yīng)較好的光敏電阻外，負(fù)載電阻RL必須取較小的數(shù)值，否則時(shí)間常數(shù)較大，對(duì)高頻響應(yīng)不利。當(dāng)負(fù)載電阻RL比光敏電阻R小得多(即RL AB，所以U U。當(dāng)Ub增大時(shí)，光敏電阻的損耗將增加，靠近但不能超過允許功率曲線Pmax，否則光敏電阻將損壞或

9、性能下降。 LbRPUmax4max24PURbL為了得到大的電流變化，當(dāng)RL=0時(shí)，RPUbmaxUb/RL132UIUbOPmaxQUIABABQU電路圖解曲線電路圖解曲線Ub54從信噪比的角度出發(fā)選擇電源電壓從信噪比的角度出發(fā)選擇電源電壓SNS/NIS、NS/N偏置電流I與信噪比關(guān)系曲線O光敏電阻的信號(hào)電壓隨電源電壓而增大。在低偏置電壓下，光敏電阻的噪聲主要是熱噪聲。當(dāng)偏置電壓升高時(shí)，流過光敏電阻的電流增加，電流噪聲將起主要作用，并且噪聲電壓增加的速度比信號(hào)電壓增加的速度要快。探測(cè)器輸出信號(hào)與噪聲信號(hào)之比（S/N）隨偏置電壓(或電流)的變化有一最佳值。光敏電阻的工作點(diǎn)應(yīng)選在信噪比最大的偏

10、置電壓(或電流)下最為合適。55（二）電橋式輸入電路（二）電橋式輸入電路光敏電阻電橋電路I1RT1UbRT2R1R2I2Uo優(yōu)點(diǎn)：可減小光敏電阻受環(huán)境溫度的影響而引起靈敏度變化。選擇性能相同的兩個(gè)光敏電阻RT1和RT2作電橋測(cè)量臂的電阻；普通電阻R1和R2作為補(bǔ)償臂電阻，外加電源電壓Ub。在無光照時(shí)，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電阻R2，使電橋平衡。此時(shí)RT1 R2=RT2 R1，電橋輸出信號(hào)為Uo=0。當(dāng)有光照射到光敏電阻RT1上時(shí)，光通量變化 引起電阻的改變?yōu)镽RRT011R01為光敏電阻RT1的暗電阻 電橋平衡破壞，開路電壓Uo為 01220112201122()()()bbTboTTU RRU RU RR

11、URRRRRRRR RR56在弱光強(qiáng)作用下有RRLmax時(shí)工作于非線性區(qū)Sa陽(yáng)極靈敏度系數(shù) 恒流源性質(zhì)60光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù)光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù) 1）穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源 電源電壓不穩(wěn)，必然要引起與之有關(guān)的各參量的變化。特別是電流增益的變化，將直接影響輸出特性，因此對(duì)電源電壓穩(wěn)定性要求較高電流增益nM 是極間電壓UD的函數(shù)，一般具有如下形式 kDcUc、k為與倍增極材料有關(guān)的兩個(gè)系數(shù) 銻銫倍增極 銀鎂倍增極 7 . 02 . 0DUDU025. 0MMnkUUDD161MMnkUUDD1%1 . 0MM設(shè)倍增管有10個(gè)倍增極，即n=10，要求對(duì)于由銻銫倍增極構(gòu)成的倍增管%01. 07 . 01%

12、1 . 07 . 0101DDUU 對(duì)于由銀鎂倍增極構(gòu)成的倍增管 %01. 0%1 . 01101DDUU可以看出，極間電壓相對(duì)變化率差不多要比電流增益相對(duì)變化率小一個(gè)數(shù)量級(jí)，才能保證給定的電流增益相對(duì)變化率的要求。 62光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù)光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù) 2）分壓電阻網(wǎng)絡(luò)）分壓電阻網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)下流過分壓網(wǎng)絡(luò)的電流niiRRUI1/ 各倍增極的工作電壓Un=IR R n 通常情況下，niiR1為幾個(gè)M，Ri為100500k 在探測(cè)弱信號(hào)弱信號(hào)時(shí)，可適當(dāng)提高第一倍增極與陰極之間的電壓，這樣既可以提高第一倍增極對(duì)光電子的收集效率，也可以使第一倍增極有較高的二次發(fā)射系數(shù)，因而可提高信噪比；對(duì)于脈沖

13、信號(hào)的探測(cè)，適當(dāng)提高第一倍增極對(duì)陰極的電壓，有利于縮短輸出脈沖的上升時(shí)間。提高第一倍增極和陰極之間電壓的方法是增大分壓電阻R1 63光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù)光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù) 3）旁路電容）旁路電容當(dāng)光脈沖入射時(shí)，最后幾級(jí)倍增極的瞬間電流很大，使分壓電阻R9R11上的電壓降有明顯的突變，導(dǎo)致陽(yáng)極電流過早的飽和，使檢測(cè)靈敏度下降。為了使R9R11電阻上的分壓穩(wěn)定，常在最后三級(jí)分壓電阻上并聯(lián)旁路電容器C1、C2和C3，其容量可在0.020.05F之間選取。 64光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù)光電倍增管的關(guān)鍵參數(shù) 4）負(fù)載電阻）負(fù)載電阻光電倍增管后接的放大器常采用電壓輸入，因此需要用負(fù)載電阻將輸出電流變換為電壓

14、。負(fù)載電阻的選擇應(yīng)考慮它的壓降不能過大，否則將影響陽(yáng)極的接收特性，使管子偏離線性工作范圍。負(fù)載電阻上的壓降一般限制在幾伏以內(nèi)。 三、光電池輸入電路三、光電池輸入電路（一）基本輸入電路（一）基本輸入電路LLLRIU簡(jiǎn)單光電池輸入電路a) 光電池電路 b) 輸入等效電路圖 c) 圖解曲線) 1(/0TLUUpLeIII選定負(fù)載電阻RL，工作點(diǎn)Q即可利用負(fù)載線與光電池相應(yīng)的伏安特性曲線的交點(diǎn)確定。該點(diǎn)處的電流電壓值IQ和UQ即為RL上的輸出值，相對(duì)0的光通量變化將形成對(duì)應(yīng)的電流變化I和電壓變化U。 67光電池輸出與光通量之間關(guān)系光電池輸出與光通量之間關(guān)系 當(dāng)光通量較小時(shí)當(dāng)光通量較小時(shí)，負(fù)載上的輸出電

