緒論1.1信息技術(shù)及光電檢測(cè)技術(shù)1.2光電檢測(cè)與光電傳感器概念1.3光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.4光電檢測(cè)方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)1.1信息技術(shù)及光電檢測(cè)技術(shù)信息技術(shù)：微電子技術(shù)、光子信息技術(shù)和光電信息技術(shù)傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)微電子技術(shù)：通過控制固體內(nèi)電子的微觀運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加工處理，并在固體的微區(qū)（小到幾個(gè)晶格）內(nèi)進(jìn)行，將一個(gè)電子功能部件甚至一個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)很小的芯片上。光子信息技術(shù)：以光集成技術(shù)為核心的有關(guān)光學(xué)元器件制造的應(yīng)用技術(shù)，利用傳統(tǒng)工藝將有源和無源光學(xué)器件集成在一起，構(gòu)成能完成光學(xué)信息采集處理和存儲(chǔ)等功能的系統(tǒng)光電信息技術(shù)：光與電子轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用技術(shù)，光頻段微電子技術(shù)。光電檢測(cè)技術(shù)：利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)，即將被測(cè)量量轉(zhuǎn)換成光通量，再將光通量轉(zhuǎn)換成電通量，并綜合利用信息傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)，最終完成對(duì)各類物理量進(jìn)行在線和自動(dòng)檢測(cè)。傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)1.2光電檢測(cè)與光電傳感器概念1、檢測(cè)與測(cè)量檢測(cè)：通過一定的物理方式，分辨出被測(cè)參量并歸屬到某一范圍帶，以此來判別被測(cè)參數(shù)是否合格或是否存在。測(cè)量：將被測(cè)的未知量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量比較，確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個(gè)倍數(shù)的過程。測(cè)量方式：直接測(cè)量：溫度計(jì)，電壓表間接測(cè)量：由電壓和電流數(shù)值，通過關(guān)系計(jì)算出功率

2、光電傳感器與敏感器的概念傳感器非電量電量（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）光電傳感器能量控制型---有源傳感器：光敏電阻，光電二極管三極管能量轉(zhuǎn)換型---無源傳感器：光電池2、光電傳感器與敏感器的概念敏感器光電傳感器---光電效應(yīng)：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）可測(cè)非電量電量光電傳感器被測(cè)非電量敏感器1.3光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)一般電子檢測(cè)系統(tǒng)傳感器信號(hào)變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測(cè)對(duì)象中提取被測(cè)信號(hào)，轉(zhuǎn)化成便于測(cè)量的電參數(shù)信號(hào)變換電路：完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波和放大一般光電系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)光學(xué)通道光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)：分為主動(dòng)式和被動(dòng)式

主動(dòng)式：光源（或加調(diào)制器）被動(dòng)式：無自身光源，來自被測(cè)物體的光熱輻射發(fā)射光學(xué)通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機(jī)：收集入射的光信號(hào)并加以處理，恢復(fù)光載波信息光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)接收到的光場(chǎng)接收透鏡系統(tǒng)光電檢測(cè)器后繼檢測(cè)處理器接收透鏡系統(tǒng)：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波、聚焦，入射到光檢測(cè)器上光電檢測(cè)器：完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換檢測(cè)處理電路：完成電信號(hào)的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號(hào)。光接收機(jī)的分類功率檢測(cè)接收機(jī)—直接檢測(cè)或非相干檢測(cè)

外差檢測(cè)接收機(jī)—相干檢測(cè)（空間相干）光接收機(jī)的分類圖示透鏡光電檢測(cè)器接收到的光場(chǎng)空間濾波器頻率濾波器直接檢測(cè)接收機(jī)外差檢測(cè)接收機(jī)合束鏡光電檢測(cè)器接收到的光場(chǎng)本地激光器本地光場(chǎng)聚焦光場(chǎng)透鏡光電系統(tǒng)框圖光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光學(xué)變換：通過各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)，作用是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來實(shí)現(xiàn)，如光電檢測(cè)器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光電系統(tǒng)的分類1、光電系統(tǒng)的分類：廣義的光電系統(tǒng)包括兩個(gè)分支，即光電能量系統(tǒng)、光電信息系統(tǒng)

（1）光電能量系統(tǒng)：太陽能發(fā)電、激光加工、激光醫(yī)療、激光核聚變等。主要是解決有關(guān)大功率光輻射能量的產(chǎn)生、控制、利用及向其他能量形式的轉(zhuǎn)換。（2）光電信息系統(tǒng)：以光輻射和電子流為信息載體，通過光電或電光相互轉(zhuǎn)換，綜合利用光學(xué)或電子學(xué)的方法進(jìn)行信息的傳輸、采集、處理、存儲(chǔ)或顯示、以實(shí)現(xiàn)確定目標(biāo)的混合系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱光電系統(tǒng)。2、光電系統(tǒng)大致可分作下列幾種類型。

（1）光-電型（應(yīng)用最廣泛）：被測(cè)量對(duì)象經(jīng)過光機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生光信號(hào)，其通過光電轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)入電子系統(tǒng)，光學(xué)儀器的自動(dòng)化常采用這種方式。若經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理，可組成部分代替人的視覺和思維活動(dòng)的機(jī)器視覺系統(tǒng)。例如：智能化的工業(yè)在線檢測(cè)。（2）光-電-光型：

