光电信号检测课件

绪论1.1資訊技術及光電檢測技術1.2光電檢測與光電感測器概念1.3光電檢測系統的組成及特點1.4光電檢測方法及應用發展趨勢1.1資訊技術及光電檢測技術資訊技術：微電子技術、光子資訊技術和光電資訊技術傳統的電子技術微電子技術光子資訊技術光電資訊技術微電子技術：通過控制固體內電子的微觀運動來實現對資訊的加工處理，並在固體的微區（小到幾個晶格）內進行，將一個電子功能部件甚至一個系統集成在一個很小的晶片上。光子資訊技術：以光集成技術為核心的有關光學元器件製造的應用技術，利用傳統工藝將有源和無源光學器件集成在一起，構成能完成光學資訊採集處理和存儲等功能的系統光電資訊技術：光與電子轉換及其應用技術，光頻段微電子技術。光電檢測技術：利用光電感測器實現各類檢測，即將被測量量轉換成光通量，再將光通量轉換成電通量，並綜合利用資訊傳輸技術和資訊處理技術，最終完成對各類物理量進行線上和自動檢測。傳統的電子技術微電子技術光子資訊技術光電資訊技術光電檢測技術1.2光電檢測與光電感測器概念1、檢測與測量檢測：通過一定的物理方式，分辨出被測參量並歸屬到某一範圍帶，以此來判別被測參數是否合格或是否存在。測量：將被測的未知量與同性質的標準量比較，確定被測量對標準量的倍數，並通過數字表示出這個倍數的過程。測量方式：直接測量：溫度計，電壓表間接測量：由電壓和電流數值，通過關係計算出功率

2、光電感測器與敏感器的概念傳感器非電量電量（確定對應關係）光電感測器能量控制型---有源感測器：光敏電阻，光電二極體三極管能量轉換型---無源感測器：光電池2、光電感測器與敏感器的概念敏感器光電感測器---光電效應：將光信號轉換為電信號（確定對應關係）可測非電量電量光電感測器被測非電量敏感器1.3光電檢測系統的組成及特點一般電子檢測系統感測器信號變換器輸出環節感測器：從被測對象中提取被測信號，轉化成便於測量的電參數信號變換電路：完成信號的轉換、濾波和放大一般光電系統光發射機光學通道光接收機光發射機：分為主動式和被動式

主動式：光源（或加調製器）被動式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發射光學通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機：收集入射的光信號並加以處理，恢復光載波資訊光接收機的基本結構接收到的光場接收透鏡系統光電檢測器後繼檢測處理器接收透鏡系統：對光信號進行濾波、聚焦，入射到光檢測器上光電檢測器：完成光電信號的轉換檢測處理電路：完成電信號的放大、調理及濾波，恢復信號。光接收機的分類功率檢測接收機—直接檢測或非相干檢測

外差檢測接收機—相干檢測（空間相干）光接收機的分類圖示透鏡光電檢測器接收到的光場空間濾波器頻率濾波器直接檢測接收機外差檢測接收機合束鏡光電檢測器接收到的光場本地雷射器本地光場聚焦光場透鏡光電系統框圖光源光學系統被測對象光學變換光電轉換電信號處理存儲顯示控制光學變換：通過各種光學元件和光學系統，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統等來實現，作用是將被測量轉換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態，傳播方向變化等）。光電轉換：由各種光電器件來實現，如光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光電系統的分類1、光電系統的分類：廣義的光電系統包括兩個分支，即光電能量系統、光電資訊系統

（1）光電能量系統：太陽能發電、鐳射加工、鐳射醫療、鐳射核聚變等。主要是解決有關大功率光輻射能量的產生、控制、利用及向其他能量形式的轉換。（2）光電資訊系統：以光輻射和電子流為資訊載體，通過光電或電光相互轉換，綜合利用光學或電子學的方法進行資訊的傳輸、採集、處理、存儲或顯示、以實現確定目標的混合系統，簡稱光電系統。2、光電系統大致可分作下列幾種類型。

（1）光-電型（應用最廣泛）：被測量對象經過光機系統產生光信號，其通過光電轉換成電信號進入電子系統，光學儀器的自動化常採用這種方式。若經AD轉換，進一步傳輸到電腦處理，可組成部分代替人的視覺和思維活動的機器視覺系統。例如：智能化的工業線上檢測。（2）光-電-光型：

由光機系統採集到的光信號通過光電轉換（A/D）成電信號，經電信號處理後再經過電光變換形成光信號輸出。例如：電視技術中的攝像管，顯像管以及聲像光碟的錄製和再現都是這類系統的代表。（3）電-光-電型：電信號經過電光變換得到可在光路中傳輸的光信號，在經過光電變換為電信號後作進一步處理或輸出。典型應用如光纖通訊，其主要利用光纖對光信號進行傳輸。像光纖立靶的應用。

（4）光電混合型：其主要特點是使傳統光路實現光路器件的“有源化”和封閉的光束網路，例如光導纖維、空間調製器等。這將最終組成有源可控的光學系統和集成光路。和現有的無源光路比較，這是光學技術的根本變革。（5）電光混合型這種系統的目標是將電路系統元器件的功能用光學方法來實現，即所謂的電路元件的“光子化”，例如光學電晶體和光學雙穩態器件等，目前許多單元器件已相繼問世或正在研製中。後兩種光電系統是光電技術未來的發展方向，其中的光電混合式或全光學式的光學電腦是這些系統最有吸引力的發展目標。

通過上面的學習我們可以看出，光電系統的共同特點是通過光電檢測——所有被研究的資訊都將通過各種效應（機、熱、聲、電、磁）調製到光載波上，然後將攜帶被研究的資訊光載波轉換為電信號，並通過電子線路和電腦的綜合處理，實現光學儀器的自動化。因此，光電檢測作為光電系統的一種共性技術具有重要的意義。所謂光電檢測，指的是對光信號的調製變換和接收解調兩個主要方面。

