光电测量教程

1、 光电检测技术 教案 章 节： 第一章 光电检测技术绪论 （一） 第一节 信息技术与光电检测 第二节 光电检测与光电传感器概念第三节 光电检测系统组成和特点第四节 光电检测应用发展趋势 教学任务：使学生了解检测技术的含义，检测技术的发展方向；掌握光电检测系统组成和特点；了解光电检测应用发展趋势。 重点及难点：光电检测系统组成 光电检测方法 教学内容提要：1、 光电检测的含义、作用和地位；2、 光电检测与光电传感器概念，及光电传感器种类；3、 光电检测系统组成，及光源和光调制器件4、 应用发展趋势 复习思考题、作业： 举例说明你所知道的一个光电检测系统的工作原理。 参考书：光电检测技术与应用，郭

2、培源，付杨编著，北京航空航天大学出版社，2006年光电检测技术，曾光宇，张志伟，张存林主编，清华大学出版社，2005年第一章 绪论 1-1第一节 信息技术与光电检测物质、能量和信息是人类发展三大基本要素；物质是基础，世界是由物质组成的；能量是一切物质运动的动力，如果没有能量，物质就无法运动；信息是客观世界与主观世界认识就无法进行沟通，就无法对客观世界认知。信息作用于物质和能量之间，使人类能够更好地认识物质和能量之间的关系，物质、能量和信息的紧密结合构成了丰富多彩的大千世界。信息技术是一种综合技术，包括四个基本的内容，即感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。感测技术：包括传感技术和

3、测量技术以及遥感、遥测技术；它使人类能更好地从外部世界获取各种有用的信息；通信技术：它的作用是传递、交换和分配信息，可以消除或克服空间上的限制，使人们更有效地利用信息资源。人工智能与计算机技术：使人类能更好地加工和再生信息。控制技术：它的作用是根据输入的指令，对外部事务的运动状态实施干预。因此一切与信息收集、加工、存储、传输有关的各种技术可称为信息技术。光电信息技术是将电子学与光学浑然一体的技术，是涉及光与电子相互作用，及其相互作用应用的技术。广义上讲，光电信息技术就是在光频段的微电子技术，它将光学技术和电子技术结合实现信息的获取、加工、存储、传输、控制、处理、显示。它将光的快速与电子信息处理

4、的方便、快速相结合，因而具有许多无可比拟的优点。光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，是利用光电传感器实现各类检测，即将被测量换成光学量，再将光学量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息处理技术，最后完成对各类物理量进行在线和自动监测。1-2第二节 光电检测与光电传感器概念 1-2-1 检测和测量的概念检测：是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被侧参数量是否合格或参数量是否存在。 测量：是将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出来这个倍数的过程。 测量有两种方式，即直接测量和间接测量。 直接测量：是对被测量进行测量

5、时，对仪表读数不经过任何运算，直接得出被测量的数值。例如，用温度计测量温度，用万用表测量电压。 间接测量：是测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系式计算出被测量的数值。例如，利用功率、电流、电压三者的关系，通过测量电流和电压，经过计算电流和电压乘积得到功率。 1-2-2 光电传感器光电传感器是基于光电效应，将光信号转化为电信号俄一种传感器。光电传感器主要有光电二极管、光敏电阻、光电耦合器、集成光电传感器、光电池、图像传感器等。光电传感器种类光电传感器实例PN结PN光电二极管（Si，Ge， GaAs）PIN光电二极管（材料采用Si）雪崩光电二极管（Si，Ge）光电晶体管（光电达林顿管）集成光

6、电传感器和光电晶闸管非PN结光电元件（CdS,CdSe,Se,PbS）热电元件（PZT,LiTaO3,PbTiO3）电子管类光电管、摄像管、光电倍增管其它色敏传感器（材料采用Si）固体图像传感器（CCD，MOS）位置检测用元件PSD（Si材料）1-3第三节 光电检测系统组成和特点 1-3-1 光电检测系统组成光电检测系统的基本模型为光发射机光学信道光接收机图1 光电检测系统的基本模型光电系统通常分为主动式和被动式两类，在主动式光电系统中，光发射机主要由光源和调制器构成；在被动式光电系统中，光发射机为被检测物体的热辐射发射。光学信道和光接收机对两者是完全相同的。所谓光学信道主要指大气、空间、水下

