光电探测与信号处理期末复习资料总结.doc

一、主要的光源（1）1、热辐射源 太阳白炽灯2、气体放电光源 汞灯 氙灯 空心极灯 氘灯 利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。由于这一过程中有些内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有下列共同的特点：（1）发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210倍，因此具有节能的特点；（2）结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；（3）寿命长。一般比白炽灯寿命长210倍；（4）光色适应性强，可在很大范围内变化。 3、固体发光源 场致发光:固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象，也称电致发光,其有三种形态：粉末场致发光源薄膜场致发光源结型场致发光源（二极管）LED的特性参数 (1)量子效率。发光二极管一般用量子效率来表示表征器件这一性能的参数就是外量子效率，表示如下，其中， NT为器件射出的光子数。4、激光器 1.气体激光器：氦-氖激光器、 氩离子激光器、 二氧化碳激光器2.固体激光器3.染料激光器4.半导体激光器（2）光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的色表。显色性：当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。光源选择的基本要求：光源发光强度，稳定性及其它方面的要求；光源发光光谱特性的要求。二、光电二极管1、正常运用时，光电二极管要加反向电压，Rsh很大，Rs很小，所以图b中的V、Rsh、Rs都可以不计，因而有图c的形式；图d又是从图c简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。因此多用图d和图c两种，截止波长2、主要的光电二极管 1、PN光电二极管 2、PIN光电二极管3、雪崩光电二极管(APD)3、PN光电二极管工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区，光吸收产生电子空穴对，在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。4、截止波长l5、量子效率：入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效三、光电倍增管（1）暗电流1.组成:热电子发射（光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因此，产生热电子发射）、极间漏电流、残余气体的离子发射、玻璃闪烁、场致发射。（在无光照射（暗室）情况下，光电倍增管加上工作电压后形成的电流称为暗电流。在光电倍增管阴极前面放一块闪烁体，便构成闪烁计数器。当闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线照射后，光电倍增管就有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般称为本底脉冲。 ）2.减少暗电流的方法:直流补偿,补偿电流为：Ib=VcR2/(R1+R2)R3，一般R3R1、R2选频和锁相放大致冷：降低从光电阴极和倍增极来的热发射电子电磁屏蔽法及磁场散焦法（2）噪声主要有:光电器件本身的散粒噪声,闪烁噪声及负载电阻的热噪声等（3）选择电阻的标准：1、在频率响应要求高的情况下，负载电阻小些2、当输出信号的线性要求高：负载电阻使信号电流在它上面产生的压降在几伏以下3、负载电阻应比放大器的输入阻抗小的多（4）R f下降到R0的0.707倍，频率fc为探测器的截止响应频率四、光敏电阻（1）原理：利用的是光电导效应，即材料（或器件）受到光辐射后，材料（或器件）的电导率发生变化（2）减小噪声的方法：1、 红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的2、制冷可降低热噪声；3、恰当的偏置电路，可使信噪比最大。（3）光敏电阻噪声：温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度，光照特性，响应率等都发生变化。五、光电耦合器件（CCD） （1）设所用的CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13m，计数器计数为N，则细丝直径D为：D13（N0-N） （2）CCD摄像机使用面阵CCD。CCD摄像机完成摄像经历过程的可以简述如下：A、曝光 B、光生电荷平移到移位寄存器C、移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号 D、形成全电视信号六、 热探测器（1）探测光辐射包括两个过程：1吸收光辐射能量后，探测器的温度升高2把温度升高所引起的物理特性的变化转变成电信号（2）维恩位移定律 热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长 与物体自身的绝对温度T成以下关系m=2897(mk)（3）两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应（4）热敏电阻 是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的 分类 1、正温度系数热敏电阻器（PTC）2、负温度系数热敏电阻器（NTC）3、突变型负温度系数热敏电阻器（CTR)七、调制及测量系统（1）主要的调制方式一、调制盘二、莫尔条纹三、声光调制四、电光调制（2）调制盘最基本作用：把恒定的辐射通量变成周期性重复的光辐射通量 作用主要有如下三点：1、提供目标的空间方位；2、进行空间滤波以抑制背景干扰；3、抑制噪声与干扰以提高系统的检测性能。（3）莫尔条纹 1、其中V平均为平均输出电压，即直流分量或直流电平，Vp-p为峰峰值电压。如果以Y表示莫尔条纹的移动量，则有 Y=NBY+q ,其中，N为移动过检测点的莫尔条纹数的整数部分，BY为莫尔条纹宽度，q为莫尔条纹的小数部分。依据光栅移动量x与莫尔条纹移动量Y的关系，对莫尔条纹的直接测量，便可测得光栅的位移量x = Y/K = (1/K) (NBY + q)2、若光栅的空间周期P称为计量光栅；若P 则为衍射光栅。（4）声光衍射主要分为布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）衍射（超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度短）两种类型。前者通常声频较高，声光作用程较长；后者则反之。