15、流和電壓近似的隨入射光通量成比例增加。 當(dāng)入射光通量較大時(shí)當(dāng)入射光通量較大時(shí)，輸出電流和電壓逐漸呈飽和狀態(tài)，而且電阻越大越明顯 光電池的伏安特性曲線 68光電池負(fù)載的選擇光電池負(fù)載的選擇光電池的伏安特性是非線性的，光電池接上不同的負(fù)載電阻時(shí)，電流和電壓隨著光通量變化的情況是不同的。當(dāng)負(fù)載電阻較小時(shí)，隨光通量的變化，輸出的電流值較大，電壓值較小。短路狀態(tài)下（RL 0=0），輸出的電流值最大，電壓值為零。隨著負(fù)載電阻RL的增大，電流逐漸變小，輸出電壓隨之增大 根據(jù)選用負(fù)載電阻負(fù)載電阻的數(shù)值，光電池的工作狀態(tài)可以分為以下幾種： 1短路電流或線性電流放大短路電流或線性電流放大 2空載電壓輸出空載電壓輸

16、出 3線性電壓輸出線性電壓輸出 1短路電流或線性電流放大短路電流或線性電流放大 如何得到線性的輸入如何得到線性的輸入-輸出關(guān)系輸出關(guān)系 找出光電池工作中的最大光通量的伏安特性，然后把該特性的拐點(diǎn)A與原點(diǎn)O相連成直線，就是需要的負(fù)載線。 在此負(fù)載電阻下，既能使光電池同時(shí)得到最大的電流和電壓輸出，又能使之隨光通量成比例地變化，這是線性工作的臨界狀態(tài)，負(fù)載電阻為Rs。OA線的左邊就是光電池的線性放大工作區(qū)。 為了使后續(xù)電流放大級(jí)作為負(fù)載從光電池中取得較大的電流輸出，要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大器的輸入阻抗盡可能的小。電阻越小，電流的線性越好。極限情況是是短路工作狀態(tài)。接近這種狀態(tài)的輸出電流接近于短路電流。

17、其工作區(qū)域?yàn)閳D的區(qū)域，它與入射光通量有良好的線性關(guān)系 在短路狀態(tài)下器件的噪聲電流較低，信噪比得到改善，因此適合于弱光信號(hào)的檢測(cè)。 在此狀態(tài)下工作的光電池相當(dāng)于電流源，它與放大器連接時(shí)，應(yīng)采用電流放大器 001I RL LUTLpscRLIIIeIS SI短路狀態(tài)：線性放大工作區(qū)702空載電壓輸出空載電壓輸出 光電池的開路電壓通常為0.450.6V，當(dāng)入射光強(qiáng)做跳躍式變化，如從零跳變到某一值而不要求電壓隨光通量線性變化時(shí)，可工作于非線性電壓變換狀態(tài)，適合于開關(guān)電路或繼電器工作狀態(tài)。 這種狀態(tài)下可以簡(jiǎn)單的利用開路電壓組成控制電路，不需要增加任何偏置電源。其工作區(qū)域?yàn)榈膮^(qū)域，此時(shí)光電池應(yīng)通過高輸入阻

18、抗變換器與前級(jí)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路71空載電壓輸出空載電壓輸出 開路電壓可表示為 1ln0IIqKTUpoc光通量較大時(shí)，10IIp00lnlnISUIIUUTpToc開路電壓與入射光通量的對(duì)數(shù)成正比 通過給定入射光功率(光通量0)下的開路電壓值Uoc0，可以求出其他入射光功率(光通量)下的開路電壓Uoc 0000lnlnISUISUUUTTococ00lnTococUUU723線性電壓輸出線性電壓輸出 當(dāng)負(fù)載電阻介于短路和臨界負(fù)載電阻Rs時(shí)，電路就處于線性電壓輸出狀態(tài)，區(qū)域。這種工作狀態(tài)在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能夠得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓。增大負(fù)載電阻有助于提高電壓，但能以引起

19、輸出信號(hào)的非線性畸變確定負(fù)載電阻的臨界條件) 1() 1(/0/0TLLTLURIpUUpeIIeIII上式展開為冪級(jí)數(shù)得20! 31! 211TLLTLLTLLUIRUIRIUIRSI忽略高階項(xiàng)，當(dāng) 1! 2TLLUIR時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為 SURISITL0110TLURI73令最大線性允許光電流為Is，相應(yīng)的光通量為s，則可得到輸出最大線性電壓的臨界負(fù)載電阻Rs為STSTSSUIUR10TLURI由于I0RL時(shí) LLRR 輸出電壓信號(hào)最大 圖中C為耦合電容，ri為放大器輸入阻抗，Rs為光電二極管內(nèi)阻 77光電二極管的伏安特性曲線光電二極管的伏安特性曲線光電二極管具有恒流源恒流源特性特性 78

20、計(jì)算方法計(jì)算方法LbIRIUU)(LbIRUIU)( 1.圖解計(jì)算法U(I)表示光電二極管上的電壓，是非線性函數(shù) 在伏安特性上畫出負(fù)載線Ub-IRL ，該直線的斜率為-1/RL ，通過U=Ub點(diǎn)，與縱軸相交于Ub/RL點(diǎn)上。負(fù)載線和對(duì)應(yīng)于輸入光通量為0時(shí)的器件伏安特性曲線的交點(diǎn)Q即為輸入電路的工作點(diǎn)。當(dāng)輸入光通量由0改變時(shí)，在負(fù)載電阻RL上會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出和電流信號(hào)輸出 圖解計(jì)算法示例圖解計(jì)算法示例設(shè)電源電壓Ub=9V，光電二極管的伏安特性曲線見圖，光電二極管上的光通量在0150 lm之間變化。若光通量在此范圍內(nèi)作正弦變化，要使輸出交變電壓的幅值為3V，求所需的負(fù)載電阻RL，并作出負(fù)載線。

21、解解：由圖可以看出，光電二極管的暗電流為2A，光通量為150lm時(shí)的光電流為17A，因此光電流變化量I = (17-2) A =15A交變光電流的幅值為21I =7.5A，因此所需負(fù)載電阻400105 . 736IURLk 通過N點(diǎn)(9，0)作一條與U軸成LRtg11角的直線，與I軸交于M點(diǎn)，則MN即為所求的負(fù)載線，Q為電路的工作點(diǎn) Ub80解析計(jì)算法解析計(jì)算法折線化選擇線性區(qū)域a) 折線化一 b) 折線化二 G0初始電導(dǎo)初始電導(dǎo)：非線性區(qū)近似直線的初始斜率G結(jié)間漏電導(dǎo)結(jié)間漏電導(dǎo)：線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率81解析計(jì)算法步驟解析計(jì)算法步驟 1）確定線性工作區(qū)域）確定線性工作區(qū)域 由對(duì)應(yīng)最大輸

22、入光通量的伏安特性曲線max彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。 max82解析計(jì)算法步驟解析計(jì)算法步驟 確定轉(zhuǎn)折電壓U0，初始電導(dǎo)G0（表示非線性區(qū)近似直線的初始斜率 ）在線段MN上有關(guān)系 000maxG UGUS G暗電導(dǎo)，是線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率 max00SUGGmax00SGGU或83解析計(jì)算法步驟解析計(jì)算法步驟 2）計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓000()bLUUGG U當(dāng)已知Ub時(shí)，可計(jì)算出負(fù)載電導(dǎo) 0max0max0000max0(1)(1/)11/LbbbLLUSGGSGUUUGGUG GRGSG已知GL時(shí)，可計(jì)算偏置電源電壓max00()()LbLSGGUG GG000maxG UGUS

