光电检测(17页).doc

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1、-1 查阅文献资料，找到二种含有光电导探测器件的电路图，并详细说明其工作过程及实现何种功能。（20分）2 论述光电位置探测器PSD的工作原理。画出一种实用的PSD转化电路并详细说明转化电路中各个元件的作用及整个PSD转化电路的工作过程。查阅文献资料整理PSD的应用。（40分）3 查阅文献资料，整理激光外差探测技术在实际生产、科研中的应用。（40分）一、二种含有光电导探测器件的电路图 光电探测器是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导红外热成像

2、、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。下面是光电导的两个基础应用的论述： 如下图所示是光电导探测器件在电子照相机快门控制的应用原理图。 利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路【1】。图1 电子照相机快门控制电路原理图上图分为二个基本部分：1.由光电导器件Rcds、开关K、C1、变阻器Rw2、Rw1R1和比较器A组成的打压比较电路。2.有三极管T、二极管D、电磁铁M、R2组成的电子开关电路。其中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(Cds)光敏电阻。光敏电阻R、开关K和电容C构成的充电电路，时间检测电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执

3、行单元）等组成。 电路工作过程：在初始状态，开关K处于如图所示的位置，此时由电路结构分析可知比较器A的反相输入端电压V1大于同相输入端电压V2，所以比较器输出低电平，三极管截止，电磁铁不闭合，开门叶片闭合。当按动快门的按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。VR的变化规律可由

4、电容C的充电规律得到VR=Ubb1exp(t/)；（1-1）式中为电路的时间常数：=(RW2+R)C； 光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关 ；（1-2）当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VRVth）时，电压比较器的输出电将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。快门的开启时间t可由下式推出 ：t =(RW2+R)C ln Ubb/ Vth。（1-3）此电路主要应用于电子照相机种实现利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制。带有光敏电阻的晶体管恒流电路【1】如图所示：图2 恒流偏置电路 该电路用稳压二极管将晶体管基极电压嵌定在Uw，即发射极电流为：；（1-4）保持恒定。在

5、晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为 ：；（1-5）求微分得 ：；（1-6）将代入（1-6）式得：；（1-7）显然，恒流偏置电路的电压灵敏度SV为： ；（1-8）晶体管恒流偏置电路在低噪音发达电路的应用【2】。光电导探测器的工作原理：当半导体材料吸收入射光子后，半导体内的有些电子和空穴会由原来的束缚状态转变到导电的自由状态，从而使半导体电导率增加，这种现象称为光电导效应。光导探测器就是基于光电导效应原理制作的。光电导器件在外加电压作用下，将在输出电路中产生光电流或光电压。晶体管恒流偏置电路在低噪音发达电路的应用原理图：图3 光电导探测器的信号放大原理路如图3所示，在放大电路钱接入光电导恒流偏置部

6、分，由于恒流偏置电路具有反馈功能。这个电路中的散粒噪声被负反馈消除【3】。因此，该电路可以作为噪音偏置源，为探测器提供偏置电流。当该电路利用晶体管在线性区工作时，电极和射极的交流等效电阻很大，其近似恒流的特性可以实现恒流偏置。由于光电导探测器的输出信号一般是很微弱的，因此若要有效利用这种信号，必须加入前置放大以及后续放大电路。前置放大电路对性能的充分发挥非常重要在设计前置放大电路时应该考虑指标：噪音、增益、带宽、阻抗以及稳定性。其中噪音在指标相当重要。噪声分析：在低噪音电路中，电源噪声也是很大一部分，电源产生的噪声及其波纹以及可能被耦合到电源中的共模电压。所以电源滤波也相当重要。上图中噪音主要

7、由探测器、偏置电路、放大电路产生。由于电路中的原件较多，在分析噪音模型时，先考虑偏置电流源部分，通过电路等效分析，代入放大电路，再求解整个电路的等效输入噪声。分析等效电路等效成如下图所示：图4 偏置电流源电路的等效噪声模型 晶体光T短路情况下输出端短路电流Io即是偏置电流的输出噪声源Inx，Rb、（1+）、e/(1+)和rb是晶体管T输出的混合h参数等效电路，Eb是基极扩展电阻的热噪声，Ib是基极总电流的散粒噪声，Ic是集电极电流的散粒噪声，Ee是电阻Re的热噪声，Rz和Iz分别是齐纳二极管Z的等效噪声。根据噪声模型分析，考虑到实际应用中电路元件的参数，通过计算可以得出结论：电路噪声主要受运放