高精度。各種檢測技術中最高。如鐳射干涉儀法檢測長度的精度達0.05um/m；光柵莫爾條紋法測角可達0.04秒；用鐳射測距法測量地球到月球之間距離解析度可達1m。高速度。光電檢測以光為介質，用光學方法獲取和傳遞資訊是最快的。遠距離，大量程。光便於遠距離傳播的介質，適於遙控和遙測，如武器制導，光電跟蹤，電視遙測等。非接觸檢測。光照可認為是沒有測量力的，也無磨擦，可實現動態測量，效率最高。壽命長。光波可永久使用。具有很強的資訊處理和運算能力。可將複雜資訊並行處理。。同時光電方法還便於資訊控制和存儲，易於實現自動化和智能化。光電檢測技術的特點瞭解並掌握典型的光電器件的原理和特點，會正確選用光電器件。學會根據光電器件的特點選擇和設計光電檢測電路和有關參數。能根據被測對象的要求，設計光電檢測系統。光電檢測技術的學習要求：1.4光電檢測方法及應用發展趨勢光電感測器的類型根據光源、光學系統和光電轉換器件放置位置的不同，可分為：直射型：光電轉換器對著光源放置，光軸重合，對於光源為發射光通量最大方向，對於光電器件為靈敏度最高的方向。反射型：分為單向反射和漫反射輻射型：被測物體本身為一輻射源，光電檢測器通過接收被測物體的輻射光能量實現測量。光電檢測的基本方法根據檢測原理，基本方法：

直接作用法、差動測量法、補償測量法和脈衝測量法I、直接作用法：受被測物理量控制的光通量，經光電接收器轉換後由檢測機構可直接得到所求被測物理量。被測物理量光通量光電感測器放大、定標直接讀數光電系統的基本模型II、差動測量法：利用被測量與某一標準量相比較，所得差或數值比可反應被測量的大小，放大相敏檢波器uACREUL調製盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1雙光路差動測量法測量物體長度工作原理：Φ1=Φ2時，U=0ΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦ1>Φ2時，工件尺寸變小

U=S*(Φ1-Φ2)=S*ΔΦΦ1<Φ2時，工件尺寸變大

U=S*(Φ1-Φ2)=-S*ΔΦ說明：測量值的大小決定了U的幅值，測量值的正負決定於U的相位，可通過相敏檢波器得到。測量值U的幅值工件大小相敏檢測器：核心是由一個乘法器和一個濾波器，如圖一路為信號us，另一路為uR。ui=us=Eisin(ω1t+θ1),uR=ERsin(ω2t+θ2),濾波器ui或usu0uRu0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2)-1/2gEiERcos(2π(f1+f2)t+θ1+θ2]濾去高頻信號後，u0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]如f1=f2，則u0=1/2gEiERcos(θ1-θ2)=1/2gEiERcosΔθ特性分析：

Δθ=0，則u0輸出為正，

Δθ=π，則u0輸出為負。相敏檢波器用途：可用來測幅，測相，還可高頻信號變成中頻信號（差頻信號）雙光路外差檢測特點：

雙光路可消除雜散光、光源波動、溫度變化和電源電壓波動帶來的測量誤差，使測量精度和靈敏度大大提高。III、補償測量法：原理：是用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化，補償器的可動元件連接讀數裝置指示出補償量值，其大小反應被測量變化大小。例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動，使Φ1-Φ2=0，光楔移動與讀數機構相連，讀數反映光通量的變化量，即被測值。放大相敏檢波器uACREUL調製盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1移動控制及讀數顯示IV、脈衝測量法：原理：測量中將被測量的光通量轉換成電脈衝，其參數（脈寬，相位，頻率，脈衝數量等）反映被測量的大小。1、脈寬方法測長度：測量關係式：

L=v*t=v*k*N=K*Nk---高頻脈衝時間當量K---長度當量N---計數器值高頻脈衝可取自電動機或轉動輪上脈衝，消除不勻速帶來的誤差。vnR1ER2高頻脈衝N計數器2、頻率法測速：在轉動輪上均勻貼有反射片，光電感測器可接收與轉速相對應的光脈衝，m為反光片數，n為每分鐘轉速，則：f=n*m/60=N/t；即轉速可以由此得到：n=60N/m*t控制時間tRE放大整形N計數脈衝測量法特點：抗干擾性能好，精度高，直接與電腦相連，易於實現線上測量和自動化控制。光電感測器的發展趨勢發展納米、亞納米高精度的光電測量新技術。發展小型的、快速的微型光、機、電檢測系統。非接觸、快速線上測量，以滿足快速增長的經濟需要。向微空間三維測量技術和大空間三維測量技術發展。發展閉環控制的光電檢測系統，實現光電測量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領域發展。發展光電跟蹤與光電掃描技術，如遠距離的遙控，遙測技術，鐳射制導，飛行物自動跟蹤，複雜形體自動掃描測量等。思考題及作業1、如何實現非電量的測量，舉例說明。

2、電子計數器如何實現既能測量頻率又能測量週期?為什麼要通過測量週期方法來測量低頻信號的頻率

半導體光電檢測器件及應用3.1光敏電阻利用具有光電導效應的材料（如Si、Ge等本征半導體與雜質半導體，如CdS、CdSe、PbO）可以製成電導率隨入射光輻射量變化而變化的器件，這類器件被稱為光電導器件或光敏電阻。結構特點：體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜回應範圍寬，廣泛應用於微弱輻射信號的檢測技術領域。3.1.1、光敏電阻的結構及工作原理UbbIpIp金屬電極光電導材料入射光光敏電阻原理及符號光敏電阻符號工作原理UIp電極入射光當入射光子使半導體物質中的電子由價帶躍升到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，因此電阻顯著減小，電導增加，或連接電源和負載電阻，可輸出電信號，此時可得出光電導g與光電流I光的運算式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id工作原理光敏電阻按半導體材料的不同可分為本征型和雜質型兩種，本征型半導體光敏電阻常用於可見光長波段檢測，雜質型常用於紅外波段至遠紅外波段光輻射的檢測。光敏電阻設計的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，在強輻射作用下Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設計光敏電阻時，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。光敏電阻的基本結構12321-光電導材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導體膜工作性能特點：光譜回應範圍相當寬。可見光、紅外、遠紅外、紫外區域工作電流大，可達數毫安培。所測光電強度範圍寬，既可測弱光，也可測強光靈敏度高，光電增益可以大於1無選擇極性之分，使用方便。缺點：強光下光電線性度較差，弛豫時間過長，頻率特性差。光敏電阻的種類及應用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有機物。分紫外光、可見光、紅外及遠紅外敏感的光敏電阻。應用：照相機、光度計、光電自動控制、輻射測量、能量輻射、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術方面製成的光輻射接收器件。3.1.2、光敏電阻特性參數1、光電特性光敏電阻的光電流I光與輸入輻射照度有下列關係式：其中：I光為光電流，I光=IL-Id；