23、 84解析計(jì)算法步驟解析計(jì)算法步驟 3）計(jì)算輸出電壓幅度當(dāng)輸入光通量由min變化到max時(shí)，輸出電壓幅度為 max0UUUmaxmaxmin()LbG UUGUS 在H點(diǎn)00max()LbG UUGUS 在M點(diǎn)解以上二式得minmaxmax0LbLLbLG USUGGG USUGG arctanG85解析計(jì)算法步驟解析計(jì)算法步驟maxmin()LLUSSGGGG表明輸出電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正比，與結(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)成反比 arctanG解析計(jì)算法步驟解析計(jì)算法步驟 4）計(jì)算輸出電流幅度計(jì)算輸出電流幅度 maxminLIIIUG maxmin()LLUSSGGGG由于max

24、min1/LLIUGSG G GGL通常maxmin()ISS arctanG87解析計(jì)算法步驟解析計(jì)算法步驟 5）計(jì)算輸出電功率 PI U 22()LLLSPGUGGG88五、光電三極管輸入電路五、光電三極管輸入電路89五、光電三極管輸入電路五、光電三極管輸入電路伏安特性曲線并非等間隔和完全平行，因此靈敏度 不是常數(shù)。但在照度變化較小的情況下，可近似看成常數(shù)。光電三極管的計(jì)算方法與光電二極管類似缺點(diǎn)是暗電流比較大，溫度穩(wěn)定性差 /IS90減小光敏晶體管受溫度的影響減小光敏晶體管受溫度的影響電路的溫度補(bǔ)償性能較好，但要挑選兩只暗電流隨溫度變化性能相同的光電三極管比較困難 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R

25、t。溫度升高時(shí)，光電三極管VT1的暗電流增加，相當(dāng)于電阻下降，熱敏電阻Rt的阻值也下降，所以晶體管VT2的基極電流或電壓仍然不變，放大器的輸出也沒有改變，因此實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償 基極與發(fā)射極之間接入電阻Rb，使基極與發(fā)射極間的電壓減小并趨于穩(wěn)定，可使暗電流隨溫度變化的影響減小。但是阻值Rb太小時(shí)，在光通量較小的情況下產(chǎn)生光電流就較難，光通量與光電流間的線性關(guān)系變差，所以應(yīng)該選擇合適的阻值Rb。圖5-15b利用二極管VD1、VD2電壓負(fù)溫度系數(shù)特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償91第三節(jié)第三節(jié) 光電檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性光電檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性 92光電檢測(cè)電路存在頻率特性的原因光電檢測(cè)電路存在頻率特性的原因

26、光電器件自身的慣性 檢測(cè)電路的耦合電容、分布電容等非電阻性參數(shù)的存在 以上因素造成的結(jié)果 光電檢測(cè)電路需要一個(gè)過渡過程才能對(duì)快速變化的輸入光信號(hào)建立穩(wěn)定的響應(yīng)。93通頻帶通頻帶(帶寬帶寬) f的概念的概念 工程上描述檢測(cè)通道頻率響應(yīng)的參數(shù) 是檢測(cè)電路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍 f越大，信號(hào)通過能力越強(qiáng) 在低噪聲前置放大及耦合電路的設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要的參數(shù)，它與系統(tǒng)的性能有密切的關(guān)系。94一、光電檢測(cè)電路的帶寬一、光電檢測(cè)電路的帶寬 帶寬和噪聲抑制的關(guān)系帶寬和噪聲抑制的關(guān)系 探測(cè)系統(tǒng)所接收的信號(hào)光功率占有的頻譜范圍都是有限的 噪聲頻譜的范圍可認(rèn)為是無限的 在保證信號(hào)有效帶寬的前提下，限制電

27、子系統(tǒng)的帶寬可以有效地抑制噪聲 通常電路帶寬的選擇原則通常電路帶寬的選擇原則 保持信號(hào)頻譜中絕大部分能量通過 削掉部分頻譜能量較低的高頻分量 對(duì)信噪比和信號(hào)失真折衷考慮 95不同形式信號(hào)的帶寬選擇不同形式信號(hào)的帶寬選擇1.檢出正弦調(diào)幅信號(hào)，則帶寬只要能通過中心頻率加邊頻分量。2.對(duì)于調(diào)頻信號(hào)則可近似取為 fm=2(MF +1)f fm為所需帶寬，MF是FM調(diào)制系數(shù)（調(diào)制后信號(hào)占用的帶寬與調(diào)制前信號(hào)占用的帶寬之比 ），f是負(fù)載波引起的頻移。 3.對(duì)于脈沖信號(hào)，其主要頻譜能量集中在f =01/ 以內(nèi)(為脈沖寬度)。在實(shí)際系統(tǒng)中，從提高信噪比的角度考慮，并不要求保持脈沖信號(hào)的形狀。所以通常按實(shí)際需要

28、犧牲高頻分量，保持必要的脈沖特性。96帶寬對(duì)矩形脈沖波形和幅值的影響帶寬對(duì)矩形脈沖波形和幅值的影響矩形脈沖的脈寬越窄，要求放大器的帶寬就越寬。否則矩形脈沖將會(huì)被展寬，其幅度也隨之下降。當(dāng)帶寬增加時(shí)，響應(yīng)時(shí)間減小，輸出信號(hào)的峰值功率很快達(dá)到常數(shù)且與帶寬無關(guān)。對(duì)于矩形脈沖，當(dāng)f=0.5時(shí)出現(xiàn)最大值；對(duì)于其他各種形狀的脈沖來說，獲得信噪比最佳的帶寬都在f=0.250.75的范圍內(nèi)。當(dāng)要求保持脈沖的形狀時(shí)，帶寬要求更寬些。對(duì)于矩形脈沖，取 f =4時(shí)，才能準(zhǔn)確保持脈沖形狀。由于輸出噪聲功率隨帶寬線性增加，因而有一個(gè)最佳帶寬。脈沖峰值功率和噪聲功率之比為最大。在 f 0.5以后輸出的峰值幅度已經(jīng)基本不變

29、。所以從信噪比的要求出發(fā)， f不必超過0.5。帶寬對(duì)矩形脈沖波形和幅值的影響 97二、光電檢測(cè)電路的頻率特性二、光電檢測(cè)電路的頻率特性98二、光電檢測(cè)電路的頻率特性二、光電檢測(cè)電路的頻率特性 1. 光電檢測(cè)電路的高頻特性光電檢測(cè)電路的高頻特性LbbLLjjgEbjgLuGiGiCjigieSiiii高頻時(shí)忽略耦合電容Cc和布線電容C0的影響，有SE 光電靈敏度；e入射光照度（eE0+Emsint）；iL是負(fù)載電流；ib是偏置電流；ij是結(jié)電容電流；ig是光電二極管反向漏電流。99LLLjbLELRuiCjGGgeSujGGgeSGGgCjGGgeSubLEbLjbLEL11)/(bLjGGgC

