光电检测技术与应用光电直接检测系统

1、 光电直接检测系统是将待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。 强度 调制器 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 光源 信号 发射机 背景噪声场 接收机 电路噪声 回收的 信息 强度调制直接检测模型强度调制直接检测模型 假定入射光信号电场为： tAtEscos 5-1 光场平均光功率为： 2 2 _ 2 AtEP ss 表示 _ 2 tEs tEs 2 的时间平均值； 5-2 光检测器输出电流为： 2 _ 2 2 A h e tE

2、h e PI sss 称为光电变换比例常数 h e 5-3 光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方， 电输出功率正比于入射光功率的平方。 若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为： LsLso RP h e RIP 2 2 2 5-4 如果入射光是调幅波，即 ttdAtE s cos1 其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流 为: 5-5 tdAAis 22 2 1 式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容， 则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。 5-6 光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为： 2 2 nsLnoo PPR h e PP

3、 5-7 考虑到信号和噪声的独立性，有： 2 2 sLo PR h e P 2 2 2 nnsLno PPPR h e P 5-8 由信噪比定义，输出功率信噪比为： ns ns nns s no o p PP PP PPP P P P SNR 212 2 2 2 5-9 ns ns nns s no o p PP PP PPP P P P SNR 212 2 2 2 说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系 统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。 输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪 比损失了3dB。实际应用中可以接受。 可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适

4、宜不是很微弱的 光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低， 得到广泛应用。 (1)若1 ns PP，则有： 2 nsp PPSNR 5-10 (2) 若1 ns PP，则有： n s p P P SNR 2 1 5-11 在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常 使用“误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比 有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分 布规律考虑“概率问题”来衡量。 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： LNTNDNBNSno RiiiiP _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 , NDNBNS iii和分别为信号光、背景光和暗电流引

5、起的散粒噪声。 _ 2 NT i为负载电阻和放大器的热噪声之和。 5-12 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 2 2 NTNDNBNS s no o p iiii Phe P P SNR 输出信噪比为： 5-13 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 2 2 NTNDNBNS s no o p iiii Phe P P SNR 当热噪声是直接检测系统 的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为： L s p RfkT Phe SNR 4 2 2 热 5-14 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限 制，信噪比为： _ 2 _ 2 _ 2 2 2 NDNBNS s p散 iii Ph

6、e SNR 5-15 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： B s B s p Pfh P P h e fe Phe SNR 2 2 22 2 背 5-16 假定光波长=0.7m，检测器的量子效率=1，测量带宽f=1， 由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为 WP 18 min 10 当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源 时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为： fh P SNR s p 2 信 5-17 该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统 的量子极限，又称量子限灵敏度。 若用等效噪声功率NEP值表示，在

7、量子极限下，直接检测系 统理论上可测量的最小功率为： fh NEP 2 量 5-18 在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统 总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。 背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱 窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光 电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍增 管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减 小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条 件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪 声增加。 在直接检测中，光电

8、倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用 有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于 光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电 导器件极限信噪比低，NEP较大。 直接检测系统视场角 D u f d 检测器 物镜 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： 或视场角立体角为： 2 f A d 从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系 统的焦距，但对检测器会带来不利影响： 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声

9、功率和面积的平方根成正比。 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统 灵敏方式下降。 因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。 f d 2 5-19 I 0I 0 O 1 频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有 信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力， 可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例. 对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分 析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽f： 在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络 （边频）频率的2倍。如果是调频波，

10、则要求滤波器加宽频带宽 度，保证有足够的边频分量通过系统。 0 4 f 5-20 等效矩形带宽： 频谱曲线下降3dB的带宽 包含90%能量的带宽 0 1 06 . 0 0 2 62. 0 f 0 3 89. 0 f 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。 强度 调制器 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 光 源 信 号 发射机 背景噪声场 接收机 电路噪

11、声 回收的 信息 1、被动检测系统的距离方程 被动检测过程示意图 大 气 传 播 e E e P 接收光 学系统 信 号 处 理 接收机 接 收 信 息 光 电 检 测 L s V 被测 目标 e I 光谱辐射强度 L传播距离 大气光谱透过率 1 V R 光谱响应度 0 0 A入射孔径面积 光谱透过率 设被测目标的光谱辐射强度为 e I 经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为： e E 2 1 L I E e e 的距离为目标到光电检测系统 内的大气光谱透过率；为被测距离 L L 1 入射到检测器上的光谱功率 为： e P 00 2 1 00 A L I AEP e ee 透过率为