E為照度，γ為光照指數，與材料的入射強弱有關，對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；

U為光敏電阻兩端所加電壓，α為電壓指數，與光電導體和電極材料間接觸有關，歐姆接觸時α=1，非歐姆接觸時α=1.1-1.2Sg為光電導靈敏度，單位S/lxOI光ECdS的光電特性對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；為什麼？

光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此複合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）2、伏安特性（輸出特性）

一定光照下，光敏電阻的光電流與所加電壓關係即為伏安特性。3.1.2、光敏電阻特性參數允許的功耗線O10電壓V/VI光/mA510050100lx10lx250mW光敏電阻的伏安特性

光敏電阻為一純電阻，符合歐姆定律，曲線為直線。但對大多數半導體，電場強度超過時，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時就不成線性了。

3.1.2、光敏電阻特性參數3、溫度特性

光敏電阻為多數載流子導電的光電器件，具有複雜的溫度特性。不同材料的光敏電阻溫度特性不同。書25頁中圖3-5中為CdS和CdSe光敏電阻不同照度下的溫度特性曲線。可以看出溫度升高可以導致材料光電導率的下降。實際中往往採用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩定性。3.1.2、光敏電阻特性參數

換句話說，溫度的變化，引起溫度雜訊，導致光敏電阻靈敏度、光照特性、回應率等都發生變化。為了提高靈敏度，必須採用冷卻裝置，尤其是雜質型半導體對長波長紅外輻射檢測領域更為重要。溫度特性3.1.2、光敏電阻特性參數4、前曆效應

指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現象。即測試前光敏電阻所處狀態對光敏電阻特性的影響。

暗態前曆效應：指光敏電阻測試或工作前處於暗態，當它突然受到光照後光電流上升的快慢程度。一般地，工作電壓越低，光照度越低，則暗態前曆效應就越重，光電流上升越慢。1-黑暗放置3分鐘後

2-黑暗放置60分鐘後

3-黑暗放置24小時後

亮態前曆效應：光敏電阻測試或工作前已處於亮態，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現的一種滯後現象。3.1.2、光敏電阻特性參數前曆效應3.1.2、光敏電阻特性參數5、頻率特性

光敏電阻的時間常數較大，所以其上限頻率f上低，只有PbS光敏電阻的工作頻率特性達到幾千赫茲。當E=0.11lx時，光敏電阻tr=1.4s，

E=10lx時，光敏電阻tr=66mS,E=100lx時，光敏電阻tr=6mS。

同時，時間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關係。4123O1f/Hz相對輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS3.1.2、光敏電阻特性參數6、時間回應

光敏電阻的時間常數較大，慣性大，時間回應比其他光電器件差。頻率回應低。時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關係。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈衝10lx100lx3.1.2、光敏電阻特性參數7、光譜特性相對靈敏度與波長的關係可見光區光敏電阻的光譜特性

光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區，峰值波長在515～600nm之間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用於與人眼有關的儀器。3.1.2、光敏電阻特性參數光譜特性紅外區光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜回應、製造工藝、摻雜濃度和使用的環境溫度有關。1、常用光敏電阻CdS光敏電阻：峰值回應波長0.52um，摻銅或氯時峰值波長變長，光譜回應向紅外區延伸，其亮暗電導比在10lx照度上可達1011(一般約為106)，其時間常數與入射光強度有關，100lx下可達幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。PbS光敏電阻：回應波長在近紅外波段，室溫下回應波長可達3um，峰值探測率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺點主要是回應時間太長，室溫條件下100-300uS。內阻約為1MΩ，銻化銦（InSb）光敏電阻：長波限7.5um，內阻低（約50Ω），峰值探測率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。時間常數0.02uS。零度時探測率可提高2-3倍。碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻。其性能優良，最有前途的光敏電阻。不同的Cd組分比例，可實現1-3um,3-5um,8-14um的光譜範圍的探測。例如Hg0.8Cd0.2Te回應在大氣窗口8-14um，峰值波長10.6um，Hg0.72Cd0.28Te回應波長在3-5um.碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響應波長不同。主要用在8-10um波段探測，但探測率低，應用不廣泛。3.1.3、光敏電阻的應用電路2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應用電路RPURLULI

忽略暗電導Gd(暗電阻很大)：

G=Gp=SgE或G=SgΦ

即對R求導得到負號表示電阻是隨溫度的增加而減小。當光通量變化時，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI，即有：

即2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應用電路URLULI輸出電壓3.1.3、光敏電阻的應用電路1、火焰檢測報警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波長2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo快門按鈕驅動單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏電阻的應用電路2、照相機電子快門3、照明燈的光電控制電路3.1.3、光敏電阻的應用電路CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測光與控制執行控制3.1.4、光敏電阻使用的注意事項測光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。要防止光敏電阻受雜散光的影響。要防止使光敏電阻的電參數(電壓,功耗)超過允許值。根據不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般,數字資訊傳輸:亮電阻與暗電阻差別大，光照指數γ大的光敏電阻。模擬資訊傳輸:則以選用γ值小、線性特性好的光敏電阻。分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料矽光電池：光譜回應寬，頻率特性好硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力紫光電池：PN結非常薄：0.2-0.3µm,短波峰值600nm3.2光電池

光電池是一種利用光生伏特效應製成的不需加偏壓就能將光能轉化成電能的光電器件。3.2.1光電池的基本結構和工作原理1、金屬-半導體接觸型（硒光電池）基本結構2、PN結型幾個特徵：

1、柵狀電極

2、受光表面的保護膜

3、上、下電極的區分符號3.2.2矽光電池的特性參數1、光照特性伏安特性矽光電池工作在第四象限，若工作在反偏置狀態，則伏安特性將近伸到第三象限。由光電池的電流方程：

Rs很小，可忽略，上式變為：RsRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E1、光照特性3.2.2矽光電池的特性參數負載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當IL=0時一般Ip>>Is,