8、的噪声电压和电流、反馈电阻Rf1及电阻Re的热噪声的影响。图3在探测中产生的噪声由下式决定：其中En是运放的单位带宽等效输入噪音电压，In是运放的单位带宽等效输入噪声电流，k是波尔兹曼常数k=1.38*e(-23瓦秒/K),T为半导体的绝对温度。参考文献【1】. 。百度文库：第二章 光电导器件 2.3.2及2.4.3节【2】.HgCdTe光导探测器的一种恒流偏置低噪音发达电路的设计 作者：李大宇 代作晓 魏焕东；【3】.Paul Horowitz Hill.电子学M.北京：电子工业出版社，2005:62-63；二、光电位置探测器PSD的工作原理。画出一种实用的PSD转化电路并详细说明 转化电路

9、中各个元件的作用及整个PSD转化电路的工作过程基本原理： 位置敏感探测器(PSD)是一种光电测距器件。PSD基于非均匀半导体横向光电效应，达到器件对入射光或粒子位置敏感。PSD由四部分组成：PSD传感器、电子处理元件、半导体激光源、支架（固定PSD光传感器与激光光源相对位置）。 依据输出信号的维数的不同, PSD 可分为一维PSD和二维 PSD。二维 PSD 根据电极位置的设置、单面或双面分流、光敏面形状等特征的不同, 通常又可以分为四边形PSD、双面型 PSD 和枕形PSD, 分别如图 1( a) 、图 1( b)、图 1( c)所示。目前, 使用较多的是四边形 PSD 1 和枕形 PSD2

10、-3。 一维PSD原理4：下图是一维PSD等效图图2-1 当有入射光找到光敏面上某点时，在平行于结面的横向电场的作用，在光的作用下，载流电子形成向两端电极流动的电流I1和I2，它们的和等于总电流Io。当PSD面电阻是均匀的，且其阻值R1和R2远大于负载的电阻Rl ,则有下式成立：（2-1）其中L1是PSD中点到信号电极间的距离；x是入射点距PSD中点的距离：Io=I1+I2代入，经化简得：（2-2）所以当入射光点位置一定时，PSD单个电极输出电流与总电流成正比，即与入射光强成正比；而当入射光强不变时，单个电极的输出电流与入射光点距离PSD中心的距离x成线性关系。如果测得I1和I2的大小，理论上

11、可算得入射点距PSD中点的距离：（2-3） 二维PSD的检测原理5：二维PSD分为双面分离型和分离改进型等几种。双面分离型PSD在X、Y两个方向上感光层是独立的，一层感受X方向上的光点的位置变化，另一层感受Y方向的光点位置变化。双面分离型的PSD等效电路图图2-2双面分离型的PSD等效电路图仿照一维PSD的归一化公式，得X、Y两个方向上的归一化公式：（2-4）（2-5）其中Kx、Ky是与材料本身特性有关的参数，在一定测量范围内Kx、Ky是常数。分离改进型PSD:二维分离改进型的PSD对X、Y两个方向上的感光层在同一个面上知识在制作器件过程的工艺过程中对便面感光层的性能在双面分离型的基础上做了改

12、良，具有暗电流更小、相应更快易于偏置应用、环境噪音低等特点。如图2-3图2-3 二维PSD分离改进型现设光点Q在Y方向上恒定，则流经Y、Y的电流之和相当于一维的I1。相应地，流经X、X的电流相当于一维的I2故可得X归一化方程：（2-6）同理，若光点在X方向上的位置恒定，则可得到Y轴方向上的归一化公式：（2-7）光电位移传感器PSD是非接触式光学测量系统，此传感器包括三个重要部分:光源(激光器)、光靶PSD器件、信号检测和处理电路。在测量中，以激光发生的平行光与被测件某位置的光束为测量基准，电极电流反映的位置是入射光以光强为权重的等效中心，而且认为光点的大小和形状对输出模拟信号的影响很小。常用的

13、测量方法有两种:将光靶固定在被测件表面，移动光靶PSD或移动激光光源，使两者之间产生相对移动，从而使激光光束照射到PSD感光面的位置发生变化，PSD电极则输出与位移量成正比的电流信号。PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路简单、光敏面内无盲区，可同时检测位置的光强,测量结果与光斑尺和形状无关 。由于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，位置 、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。下面是一维PSD的应用举例： 由于PSD产生的电流时uA级的，用电流检测芯片检测时，可能电流太小造成大误差，在进行检测前，先将PSD转化成电信号