7、、光纤。光接收机是用于收集入射光信号并加以处理、恢复光载波的信息，基本模型如下，包括三个模块，图2 光接收机的基本模型接收光学系统光电检测器后续检测处理接收到的光场第一部分是接收机的前端，通常包括一些聚光部件；第二部分是光电检测器，第三部分是后续检测信号处理器。接收光学系统把接收到的光信号进行滤波和聚焦，使其入射到光电检测器上。光电检测器把光信号转化成为电信号。后续检测信号处理器完成必要的信号放大，信号调理及滤波处理，以便从检测器的输出中恢复所需要的信息。图3 直接检测接收机光电检测器聚焦光场空间滤波接收到的光场聚光系统示意图接收机分为两种基本类型，即功率检测接收机和外差接收机。功率检测接收机

8、也称作直接检测接收机或非相干接收机，如图所示，接收光学系统和光电检测器用于检测所收集到是到达光接收机的光场瞬间光功率。这种方式是最简单的一种方式，只要传输信息存在于接收光场的功率变化中，就可以采用这种接收机。光电检测器本地光源接收到的光场聚焦系统准直系统合成镜外差接收机的前端如图所示，本地产生的光波场与接收到的光波场经前端镜面加以合成，然后由光电检测器检测这一合成的光波。外差式接收机可以接收以幅度调制、频率调制、相位调制方式传输的信息。外差接收机实现起来比较困难，它对两个待合成的光场在空间相干性方面有严格的要求。因此，外差接收机通常也称作为空间相干接收机。图4 外差检测接收机示意图工作过程为下

9、图，即光电系统框图。该系统中，光是信息传递的媒介，它是由光源产生。光源与照明光学系统一起获得测量所需要的光载波，如激光、平行光照明等。光载波与被测对象相互作用而将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。光学变换可用各种调制方法来实现。光学变换后的光载波上载荷有各种被测信息，成为光信息。光信息经过光电器件实现由光向电的信息转换。然后被测信息就可用各种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步运算，直接显示或存储，或者去控制相应的装置。光学变换与光电转换是光电测光源光学系统被测对象光学变换光电转换电信信号处理存储显示控制量核心部分。图5 光电系统框图光电探测系统噪声一般

10、可以分为三类，如图所示。光子噪声，包括信号辐射产生的噪声、背景辐射产生的噪声。探测器噪声，包括热噪声、三粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声。信号处理前放显示光子噪声探测器噪声信号放大及处理电路噪声探测器目标背景信号放大和处理的电噪声。图6 光电探测系统噪声分布图降低光电检测噪声的方法中调制解调技术经常被使用，分为光源调制方式和外调制方式（光路调制方式）。光源调制方式是将调制信号加载到光源驱动中，对光源进行调制。外调制方式是在光源光束出射光路上外加光调制器进行调制，外加光调制器包括声光调制器、电光调制器、机械斩波器等。下图为光源调制方调制光源光学系统光电探测器前置放大带通滤波相关器低通

11、滤波相位调整待测量输出参考信号锁相放大器式光电检测系统图。图7 光源调制方式光电检测系统图 1-3-2 光电检测中的常用光源一切能够产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等。人造光源是人为将各种形式的能量（如热能、电能、化学能）转化为光辐射的器件，其中，利用利用电能产生光辐射的器件成为电光源。图8 电光源的一种光电二极管一般根据输出光束相干性，将光源分成相干光源和非相干光源，如图所示，按照发光机理，光源也可分为热辐射光源、气体气体激光器固体激光器染料激光器半导体激光器等离子体激光器非线性光学器件激光相干光源发光光源、固体发光光源和激光器

12、。太阳气体放电灯、荧光灯白炽灯黑体辐射器照明光源非相干光源阴极射线管等离子体管荧光显示器液晶显示器场致发光显示器发光二极管信息处理光源显示光源图9 相干光源种类图10 非相干光源种类非相干光源中的气体放电灯种类较多，形状丰富，如图所示。利用通过其中的电流作用使气体发生光辐射的原理，气体放电的电致发光原理制成。图11 气体放电灯部分种类20世纪50年代美国科学家汤斯（Townes）和苏联科学家普罗克霍洛夫（Prokhorov）等人发明了一种低噪声微波放大器，这是一种受激发射微波的放大器，在1958年这两位科学家又提出在一定条件下，可将受激微波辐射原理推广到光波段。在1960年7月，梅曼（Maim