當RL=0時，Isc=Ip=Sg·E下麵看兩個關係：當E=0時1、Voc，Isc與E的關係：

當IL=0，RL=∞時一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

3.2.2矽光電池的特性參數用於光電池檢測當V=0，RL=0時，2、Isc與E和RL的關係：3.2.2矽光電池的特性參數RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

當RL=0時，

Isc=Ip=Sg·E

當RL不為0時RLVDIL

為什麼RL的增加會使光電流減小？光電池光照特性特徵：1、Voc與光照E成對數關係；典型值在0.45-0.6V。作電源時，轉化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc與E成線性關係，常用於光電池檢測，Isc典型值

35-45mA/cm2。2、RL越小，線性度越好，線性範圍越寬。3、光照增強到一定程度，光電流開始飽和，與負載電阻有關。負載電阻越大越容易飽和。3.2.2矽光電池的特性參數2、輸出特性3.2.2矽光電池的特性參數RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLVocILRMUL隨RL的增大而增大，直到接近飽和。RL小時IL趨近於短路電流Isc。在RL=RM時，有最大輸出功率，RM稱為最佳負載。光電池作為換能器件時要考慮最大輸出問題，跟入射光照度也有關。作為測量使用，光電池以電流使用。短路電流Isc與光照度成線性關係，RL的存在使IL隨光照度非線性的增加。RL增大，線性範圍越來越小。3、光譜特性3.2.2矽光電池的特性參數4、溫度特性3.2.2矽光電池的特性參數Voc具有負溫度係數，其值約為2-3mV/度。Isc具有正溫度係數，但隨溫度升高增長的比例很小，約為10-5-10-3mA/度總結：當光電池接收強光照時要考慮溫度升高的影響。如矽光電池不能超過200度。3.2.3矽光電池的應用1、光電池用作太陽能電池把光能直接轉化成電能，需要最大的輸出功率和轉化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、並聯組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛星、微波站等無輸電線路地區的電源供給。2、光電池用作檢測元件利用其光敏面大，頻率回應高，光電流與照度線性變化，適用於開關和線性測量等。光電池與外電路的連接方式3.2.3矽光電池的應用-10VVociC3DG62CR×21kΩ矽三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1kΩ光電池作緩變信號檢測時的的變換電路舉例矽三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3矽光電池的應用+_Δ∞VocRf2CR採用運算放大器的電路光電池的變換電路舉例1．太陽電池電源

太陽電池電源系統主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調節控制和阻塞二極體組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統框圖如圖。逆變器

交流負載

直流負載太陽能電池電源系統阻塞二極體

調節控制器太陽電池方陣(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

圖(a)為光電地構成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執行機構按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執行機構進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路BG2BG1+12VCJR1R2(b)光電開關

圖(b)所示電路為光電開關，多用於自動控制系統中。無光照時，系統處於某一工作狀態，如通態或斷態。當光電池受光照射時，產生較高的電動勢，只要光強大於某一設定的閾值，系統就改變工作狀態，達到開關目的。(c)光電池觸發電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖(c)為光電池觸發電路。當光電池受光照射時，使單穩態或雙穩態電路的狀態翻轉，改變其工作狀態或觸發器件(如可控矽)導通。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進行線性放大，然後帶動指示機構或二次儀錶進行讀數或記錄。

在實際應用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實現或自動控制的目的。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動控制器BG2BG3BG42CR光電二極體的分類：按材料分，光電二極體有矽、砷化鎵、銻化銦光電二極體等許多種。按結構分，有同質結與異質結之分。其中最典型的是同質結矽光電二極體。國產矽光電二極體按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極體只有兩條引線，而2DU系列光電二極體有三條引線。3.3光電二極體與光電三極管3.3光電二極體與光電三極管光電二極體與光電池的特性比較基本結構相同，由一個PN結；光電二極體的光敏面小，結面積小，頻率特性好，雖然光生電動勢相同,但光電流普遍比光電池小,為數微安。摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，矽光電二極體1012~1013/cm3，電阻率：光電池0.1-0.01Ω/cm，光電二極體1000Ω/cm。光電池零偏壓下工作，光電二極體反偏壓下工作。光電二極體的類型：矽、鍺、PIN、APD3.3光電二極體與光電三極管光電二極體的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號光電二極體的基本結構3.3光電二極體與光電三極管N環極前極N+N+P後極環型光電二極體的結構前級後級環級VARLhν等效電路光電二極體的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3加正向偏壓時，表現為單向導電性。作為光敏二極體使用時，需要加反向偏壓，當有光照時會產生光電流，且光電流遠大於反向飽和電流。反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極體的極間電容。反向偏壓較小時反向電壓達到一定值時。uiO暗電流E=200lxE=400lx光電二極體的光譜特性1、光敏二極體在較小負載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關係。2、光敏二極體的回應波長與GaAs鐳射管和發光二極體的波長一致，組合製作光電耦合器件。3、光電二極體結電容很小，頻率回應高，帶寬可達100kHz。光電二極體的溫度特性

光電二極體的溫度特性主要是指反向飽和電流對溫度的依賴性，暗電流對溫度的變化非常敏感。暗電流/mA1020305070T/ºC250504060光電二極體的典型應用電路應用電路EhνRLVoRL+EVohν光電二極體的典型應用電路電流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf電壓放大型PIN管是光電二極體中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中於本征層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。時間常數變小，頻帶變寬。PIN光電二極體P-SiN-SiI-SiPIN管結構示意圖特點：1、頻帶寬，可達10GHz。2、本征層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出範圍寬。3、由耗盡層寬度與外加電壓的關係可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，且集中在本征層，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。4、本征層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一晶片上並封裝成一個器件。

雪崩光電二極體是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極體。

這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近於反向擊穿電壓。結區內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。當電壓等於反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子回應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前回應速度最快的一種光電二極體。雜訊大是這種管子目前的一個主要缺點。由於雪崩反應是隨機的，所以它的雜訊較大，特別是工作電壓接近或等於反向擊穿電壓時，雜訊可增大到放大器的雜訊水準，以至無法使用。但由於APD的回應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。雪崩光電二極體(APD)