由光機(jī)系統(tǒng)采集到的光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換（A/D）成電信號(hào)，經(jīng)電信號(hào)處理后再經(jīng)過電光變換形成光信號(hào)輸出。例如：電視技術(shù)中的攝像管，顯像管以及聲像光盤的錄制和再現(xiàn)都是這類系統(tǒng)的代表。（3）電-光-電型：電信號(hào)經(jīng)過電光變換得到可在光路中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，在經(jīng)過光電變換為電信號(hào)后作進(jìn)一步處理或輸出。典型應(yīng)用如光纖通訊，其主要利用光纖對(duì)光信號(hào)進(jìn)行傳輸。像光纖立靶的應(yīng)用。

（4）光電混合型：其主要特點(diǎn)是使傳統(tǒng)光路實(shí)現(xiàn)光路器件的“有源化”和封閉的光束網(wǎng)絡(luò)，例如光導(dǎo)纖維、空間調(diào)制器等。這將最終組成有源可控的光學(xué)系統(tǒng)和集成光路。和現(xiàn)有的無源光路比較，這是光學(xué)技術(shù)的根本變革。（5）電光混合型這種系統(tǒng)的目標(biāo)是將電路系統(tǒng)元器件的功能用光學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)，即所謂的電路元件的“光子化”，例如光學(xué)晶體管和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件等，目前許多單元器件已相繼問世或正在研制中。后兩種光電系統(tǒng)是光電技術(shù)未來的發(fā)展方向，其中的光電混合式或全光學(xué)式的光學(xué)計(jì)算機(jī)是這些系統(tǒng)最有吸引力的發(fā)展目標(biāo)。

通過上面的學(xué)習(xí)我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是通過光電檢測(cè)——所有被研究的信息都將通過各種效應(yīng)（機(jī)、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過電子線路和計(jì)算機(jī)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器的自動(dòng)化。因此，光電檢測(cè)作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。所謂光電檢測(cè)，指的是對(duì)光信號(hào)的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個(gè)主要方面。

高精度。各種檢測(cè)技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測(cè)長(zhǎng)度的精度達(dá)0.05um/m；光柵莫爾條紋法測(cè)角可達(dá)0.04秒；用激光測(cè)距法測(cè)量地球到月球之間距離分辨率可達(dá)1m。高速度。光電檢測(cè)以光為介質(zhì)，用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。遠(yuǎn)距離，大量程。光便于遠(yuǎn)距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)，光電跟蹤，電視遙測(cè)等。非接觸檢測(cè)。光照可認(rèn)為是沒有測(cè)量力的，也無磨擦，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，效率最高。壽命長(zhǎng)。光波可永久使用。具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力?？蓪?fù)雜信息并行處理。。同時(shí)光電方法還便于信息控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)了解并掌握典型的光電器件的原理和特點(diǎn)，會(huì)正確選用光電器件。學(xué)會(huì)根據(jù)光電器件的特點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路和有關(guān)參數(shù)。能根據(jù)被測(cè)對(duì)象的要求，設(shè)計(jì)光電檢測(cè)系統(tǒng)。光電檢測(cè)技術(shù)的學(xué)習(xí)要求：1.4光電檢測(cè)方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)光電傳感器的類型根據(jù)光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，可分為：直射型：光電轉(zhuǎn)換器對(duì)著光源放置，光軸重合，對(duì)于光源為發(fā)射光通量最大方向，對(duì)于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(cè)物體本身為一輻射源，光電檢測(cè)器通過接收被測(cè)物體的輻射光能量實(shí)現(xiàn)測(cè)量。光電檢測(cè)的基本方法根據(jù)檢測(cè)原理，基本方法：

直接作用法、差動(dòng)測(cè)量法、補(bǔ)償測(cè)量法和脈沖測(cè)量法I、直接作用法：受被測(cè)物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測(cè)機(jī)構(gòu)可直接得到所求被測(cè)物理量。被測(cè)物理量光通量光電傳感器放大、定標(biāo)直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型II、差動(dòng)測(cè)量法：利用被測(cè)量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測(cè)量的大小，放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測(cè)物光楔反光鏡Φ2Φ1雙光路差動(dòng)測(cè)量法測(cè)量物體長(zhǎng)度工作原理：Φ1=Φ2時(shí)，U=0ΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦ1>Φ2時(shí)，工件尺寸變小

U=S*(Φ1-Φ2)=S*ΔΦΦ1<Φ2時(shí)，工件尺寸變大

U=S*(Φ1-Φ2)=-S*ΔΦ說明：測(cè)量值的大小決定了U的幅值，測(cè)量值的正負(fù)決定于U的相位，可通過相敏檢波器得到。測(cè)量值U的幅值工件大小相敏檢測(cè)器：核心是由一個(gè)乘法器和一個(gè)濾波器，如圖一路為信號(hào)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(hào)后，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(fù)。相敏檢波器用途：可用來測(cè)幅，測(cè)相，還可高頻信號(hào)變成中頻信號(hào)（差頻信號(hào)）雙光路外差檢測(cè)特點(diǎn)：

雙光路可消除雜散光、光源波動(dòng)、溫度變化和電源電壓波動(dòng)帶來的測(cè)量誤差，使測(cè)量精度和靈敏度大大提高。III、補(bǔ)償測(cè)量法：原理：是用光或電的方法補(bǔ)償由被測(cè)量變化而引起的光通量變化，補(bǔ)償器的可動(dòng)元件連接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值，其大小反應(yīng)被測(cè)量變化大小。例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動(dòng)，使Φ1-Φ2=0，光楔移動(dòng)與讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測(cè)值。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測(cè)物光楔反光鏡Φ2Φ1移動(dòng)控制及讀數(shù)顯示IV、脈沖測(cè)量法：原理：測(cè)量中將被測(cè)量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測(cè)量的大小。1、脈寬方法測(cè)長(zhǎng)度：測(cè)量關(guān)系式：