14、5;前置放大电路：为了方便检测，我们将电流信号转化成电压信号输出。如图：图2-4 电流转换电压电路模型这采用的是电压并联负反馈电路来实现。为了保证PSD测量精度，必须使两路输尽可能一致，电阻原件必须采用高精度的无色环电阻，集成运放采用高输入阻抗，低噪音、低失调电压的、偏置电流小的运放。由于PSD的内阻较大，电路中Rf的取值不能太大，因为Rf的取值过大电路容易产生自激震荡，这是不可取的，在电路设计中还要加上电容进行相位补偿。图2-5 PSD测量电路其中： （2-4）（2-8）入射点距离PSD中点的距离（2-9）当比值为0是，在误差允许范围内认为是在中点。由于测量电路输出信号小，所以还需将其放大，

15、以便于测量；放大电路结构如下图：图2-6 PSD前置放大电路放大电路由A3与R3、R4组成的加法电路，A4与R5、R6组成的反相比例放大器通过调节R5、R6的比值，来确定比例的大小。A5与R7、R8、Rf组成的减法电路组成。通过加法电路、减法电路、除法电路，可求得（V2-V1）/（V2+V1）的比值。其中输出电压：（2-10）由于PSD输出信号较小，减法电路的放大增益一般需比较大，而加法电路的增益则不需要很大。相对而言，加法电路输出变化不是很大，而减法电路输出则随着光照的位置变换而产生比较大的变化。因此，减法电路的设计非常重要。参考文献1. 张力平, 张政, 曹秉刚, 等. 基于二维位置敏感探

16、测器; 的空间对接过程研究 J . 西安交通大学学报, 2007, 1( 9) : 1110- 111 .2-3. 张金根, 刘志勤, 衣彬, 等. 采用 PSD 的激光平台测量, 仪的设计 J. 电光与控制, 2007, 1 ( 6): 186- 188.4.位置传感器PSD的应用电路设计。何敏 刘荣 闵锐 电测量与仪器学报5. 一维 、二维的检测原理及测量电路. 郭书立 李立军 谭定忠 佳木斯大学学报（自然科学版）6.陈冬严，林斌 陈玉清 位置传感器探测器（PSD）的研究进展J 光学仪器。2004（8）.68-76三、查阅文献资料，整理激光外差探测技术在实际生产、科研中的应用。光外差探测技

17、术的原理及它的优势：光外差探测技术是一种相干检测技术，所谓的外差探测就是利用差频原理，在探测表面上进行光混频并进行信号处理的技术。在电路中进行滤波放大，提取差频信号，消除直流分量和高频项。与传统的直接探测技术相比具有灵敏度、良好的滤波性能、良好的空间和偏振鉴别能力、探测能力强优点。因此在弱信号探测、光通、激光雷达等领域具有广泛的应用前景。但是由于光外差探测对信号光与本振光的空间准直和波前匹配要求极为严格，特别是对于通过非均匀介质传输的信号光，更难于光外差的探测。所以光外差探测技术有某些领域得到了应用，而在某些领域中，还处于研究基础应用。激光外差测量技术和激光多普勒技术的厚度测量中应用1。 目前

18、平板玻璃的厚度测量仍然沿用传统的接触式测量方法2.该方法只要存采样困难、精度不高、耗费人力物力以及无法获知玻璃厚度的变化情况等缺点。所以非接触式光学测厚方法已经越来越受到重视，这种方法测量的最大优点在于既可以用在一些恶劣的环境又可获得更高的测量精度。光学中，激光外差技术备受关注，它具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、重复性好等优点，已成为现代超精密检测及测量仪器的标志性技术之一，在超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统中广泛应用。 激光束垂直照射到玻璃前后表面时，经前后表面反射的光满足相干条件而发生混频，玻璃厚度的信息就被加载在干涉后的混合光场中。由于前后反射光场的频率没有发生变化，厚度信

19、息只调制在相位的变化上而不宜被探测和调解。利用激光外差技术和激光多普勒技术相结合的方法可以有效解决这个问题。 激光外差测厚技术继承了激光外差和多普勒技术的诸多优点3-5.是目前精确测量厚度技术之一。基本原理是将玻璃的厚度信息不仅被调制在相位差上，而且也被调制在频率差上，便于后期信号处理。这种技术具有空间和时间分辨率高、精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大的优点。外差测量厚度只采用双光束的激光外差，其快速傅里叶变换（FFT）的频谱是单峰值，只能测量单一频率。然而利用多光束外差测量方法，在频域测量多个频率值，每个频率都包含厚度信息，解调后的厚度值，通过加权平均提高了测量的精度。下图是多光束测量