光电直接检测系统相干檢測，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶資訊，檢測時需要用光波相干原理。調製方法：光振幅調製、相位調製，頻率調製測量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠。非相干檢測，光源：非相干或相干光源原理：利用光強度攜帶資訊，將光強度轉換為電信號，解調電路檢出資訊。調製方法：光強度調製、偏振調製。直接檢測是一種簡單實用的方法。光外差檢測直接檢測光電檢測系統5.1光電直接檢測系統的基本工作原理光電直接檢測系統是將待光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器回應光輻射強度（幅度）並輸出相應的電流和電壓。檢測系統經光學天線或直接由檢測器接收光信號，前端還可經過頻率濾波和空間濾波等處理。強度調製器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發射機背景雜訊場接收機電路雜訊回收的資訊強度調製直接檢測模型5.1光電直接檢測系統的基本工作原理假定入射光信號電場為：5-1光場平均光功率為：表示的時間平均值；5-2光檢測器輸出電流為：稱為光電變換比例常數5-3光檢測器的平方律特性：光電流正比於光電場振幅的平方，電輸出功率正比於入射光功率的平方。5.1光電直接檢測系統的基本工作原理若光檢測器負載電阻RL，則光檢測器輸出電功率為：5-4如果入射光是調幅波，即其中d(t)為調製信號，可推導出光檢測器的輸出電流為:5-5式中第一項為直流項，若光檢測器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項，稱為包絡檢測。5-65.2光電直接檢測系統的基本特性5.2.1直接檢測系統的信噪比—衡量模擬系統好壞及靈敏度光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和雜訊功率，可表示為：5-7考慮到信號和雜訊的獨立性，有：5-8由信噪比定義，輸出功率信噪比為：5-95.2.1直接檢測系統的信噪比說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統不適用於輸入信噪比小於1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經過光電轉換，信噪比損失了3dB。實際應用中可以接受。可見，直接檢測方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號檢測。但這種方法簡單，易於實現，可靠性高，成本低，得到廣泛應用。(1)若，則有：5-10(2)若，則有：5-11在數字式光電系統中，雜訊對系統的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關。信噪比高，誤碼率低。由雜訊的概率分佈規律考慮“概率問題”來衡量。5.2.2直接檢測系統的檢測極限及趨近方法考慮直接檢測系統中存在的所有雜訊，則輸出雜訊總功率為：分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒雜訊。為負載電阻和放大器的熱雜訊之和。5-12輸出信噪比為：5-135.2.2直接檢測系統的檢測極限決定掃描熱檢測系統的理論極限①當熱雜訊是直接檢測系統的主要雜訊源時，直接檢測系統受熱雜訊限制，信噪比為：5-14②當散粒雜訊遠大於熱雜訊時，直接檢測系統受散粒雜訊限制，信噪比為：5-15③當背景雜訊是直接檢測系統的主要雜訊源時，直接檢測系統受背景雜訊限制，信噪比為：5-165.2.2直接檢測系統的檢測極限假定光波長λ=0.7µm，檢測器的量子效率η=1，測量帶寬Δf=1，由上式得到系統在量子極限下的最小可檢測功率為④當入射信號光波所引起的雜訊為直接檢測系統的主要雜訊源時，直接檢測系統受信號雜訊限制，這時信噪比為：5-17該式為直流檢測在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測系統的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效雜訊功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測系統理論上可測量的最小功率為：5-18在實際直接檢測系統中，很難達到量子極限檢測。實際系統總會有背景雜訊、檢測器和放大器的熱雜訊。背景限信噪比可以在鐳射檢測系統中實現，是因為鐳射光譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現背景限信噪比。系統趨近於量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測過程中利用光檢測器的內增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當倍增很大時，熱雜訊可忽略，同時加致冷、遮罩等措施減小暗電流及背景雜訊，光電倍增管可達到散粒雜訊限。在特殊條件下可趨近於量子限。但倍增管也會帶入雜訊，增益過程中使雜訊增加。在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力較高，採用有內部高增益的檢測器可使直接檢測系統趨近於檢測極限。對於光電導器件，主要雜訊為產生複合雜訊（極限散粒雜訊），光電導器件極限信噪比低，NEP較大。5.2.2直接檢測系統的檢測極限5.2.3直接檢測系統的視場角直接檢測系統視場角檢測器物鏡視場角表示系統能檢測到的空間範圍，是檢測系統的性能指標之一。對於檢測系統，被測物看作是在無窮遠處，且物方與像方介質相同。當檢測器位於焦平面上時，其半視場角為：或視場角立體角Ω為：從觀察角度講，希望視場角愈大愈好，即大檢測器面積或減小光學系統的焦距，但對檢測器會帶來不利影響：①增加檢測器面積意味著增大系統雜訊。因為對大多數檢測器，雜訊功率和麵積的平方根成正比。②減小焦距使系統的相對孔徑加大，引入系統背景輻射雜訊，使系統靈敏方式下降。因此在系統設計時，在檢測到信號的基礎上盡可能減小系統視場角。5-195.2.4系統的通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電檢測系統的重要指標之一。檢測系統要求Δf應保存原有信號的調製資訊，並使系統達到最大輸出功率信噪比。系統按傳遞信號能力，可有以下幾種方法確定系統頻帶寬度。對於輸入信號為矩形波時，通過不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統可以複現輸入信號波形，要求系統帶寬Δf：在輸入信號為調幅波時，一般情況下取頻帶寬度為其包絡（邊頻）頻率的2倍。如果是調頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬度，保證有足夠的邊頻分量通過系統。5-20等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬5.3直接檢測系統的距離方程光電檢測系統的靈敏度在不同的用途時，靈敏度的表達形式不同，在對地測距、搜索和跟蹤等系統中，通常用“檢測距離”來評價系統的靈敏度。對於其他系統的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測系統分為被動檢測和主動檢測系統，其距離方程不同。下麵分別進行推導。強度調製器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發射機背景雜訊場接收機電路雜訊回收的資訊1、被動檢測系統的距離方程被動檢測過程示意圖大氣傳播接收光學系統信號處理接收機接收資訊光電檢測被測目標設被測目標的光譜輻射強度為經大氣傳播後到達接收光學系統表面的光譜輻射照度為：入射到檢測器上的光譜功率為：根據目標輻射強度最大的波段範圍及所選取檢測器光譜回應範圍共同決定選取的λ1―λ2的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為：5-211、被動檢測系統的距離方程1、被動檢測系統的距離方程