L=v*t=v*k*N=K*Nk---高頻脈沖時(shí)間當(dāng)量K---長(zhǎng)度當(dāng)量N---計(jì)數(shù)器值高頻脈沖可取自電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)動(dòng)輪上脈沖，消除不勻速帶來的誤差。vnR1ER2高頻脈沖N計(jì)數(shù)器2、頻率法測(cè)速：在轉(zhuǎn)動(dòng)輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的光脈沖，m為反光片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則：f=n*m/60=N/t；即轉(zhuǎn)速可以由此得到：n=60N/m*t控制時(shí)間tRE放大整形N計(jì)數(shù)脈沖測(cè)量法特點(diǎn)：抗干擾性能好，精度高，直接與計(jì)算機(jī)相連，易于實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和自動(dòng)化控制。光電傳感器的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)。非接觸、快速在線測(cè)量，以滿足快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)需要。向微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠(yuǎn)距離的遙控，遙測(cè)技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動(dòng)跟蹤，復(fù)雜形體自動(dòng)掃描測(cè)量等。思考題及作業(yè)1、如何實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量，舉例說明。

2、電子計(jì)數(shù)器如何實(shí)現(xiàn)既能測(cè)量頻率又能測(cè)量周期?為什么要通過測(cè)量周期方法來測(cè)量低頻信號(hào)的頻率

半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用3.1光敏電阻利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如Si、Ge等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導(dǎo)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(dǎo)器件或光敏電阻。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬，廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。3.1.1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理UbbIpIp金屬電極光電導(dǎo)材料入射光光敏電阻原理及符號(hào)光敏電阻符號(hào)工作原理UIp電極入射光當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加，或連接電源和負(fù)載電阻，可輸出電信號(hào)，此時(shí)可得出光電導(dǎo)g與光電流I光的表達(dá)式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id工作原理光敏電阻按半導(dǎo)體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種，本征型半導(dǎo)體光敏電阻常用于可見光長(zhǎng)波段檢測(cè)，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠(yuǎn)紅外波段光輻射的檢測(cè)。光敏電阻設(shè)計(jì)的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，在強(qiáng)輻射作用下Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)12321-光電導(dǎo)材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導(dǎo)體膜工作性能特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢姽?、紅外、遠(yuǎn)紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。所測(cè)光電強(qiáng)度范圍寬，既可測(cè)弱光，也可測(cè)強(qiáng)光靈敏度高，光電增益可以大于1無選擇極性之分，使用方便。缺點(diǎn)：強(qiáng)光下光電線性度較差，弛豫時(shí)間過長(zhǎng)，頻率特性差。光敏電阻的種類及應(yīng)用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有機(jī)物。分紫外光、可見光、紅外及遠(yuǎn)紅外敏感的光敏電阻。應(yīng)用：照相機(jī)、光度計(jì)、光電自動(dòng)控制、輻射測(cè)量、能量輻射、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術(shù)方面制成的光輻射接收器件。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)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(guān)系式：其中：I光為光電流，I光=IL-Id；

E為照度，γ為光照指數(shù)，與材料的入射強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下γ=1，強(qiáng)光下γ=0.5；

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

光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（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(guān)系即為伏安特性。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)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(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體，電場(chǎng)強(qiáng)度超過時(shí)，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時(shí)就不成線性了。

3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)3、溫度特性

光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)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?？梢钥闯鰷囟壬呖梢詫?dǎo)致材料光電導(dǎo)率的下降。實(shí)際中往往采用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)

換句話說，溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致光敏電阻靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導(dǎo)體對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外輻射檢測(cè)領(lǐng)域更為重要。溫度特性3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)4、前歷效應(yīng)

指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后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(tài)前歷效應(yīng)就越重，光電流上升越慢。1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時(shí)后

亮態(tài)前歷效應(yīng)：光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)前歷效應(yīng)3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)5、頻率特性

光敏電阻的時(shí)間常數(shù)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(dá)到幾千赫茲。當(dāng)E=0.11lx時(shí)，光敏電阻tr=1.4s，

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

同時(shí)，時(shí)間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。4123O1f/Hz相對(duì)輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)6、時(shí)間響應(yīng)

光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，慣性大，時(shí)間響應(yīng)比其它光電器件差。頻率響應(yīng)低。時(shí)間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖10lx100lx3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)7、光譜特性相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性

光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515～600nm之間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波長(zhǎng)（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)光譜特性紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。1、常用光敏電阻CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長(zhǎng)0.52um，摻銅或氯時(shí)峰值波長(zhǎng)變長(zhǎng)，光譜響應(yīng)向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導(dǎo)比在10lx照度上可達(dá)1011(一般約為106)，其時(shí)間常數(shù)與入射光強(qiáng)度有關(guān)，100lx下可達(dá)幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。PbS光敏電阻：響應(yīng)波長(zhǎng)在近紅外波段，室溫下響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)3um，峰值探測(cè)率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺點(diǎn)主要是響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為1MΩ，銻化銦（InSb）光敏電阻：長(zhǎng)波限7.5um，內(nèi)阻低（約50Ω），峰值探測(cè)率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。時(shí)間常數(shù)0.02uS。零度時(shí)探測(cè)率可提高2-3倍。碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻。其性能優(yōu)良，最有前途的光敏電阻。不同的Cd組分比例，可實(shí)現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um的光譜范圍的探測(cè)。例如Hg0.8Cd0.2Te響應(yīng)在大氣窗口8-14um，峰值波長(zhǎng)10.6um，Hg0.72Cd0.28Te響應(yīng)波長(zhǎng)在3-5um.碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響應(yīng)波長(zhǎng)不同。主要用在8-10um波段探測(cè)，但探測(cè)率低，應(yīng)用不廣泛。3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路RPURLULI