30、式中 稱為檢測(cè)電路的時(shí)間常數(shù) 檢測(cè)電路的頻率特性不僅與光電二極管參數(shù)Cj和g有關(guān)，而且取決于放大電路的參數(shù)GL和Gb。負(fù)載不同時(shí)頻率特性的不同負(fù)載不同時(shí)頻率特性的不同1）給定輸入光照度，在負(fù)載上取得最大功率輸出時(shí)，要求滿足RL=Rb和gRb(如RL10Rb)和Gb g （內(nèi)阻很大）jGGgeSubLEL1時(shí)間常數(shù)和上限頻率分別為 jeRSubEL1jbCR0jbHCCRf21)/(0bLjGGgC102負(fù)載不同時(shí)頻率特性的不同負(fù)載不同時(shí)頻率特性的不同3）電流放大時(shí)希望在負(fù)載上獲取最大電流最大電流，要求滿足RLRb且g很小，此時(shí) 時(shí)間常數(shù)和上限頻率分別為 jeRSuLEL1jLCR0jLHCCR

31、f21jGGgeSubLEL1)/(0bLjGGgC103負(fù)載電阻選擇的考慮負(fù)載電阻選擇的考慮 為了從光電二極管中得到足夠的信號(hào)功率和電壓，負(fù)載電阻RL和Rb不能很小。阻值過大又會(huì)使高頻截止頻率下降，降低了通頻帶寬度，負(fù)載電阻的選擇要根據(jù)增益和帶寬的要求綜合考慮。只有在電流放大的情況下才允許RL取得很小，常常采用低輸入阻抗高增益的電流放大器，以提高頻率響應(yīng)。1042. 光電檢測(cè)電路的綜合頻率特性光電檢測(cè)電路的綜合頻率特性 電路中直流電容和分布電容等是確定電路通頻帶的重要因素。需要予以考慮 a) 檢測(cè)電路電路布線電容級(jí)間耦合電容放大器輸入電容結(jié)電容b) 等效電路圖 105)1)(1 ()()()

32、(210jTjTjKTjEjUjWLbgbgERRRRSK式中輸入電路的頻率特性可表示為 111T221T1， 2分別為上下限截止頻率T0=C0RL；KT0 SERbRLC0106輸入電路的振幅頻率特性輸入電路的振幅頻率特性輸入電路的振幅頻率特性可表示為)1)(1 ()(2222210TTKTjW將上式用對(duì)數(shù)表示，可得對(duì)數(shù)頻率特性為 210lg20lg20lg20)(lg20TTKTjW對(duì)數(shù)頻率特性虛線表示實(shí)際的對(duì)數(shù)特性，折線是規(guī)整化的特性 下限截至頻率上限截至頻率107綜合頻率特性的三個(gè)頻段綜合頻率特性的三個(gè)頻段(1) 低頻段(1=1/T1) 頻率特性可簡(jiǎn)化為 101)(TjjKTjWL(2

33、) 中頻段(11和 T22=1/T2)： 2101/)(TjTKTjWH3. 光電檢測(cè)電路頻率特性的設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路頻率特性的設(shè)計(jì)基本要求基本要求在保證所需檢測(cè)靈敏度的前提下獲得最好的線性不線性不失真失真（靜態(tài)）和頻率不失真頻率不失真（動(dòng)態(tài)）對(duì)于確定的環(huán)節(jié)，對(duì)不同諧波輸入信號(hào)的響應(yīng)能力的頻率特性是唯一確定的可以通過組成單元的頻率特性的簡(jiǎn)單計(jì)算得到系統(tǒng)的綜合頻率特性檢測(cè)電路頻率特性設(shè)計(jì)的三個(gè)基本內(nèi)容三個(gè)基本內(nèi)容對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行傅里葉頻譜分析， 確定信號(hào)的頻率分布；2) 確定光電檢測(cè)電路的允許通頻帶寬和上限截止頻率；3) 根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計(jì)算方法，確定單級(jí)檢測(cè)電路的阻容參數(shù)。 用2DU1型光電二

34、極管和兩級(jí)相同的放大器組成光電檢測(cè)電路。被測(cè)光信號(hào)的波形如圖所示，脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5s，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設(shè)計(jì)該電路的阻容參數(shù)。信號(hào)波形電路圖頻率設(shè)計(jì)的示例頻率設(shè)計(jì)的示例計(jì)算步驟計(jì)算步驟分析輸入光信號(hào)的頻譜，確定檢測(cè)電路的總頻帶寬度頻譜分布圖周期為T=1/f的方波脈沖時(shí)序信號(hào)，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為 kHzTf200/1頻譜包絡(luò)線零值點(diǎn)的分布間隔為 F=1/t0=2MHz選取頻譜包絡(luò)線的第二峰值作為信號(hào)的高頻截止頻率，如圖所示對(duì)應(yīng)第二波峰包含15個(gè)諧波成分，高頻截止頻率fHC取為 fHC = 2

35、00kHZ15=3MHz取低頻截止頻率為200Hz，則檢測(cè)放大器的總頻帶寬總頻帶寬為fH=3MHz，fL=200Hz，帶寬帶寬近似為f 3MHz 此時(shí)可以認(rèn)為是不失真?zhèn)鬏敗?12(2) 確定級(jí)聯(lián)各級(jí)電路的頻帶寬度。12)/1(nHCnHCff 將fnHC=3MHz和n=3代入上式，可算出單級(jí)高頻截止頻率fHC fHC是單級(jí)高頻截止頻率。MHzfHC61233/1單級(jí)低頻截止頻率和多級(jí)低頻截止頻率之間關(guān)系12)/1 (nLCnLCff對(duì)于fnLC=200Hz，可計(jì)算出fLC=102Hz 檢測(cè)電路由輸入電路和兩級(jí)相同的放大器級(jí)聯(lián)組成。設(shè)三級(jí)帶寬相同，相同n級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的高頻截止頻率fnHC為帶寬為

36、6 MHz的輸入電路應(yīng)采用電流放大方式，由于此時(shí)kCCfRjHCL3 . 310810621)(211260jLHCCRf21選為2 k，此處為后級(jí)放大器的輸入阻抗為保證RL0時(shí)，電容C上的電壓能跟蹤輸入信號(hào)的波形，Uc =Us門脈沖寬度tg決定輸出信號(hào)的時(shí)間分辨率。tg越小，分辨率越高越小，分辨率越高，比tg更窄的信號(hào)波形將難以分辨。eigft21geitf21或一階RC濾波器，傳遞函數(shù)為fei為輸入噪聲等效帶寬輸出的噪聲等效帶寬等效帶寬為0241RCdfKfeo1711SNRNSNRN信噪比改善隨N增大而提高 對(duì)于單次單次取樣的積分器，其信噪比改善信噪比改善為geoeiiotRCffSNR