都是波長的複雜函數，難有確切的解析運算式。通常作如下簡化處理：式中①取τ1λ為被測距離L在光譜回應範圍內的平均透過率τ1。②光學系統的透過率τ0λ對光譜回應範圍內平均值。③把檢測器的光譜回應帶看成是一個矩形帶寬。即在回應範圍內為常數RV，在其他區域為零。④根據物體的溫度T查表，可計算出在考查波段範圍內的黑體輻射強度，再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜回應範圍內的輻射強度Ie。將上述值代入5-22式，可得：令檢測器的方均根雜訊電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：5-225-23即：5-24又因為：5-25將上式代入5-24，可得：5-26式中Ad為檢測器面積；Δf為系統的帶寬；D*為檢測器的歸一化檢測度；AoIe=P0是入射到接收光學系統的平均功率。考慮到系統的調製特性，入射到探測器上的有效功率為：S(ω)為調製信號的功率譜為清楚地看出系統各部件對檢測距離的影響，把調製特性考慮為對入射功率的利用係數km，則上式改寫為：5-27第一個括弧是目標輻射特性及大氣透過率對檢測距離的影響；第二個括弧和第三個括弧表示光學系統及檢測器件特性對作用距離的影響；第四個括弧是資訊處理系統對作用距離的影響。大氣傳播接收光學系統信號處理接收機回收資訊光電檢測強度調製器發射光學系統光源信號發射機反射目標2、主動檢測距離方程主動檢測過程示意圖主動檢測系統的光源主要為鐳射光源。令其發射功率為Ps(λ)；發射束發散立體角為Ω；發射光學系統透過率為τ01(λ)，經調製的光能利用率為km，則發射機發射的功率PT(λ)為：鐳射在大氣中傳播時，能量若為按指數規律衰減，令衰減係數為k(λ)，經傳播距離L後光斑面積為SL=ΩL2，光斑SL的輻射照度Ee為：設在距光源L處有一目標，其反射面積為Sa。普通情況下把反射體看作是朗伯反射，即在半球內均勻反射，其反射係數為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強度Ie(λ)為：2、主動檢測距離方程假定接收機和發射機在一處，反射光經大氣傳輸到接收器的過程仍遵守指數規律衰減，衰減係數仍為k(λ)，則接收功率為：式中，D0為光學系統接收口徑；Ω’=πD02/4L2為接收系統的立體角。如果接收光學系統的透過率為τ02(λ)，則檢測器上接收到的總功率為：式中:檢測器上的輸出電壓為：式中：RV(λ)為檢測器相對光譜回應度，將5-25式代入上式得距離L為：如果目標反射面積Sa等於光斑照射面積ΩL2，則上式可化為：可知，影響檢測距離的因素很多，發射系統、接收系統的大氣特性以及目標反射特性都將影響檢測距離。在前面計算距離時，在被動檢測系統中，由於光譜範圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動檢測系統中，絕大多數系統是以鐳射做光源，鐳射光譜較窄，用衰減係數表示，其物理意義是等價的。5.4直接檢測系統的舉例計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極體，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續的透光區和不透光區。5.4.1莫爾條紋測長儀在檢測技術中常用的是計量光柵。計量光柵主要是利用光的透射和反射現象，常用於位移測量，有很高的分辨力，可優於0.1

m。黑白光柵莫爾條紋光柵原理

構成：主光柵---尺規光柵，定光柵；指示光柵---動光柵

計量光柵由尺規光柵（主光柵）和指示光柵組成，尺規光柵和指示光柵的刻線寬度和間距完全一樣。將指示光柵與尺規光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長光柵中標尺光柵固定不動，而指示光柵安裝在運動部件上，所以兩者之間可以形成相對運動。

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊和在一起，中間留有很小的間隙，並使兩者的柵線保持很小的夾角θ，光柵節距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由於相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是週期性函數。計量光柵這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋，條紋方向與刻線方向近似垂直。通常在光柵的適當位置安裝光敏元件，即可檢測到亮暗變化。

當指示光柵沿x軸（例如水準方向）自左向右移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強變化近似於正弦波變化。光柵移動一個柵距P，光強變化一個週期。由於光柵的刻線非常細微，很難分辨到底移動了多少個柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當光柵移動了一個節距時P，莫爾條紋移動了一個寬度B。且滿足關係式：

莫爾條紋有如下特徵：

1）平均效應：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

2）對應關係：當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。在圖中，當指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。

3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角θ而改變。θ越小，B越大，相當於把微小的柵距P擴大了倍。由此可見，計量光柵起到光學放大器的作用。例，對25線/mm的長光柵而言，P＝0.04mm，若θ=0.016rad，則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨0.04mm的間隔。

計量光柵的光學放大作用與安裝角度有關，而與兩光柵的安裝間隙無關。莫爾條紋的寬度必須大於光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強的變化。

4）莫爾條紋移過的條紋數與光柵移過的刻線數相等。例如，採用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（也就是移過了100×x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100×x條。由於莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別。將此莫爾條紋產生的電脈衝信號計數，就可知道移動的實際距離了。光電感測器輸出信號波形當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應照射在光電池上的光強度發生一個週期的變化，使輸出電信號週期變化，其輸出波形如圖：

由此可知，只要計算輸出電壓的週期數，便可測出位移量。從而實現了位移量向電量的轉換。在一個週期內，輸出波形的變化是位移在一個柵距內變化的余弦函數，每一週期對應一個柵距。但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題：

①辨向問題：用一個光電元件無法辨別運動方向；

②精度低；分辨力只為一個柵距P。辨向原理：

用兩個光電元件相距B/4安裝（相當於相差90°空間角，B:2π=B/4:π/2），如圖所示，可以解決辨向問題。

當條紋上移時，V2落後於V190°。當條紋下移時，V2超前於V190°。因此，由V1、V2之間的相位關係可以判別運動方向。細分技術（解決精度問題）當使用一個光電池通過判斷信號週期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎上，經過信號調節環節對信號進行細分，其電路框圖如圖所示。

莫爾條紋的應用莫爾條紋測長儀分長光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100，250條/mm。被廣泛地應用於：光柵數顯表光柵感測器在位置控制中的應用軸環式數顯表機械測長和數控機床中。