12、接收光学系统的光谱 孔径面积为接收光学系统的入射 1 0 A 根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取 的12的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为： 2 1 2 1 01 2 0 dRI L A dRPV VeVes 为检测器的光谱响应度 V R 5-21 1、被动检测系统的距离方程 2 1 01 2 0 dRI L A V Ves 1、被动检测系统的距离方程 都是波长的复杂函数，难有确切 的解析表达式。通常作如下简化处理： Ve R、I和 01 式中 取1为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率1。 光学系统的透过率0对光谱响应范围内平均值。 把检测器的光谱响

13、应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为 常数RV，在其它区域为零。 根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度， 再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。 将上述值代入5-22式，可得： 令检测器的方均根噪声电压为Vn，则 它的输出信噪比为： 2 1 01 2 0 dRI LV A V V Ve nn s 5-22 Ve nn s RI LV A V V 01 2 0 5-23 2 1 01 2 0 dRI LV A V V Ve nn s 即： 2 1 010 n s V V n Ve V RIA L 5-24 又因为： fA DV R d n

14、 V * 5-25 将上式代入5-24，可得： 2 1 * 010 fA DIA L dV V e n s 5-26 式中Ad为检测器面积；f为系统的 带宽；D*为检测器的归一化检测 度；AoIe=P0是入射到接收光学系 统的平均功率。考虑到系统的调制 特性，入射到探测器上的有效功率 为： dSP 2 1 0 S()为调制信号的功率谱 为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考 虑为对入射功率的利用系数km，则上式改写为： 2 1 2 1 2 1 2 1 * 001 ns m d e VVf k A D AIL 5-27 第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响； 第二个

15、括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作 用距离的影响； 第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。 大 气 传 播 L k 传播距离 衰减系数 2 LS L L 后光斑面积经距离 e E e I r Sa 反射系数 反射面积 P d P 接收光 学系统 信 号 处 理 接收机 回 收 信 息 0 立体角 接收口径 D 02 透过率 光 电 检 测 强度 调制器 发射光 学系统 光 源信 号 发射机 s P m k 01 T P 反射 目标 L s V 2、主动检测距离方程 主动检测过程示意图 主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为Ps()； 发射束发散立体角为；发射光学系统透

16、过率为01()，经调 制的光能利用率为km，则发射机发射的功率PT()为： ms kP 01T P 激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为 k()，经传播距离L后光斑面积为SL=L2，光斑SL的辐射照度Ee 为： Lk T Lk L T e L P e S P 2 e E 设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa。普通情况下把反射 体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r。在 此条件下，单位立体角的反射光辐射强度Ie() 为： Lk a L ea erS L P ErS 2 e 1 I 2、主动检测距离方程 假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程

17、 仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为k()，则接收功率为： Lk a T erS L DP 2 4 2 0 e 4 IP 式中，D0为光学系统接收口径；=D02/4L2为接收系统的立体 角。如果接收光学系统的透过率为02()，则检测器上接收到 的总功率为： Lk ams e L DkSkP 2 4 2 0 02d 4 PP 式中: rk 0201 检测器上的输出电压为： V Lk ams V Re L DkSkP R 2 4 2 0 ds 4 PV 式中：RV()为检测器相对光谱响应度，将5-25式代入上式得距 离L为： V Lk ams V Re L DkSkP R 2 4 2 0 ds 4

18、PV 4 1 2 *2 0 4 L Lk dns ams e fAVV DDkSkP 如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积L2，则上式可化为： 2 1 2 *2 0 4 L Lk dns ms e fAVV DkDkP 可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气 特性以及目标反射特性都将影响检测距离。 在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以 透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光 谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。 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、 光栅副、光敏元件三大部分组成。 光敏元件可以

19、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，形成连续的透光区 和不透光区。 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。 黑白光栅 计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺 光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与 标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或 0.1mm）。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，所以两者之间可以形成相对运动。 在透射式直线光栅中，