由于布拉格衍射效率较高，故一般声光器件主要工作在仅出现一级光（N=1）的布拉格区。满足布拉格衍射的条件是： 布拉格衍射：衍射角等于入射角。（5）电光调制 1、电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在电光效应方面主要以电致旋光效应、克尔效应（平方效应）和泡克耳效应（线性）来获得光偏振调制。电光调制器是利用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）2、典型的KDP晶体纵向电光调制器3、纵向调制与横向调制优缺点：纵向电光调制优点是结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响，不需进行补偿。其缺点是半波电压太高，功率损耗较大。 横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用 ,但由于存在着自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改变，往往使已调波发生畸变，常采用“组合调制器”来进行补偿4、光电技术探测系统 一、直接探测系统 所谓直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，根据不同系统的要求再经后续电路处理(如放大、滤波或各种信号变换电路)，最后获得有用的信号二、相干探测系统相干探测系统原理:当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂直人射到光混频器上时，假设一束是频率为vL的本振光，另一束是频率为vS的信号光，光混频器可在频率vL 、 vS、和频（ vL + vS ）差频(vL -vS)处产生输出八、显示器种类：LED,LCD（液晶）,CRT（阴极射线管）,PDP（等离子体）九、光电效应：物资吸收光子并激发出自由电子的行为。十、三极管：工作原理：三极管是电流放大器件有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例。基极到发射极是一个小电流输入回路，通过三极管来控制集电极到发射极的大电流输出回路，或者使这个放大的电流，流过一个负载或电阻，在其两端取得高的电压。与输入回路相比，电流和电压就都得到了放大。量子效率：电子对/入射光功率 烧孔效应：非均匀加宽气体激光器的增益曲线上 ，与中心频率对称的两个频率处下降的现象 。入射光变强后，通过受激发射使具有某一速度的气体分子的反转粒子数减少，表现为增益曲线在该激光频率处下降，形成一个“烧孔”，光强越大，“烧孔”越深。因为激光是在谐振腔内往返传播，使具有与上述速度大小相等、方向相反的气体分子的反转粒子数也减少。结果在增益曲线上出现两个对中心频率对称的“烧 孔”，这两部分的气体分子对激光都有贡献。兰姆凹陷是在气体激光器中，激光器工作频率靠近工作物质增益曲线的中心频率直到完全重合时，由于烧孔效应，使对激光有贡献的反转粒子数减少，从而使该激光器输出功率下降直到某一极小值的现象。阿贝成像: .入射光经物平面发生夫琅和费衍射,在透镜焦面(频谱面)上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在像面上相干叠加,形成像. 自动平移门 设计思路 使红外线传感器作为感应器，检测到人体辐射的红外线能量变化并转化为电信号，传送给单片机。交流电机作为门驱动装置，通过单片机控制交流电机自动打开。当人进入后可使门自动关闭。1）人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 2)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。相关器件热释电红外自动门主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和自动门电路等几部分组成。菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。待测目标光学系统（菲涅尔透镜）热释电红外传感器信号处理自动门控制电路1.光在大气中传播，将会使光速的能量衰减，其主要因素来源于大气衰减、 大气湍流效应 。2. 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为 拉曼拉斯衍射 和 布喇格衍射 两种类型。3. CCD的工作过程就是 产生 、存储 、传输 、检测的过程。4.实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样 、量化 、编码 。 6.光束调制按其调制的性质可分为 调幅 、调频 、调相 、 强度调制 。8. CCD的基本功能为 电荷存储 、 电荷转移 。内调制：加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。4.光电发射效应：在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。光电发射效应条件：波长（nm）=1240/E（eV）5.非平衡载流子：光辐射照射端电压为u的半导体，如果波长满足如下条件，Eg是禁带宽度，Eg是杂质能带宽度。那么光子将在其中激发新的载流子（电子和空穴）,这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量 n和p，新增的部分半导体物理中叫非平衡载流子。4光热效应的特点有哪些？探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的变化，而是把吸收的光能转化为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升是探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。光热效应对光波频率没有选择性，其速度比较慢。光热效应有温差电效应、热释电效应。5选用光敏电阻应当注意什么？1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配2）要防止光敏电阻受杂散光的影响 3）要防止是光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值 4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 光电探测器按物理原理分为哪两类，各有何特点？一类是利用各种光子效应的光子探测器，特点是入射光子直接和材料中的电子发生相互作用，即光电子效应；一类是利用温度变化效应的热探测器，特点是基于材料吸收光辐射能量以后温度升高的现象，即光热效应。光电探测系统的噪声：光子噪声，探测器噪声，电路噪声。光电探测器的噪声：热噪声，散粒噪声，产生-复合噪声，1/f噪声，温度噪声。