代表性產品：

德國Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開放式：量程1440mm，分辨力0.01m開放式：量程270mm

分辨力1nm英國Renishaw（雷尼紹）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國長春光機所：量程：1000mm分辨力：0.01m5.4.2鐳射測距儀1、脈衝鐳射測距儀脈衝鐳射測距利用了鐳射的發散角小，能量空間相對集中的優點。同時還利用了鐳射脈衝持續時間極短，能量在時間上相對集中的特點。因此暫態功率很大，—般可達兆瓦級。由於上述兩點，脈衝鐳射測距在有反射器的情況下，可以達到極遠的測程；進行近距離(幾公里)測量時，如果測量精度要求不高，不必使用反射器，利用被測目標對脈衝鐳射的反射取得反射信號，也可以進行測距。

在1處產生的鐳射，經過待測的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測的。如果在1處有一種裝置，它能夠測出脈衝鐳射從1處到達2處再返回1處所需要的時間t，則

式中c為光的傳播速度。脈衝鐳射測距的工作原理它由脈衝鐳射發射系統、接收系統、控制電路、時鐘脈衝振盪器以及計數顯示電路等組成.

由光電器件得到的電脈衝，經放大器以後，輸出一定形狀的負脈衝至控制電路。由參考信號產生的負脈衝A(圖(d))經控制電路去打開電子門。這時振盪頻率一定的時鐘振盪器產生的時鐘脈衝，可以通過電子門進入計數顯示電路，計時開始。當反射回來經整形後的測距信號B到來時，關閉電子門，計時停止。計數和顯示的脈衝數如圖(g)所示。從計時開始到計時停止的時間正比於參考信號與測距信號之間的時間。則被測距離為：2、相位鐳射測距儀測距用的調製光波形如圖所示，若其調製頻率為f，光速為c，則波長λ可由式λ=c/f求出。光波每前進一個波長λ相當於相位變化了2π則距離D可表示為：“光尺”測量距離原理圖測距時，調製鐳射照在合作目標上，被反回接收經光電轉換後得到相同的電信號，與光源的驅動電壓相比較，測得相位差，由相位差可算得所測距離。為了便於理解測距儀的測相系統對光波往返二倍距離後的相位移進行測量，圖中說明了光波在距離L上往返後的相位變化。如果設光波從A到A’點的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為φ，則由圖看出，被測距離為：

由上分析可知，如果測得光波相位移φ中2π的整數N和小數∆n，就可以確定出被測距離值，所以調製光波可以被認為是一把“光尺”，其波長λ就是相位式鐳射測距儀的“測尺”長度。式中當N等於0時，

Δφ可由檢相器檢出，得被測距離，但當N不等於0時，N的大小不能確定，出現測量誤差。目前的相位測距儀只可測相位尾數Δφ，不能求整週期數N，因此在測距離較長時，選用較低的測尺頻率便會有很大的誤差（多值解），而且由於儀器存在測量誤差，選用大的測尺長度愈大測距誤差越大。解決方法就是採用幾個精度不同的“光尺”配合使用。即除了基本測尺長度L外，再選一個或幾個輔助測尺Lsb，然後將各測尺的測距讀數組合起來得到單一的和準確的距離值。例如：選用兩把測尺，其中基本測尺Lsa=1000m，輔助尺Lsb=10m，可用它來測量某一段長度為386.57m。相位測距儀原理如圖採用兩個測尺，長度分別為10m和1000m，對應的精度分別為1cm和1m。取相應的頻率為f1=15MHz和f2=150kHz。

由開關依次控制發光二極體供電，發射測距信號，進行兩次測距。而最後比較驅動信號和光電二極體輸出信號的檢相器只能工作在較低頻率。因而需要將高頻電壓轉換到低頻電壓。所以在電路有又設兩個本振信號發生器，頻率分別為：與主振頻率分別通過基準和信號混頻器進行外差，輸出fC的低頻基準電壓和信號電壓。信號電壓和基準電壓都降為4kHz，但其相位仍保持高頻信號的相位。這兩個信號進入檢相電路檢出相位差，最後進入計算電路計算，將f1和f2兩次測量結果在計算電路綜合以後，顯示出來。為消除內部光學及電子學系統的誤差，在測量之前，把三角棱鏡放大發光二極體前面並對內光路測一次。然後再以後的測量結果中減去。即得到校正值。範圍：0.2~300m分辨力：3mm德國俫卡掌上型：範圍：0.2~200m分辨力：0.2mm美國bushwell單目軍用範圍：1000m分辨力：1m