20、把主 光栅与指示光栅的刻线面相对叠 和在一起，中间留有很小的间隙， 并使两者的栅线保持很小的夹角 ，光栅节距为P。在两光栅的刻 线重合处，光从缝隙透过，形成 亮带；在两光栅刻线的错开处， 由于相互挡光作用而形成暗带。 这种亮带和暗带形成明暗相间的 条纹称为莫尔条纹.莫尔条纹是周 期性函数。 计量光栅 主光栅 指示光栅 莫尔条纹光栅原理莫尔条纹光栅原理 构成：构成： 主光栅主光栅-标尺光栅，标尺光栅，定光栅定光栅指示光栅指示光栅-动光动光栅栅 莫尔条纹测长的数学表达 横向莫尔条纹特征 当指示光栅沿x轴（例如水平方 向）自左向右移动时，莫尔条 纹的亮带和暗带将顺序自下而 上不断地掠过光敏元件（在演

21、 示中就是我们的眼睛）。光敏 元件“观察”到莫尔条纹的光 强变化近似于正弦波变化。光 栅移动一个栅距P，光强变化一 个周期。 由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅 距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距 时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式： sinPB 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。 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动 时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂 直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动

22、。在图中，当 指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。 3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随 着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，B越大，相 当于把微小的栅距P扩大了 倍。由此可见，计量光栅起 到光学放大器的作用。 sin/ 1 W W BC ABBH 2 4 2 2 sin 22 放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小, , B B越大。越大。 例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.1=0.1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432rad W=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592m

23、m。 例，对25线/mm的长光栅而言，P0.04mm，若=0.016rad， 则B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨 0.04mm的间隔。 计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的 安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸， 否则光敏元件无法分辨光强的变化。 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如， 采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x mm（也就是移过了 100 x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也 是100 x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏 元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知 道移动

24、的实际距离了。 光电传感器输出信号波形光电传感器输出信号波形 当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应 照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期 变化，其输出波形如图：变化，其输出波形如图： 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 一个栅距内变化的余弦

25、函数，每一周期对应一个栅距。一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。 但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题： 辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向； 精度低；分辨力只为一个栅距精度低；分辨力只为一个栅距P。 辨向原理：辨向原理： 用两个光电元件相距用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差安装（相当于相差90空间角，空间角， B: 2=B/4: /2），如图所示，可以解决辨向问题。），如图所示，可以解决辨向问题。 当条纹上移时，当条纹上移时，V2落后于落后于V1 90。 当条纹

26、下移时，当条纹下移时，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之间的相位关系可以之间的相位关系可以 判别运动方向。判别运动方向。 细分技术细分技术（解决精度问题）（解决精度问题） 当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移 测量时，最小分辨力为测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高个栅距。为了提高测量的精度，提高 分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在 双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信

27、号进行细分， 其电路框图如图所示。其电路框图如图所示。 4 B 代表性产品：代表性产品： 德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）： 封闭式：量程封闭式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m 开放式：量程开放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m 开放式：量程开放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm 英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m 中国长春光机所：中国长春光机所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 m 脉冲激光测距的工作原理脉冲激光测距的工作原理 2/ tcD 脉 冲

28、 激 光 测 距 仪 发射系统 接收系统 接收光学系统 光电探测器 低噪声宽带放大器 整形电路 门控电路 时钟脉冲振荡器 计数显示器 激光器：LD，ND：YAG（调（调Q/锁模）锁模） 电源 发射望远系统 物镜 小孔光阑 干涉滤光片 取样器 激光器 测器 光电检 时钟振荡器电子门计数器 控制电路 放大电路 整形电路 复原电路 发射光束 回波光束 启动按钮 小孔光阑 干涉滤光片 脉冲测距仪原理方块图 它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲 振荡器以及计数显示电路等组成. 2/ncD 测距用的调制光波形如图所示， 若其调制频率为f，光速为c，则 波长可由式=c/f 求出。光波每前进一个波长相 当于相位变化了2则距离D可表 示为： 2 , nnND 发射 接收 回波 强调制 正弦光 棱镜 合作目标 0 D D 测距时，调制激光照在合 作目标上，被反回接收经光 电转换后得到相同的电信号， 与光源的驱动电压相比较， 测得相位差，由相位差可算 得所测距离。 nNLnND s 2