忽略暗電導(dǎo)Gd(暗電阻很大)：

G=Gp=SgE或G=SgΦ

即對(duì)R求導(dǎo)得到負(fù)號(hào)表示電阻是隨溫度的增加而減小。當(dāng)光通量變化時(shí)，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(yīng)用電路URLULI輸出電壓3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路1、火焰檢測(cè)報(bào)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(zhǎng)2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo快門按鈕驅(qū)動(dòng)單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路2、照相機(jī)電子快門3、照明燈的光電控制電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測(cè)光與控制執(zhí)行控制3.1.4、光敏電阻使用的注意事項(xiàng)測(cè)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(shù)(電壓,功耗)超過允許值。根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般,數(shù)字信息傳輸:亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)γ大的光敏電阻。模擬信息傳輸: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(cè)量用光電池：探測(cè)器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力紫光電池：PN結(jié)非常?。?.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(yīng)制成的不需加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光電器件。3.2.1光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（硒光電池）基本結(jié)構(gòu)2、PN結(jié)型幾個(gè)特征：

1、柵狀電極

2、受光表面的保護(hù)膜

3、上、下電極的區(qū)分符號(hào)3.2.2硅光電池的特性參數(shù)1、光照特性伏安特性硅光電池工作在第四象限，若工作在反偏置狀態(tài)，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?yōu)椋篟sRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E1、光照特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)負(fù)載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當(dāng)IL=0時(shí)一般Ip>>Is,

當(dāng)RL=0時(shí)，Isc=Ip=Sg·E下面看兩個(gè)關(guān)系：當(dāng)E=0時(shí)1、Voc，Isc與E的關(guān)系：

當(dāng)IL=0，RL=∞時(shí)一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

3.2.2硅光電池的特性參數(shù)用于光電池檢測(cè)當(dāng)V=0，RL=0時(shí)，2、Isc與E和RL的關(guān)系：3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

當(dāng)RL=0時(shí)，

Isc=Ip=Sg·E

當(dāng)RL不為0時(shí)RLVDIL

為什么RL的增加會(huì)使光電流減??？光電池光照特性特征：1、Voc與光照E成對(duì)數(shù)關(guān)系；典型值在0.45-0.6V。作電源時(shí)，轉(zhuǎn)化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc與E成線性關(guān)系，常用于光電池檢測(cè)，Isc典型值

35-45mA/cm2。2、RL越小，線性度越好，線性范圍越寬。3、光照增強(qiáng)到一定程度，光電流開始飽和，與負(fù)載電阻有關(guān)。負(fù)載電阻越大越容易飽和。3.2.2硅光電池的特性參數(shù)2、輸出特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLVocILRMUL隨RL的增大而增大，直到接近飽和。RL小時(shí)IL趨近于短路電流Isc。在RL=RM時(shí)，有最大輸出功率，RM稱為最佳負(fù)載。光電池作為換能器件時(shí)要考慮最大輸出問題，跟入射光照度也有關(guān)。作為測(cè)量使用，光電池以電流使用。短路電流Isc與光照度成線性關(guān)系，RL的存在使IL隨光照度非線性的增加。RL增大，線性范圍越來越小。3、光譜特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)4、溫度特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)Voc具有負(fù)溫度系數(shù)，其值約為2-3mV/度。Isc具有正溫度系數(shù)，但隨溫度升高增長(zhǎng)的比例很小，約為10-5-10-3mA/度總結(jié)：當(dāng)光電池接收強(qiáng)光照時(shí)要考慮溫度升高的影響。如硅光電池不能超過200度。3.2.3硅光電池的應(yīng)用1、光電池用作太陽能電池把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個(gè)光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。2、光電池用作檢測(cè)元件利用其光敏面大，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測(cè)量等。光電池與外電路的連接方式3.2.3硅光電池的應(yīng)用-10VVociC3DG62CR×21kΩ硅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(hào)檢測(cè)時(shí)的的變換電路舉例硅三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3硅光電池的應(yīng)用+_Δ∞VocRf2CR采用運(yùn)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(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。逆變器

交流負(fù)載

直流負(fù)載太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管

調(diào)節(jié)控制器太陽電池方陣(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

圖(a)為光電地構(gòu)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(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路BG2BG1+12VCJR1R2(b)光電開關(guān)

圖(b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。(c)光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖(c)為光電池觸發(fā)電路。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄。

在實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制的目的。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動(dòng)控制器BG2BG3BG42CR光電二極管的分類：按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)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系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。3.3光電二極管與光電三極管3.3光電二極管與光電三極管光電二極管與光電池的特性比較基本結(jié)構(gòu)相同，由一個(gè)PN結(jié)；光電二極管的光敏面小，結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動(dòng)勢(shì)相同,但光電流普遍比光電池小,為數(shù)微安。摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，硅光電二極管1012~1013/cm3，電阻率：光電池0.1-0.01Ω/cm，光電二極管1000Ω/cm。光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。光電二極管的類型：硅、鍺、PIN、APD3.3光電二極管與光電三極管光電二極管的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號(hào)光電二極管的基本結(jié)構(gòu)3.3光電二極管與光電三極管N環(huán)極前極N+N+P后極環(huán)型光電二極管的結(jié)構(gòu)前級(jí)后級(jí)環(huán)級(jí)VARLhν等效電路光電二極管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3加正向偏壓時(shí)，表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?。作為光敏二極管使用時(shí)，需要加反向偏壓，當(dāng)有光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電流，且光電流遠(yuǎn)大于反向飽和電流。反向偏壓可以減小載流子的渡越時(shí)間和二極管的極間電容。反向偏壓較小時(shí)反向電壓達(dá)到一定值時(shí)。uiO暗電流E=200lxE=400lx光電二極管的光譜特性1、光敏二極管在較小負(fù)載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關(guān)系。2、光敏二極管的響應(yīng)波長(zhǎng)與GaAs激光管和發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一致，組合制作光電耦合器件。3、光電二極管結(jié)電容很小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達(dá)100kHz。光電二極管的溫度特性