37、SNRSNIR2對(duì)于N次次取樣平均器，積分電容上的取樣信號(hào)連續(xù)疊加N次，信號(hào)取樣是線性相加的，而隨機(jī)噪聲是矢量相加的。因此，多次取樣的信噪比SNRN為(2) 掃描測(cè)量方式掃描測(cè)量方式 掃描測(cè)量取樣積分器及工作波形 n門延遲的時(shí)間借助慢掃描電壓緩慢而連續(xù)的改變，取樣脈沖和相應(yīng)觸發(fā)脈沖之間的延時(shí)依次增加n對(duì)每一個(gè)新的觸發(fā)脈沖，取樣脈沖緩慢移動(dòng)，掃描整個(gè)輸入信號(hào)的過程。這種情況下積分器的輸出變成信號(hào)波形的復(fù)制，稱作掃描測(cè)量取樣掃描測(cè)量取樣n在每次取樣之后要用開關(guān)將放電電容C短路，使積分器復(fù)原，準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)的采集 n取樣積分器在每個(gè)信號(hào)脈沖周期內(nèi)只取一個(gè)輸入信號(hào)取樣積分器在每個(gè)信號(hào)脈沖周期內(nèi)只取一個(gè)

38、輸入信號(hào)，可對(duì)輸入波形確定位置重復(fù)采樣，信號(hào)多次取樣線性疊加，而噪聲矢量疊加，所以信噪比提高 用低噪聲光電檢測(cè)器對(duì)調(diào)制后的周期性的弱光信號(hào)或脈沖進(jìn)行光電變換； 利用產(chǎn)生光脈沖的激勵(lì)源取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)電信號(hào)； 取樣積分器設(shè)置門延遲和門脈沖寬度控制單元，以便形成與觸發(fā)脈沖具有恒定延時(shí)或延時(shí)與時(shí)間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串； 取樣脈沖控制取樣開關(guān)，對(duì)連續(xù)的周期性變化信號(hào)進(jìn)行定點(diǎn)取樣或掃描取樣； 積分器對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行多次線性累加或重復(fù)采集，經(jīng)濾波后獲得輸出信號(hào)。取樣積分器檢測(cè)弱光電信號(hào)的測(cè)量步驟：取樣積分器組成測(cè)光系統(tǒng)取樣積分器組成測(cè)光系統(tǒng) 采用脈沖發(fā)生器作激勵(lì)源，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管工作。

39、用光電倍增管或其他檢測(cè)器接收，用取樣積分器測(cè)量。 脈沖發(fā)生器給出參考信號(hào)，同時(shí)控制積分器的取樣時(shí)間，通過掃描測(cè)量記錄余輝的消失。利用取樣積分器組成的測(cè)量發(fā)光二極管余輝的裝置示意圖雙通道積分器雙通道積分器n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：消除激光能量起伏的影響n脈沖激光器用脈沖發(fā)生器觸發(fā)，同時(shí)提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給取樣積分器。當(dāng)激光器工作時(shí)，激光光束通過單色器改善光束單色性。n激光束分束后一束由B檢測(cè)器直接接收，另一束通過置于超導(dǎo)螺旋管中的樣品由A檢測(cè)器接收。nA、B通道信號(hào)由雙通道取樣積分器檢測(cè)后，經(jīng)比例器輸出，可得到相對(duì)于激光強(qiáng)度的歸一化樣品透射率。激光分光器的原理圖用來測(cè)量超導(dǎo)螺線管中的樣品透過率隨磁場(chǎng)變化的函數(shù)。

40、177多點(diǎn)數(shù)字取樣積分器多點(diǎn)數(shù)字取樣積分器采用許多并聯(lián)的存儲(chǔ)單元代替掃描開關(guān)采用許多并聯(lián)的存儲(chǔ)單元代替掃描開關(guān)，將輸入波形各點(diǎn)的瞬時(shí)值依次寫入到各存儲(chǔ)單元中去，從而可以再現(xiàn)輸入波形，根據(jù)需要再將這些數(shù)據(jù)依次讀出。這種方法比取樣積分器的測(cè)量時(shí)間要短。在數(shù)字式取樣積分器中，RC單元的平均化作用由數(shù)字處理代替，可以進(jìn)行隨機(jī)尋址存儲(chǔ)，并且能長(zhǎng)時(shí)間保存。在激光器光脈沖、磷光效應(yīng)、熒光壽命以及發(fā)光二極管的余輝等的測(cè)試中得到應(yīng)用。 適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期性變化的信號(hào)波形測(cè)量或單個(gè)光脈沖的幅度測(cè)量。需要與光脈沖同步而與噪聲不同步的激勵(lì)信號(hào)。 取樣積分器在每個(gè)信號(hào)脈沖周期內(nèi)只取一個(gè)輸入信號(hào)值?？梢詫?duì)輸入

41、波形的確定位置做重復(fù)測(cè)量，也可以通過自動(dòng)掃描再現(xiàn)出整個(gè)波形。 在多次取樣過程中，門積分器對(duì)被測(cè)信號(hào)的多次取樣值進(jìn)行線性疊加，而對(duì)隨機(jī)噪聲是矢量相加的，所以，對(duì)信號(hào)有恢復(fù)和提取的作用。 在測(cè)量占空比小于50%的窄脈沖光強(qiáng)度的情況下，要比鎖相放大器有更好的信噪比。 用掃描方式測(cè)量信號(hào)波形時(shí)能得到100ns的時(shí)間分辨力。 雙通道系統(tǒng)能提供自動(dòng)背景和輻射源補(bǔ)償。取樣積分器測(cè)量弱光電信號(hào)特點(diǎn)：179（三）（三） 光子計(jì)數(shù)器光子計(jì)數(shù)器 當(dāng)光微弱到一定程度時(shí)，光的量子特征量子特征便開始突出出來。 光的輻射功率低于10-12W時(shí)，光電倍增管的光電陰極發(fā)射出的光電子就不再是連續(xù)的。因此，在倍增管的輸出端會(huì)產(chǎn)生有

42、光電子形式的離散的信號(hào)脈沖?？山柚陔娮佑?jì)數(shù)的方法檢測(cè)到入射光子數(shù)，實(shí)現(xiàn)極弱光強(qiáng)或光通量的測(cè)量。 根據(jù)對(duì)外部擾動(dòng)的補(bǔ)償方式，光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)可分為三種類型：基本型、輻射源補(bǔ)償型和背景補(bǔ)償型基本型、輻射源補(bǔ)償型和背景補(bǔ)償型 光子計(jì)數(shù)法只適合于極弱光的測(cè)量，光子的速率限制在大約109/s，相當(dāng)于1nW的功率，不能測(cè)量包含許多光子的短脈沖強(qiáng)度。（1）基本光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)及工作波形）基本光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)及工作波形n入射到光電倍增管陰極上的光子引起輸出信號(hào)脈沖，經(jīng)放大器輸送到一個(gè)脈沖高度鑒別器上。n由放大器輸出的信號(hào)除有用光子脈沖之外還包括器件噪聲和多光子脈沖。即時(shí)間上不能分辨的連續(xù)光子集合而成的大幅度脈沖。n峰值