20、厚度原理图：图3-1 斜入射多光束外差测量原理红外光外差探测技术的应用6： 红外外差探测技术已经从实验阶段进入应用阶段。比如林肯实验室，医用相干红外雷达，完成了对测地卫星的跟踪。在测速方面应用更为广泛。如：10.6微米的CO2激光来测速，其精度将比微博雷达高得多。例如：林肯实验室发展了一种高精度的脉冲测距雷达，测距80KM，精度达到36CM。按这一精度，若对6KM的目标测距，其精度可达2.5CM。普通测速，其测速精度可达到0.25mm/s。该装置的激光发射功率高达15000瓦脉冲，10千次/每秒。红外外差探测技术在激光通讯和雷达方面确实显示了独特的特点：1、能保证大容量通讯。2、能获得比直接探

21、测高得多的信噪比。3、测距精度高：达到厘米量级，这是一般微博雷达不容易实现的。4、跟踪精度高。达到10微弧度。光外差探测技术在在科研中应用： 激光外差接收技术室一种高载频电磁波相干接收技术。在高精度测、成像和抗干扰方面有许多优越性7-8。在脉冲激光光折变自泵浦相位共轭（SPPC）与互泵浦相位共轭（MPPC）共存效应9的基础上，利用新型光折变自适应光外差探测系统，对调Q脉冲激光进行改进的研究。 现在各发达国家加大投入对光外差接收的研究，如美、英、法、荷、加拿大等国家正在大力开展CO2红外差接收技术的研究工作。 CO2激光测距仪的多数样机，目前大多作用在0.3-10KM，测距精度5m。多普勒外差测

22、速的精度在m/s数量级。在火力控制系统是CO2激光雷达的主要应用方面。它能对各种固定或运动目标进行测距、测角、测速和动目标指示及识别。在科研中基础研究工作仍集中在CO2激光的传输特性上10.CO2激光外差接收技术室光电子应用的最新成就之一。随着技术的成熟，将产生新一代的激光测距，激光雷达，火控系统和制导系统。然而，新技术应用的探索性研究周期大约为十年，到技术成熟应用大约十年。当前CO2激光外差接收技术的法杖仍人处在基础研究为主，应用研究和工程研究并举的阶段。参考文献1.多光束激光外差高精度测量玻璃厚度的方法。 李彦超 张亮 杨彦玲 高龙徐博 王春晖 （哈尔滨工业大学光电子技术研究所）2.Zha

23、o W Q,Feng ZD,Qiu L R 2007 Chin. Phys.16 16243. Maruyama H , Inoue S , Mitsuyama T , Ohmi M , Haruna M 2002Appl . Opt . 7 1315 4 Bing H , Cabestaing F , Postaire J G , Ruodan Z 2005 I EEE Trans .Instrum . Measur . 1 222 5 Liu S , Xiao F J , Zhang P , Zhao J L 2008 Acta Phys . Sin . 57 2529 (in Chine

24、se) 刘 圣 、肖发俊 、张 鹏 、赵建林 2008 物理学报6.红外外光探测技术 德明7.co_2红外激光外差接收技术在战术武器中的应用 哈尔冰工程大学 戴永江 田恩瑞8.调Q激光光折变自适应光外差探测技术研究。张森 石顺祥 马琳 （西安电子科技大学技术物理院501室）9. CH EN Liju, SHI Shunxiang, ZHAO Wei, et al. Investigation ofphotorefractive SPPC and MPPC coex isting for high speed am plitude modulated beam s J . Acta Photon

25、ica inica , 2003, 32( 8) : 940942. 陈利菊, 石顺祥, 赵卫, 等 高速调制光 自泵浦互泵浦相位共10.红外与激光技术1984. 1期 PP.1-7第一题：20分正文内容正文公式图表及图标参考文献引用英文及简写评分内容正文严谨无误正文有部分错误正确无误有部分错误正确无误有部分错误格式正确格式有错误简写规范简写不规范成绩第二题：40分正文内容正文公式图表及图标参考文献引用英文及简写评分内容正文严谨无误正文有部分错误正确无误有部分错误正确无误有部分错误格式正确格式有错误简写规范简写不规范成绩第三题：40分正文内容正文公式图表及图标参考文献引用英文及简写评分内容正文严谨无误正文有部分错误正确无误有部分错误正确无误有部分错误格式正确格式有错误简写规范简写不规范成绩评语：总成绩-第 15 页-