光電二極管的溫度特性主要是指反向飽和電流對(duì)溫度的依賴性，暗電流對(duì)溫度的變化非常敏感。暗電流/mA1020305070T/oC250504060光電二極管的典型應(yīng)用電路應(yīng)用電路EhνRLVoRL+EVohν光電二極管的典型應(yīng)用電路電流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf電壓放大型PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于本征層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。時(shí)間常數(shù)變小，頻帶變寬。PIN光電二極管P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn)：1、頻帶寬，可達(dá)10GHz。2、本征層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。3、由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，且集中在本征層，從而結(jié)電容要進(jìn)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(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一芯片上并封裝成一個(gè)器件。

雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。

這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。雪崩光電二極管(APD)

光電直接檢測(cè)系統(tǒng)相干檢測(cè)，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息，檢測(cè)時(shí)需要用光波相干原理。調(diào)制方法：光振幅調(diào)制、相位調(diào)制，頻率調(diào)制測(cè)量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠(yuǎn)。非相干檢測(cè)，光源：非相干或相干光源原理：利用光強(qiáng)度攜帶信息，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，解調(diào)電路檢出信息。調(diào)制方法：光強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制。直接檢測(cè)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。光外差檢測(cè)直接檢測(cè)光電檢測(cè)系統(tǒng)5.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測(cè)系統(tǒng)是將待光信號(hào)直接入射到光檢測(cè)器光敏面上，光檢測(cè)器響應(yīng)光輻射強(qiáng)度（幅度）并輸出相應(yīng)的電流和電壓。檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由檢測(cè)器接收光信號(hào)，前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型5.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為：5-1光場(chǎng)平均光功率為：表示的時(shí)間平均值；5-2光檢測(cè)器輸出電流為：稱為光電變換比例常數(shù)5-3光檢測(cè)器的平方律特性：光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。5.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理若光檢測(cè)器負(fù)載電阻RL，則光檢測(cè)器輸出電功率為：5-4如果入射光是調(diào)幅波，即其中d(t)為調(diào)制信號(hào)，可推導(dǎo)出光檢測(cè)器的輸出電流為:5-5式中第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，若光檢測(cè)器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項(xiàng)，稱為包絡(luò)檢測(cè)。5-65.2光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性5.2.1直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比—衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測(cè)器輸出的總功率包括信號(hào)電功率和噪聲功率，可表示為：5-7考慮到信號(hào)和噪聲的獨(dú)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(cè)系統(tǒng)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(cè)系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號(hào)的檢測(cè)。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受。可見，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應(yīng)用。(1)若，則有：5-10(2)若，則有：5-11在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關(guān)。信噪比高，誤碼率低。由噪聲的概率分布規(guī)律考慮“概率問題”來衡量。5.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法考慮直接檢測(cè)系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：分別為信號(hào)光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。5-12輸出信噪比為：5-135.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限決定掃描熱檢測(cè)系統(tǒng)的理論極限①當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：5-14②當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限制，信噪比為：5-15③當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受背景噪聲限制，信噪比為：5-165.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限假定光波長(zhǎng)λ=0.7μm，檢測(cè)器的量子效率η=1，測(cè)量帶寬Δf=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測(cè)功率為④當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的噪聲為直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制，這時(shí)信噪比為：5-17該式為直流檢測(cè)在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可測(cè)量的最小功率為：5-18在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng)總會(huì)有背景噪聲、檢測(cè)器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庾V窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測(cè)過程中利用光檢測(cè)器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當(dāng)倍增很大時(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達(dá)到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會(huì)帶入噪聲，增益過程中使噪聲增加。在直接檢測(cè)中，光電倍增管、雪崩管的檢測(cè)能力較高，采用有內(nèi)部高增益的檢測(cè)器可使直接檢測(cè)系統(tǒng)趨近于檢測(cè)極限。對(duì)于光電導(dǎo)器件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光電導(dǎo)器件極限信噪比低，NEP較大。5.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限5.2.3直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角檢測(cè)器物鏡視場(chǎng)角表示系統(tǒng)能檢測(cè)到的空間范圍，是檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無窮遠(yuǎn)處，且物方與像方介質(zhì)相同。當(dāng)檢測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角為：或視場(chǎng)角立體角Ω為：從觀察角度講，希望視場(chǎng)角愈大愈好，即大檢測(cè)器面積或減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距，但對(duì)檢測(cè)器會(huì)帶來不利影響：①增加檢測(cè)器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因?yàn)閷?duì)大多數(shù)檢測(cè)器，噪聲功率和面積的平方根成正比。②減小焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏方式下降。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在檢測(cè)到信號(hào)的基礎(chǔ)上盡可能減小系統(tǒng)視場(chǎng)角。5-195.2.4系統(tǒng)的通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。檢測(cè)系統(tǒng)要求Δf應(yīng)保存原有信號(hào)的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號(hào)能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。對(duì)于輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，通過不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統(tǒng)可以復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)波形，要求系統(tǒng)帶寬Δf：在輸入信號(hào)為調(diào)幅波時(shí)，一般情況下取頻帶寬度為其包絡(luò)（邊頻）頻率的2倍。如果是調(diào)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(tǒng)。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(cè)系統(tǒng)的距離方程光電檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時(shí)，靈敏度的表達(dá)形式不同，在對(duì)地測(cè)距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測(cè)距離”來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進(jìn)行推導(dǎo)。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程被動(dòng)檢測(cè)過程示意圖大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)接收信息光電檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射照度為：入射到檢測(cè)器上的光譜功率為：根據(jù)目標(biāo)輻射強(qiáng)度最大的波段范圍及所選取檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取的λ1―λ2的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為：5-211、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程