43、鑒別器的作用是從中分離出單光子脈沖，采用雙電平鑒別器，它僅僅使落在兩電平間的光子脈沖產(chǎn)生輸出信號(hào)n計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)光子脈沖數(shù)，計(jì)算出在一定的時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，以數(shù)字和模擬信號(hào)的形式輸出。n比例計(jì)用于給出正比于計(jì)數(shù)脈沖速率的連續(xù)模擬信號(hào)。平均脈沖峰值的期望值平均脈沖峰值的期望值由光電陰極發(fā)射的每一個(gè)電子被倍增系統(tǒng)放大，設(shè)平均增益為106，則每個(gè)電子產(chǎn)生的平均輸出電荷為q=106e。這些電荷是在0=10ns的渡越時(shí)間內(nèi)聚焦在陽(yáng)極上的。因而，產(chǎn)生的陽(yáng)極電流脈沖峰值Ip可用矩形脈沖的峰值近似表示，即 AqIp161010106 . 11091960檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換電流脈沖為電壓脈沖。設(shè)陽(yáng)極負(fù)載電阻Ra=50，

44、分布電容C=20pF，則 =1ns0。因此，輸出脈沖電壓波形不會(huì)畸變，其峰值為mVRIUapp8 . 05010166一個(gè)光子引起的平均脈沖峰值的期望值 計(jì)數(shù)器原理cfNt/NfftfAcAA啟動(dòng)脈沖，使計(jì)數(shù)器A開始累加從鑒別器來的信號(hào)脈沖。計(jì)數(shù)器C同時(shí)開始計(jì)數(shù)由時(shí)鐘脈沖源來的計(jì)時(shí)脈沖。計(jì)數(shù)器是計(jì)數(shù)器是一個(gè)可預(yù)置的減法計(jì)數(shù)器一個(gè)可預(yù)置的減法計(jì)數(shù)器，事先由預(yù)置開關(guān)置入計(jì)數(shù)值N。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為fc，則計(jì)時(shí)器預(yù)置的計(jì)數(shù)時(shí)間是在預(yù)置的測(cè)量時(shí)t內(nèi)，計(jì)數(shù)器A的累加計(jì)數(shù)值可計(jì)算為fA:平均光脈沖計(jì)數(shù)率。 (2) 輻射源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng)輻射源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng) 輻射源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng) 為了補(bǔ)償輻射源變化

45、的影響，采用雙通道系統(tǒng)雙通道系統(tǒng)。 在參考通道中用同樣的放大鑒別器測(cè)量輻射源的光強(qiáng)，輸出計(jì)數(shù)率fc只由光源變化決定。 光子計(jì)數(shù)器使輸出信號(hào)為fA/fc。 比例因子fA / fc僅由被測(cè)樣品透過率決定而與源強(qiáng)度變化無關(guān)。184(3) 背景補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng)背景補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng) 當(dāng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中的光電倍增管受雜散光或溫度的影響引起比較大的背景計(jì)數(shù)率時(shí)，應(yīng)該把背景計(jì)數(shù)率從每次測(cè)量中扣除。 利用斬光器的同步計(jì)數(shù)方式。斬光器用來通斷光束，分別產(chǎn)生交變的“信號(hào)信號(hào)+背景背景”和“背景背景”的光子計(jì)數(shù)率，同時(shí)為光子計(jì)數(shù)器A、B提供選通信號(hào)。 噪聲脈沖在定時(shí)電路的作用下由計(jì)數(shù)器B收集。當(dāng)斬光器葉片允許入射光

46、通向倍增管時(shí)，鑒別器的輸出包含了信號(hào)脈沖和背景噪聲(S+N)，它們被計(jì)數(shù)器A收集。信號(hào)脈沖 A-B=(S+N)-N=S 總脈沖 A+B=(S+N)+N 對(duì)于光電倍增管，隨機(jī)噪聲滿足泊松分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為BA信噪比即為 BABASNR總計(jì)數(shù)信號(hào)例如：例如：在t =10s時(shí)間內(nèi)，若分別測(cè)得A=106和B=4.4105，則可計(jì)算為被測(cè)光子數(shù)被測(cè)光子數(shù): S =A-B=5.6105標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差: 36102 . 11044. 1BA SNR =S/ =5.6105/1.2103 467 信噪比信噪比 光子計(jì)數(shù)器工作狀態(tài)選擇光子計(jì)數(shù)器工作狀態(tài)選擇 光子計(jì)數(shù)器用光電倍增管應(yīng)當(dāng)工作在最佳工作電壓下，以獲

47、得最好的信噪比 光子計(jì)數(shù)器存在一個(gè)最佳鑒別電平。光子計(jì)數(shù)的基本過程：光子計(jì)數(shù)的基本過程： 用光電倍增管檢測(cè)弱光的光子流，形成包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的輸出光脈沖； 利用脈沖幅度鑒別器鑒別噪聲脈沖和多光子脈沖，只允許單光子脈沖通過； 利用光子脈沖計(jì)數(shù)器檢測(cè)光子數(shù)，根據(jù)測(cè)量目的，折算出被測(cè)參量； 為補(bǔ)償輻射源或背景噪聲的影響，可采用雙通道測(cè)量方法。應(yīng)用應(yīng)用單分子的光譜學(xué)研究光譜-光度計(jì)測(cè)量流式細(xì)胞計(jì)光子相關(guān)譜法激光雷達(dá)典型的低暗計(jì)數(shù)率為:25赫茲和150赫茲可探測(cè)到的最低功率為0.14飛瓦190第六章第六章 光束的調(diào)制與掃描技術(shù)光束的調(diào)制與掃描技術(shù)（一）（一） 光調(diào)制的基本概念光調(diào)制的基本概念光載波所具有

48、的特征參量特征參量：光功率光功率、振幅振幅、頻率頻率、相相位位、脈沖時(shí)間脈沖時(shí)間、傳播方向傳播方向、偏振方向偏振方向、光學(xué)介質(zhì)的光學(xué)介質(zhì)的折射率等折射率等。光束調(diào)制光束調(diào)制是指用某些方法改變光的參量的過程。調(diào)制可以使光攜帶信息，使其具有與背景不同的特征。光載波分為相干光波和非相干光波；光束調(diào)制的定義光束調(diào)制的定義光束調(diào)制的目的光束調(diào)制的目的 提高系統(tǒng)的探測(cè)能力和分辨力 抑制背景光的干擾、抑制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場(chǎng)的干擾 提高系統(tǒng)在信息的傳遞和測(cè)試過程中的穩(wěn)定性。（二）（二） 光調(diào)制的分類光調(diào)制的分類按調(diào)制次數(shù)按時(shí)空狀態(tài)按載波波形一次調(diào)制二次調(diào)制時(shí)間調(diào)制空間調(diào)制時(shí)空混合調(diào)制模擬調(diào)制

