光电技术光学基础和测试技术一、光电信号检测电路恒流源型光电检测器
0 50 100 150
0
1
2
3
4
5
6
125? lm
100? lm
75? lm
50? lm
25? lm
i
(m
A)
U ( V )
右图是恒流源型光电探测器的伏安特性：输出电流随器件端电压增大变化不大。如光电管、光电倍增管、光电二极管、光电三极管等。
电流放大型信号放大电路
I
sc
R
R
f
Z
in
＋
－
输入阻抗,Zin= Rf/(A+1)，
当开环放大倍数 A=104，反馈电阻为 100K时，输入阻抗为 10，此时光电二极管工作在近似短路电流状态，响应速度高，放大器噪声低。
输出电压,U=IscRf=RfSΦ，
与输入光通量成正比。
适用于弱信号检测。
电压放大型信号放大电路电压放大型：
放大器的漏电流很小，输入阻抗很大。当负载电阻为 1M
以上时，光电二极管工作在接近开路状态。
输出电压：
U=-AUoc=-AUTln(SΦ/Io)与输入光通量对数成正比。
A=1+R2/R1
R
1
R
L
R
2
＋
－
阻抗变换型信号放大电路阻抗放大型：
将高阻抗的电流源转换成低阻抗的电压源。
输出电压,Uo=IRf=RfSΦ，采用场效应管放大。
电路的时间特性比较差，适用于缓变信号放大。
R
L
U
b
I
R
0
R
R
f
＋
－
二、光电信号的变换和检测
1、时变光信号的直接检测光信号的测量可以是振幅型的、频率型的和相位型的。直流的或者变化缓慢的信号采用振幅测量法，
而时间脉冲信号采用频率或相位测量。振幅测量的相对误差可达 10-2~10-4，频率测量可达 10-6以下。
光信号的振幅测量
单通道测量系统,直读法 (直接读出光信号幅度 ),指零法 (通常用于测量偏振度等光信号，有较高的精度 )；
双通道测量系统,用于克服单通道测量时入射光辐射波动导致的系统不稳定。通常有 差动法、比较法 和 交替法 。在差动法中，信号的变化采用差值控制，而在比较法中采用比例控制。差动法和比较法中采用指零读数时，类似于电桥平衡。交替比较法采用单个光电接收器，用于克服前面二种方法中接收器差异导致的测量误差。
光信号的频率测量
波数测量,通过测量光通量随时间变化的周期数来检测被测值的方法称作波数测量或波形测量。常用场合为干涉法测量位移 (如迈克尔逊干涉仪 )、测量微小角度或长度 (如等厚干涉法 )等等；
频率测量,测量光通量变化频率的方法。例如采用干涉仪测量物体运动的速度等。
被测信息的规律是周期性的，则可考虑采用频率测量方法。与振幅测量方法相比较，频率测量具有很高的测量精度。
光信号的相位测量
s ou rc e
de t ect or2
de t ect or1
T arg et
相位法光波测距：调制的光信号的相位信息可以用来测量距离信息，
这种测量方法被广泛应用于照相机中。 -1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 1 2 3 4 5 6 7
Detector1
Detector2
光信号的时间测量脉冲激光测距仪和激光雷达：发射一个激光脉冲，
接收反射回来的激光脉冲，通过测量二个脉冲之间的时间差得到距离信息。
s ou rc e
de t ect or2
de t ect or1
T arg et
作业：
在光学探测技术中，有一种技术称作相干探测或者干涉探测或者光外差探测。它被广泛地应用到雷达监测中。
请叙述该检测技术的基本原理。
2、时变光信号的调制检测对光信号进行调制，将待测信息加载到光信号中达到测量目的。调制技术可改善光电系统的工作品质，
提高信噪比和灵敏度，是光电检测系统中常用的方法。
光信号调制分类
按时空状态分,时间调制 (载波随时间和信息变化 )、
空间调制 (载波随空间位置变化后再按信息规律调制 )、
时 空混合调制 (载波随时间、空间和信息规律变化 )；
按载波波形和调制方式分类,直流载波 (载波不随时间变化、只随信息变化 ),交变载波 (载波随时间周期变化 ),连续载波 (调幅波、调频波、调相波 ),脉冲载波
(脉冲调宽、调幅、调频等 ) 。
连续波调制
0
A M F M PM
0
sin
m
m
t V t V t t V t
Vt
Vt
满 足,
由 被 测 信 息 决 定 的 调 制 函 数,
光信号振幅调制
0 s in
1
m
mm
t V t t
V t m V t
规定 V(t)小于 1,m为调制 (深 )度，且小于等于 1；
0
0
si n
1 si n si n
c os1
si n
2 c os
m
mm
V t t
t m t t
t
tm
t
设 调 制 函 数可选择带通滤波器提高信噪比。带宽,ω-Ω~ω+Ω
光信号频率调制
0
00
0
si n d
2
t
m