都是波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，難有確切的解析表達(dá)式。通常作如下簡(jiǎn)化處理：式中①取τ1λ為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過率τ1。②光學(xué)系統(tǒng)的透過率τ0λ對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。③把檢測(cè)器的光譜響應(yīng)帶看成是一個(gè)矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)為常數(shù)RV，在其它區(qū)域?yàn)榱?。④根?jù)物體的溫度T查表，可計(jì)算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強(qiáng)度，再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度Ie。將上述值代入5-22式，可得：令檢測(cè)器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：5-225-23即：5-24又因?yàn)椋?-25將上式代入5-24，可得：5-26式中Ad為檢測(cè)器面積；Δf為系統(tǒng)的帶寬；D*為檢測(cè)器的歸一化檢測(cè)度；AoIe=P0是入射到接收光學(xué)系統(tǒng)的平均功率?？紤]到系統(tǒng)的調(diào)制特性，入射到探測(cè)器上的有效功率為：S(ω)為調(diào)制信號(hào)的功率譜為清楚地看出系統(tǒng)各部件對(duì)檢測(cè)距離的影響，把調(diào)制特性考慮為對(duì)入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫為：5-27第一個(gè)括號(hào)是目標(biāo)輻射特性及大氣透過率對(duì)檢測(cè)距離的影響；第二個(gè)括號(hào)和第三個(gè)括號(hào)表示光學(xué)系統(tǒng)及檢測(cè)器件特性對(duì)作用距離的影響；第四個(gè)括號(hào)是信息處理系統(tǒng)對(duì)作用距離的影響。大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)回收信息光電檢測(cè)強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)光源信號(hào)發(fā)射機(jī)反射目標(biāo)2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程主動(dòng)檢測(cè)過程示意圖主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps(λ)；發(fā)射束發(fā)散立體角為Ω；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率為τ01(λ)，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km，則發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率PT(λ)為：激光在大氣中傳播時(shí)，能量若為按指數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為k(λ)，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=ΩL2，光斑SL的輻射照度Ee為：設(shè)在距光源L處有一目標(biāo)，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(nèi)均勻反射，其反射系數(shù)為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強(qiáng)度Ie(λ)為：2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，反射光經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮掌鞯倪^程仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k(λ)，則接收功率為：式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)接收口徑；Ω’=πD02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率為τ02(λ)，則檢測(cè)器上接收到的總功率為：式中:檢測(cè)器上的輸出電壓為：式中：RV(λ)為檢測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度，將5-25式代入上式得距離L為：如果目標(biāo)反射面積Sa等于光斑照射面積ΩL2，則上式可化為：可知，影響檢測(cè)距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標(biāo)反射特性都將影響檢測(cè)距離。在前面計(jì)算距離時(shí)，在被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于光譜范圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數(shù)表示，其物理意義是等價(jià)的。5.4直接檢測(cè)系統(tǒng)的舉例計(jì)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管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學(xué)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(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。5.4.1莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀在檢測(cè)技術(shù)中常用的是計(jì)量光柵。計(jì)量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測(cè)量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1

m。黑白光柵莫爾條紋光柵原理

構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動(dòng)光柵

計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線寬度和間距完全一樣。將指示光柵與標(biāo)尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長(zhǎng)光柵中標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而指示光柵安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，所以兩者之間可以形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ，光柵節(jié)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(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是周期性函數(shù)。計(jì)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(dāng)位置安裝光敏元件，即可檢測(cè)到亮暗變化。

當(dāng)指示光柵沿x軸（例如水平方向）自左向右移動(dòng)時(shí)，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(qiáng)變化近似于正弦波變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距P，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。由于光柵的刻線非常細(xì)微，很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當(dāng)光柵移動(dòng)了一個(gè)節(jié)距時(shí)P，莫爾條紋移動(dòng)了一個(gè)寬度B。且滿足關(guān)系式：

莫爾條紋有如下特征：

1）平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）；指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖中，當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)。

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(dāng)于把微小的柵距P擴(kuò)大了倍。由此可見，計(jì)量光柵起到光學(xué)放大器的作用。例，對(duì)25線/mm的長(zhǎng)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(jì)量光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強(qiáng)的變化。

4）莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。例如，采用100線/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)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。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際距離了。光電傳感器輸出信號(hào)波形當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期變化，其輸出波形如圖：

由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。從而實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距。但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問題：

①辨向問題：用一個(gè)光電元件無法辨別運(yùn)動(dòng)方向；

②精度低；分辨力只為一個(gè)柵距P。辨向原理：

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

當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于V190°。當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以判別運(yùn)動(dòng)方向。細(xì)分技術(shù)（解決精度問題）當(dāng)使用一個(gè)光電池通過判斷信號(hào)周期的方法來進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)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(chǔ)上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，其電路框圖如圖所示。

莫爾條紋的應(yīng)用莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀分長(zhǎng)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(yīng)用于：光柵數(shù)顯表光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用軸環(huán)式數(shù)顯表機(jī)械測(cè)長(zhǎng)和數(shù)控機(jī)床中。

代表性產(chǎn)品：

德國(guó)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(guó)Renishaw（雷尼紹）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：量程：1000mm分辨力：0.01m5.4.2激光測(cè)距儀1、脈沖激光測(cè)距儀脈沖激光測(cè)距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中的特點(diǎn)。因此瞬時(shí)功率很大，—般可達(dá)兆瓦級(jí)。由于上述兩點(diǎn)，脈沖激光測(cè)距在有反射器的情況下，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；進(jìn)行近距離(幾公里)測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量精度要求不高，不必使用反射器，利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的反射取得反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。

在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測(cè)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(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)2處再返回1處所需要的時(shí)間t，則

式中c為光的傳播速度。脈沖激光測(cè)距的工作原理它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成.