49、脈沖調(diào)制數(shù)字調(diào)制脈沖載波調(diào)制光調(diào)制的分類光調(diào)制的分類模擬調(diào)制脈沖調(diào)制數(shù)字調(diào)制（三）（三） 調(diào)制器與解調(diào)器調(diào)制器與解調(diào)器調(diào)制即可在輻射源中也可在光路系統(tǒng)中進(jìn)行。調(diào)制器調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)調(diào)制作用的裝置稱為調(diào)制器。解調(diào)器解調(diào)器從已調(diào)制的信息中分離并提出有用信息（即恢復(fù)原始信息）的過程稱為解調(diào)。能實(shí)現(xiàn)解調(diào)作用的裝置稱為解調(diào)器。（四）、調(diào)制信息的頻譜（四）、調(diào)制信息的頻譜確定調(diào)制信息頻譜重要性確定調(diào)制信息頻譜重要性 利用有用信息頻譜和噪聲頻譜的差別，就可抑制噪聲提高信息檢測(cè)的質(zhì)量。 有利于信息后續(xù)的電路處理102nnntnsinbtncosaa)t ( yT2 基波角頻率，簡(jiǎn)為基頻；An 是第n次諧波的振幅；

50、n 是第n次諧波的相位角。 結(jié)論：結(jié)論：任何復(fù)雜的周期信號(hào)都可以表示為直流分量與無數(shù)諧波分量之和第二節(jié)第二節(jié) 光信號(hào)的調(diào)制方法光信號(hào)的調(diào)制方法 tsintm0未調(diào)制的光載波的形式調(diào)制后的光載波的形式 tXttXsintXtm0X(t)是由被測(cè)信息信號(hào)決定的調(diào)制函數(shù)振幅調(diào)制（AM）頻率調(diào)制（FM）相位調(diào)制（PM） tXm tX tX一、一、 振幅調(diào)制振幅調(diào)制 tsintmXtm10 tcostcosmtsintmm210 tsintX二、頻率調(diào)制與相位調(diào)制二、頻率調(diào)制與相位調(diào)制 tXtX0 tmdttXtsint000 tcostX tsintsintm00頻率調(diào)制指數(shù) Ffmf1fm寬帶調(diào)頻窄

51、帶調(diào)頻 條件帶寬FFfB22FmFfBf1221fm三、脈沖調(diào)制三、脈沖調(diào)制若使載波脈沖的幅度、相位、頻率、脈寬及其它的組合按調(diào)制信號(hào)改變就會(huì)得到不同的脈沖調(diào)制。調(diào)制方法不僅能提高系統(tǒng)測(cè)量靈敏度，提高信噪比，而且能使同一個(gè)光學(xué)通道實(shí)現(xiàn)多路信息傳輸。四、編碼調(diào)制四、編碼調(diào)制編碼調(diào)制是把模擬信號(hào)先變成脈沖序列，再變成代表信號(hào)信息的二進(jìn)制編碼，然后對(duì)載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：很強(qiáng)的抗干擾能力，在數(shù)字通信中得到了廣泛的應(yīng)用要實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過程：抽樣抽樣、量化量化和編碼編碼。第三節(jié)第三節(jié) 光調(diào)制測(cè)量技術(shù)光調(diào)制測(cè)量技術(shù)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制He-Ne激光器塞激光器塞曼效應(yīng)改變頻率曼效應(yīng)改變

52、頻率半導(dǎo)體激光器改半導(dǎo)體激光器改變注入電流變注入電流外調(diào)制外調(diào)制電光效應(yīng)電光效應(yīng)磁光效應(yīng)磁光效應(yīng)聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)調(diào)制盤調(diào)制盤光柵光柵機(jī)械電磁。機(jī)械電磁。一、調(diào)制盤調(diào)制一、調(diào)制盤調(diào)制原理：原理：調(diào)制盤被置于光學(xué)系統(tǒng)的像平面像平面上，位于光電探測(cè)器之前。當(dāng)目標(biāo)像與調(diào)制盤之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)制盤的透光與不透光柵格切割像點(diǎn)，使得通過調(diào)制盤的輻射能量變成斷續(xù)輸出，光電探測(cè)器接收到的是光輻射被調(diào)制成周期性的強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)作用：作用：最基本作用是把恒定的輻射通量變成周期性重復(fù)的光輻射通量。將靜止的目標(biāo)像調(diào)制成交流信號(hào)以抑制噪聲和光源波動(dòng)的影響，提高系統(tǒng)的檢測(cè)能力；可進(jìn)行空間濾波，抑制背景噪聲；提供目標(biāo)的方位空

53、間等。種類：種類：按照調(diào)制方式的不同按照調(diào)制方式的不同：調(diào)幅式（AM）、調(diào)頻式（FM）、調(diào)相式（PM）、調(diào)寬式（WM）和脈沖編碼式。按目標(biāo)像點(diǎn)與調(diào)制盤之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式不同：按目標(biāo)像點(diǎn)與調(diào)制盤之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式不同：旋轉(zhuǎn)式、光點(diǎn)掃描式（即圓錐掃描式）和圓周平移式1. 調(diào)制盤輸出函數(shù)(1) 空間坐標(biāo)（x ，y ）為被測(cè)目標(biāo)物面坐標(biāo)（x，y）為像面坐標(biāo)（，）為調(diào)制盤坐標(biāo)。像面坐標(biāo)（x，y）和調(diào)制盤坐標(biāo)（，）同在像平面上，當(dāng)調(diào)制盤與像點(diǎn)間相對(duì)靜止時(shí)，兩者重疊在一起；而當(dāng)調(diào)制盤相對(duì)像點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可用調(diào)制盤坐標(biāo)（，）相對(duì)于像面坐標(biāo)（x，y）的平移或轉(zhuǎn)動(dòng)來描述光學(xué)系統(tǒng)物平面像平面圖6-8 空間濾波坐標(biāo)像平面

54、坐標(biāo)調(diào)制盤坐標(biāo)xyoooyx(2) 空間頻率和傅立葉變換調(diào)制盤的圖案是空間分布的周期性函數(shù)?？臻g周期函數(shù)也可以用空間周期空間周期和空空間頻率間頻率來描述PF1F2若空間周期為P，則空間頻率空間圓頻率 一維：xxP2yyP2zzP22222zyxP若空間函數(shù)沿著x、y、z方向的空間周期為Px、Py、Pz，則該空間函數(shù)沿x、y、z方向的空間圓頻率為 相鄰曲面（二維情況時(shí)為條紋）的最小間隔為空間周期 (3) 調(diào)制盤透過率函數(shù)和光通量函數(shù)xyooyxryrxrrgG(x ,y) ,透過率函數(shù)孔徑函數(shù)孔徑函數(shù)光通量函數(shù)在點(diǎn),對(duì)光輻射透過率的大小 目標(biāo)和背景經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后所成的像通過調(diào)制盤得到輻射通量調(diào)制盤