V t V t
t t V t t
,最 大 频 率 偏 差 称 作 偏 频
00
0
0
0
c os
sin sin
sin c os sin
c os sin sin
m f f
f
m
f
V t t
t t m t m
t m t
t m t
设 调 制 函 数
,调 制 系 数可选择带通滤波器提高信噪比。带宽,ω-Ω~ω+Ω
光信号频率调制
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0
0 0 0
0
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1
sin c os sin
c os sin sin
sin c os sin
sin
1
sin
2 sin
f
f
m
f
mf
m m f
m
t m t
t
t m t
t m t t
t
tm
t
在 窄 带 调 频 时,
可选择带通滤波器提高信噪比。带宽 Bf,ω0-Ω~ω0+Ω
光信号频率调制
00
1
sin sin
2
2
f
mf
f
m
t t m t
B
在 宽 带 调 频 时,
带 宽光信号脉冲调制
将直流光通量用斩光盘调制，可得到连续的光脉冲载波。这种脉冲调制可实现对光脉冲信号的幅度、重复频率、脉宽、相位等参数或者它们的组合按调制信息改变。
此外，还可其他参量进行调制，如对光信号的偏振特性参数调制、对光信号传输方向调制等。
调制器
机电调制器：如调制盘、斩波器等；
光控调制器：电光效应、声光效应、磁光效应等；
辐射调制器：给辐射源供电的电源调制。
调制信号的解调 (检波 )
解调是调制的反过程；
调制是将信号频谱向高频方向变换，解调则是将信号频谱复原。
调幅信号的解调
0
0
00
ii
i
VVV
V
0 1 s in s in
1 s in s in
m
i
t m t t
V m t t
0 2
1
211 s in c o s 2 s in 2 s in 2
4 1 2 2n
mmV m t n t n t n t
n
解调是信号变换的非线性过程，利用非线性元件实现；
二极管检波：具有 直线律检波 特性；
信号中直流成份通过隔直处理。
应用低通滤波器滤去高频成份后得到：
0 2 1 s inV m t
三、光电信号的变换形式和检测方法利用几何变换的光电检测方法：将光学现象看作是直线传播的结果。主要用于测量物体的几何量如长度、位移、
速度等。
利用物理变换的光电检测方法,将光学现象看作是电磁波传播的结果。利用光的衍射、干涉、光谱、能量等进行光电检测和控制。
实例一
CCD
基于几何变换的检测方法；
测量长度、面积、计数等；
显微镜、计数器等。
实例二基于衍射理论的颗粒粒度检测方法
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右图是恒流源型光电探测器的伏安特性：输出电流随器件端电压增大变化不大。如光电管、光电倍增管、光电二极管、光电三极管等。
电流放大型信号放大电路
I
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R
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输入阻抗,Zin= Rf/(A+1)，
当开环放大倍数 A=104，反馈电阻为 100K时，输入阻抗为 10，此时光电二极管工作在近似短路电流状态，响应速度高，放大器噪声低。
输出电压,U=IscRf=RfSΦ，
与输入光通量成正比。
适用于弱信号检测。
电压放大型信号放大电路电压放大型：
放大器的漏电流很小，输入阻抗很大。当负载电阻为 1M
以上时，光电二极管工作在接近开路状态。
输出电压：
U=-AUoc=-AUTln(SΦ/Io)与输入光通量对数成正比。
A=1+R2/R1
R
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R
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阻抗变换型信号放大电路阻抗放大型：
将高阻抗的电流源转换成低阻抗的电压源。
输出电压,Uo=IRf=RfSΦ，采用场效应管放大。
电路的时间特性比较差，适用于缓变信号放大。
R
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二、光电信号的变换和检测
1、时变光信号的直接检测光信号的测量可以是振幅型的、频率型的和相位型的。直流的或者变化缓慢的信号采用振幅测量法，
而时间脉冲信号采用频率或相位测量。振幅测量的相对误差可达 10-2~10-4，频率测量可达 10-6以下。