光外差檢測系統光外差檢測與直接檢測系統相比，具有如下優點：測量精度高7-8個數量級；靈敏度達到量子雜訊極限，其NEP值可達10-20W。可用於光子計數。鐳射受大氣湍流效應影響嚴重，破壞了鐳射的相干性，所在外差檢測在大氣中應用受限，在外層空間已經達到實用階段。外差檢測在高頻（υ≥1016Hz）光波時不如直接檢測有用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測技術就可實現接近量子雜訊限的檢測。光外差檢測原理示意圖直接檢測系統中，檢測器檢測的光功率為平均光功率Pcp：顯然光波直接檢測只能測量其振幅值。光外差檢測原理如圖，兩束平行的相干光，經分光鏡和可變光闌入射到檢測器表面進行混頻，形成相干光場，經檢測器變換後，輸出信號包含差頻信號，故又稱相干檢測。6.1光外差檢測原理外差檢測實驗裝置圖如圖，光源經過穩頻的二氧化碳雷射器，由分束鏡把入射光分成兩路：一路經反射作為本振光波，頻率為fL，另一路經偏心輪反射，經聚焦到可變光闌上作為信號光束。偏心輪轉動相當於目標沿光波方向並有一運動速度，光的回波產生多普勒頻移，其頻率為fs。可變光闌用來限制兩光束射向光電檢測器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變為偏振方向相同的相干光，然後兩束光垂直投射到檢測器上。首先設入射到檢測器上的信號光場和本機振盪光場分別為：ν那麼，入射到檢測器上的總光場為：光檢測器的回應與光電場的平方成正比，所以光檢測器的光電流為：式中第一、二項為余弦函數平方的平均值，等於1/2。第三項為和頻項，頻率太高，光混頻器不回應，可略去，第四項為差頻項，頻率低得多，當差頻信號(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低於光檢測器的上限截止頻率時，檢測器就有頻率為ωC/2π的光電流輸出。如果把信號的測量限制在差頻的通常範圍內，則可以得到通過以ωC為中心頻率的帶通濾波器的暫態中頻電流為：中頻濾波器輸出端，暫態中頻信號電壓為：中頻輸出有效信號功率就是暫態中頻功率在中頻週期內的平均值，即：當ωL-ωs=0，即信號光頻率等於本振光頻率時，則暫態中頻電流為：這是外差探測的一種特殊形式，稱為零差探測。6.2光外差檢測特性6.2.1光外差檢測可獲得全部資訊外差檢測不僅可檢測振幅和強度調製的光信號，還可檢測頻率調製及相位調製的光信號。在直接檢測系統是不可能的。6.2.2光外差檢測轉換增益G高光外差檢測中頻輸出有效信號功率為：在直接檢測中，檢測器輸出電功率為：兩種方法得到的信號功率比G為：可知，在微弱光信號下，外差檢測更有用。6.2.4信噪比損失小6.2.3良好的濾波性能光外差檢測中，取信號處理器通頻帶為Δf=fL-fs，則只有此頻帶內的雜光可進入系統，對系統造成影響，而其他的雜光雜訊被濾掉。因此外差檢測系統不需濾光片，其效果也遠優於直接檢測系統。例：目標沿光束方向運動速度υ=0-15m/s，對於CO2鐳射信號，多普勒頻率fs為：通頻帶Δf1取為：而直接檢測加光譜濾光片時，設濾光片帶寬為1nm，所對應的帶寬，即通頻帶Δf2=3000MHz。可見，外差檢測對背景光有強抑制作用。

另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當不考慮檢測器本身雜訊影響，只包含輸入背景雜訊的情況下，外差檢測器的輸出信噪比等於輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失。6.2.5最小可檢測功率—內增益型光電檢測器件當本征功率PL足夠大時，本征散粒雜訊遠超過所有其他雜訊，則上式變為：內部增益為M的光外差檢測器輸出有效信號功率為：檢測系統中檢測器本身的散粒雜訊和熱雜訊是影響最大可難以消除的。則外差檢測輸出的散粒雜訊和熱雜訊表示為：功率信噪比為：這就是光外差檢測系統中所能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的量子檢測極限或量子雜訊限。引入最小可檢測功率（等效雜訊功率）NEP表示，在量子檢測極限下，光外差檢測的NEP值為：在光電直接檢測系統的量子極限為：這裏面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下得到，實際中無法實現量子極限的。而對於光外差檢測，利用足夠的本振光是容易實現的。總之，檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優點。6.2.5最小可檢測功率—內增益型光電檢測器件為克服由信號光引起的雜訊以外的所有其他雜訊，從而獲得高的轉換增益，增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒雜訊，本振功率越大，雜訊也越大，使檢測系統信噪比反而降低。因此，應合理選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉換增益。6.2.6光外差檢測系統對檢測器性能的要求外差檢測系統對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要求高得多，主要如下：回應頻帶寬。主要是因為採用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移的變化範圍寬，要求檢測器的回應範圍要寬，甚至達上千兆Hz。均勻性好。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號光束和本振盪光束發生相干產生差頻信號，為達到在光敏面不同區域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統的四象限列陣檢測器。工作溫度高。在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或空間應用時，要求選工作溫度高的檢測器。如HgCdTe紅外檢測器件。6.3影響光外差檢測靈敏度的因素在本節內容中，只考慮光外差檢測的空間條件和頻率條件對靈敏度的影響及改善方法。其他因素可參閱書籍。6.3.1光外差檢測的空間條件（空間調准）光外差檢測原理示意圖

信號光和本振光的波前在光檢測器光敏面上保持相同的相位關係，才得式：

實質上，由於光的波長比光檢測器面積小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所產生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關係。即要求信號光和本振光的波前是重合的。即是說必須保持信號光和本振光在空間上的角准直。下麵就考慮一下信號光與本振光皆為平面波時，波前不重合時對光外差檢測的影響。

設信號光束和本振光束之間夾角為θ，且信號光束的波陣面平行於光敏面時，如圖。6.3.1光外差檢測的空間條件（空間調准）設信號光束和本振光束的光場為：那麼本振光束到達光敏面時，在不同點x處有不同的波前，即不同的相位差。相位差等於光程差和波數之積。即：式中，，並認為折射率n=1。於是本振光波可表示為：則檢測器上x點的回應電流為則整個光敏面總回應電流為6.3.1光外差檢測的空間條件（空間調准）從式中可知，當時，即時，中頻電流i最大。即可得外差檢測的空間相位條件為：即：顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角θ愈小，愈難滿足外差檢測的要求。說明紅外光比可見光更易實現光外差檢測。例：本振光波長為1微米，檢測器光敏面長度為1mm，則θ<<0.32mrad（0.018度）。實驗證實，穩頻的CO2雷射器做外差檢測實驗，當θ<2.6mrad時，才能看到清晰的差頻信號。這個角度也被稱為失配角。光外差檢測原理示意圖如圖，要形成強的差頻信號，必須使信號光束和本振光束在空間准直得很好。背景雜散光來自各個方向，絕大部分的背景光不與本振光准直，即不產生明顯的差頻信號。因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景雜訊。具有很好的空間濾波性能。但是嚴格的空間條件也使調准兩光束比較困難。問：“如果兩光束是平行的，但與光檢測器呈一定角度時，對中頻電流有沒有影響”？解決方法；如圖結構稱為聚焦光束外差結構，即用聚焦透鏡降低空間准直要求。這種結構本質上相當於把不同傳播方向的信號光束集中在一起。

理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍射限，這時的失配角可由系統的視場角θr來決定。經過推導，失配角θr與透鏡，光敏面參數有如下關係：例：波長為1um，l為0.1mm（檢測器直徑），由上知失配角θ<<0.32mrad，如採用會聚透鏡，孔徑Dr=10cm(在光外差檢測系統中，作為接收天線的會聚透鏡，這個孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得視場角θr=1mrad。6.