55、坐標(biāo)（O”）像面坐標(biāo)（xOy）oor （O”）坐標(biāo)系相對(duì)于（xOy）坐標(biāo)系的位置 若像平面上某一點(diǎn)G在xOy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為r，在O”坐標(biāo)中的坐標(biāo)為g rrg在G點(diǎn)像的輻射通量透過調(diào)制盤的數(shù)量 rrrIgrIdG調(diào)制盤的總的輻射通量函數(shù) dr rrrI r F rFTgFIrI FTFIF 2. 調(diào)制盤的空間濾波作用空間濾波：利用目標(biāo)和背景相對(duì)于系統(tǒng)的張角不同，即利用目標(biāo)和背景空間分布的差異，調(diào)制盤抑制背景以突出目標(biāo)，從而把目標(biāo)從背景中分離出來。調(diào)制盤的上半?yún)^(qū)為目標(biāo)調(diào)制區(qū)，由透過輻射與不透過輻射的輻射狀扇形條交替而成；而下半?yún)^(qū)為半透區(qū)，其透過率21日出式調(diào)制盤很難完全濾除背景日出式調(diào)制盤很難完

56、全濾除背景背景的邊緣多半是不規(guī)則的背景內(nèi)部的輻射也可能是不均勻的，同時(shí)還存在輻射面積較小的背景如果有一條背景邊緣正好與輻條平行，調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)后，透明與不透明輻條一次 3. 用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位在跟蹤及制導(dǎo)系統(tǒng)中，調(diào)制盤主要用來測(cè)量目標(biāo)方位光學(xué)系統(tǒng)圖6-16 目標(biāo)和像點(diǎn)的關(guān)系xyooyxzo目標(biāo)平面（物平面）焦平面MMfqqqtanf 目標(biāo)M： （，）像點(diǎn)M：(，）光學(xué)系統(tǒng)焦距:f:像點(diǎn)方位角；q:失調(diào)角，它反映了目標(biāo)偏離光學(xué)系統(tǒng)光軸的大小ABABS2SS1ab)像點(diǎn)相對(duì)調(diào)制盤格子及調(diào)制波形圖S1:像點(diǎn)上一部分輻射功率P1能透過調(diào)制盤的面積S2：像點(diǎn)上余下部分的輻射功率P2不能透過調(diào)制盤的面積P1

57、：不能透過調(diào)制盤的輻射功率P2：能透過調(diào)制盤的輻射功率調(diào)制盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)上半圓調(diào)制上半圓調(diào)制區(qū)內(nèi)，透過調(diào)制盤的輻射功率就在P1和P2之間周期性地變化；在下半圓下半圓半透區(qū)內(nèi)，透過調(diào)制盤的功率為像點(diǎn)總功率（P）的一半21PP 21SS 調(diào)制深度mSSSPPPm2121 假定目標(biāo)像點(diǎn)的面積不變 隨著像點(diǎn)偏離量增大，即像點(diǎn)由A位移到B，則S1增大S2減小，調(diào)制深度m即調(diào)制信號(hào)的幅值逐漸增大。反之亦然。 調(diào)制盤在像點(diǎn)面積一定時(shí)，調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制深度m是目標(biāo)像點(diǎn)在調(diào)制盤上的偏離量的函數(shù)ABABS2SS1ab)像點(diǎn)相對(duì)調(diào)制盤格子及調(diào)制波形圖m=f（）（二）光柵莫爾條紋調(diào)制（二）光柵莫爾條紋調(diào)制光柵光柵是具有周期

58、性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反射率等）的光學(xué)元件。光柵光柵柵距柵距光柵光柵長(zhǎng)長(zhǎng)光光柵柵光柵光柵柵距柵距計(jì)計(jì)量量光光柵柵衍衍射射光光柵柵圓圓光光柵柵光柵光柵材質(zhì)材質(zhì)玻玻璃璃透透射射光光柵柵金金屬屬光光柵柵光柵光柵表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)黑黑白白光光柵柵幅幅值值光光柵柵衍衍射射光光柵柵光柵光柵制造方法制造方法刻刻劃劃光光柵柵復(fù)復(fù)制制光光柵柵全息全息光柵光柵偏振偏振光柵光柵光柵的調(diào)制作用光柵的調(diào)制作用：照射到光柵上的光通量隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋的光通量變化可表示為pxcosm20P：光柵柵距X：光柵的位移0：直流光通量m：為交變光通量幅制若光柵位移x等于光柵柵距P時(shí)，則變化一個(gè)周期1）光通量幅度調(diào)制N

59、Px mMPx 再用電子細(xì)法對(duì)一個(gè)周期電信號(hào)進(jìn)行細(xì)分。若細(xì)分倍數(shù)為m，測(cè)量結(jié)果x為 ： 若測(cè)得光通量變化N個(gè)周期，被測(cè)尺寸x為：2）頻率調(diào)制 用衍射光柵可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制若光照射光柵刻線處的線速度為V，光柵刻劃間距為P，那么1級(jí)衍射光發(fā)生的頻移f為PVf （三）光干涉法調(diào)制（三）光干涉法調(diào)制光干涉法調(diào)制有幅度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制和偏振調(diào)制等幾種。利用各種物理效應(yīng)制成的光調(diào)制器件如電光器件、聲光器件、磁光器件等都可實(shí)現(xiàn)光（四）光調(diào)制器件調(diào)制（四）光調(diào)制器件調(diào)制（五）電磁調(diào)制（五）電磁調(diào)制二、直接調(diào)制二、直接調(diào)制直接調(diào)制應(yīng)用最多的是半導(dǎo)體激光器LD和半導(dǎo)體發(fā)光器件LED。直接直接調(diào)制調(diào)制模擬模擬

60、調(diào)制調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)字調(diào)制調(diào)制利用連續(xù)的模擬信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制利用脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制1半導(dǎo)體激光器（LD）直接調(diào)制原理閾值電流閾值電流It驅(qū)動(dòng)電流密度It時(shí)，則發(fā)射激光，此時(shí)譜線寬度變窄、發(fā)射方向性強(qiáng)，光強(qiáng)度增加幅度大，而且隨驅(qū)動(dòng)電流的增加會(huì)成線性增長(zhǎng)把調(diào)制信號(hào)加到激光器的電源上，就可直接調(diào)制激光器輸出信號(hào)（光束）的強(qiáng)度，因這種調(diào)制方法簡(jiǎn)單，且能工作在高頻段，能保證良好的線性工作區(qū)、帶寬大 為了獲得線性調(diào)制，使調(diào)制的工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加電流調(diào)制信號(hào)的同時(shí)再加上適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b 必須把調(diào)制信號(hào)源與直流偏置隔離，以避免直流偏置對(duì)調(diào)制信號(hào)源產(chǎn)生影響