光信号的振幅测量
单通道测量系统,直读法 (直接读出光信号幅度 ),指零法 (通常用于测量偏振度等光信号，有较高的精度 )；
双通道测量系统,用于克服单通道测量时入射光辐射波动导致的系统不稳定。通常有 差动法、比较法 和 交替法 。在差动法中，信号的变化采用差值控制，而在比较法中采用比例控制。差动法和比较法中采用指零读数时，类似于电桥平衡。交替比较法采用单个光电接收器，用于克服前面二种方法中接收器差异导致的测量误差。
光信号的频率测量
波数测量,通过测量光通量随时间变化的周期数来检测被测值的方法称作波数测量或波形测量。常用场合为干涉法测量位移 (如迈克尔逊干涉仪 )、测量微小角度或长度 (如等厚干涉法 )等等；
频率测量,测量光通量变化频率的方法。例如采用干涉仪测量物体运动的速度等。
被测信息的规律是周期性的，则可考虑采用频率测量方法。与振幅测量方法相比较，频率测量具有很高的测量精度。
光信号的相位测量
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相位法光波测距：调制的光信号的相位信息可以用来测量距离信息，
这种测量方法被广泛应用于照相机中。 -1.5
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Detector1
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光信号的时间测量脉冲激光测距仪和激光雷达：发射一个激光脉冲，
接收反射回来的激光脉冲，通过测量二个脉冲之间的时间差得到距离信息。
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作业：
在光学探测技术中，有一种技术称作相干探测或者干涉探测或者光外差探测。它被广泛地应用到雷达监测中。
请叙述该检测技术的基本原理。
2、时变光信号的调制检测对光信号进行调制，将待测信息加载到光信号中达到测量目的。调制技术可改善光电系统的工作品质，
提高信噪比和灵敏度，是光电检测系统中常用的方法。
光信号调制分类
按时空状态分,时间调制 (载波随时间和信息变化 )、
空间调制 (载波随空间位置变化后再按信息规律调制 )、
时 空混合调制 (载波随时间、空间和信息规律变化 )；
按载波波形和调制方式分类,直流载波 (载波不随时间变化、只随信息变化 ),交变载波 (载波随时间周期变化 ),连续载波 (调幅波、调频波、调相波 ),脉冲载波
(脉冲调宽、调幅、调频等 ) 。
连续波调制
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规定 V(t)小于 1,m为调制 (深 )度，且小于等于 1；
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在 窄 带 调 频 时,
可选择带通滤波器提高信噪比。带宽 Bf,ω0-Ω~ω0+Ω
光信号频率调制
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在 宽 带 调 频 时,
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将直流光通量用斩光盘调制，可得到连续的光脉冲载波。这种脉冲调制可实现对光脉冲信号的幅度、重复频率、脉宽、相位等参数或者它们的组合按调制信息改变。
此外，还可其他参量进行调制，如对光信号的偏振特性参数调制、对光信号传输方向调制等。
调制器
机电调制器：如调制盘、斩波器等；
光控调制器：电光效应、声光效应、磁光效应等；
辐射调制器：给辐射源供电的电源调制。
调制信号的解调 (检波 )
解调是调制的反过程；
调制是将信号频谱向高频方向变换，解调则是将信号频谱复原。
调幅信号的解调
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解调是信号变换的非线性过程，利用非线性元件实现；
二极管检波：具有 直线律检波 特性；
信号中直流成份通过隔直处理。
应用低通滤波器滤去高频成份后得到：
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三、光电信号的变换形式和检测方法利用几何变换的光电检测方法：将光学现象看作是直线传播的结果。主要用于测量物体的几何量如长度、位移、
速度等。
利用物理变换的光电检测方法,将光学现象看作是电磁波传播的结果。利用光的衍射、干涉、光谱、能量等进行光电检测和控制。
实例一
CCD
基于几何变换的检测方法；
测量长度、面积、计数等；
显微镜、计数器等。
实例二基于衍射理论的颗粒粒度检测方法