由光電器件得到的電脈沖，經(jīng)放大器以后，輸出一定形狀的負(fù)脈沖至控制電路。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖A(圖(d))經(jīng)控制電路去打開電子門。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，可以通過電子門進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路，計(jì)時(shí)開始。當(dāng)反射回來經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)B到來時(shí)，關(guān)閉電子門，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖(g)所示。從計(jì)時(shí)開始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。則被測(cè)距離為：2、相位激光測(cè)距儀測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖所示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長(zhǎng)λ可由式λ=c/f求出。光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)λ相當(dāng)于相位變化了2π則距離D可表示為：“光尺”測(cè)量距離原理圖測(cè)距時(shí)，調(diào)制激光照在合作目標(biāo)上，被反回接收經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到相同的電信號(hào)，與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得相位差，由相位差可算得所測(cè)距離。為了便于理解測(cè)距儀的測(cè)相系統(tǒng)對(duì)光波往返二倍距離后的相位移進(jìn)行測(cè)量，圖中說明了光波在距離L上往返后的相位變化。如果設(shè)光波從A到A’點(diǎn)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(cè)距離為：

由上分析可知，如果測(cè)得光波相位移φ中2π的整數(shù)N和小數(shù)?n，就可以確定出被測(cè)距離值，所以調(diào)制光波可以被認(rèn)為是一把“光尺”，其波長(zhǎng)λ就是相位式激光測(cè)距儀的“測(cè)尺”長(zhǎng)度。式中當(dāng)N等于0時(shí)，

Δφ可由檢相器檢出，得被測(cè)距離，但當(dāng)N不等于0時(shí)，N的大小不能確定，出現(xiàn)測(cè)量誤差。目前的相位測(cè)距儀只可測(cè)相位尾數(shù)Δφ，不能求整周期數(shù)N，因此在測(cè)距離較長(zhǎng)時(shí)，選用較低的測(cè)尺頻率便會(huì)有很大的誤差（多值解），而且由于儀器存在測(cè)量誤差，選用大的測(cè)尺長(zhǎng)度愈大測(cè)距誤差越大。解決方法就是采用幾個(gè)精度不同的“光尺”配合使用。即除了基本測(cè)尺長(zhǎng)度L外，再選一個(gè)或幾個(gè)輔助測(cè)尺Lsb，然后將各測(cè)尺的測(cè)距讀數(shù)組合起來得到單一的和準(zhǔn)確的距離值。例如：選用兩把測(cè)尺，其中基本測(cè)尺Lsa=1000m，輔助尺Lsb=10m，可用它來測(cè)量某一段長(zhǎng)度為386.57m。相位測(cè)距儀原理如圖采用兩個(gè)測(cè)尺，長(zhǎng)度分別為10m和1000m，對(duì)應(yīng)的精度分別為1cm和1m。取相應(yīng)的頻率為f1=15MHz和f2=150kHz。

由開關(guān)依次控制發(fā)光二極管供電，發(fā)射測(cè)距信號(hào)，進(jìn)行兩次測(cè)距。而最后比較驅(qū)動(dòng)信號(hào)和光電二極管輸出信號(hào)的檢相器只能工作在較低頻率。因而需要將高頻電壓轉(zhuǎn)換到低頻電壓。所以在電路有又設(shè)兩個(gè)本振信號(hào)發(fā)生器，頻率分別為：與主振頻率分別通過基準(zhǔn)和信號(hào)混頻器進(jìn)行外差，輸出fC的低頻基準(zhǔn)電壓和信號(hào)電壓。信號(hào)電壓和基準(zhǔn)電壓都降為4kHz，但其相位仍保持高頻信號(hào)的相位。這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入檢相電路檢出相位差，最后進(jìn)入計(jì)算電路計(jì)算，將f1和f2兩次測(cè)量結(jié)果在計(jì)算電路綜合以后，顯示出來。為消除內(nèi)部光學(xué)及電子學(xué)系統(tǒng)的誤差，在測(cè)量之前，把三角棱鏡放大發(fā)光二極管前面并對(duì)內(nèi)光路測(cè)一次。然后再以后的測(cè)量結(jié)果中減去。即得到校正值。范圍：0.2~300m分辨力：3mm德國(guó)俫卡手持式：范圍：0.2~200m分辨力：0.2mm美國(guó)bushwell單目軍用范圍：1000m分辨力：1m