13、an）宣布了第一台红宝石激光器的诞生。这无疑是光学史上，也是科学史上重大的事件。三位科学家因此获得了1964年诺贝尔奖。继第一台激光器诞生至今，激光器发展迅速，成功使用的激光器达数百种。激光器具有单色性好、相干性好、功率密度大、亮度高、发散角小等优点，是很好的光电检测光源。下图为高功率激光器（军用激光武器）。图12 军用激光器（作为武器使用） 1-3-3 光电检测中的常用光调制器光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。光调制的目的是：去背景信号，去噪声，抗干扰。调制类型包括强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。光调制分为两类：内调制

14、和外调制。外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数(强度，频率等)。光电检测中的常用光调制器有调制盘、声光调制器、电光调制器。a) 调制盘，又称斩波器。在圆形板上由透明和不透明的扇形区构成。可以实现强度调制，强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。下图为一种调制盘。当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期

15、性的变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。图13 一种调制盘下图调制板在不同径向距离上具有不同的调制频率，靠近中心的调制频率较低，右图是此调制版使用时信号示意图。图14 一种调制盘及调制信号示意图b) 声光调制器声波是一种纵向机械应力波(弹性波)。若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，其光栅的栅距（光栅常数）即为声波波长。当一束平行光束通过声光介质时，光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向，并使光强在空间作重新分布。衍射光的强度，频率和方向将随超

16、声场而变化。声光调制器就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。声光调制是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器。声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅（PM）、氧化碲等，后者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。图15 声光调制原理声光调制技术比光源的直接调制技术有高得多的调制频率；与电光调制技术相比，它有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格；与机械调制方式相比，它有更小的体积、重量和更好的输出波形。图16 一个国产声光调制器外型c) 电光调制器电光调制是指利用晶体的电光效应，通过控制外

17、电场来改变晶体折射率或双折率，从而改变输出光波的相位或强度（振幅），通常称为相位调制和强度（或振幅）调制。电光调制器是利用某些晶体材料在外加电场的作用下所产生的电光效应而制成的器件。常用的有两种方式：一种是加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称纵向电光效应（也称为纵向运用）；另一种是通光方向与所加电场方向相垂直，称横向电光效应（也称为横向运用）。电光调制器常见有硅基电光调制器和铌酸锂（LiNbo3）电光调制器。硅基电光调制器按结构分为：PIN结构型、双极场效应管结构型、金属氧化物半导体结构。（1）PIN结构：通过PIN结构的正偏或反偏来实现载流子的注入或耗尽。其特点是制作工艺较简单，集成度差，

18、响应频率较低，从几百kHz到几MHz。如果截面做得小，则调制频率可达几十兆赫兹甚至更高。其结构如图所示。图17 PIN结构调制臂截面（2）双极场效应管结构（BMFET）：通过对端电压的控制来实现载流子的注入或耗尽。工艺较PIN复杂，响应频率较高，从几MHz到几十MHz。其截面示意如图所示。图18 BMFET结构调制器调制臂截面示意图（3）金属氧化物半导体结构（MOS）：通过对栅电压的控制来实现载流子的注入或耗尽。制作工艺较复杂，器件尺寸较长，厘米量级，偏振相关性较大。调制频率高，超过16Hz。其截面示意图如图3所示。图19 MOS结构调制器调制臂截面在光波导电光调制中，实现强度调制的一种方法是对两束光波中的一路（或两路）进行相位调制，再使两束光干涉，从而把相位调制转化为强度调制。在空间光调制器中，最常见的振幅（或强度）调制方法是通过改变晶体双折率，进而改变光波偏振态，再配合适当的检偏器,从而实现振幅（或强度）调制的。换句话说，通过检偏器把偏振调制转化为强度调制。下图为纵向电光效应振幅调制光路示意图。图20 纵向电光效应振幅调制光路示意图下图为典型的利用电光晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器示意图。其中起偏器的偏震方向平行于电光晶体x轴，检偏器的偏震方向平行于y轴。因此入射光经起偏器后偏震方向变为振荡方向平行于x轴的线偏震光，它在晶体的感应