光外差檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高7-8個(gè)數(shù)量級(jí)；靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其NEP值可達(dá)10-20W。可用于光子計(jì)數(shù)。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，所在外差檢測(cè)在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。外差檢測(cè)在高頻（υ≥1016Hz）光波時(shí)不如直接檢測(cè)有用。而在長(zhǎng)波長(zhǎng)（近紅外和中紅外波段），光外差檢測(cè)技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測(cè)。光外差檢測(cè)原理示意圖直接檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)器檢測(cè)的光功率為平均光功率Pcp：顯然光波直接檢測(cè)只能測(cè)量其振幅值。光外差檢測(cè)原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變光闌入射到檢測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)，經(jīng)檢測(cè)器變換后，輸出信號(hào)包含差頻信號(hào)，故又稱相干檢測(cè)。6.1光外差檢測(cè)原理外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖，光源經(jīng)過穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)反射作為本振光波，頻率為fL，另一路經(jīng)偏心輪反射，經(jīng)聚焦到可變光闌上作為信號(hào)光束。偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs?？勺児怅@用來限制兩光束射向光電檢測(cè)器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒?，然后兩束光垂直投射到檢測(cè)器上。首先設(shè)入射到檢測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)和本機(jī)振蕩光場(chǎng)分別為：ν那么，入射到檢測(cè)器上的總光場(chǎng)為：光檢測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)的平方成正比，所以光檢測(cè)器的光電流為：式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項(xiàng)為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為差頻項(xiàng)，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(hào)(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低于光檢測(cè)器的上限截止頻率時(shí)，檢測(cè)器就有頻率為ωC/2π的光電流輸出。如果把信號(hào)的測(cè)量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以ωC為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為：中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為：中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：當(dāng)ωL-ωs=0，即信號(hào)光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)中頻電流為：這是外差探測(cè)的一種特殊形式，稱為零差探測(cè)。6.2光外差檢測(cè)特性6.2.1光外差檢測(cè)可獲得全部信息外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。在直接檢測(cè)系統(tǒng)是不可能的。6.2.2光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益G高光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為：在直接檢測(cè)中，檢測(cè)器輸出電功率為：兩種方法得到的信號(hào)功率比G為：可知，在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)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(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為Δf=fL-fs，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度υ=0-15m/s，對(duì)于CO2激光信號(hào)，多普勒頻率fs為：通頻帶Δf1取為：而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為1nm，所對(duì)應(yīng)的帶寬，即通頻帶Δf2=3000MHz?？梢姡獠顧z測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。

另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外差檢測(cè)器的輸出信噪比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失。6.2.5最小可檢測(cè)功率—內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件當(dāng)本征功率PL足夠大時(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為M的光外差檢測(cè)器輸出有效信號(hào)功率為：檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器本身的散粒噪聲和熱噪聲是影響最大可難以消除的。則外差檢測(cè)輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：功率信噪比為：這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測(cè)的量子檢測(cè)極限或量子噪聲限。引入最小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）NEP表示，在量子檢測(cè)極限下，光外差檢測(cè)的NEP值為：在光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限為：這里面需要說明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的理想條件下得到，實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外差檢測(cè)，利用足夠的本振光是容易實(shí)現(xiàn)的。總之，檢測(cè)靈敏度高是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。6.2.5最小可檢測(cè)功率—內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)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噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)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(zhuǎn)換增益。6.2.6光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器要求一般比直接檢測(cè)對(duì)檢測(cè)器的要求高得多，主要如下：響應(yīng)頻帶寬。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆Hz。均勻性好。外差檢測(cè)中檢測(cè)器即為混頻器，在檢測(cè)器光敏面上信號(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測(cè)器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。工作溫度高。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無嚴(yán)格要求。如果在室外或空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測(cè)器。如HgCdTe紅外檢測(cè)器件。6.3影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測(cè)的空間條件和頻率條件對(duì)靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。6.3.1光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)原理示意圖

信號(hào)光和本振光的波前在光檢測(cè)器光敏面上保持相同的相位關(guān)系，才得式：

實(shí)質(zhì)上，由于光的波長(zhǎng)比光檢測(cè)器面積小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)光和本振光的波前是重合的。即是說必須保持信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直。下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合時(shí)對(duì)光外差檢測(cè)的影響。

設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為θ，且信號(hào)光束的波陣面平行于光敏面時(shí)，如圖。6.3.1光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場(chǎng)為：那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不同點(diǎn)x處有不同的波前，即不同的相位差。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：式中，，并認(rèn)為折射率n=1。于是本振光波可表示為：則檢測(cè)器上x點(diǎn)的響應(yīng)電流為則整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為6.3.1光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）從式中可知，當(dāng)時(shí)，即時(shí)，中頻電流i最大。即可得外差檢測(cè)的空間相位條件為：即：顯然：波長(zhǎng)愈短或口徑愈大，要求相位差角θ愈小，愈難滿足外差檢測(cè)的要求。說明紅外光比可見光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)。例：本振光波長(zhǎng)為1微米，檢測(cè)器光敏面長(zhǎng)度為1mm，則θ<<0.32mrad（0.018度）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)θ<2.6mrad時(shí)，才能看到清晰的差頻信號(hào)。這個(gè)角度也被稱為失配角。光外差檢測(cè)原理示意圖如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，必須使信號(hào)光束和本振光束在空間準(zhǔn)直得很好。背景雜散光來自各個(gè)方向，絕大部分的背景光不與本振光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信號(hào)。因此外差檢測(cè)在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的空間濾波性能。但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比較困難。問：“如果兩光束是平行的，但與光檢測(cè)器呈一定角度時(shí)，對(duì)中頻電流有沒有影響”？解決方法；如圖結(jié)構(gòu)稱為聚焦光束外差結(jié)構(gòu)，即用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)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(shí)的失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角θr來決定。經(jīng)過推導(dǎo)，失配角θr與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關(guān)系：例：波長(zhǎng)為1um，l為0.1mm（檢測(cè)器直徑），由上知失配角θ<<0.32mrad，如采用會(huì)聚透鏡，孔徑Dr=10cm(在光外差檢測(cè)系統(tǒng)中，作為接收天線的會(huì)聚透鏡，這個(gè)孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得視場(chǎng)角θr=1mrad。