第五章 光电直接检测系统
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光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
29
探测器上的光谱功率
Pe E e A0 0
探测器输出信号电压
A0 VS 2 L
I
1
2
e
1
0
RV d
输出信噪比
VS A0 2 I e 1 0 RV d 2 Vn Vn L 1
简化处理结果:
VS A0 I R 2 e 1 0 V Vn Vn L
15
信噪比为：
SNRp
Po e h PS2 2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT
2
(ePS G / hv) 2 2e 2 ( PS Pb )G 2 4kt 2 2eI d G f hv RL
当热噪声是主要噪声源时
E I 0 I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量
2
22
激光波形为：
I t Ae
光脉冲宽度。 频谱I(ω)为：
2t 2
β 是脉冲峰值， β ≈1.66 /τ0 ， τ0是激
I I t e jt dt
A
e
2 4 2
SNR p
i
e h
2 NS
2
P G
2 S 2
i
2 NB
i
2 ND
G i
2
2 NT
G2很大时，热噪声可以忽略,光电倍增管可接
近散粒噪声限。
19
2）光导探测器直接探测系统的信噪比
主要噪声为复合噪声，它和偏置电流成比例， 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处，且物方与像方两侧的介 质相同。
探测器上的光谱功率
Pe E e A0 0
探测器输出信号电压
A0 VS 2 L
I
1
2
e
1
0
RV d
输出信噪比
VS A0 2 I e 1 0 RV d 2 Vn Vn L 1
简化处理结果:
VS A0 I R 2 e 1 0 V Vn Vn L
15
信噪比为：
SNRp
Po e h PS2 2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT
2
(ePS G / hv) 2 2e 2 ( PS Pb )G 2 4kt 2 2eI d G f hv RL
当热噪声是主要噪声源时
E I 0 I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量
2
22
激光波形为：
I t Ae
光脉冲宽度。 频谱I(ω)为：
2t 2
β 是脉冲峰值， β ≈1.66 /τ0 ， τ0是激
I I t e jt dt
A
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SNR p
i
e h
2 NS
2
P G
2 S 2
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2 NB
i
2 ND
G i
2
2 NT
G2很大时，热噪声可以忽略,光电倍增管可接
近散粒噪声限。
19
2）光导探测器直接探测系统的信噪比
主要噪声为复合噪声，它和偏置电流成比例， 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处，且物方与像方两侧的介 质相同。
光电检测系统
人眼视觉系统
机器视觉系统
• 机器视觉系统最重要的一个局部是图像处 理与决策模块，从逻辑上可分为三阶段： 图像的预处理、特征提取、模式识别和理 解。图像的预处理是将由成像设备获得的 低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经 过噪声过滤、 平滑处理、 图像增强等处理
变成易于进展特征提取等后续操作的过程。 图像特征提取就是从经过底层处理的图像 中提取有利于图像识别和理解的主要特征 量，用有限的特征来描述原始图像中的目
机器视觉技术与无损检测
• 机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量 和判断，它在半导体生产、汽车制造、医 药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。 在机器视觉系统中，机器视觉产品将被摄 取目标转换成图像信号，传输给图像处理 系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息， 转变成数字化信号，图像系统对这些信号 进展各种运算来抽取目标特征，从而得到 感兴趣的目标信息。
• 工业,农业
应用领域
• 军事,航天
• 家庭
• 医学
设计原理
• 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统 和信息处理与技术的提高，光电检测技术 作为一门研究光与物质相互作用开展起来 的新兴学科，已成为现代信息科学的一个 极为重要的组成局部。光电检测作为光电 信息技术的主要技术之一，它是以激光、 红外、光纤等现代光电子器件作为根底， 通过对被检测物体的光辐射，经光电检测 器承受光辐射并转换为电信号，由输入电 路、放大滤波等检测电路提取有用信息，
• X射线检测技术主要是获取部件的内部缺陷，
• 〔3〕远距离、大量程：光是最便于远距离 测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如
根据不同的应用对象和用户场 合可采用不同的无损光电检 测技术和相应的检测装置来 实现。
分类
• 红外光谱检测技术 • 拉曼光谱检测技术 • 机器视觉检测技术 • 超声波检测技术 • X射线检测技术 • 电子鼻和电子舌检测技术
第五章 光电直接检测系统
2
若要达到信号噪声限，要求 2 eG PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
信噪比：表征检测系统的灵敏度
PS ( PS Pn ) SNRo 2 2 PS Pn Pn 1 2( PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与
j
k
(mv ) mv Pos ( K , mv ) e K!
mv （）dt I d
v
是光电转换系数
光电信号检测
泊松计数统计是光电转换的最基本统计，它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。 光电探测器响应单个光子的求和，可作为平均 光电流。 K (0,T )
当输入信噪比远远大于1时，输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。 结论：直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
光电信号检测
直接探测系统的探测灵敏度
2.直接探测系统的探测灵敏度 输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
Pso SNRo Pno 2e[ e）Ps Pb) Id )]f 4kT f / RL （ ( hv
电子科学与技术教研室电子科学与技术教研室宁波工程学院电子与信息工程学院宁波工程学院电子与信息工程学院第五章光电直接检测系统光电信号检测电科08系统设计光电信号检测光电信号检测光电信号检测光电信号检测主动系统被动系统按信息光源分红外系统可见光系统按光源波长分可见光系统多用于民用点探测面探测系统按接受系统分用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统数字系统按调制和信号处理方式分直接检测相干检测系统按光波对信号的携带方式分光电信号检测光电信号检测主动系统主动系统通过信息调制光源或者光源发射的光受被测物体调制
若要达到信号噪声限，要求 2 eG PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
信噪比：表征检测系统的灵敏度
PS ( PS Pn ) SNRo 2 2 PS Pn Pn 1 2( PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与
j
k
(mv ) mv Pos ( K , mv ) e K!
mv （）dt I d
v
是光电转换系数
光电信号检测
泊松计数统计是光电转换的最基本统计，它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。 光电探测器响应单个光子的求和，可作为平均 光电流。 K (0,T )
当输入信噪比远远大于1时，输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。 结论：直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
光电信号检测
直接探测系统的探测灵敏度
2.直接探测系统的探测灵敏度 输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
Pso SNRo Pno 2e[ e）Ps Pb) Id )]f 4kT f / RL （ ( hv
电子科学与技术教研室电子科学与技术教研室宁波工程学院电子与信息工程学院宁波工程学院电子与信息工程学院第五章光电直接检测系统光电信号检测电科08系统设计光电信号检测光电信号检测光电信号检测光电信号检测主动系统被动系统按信息光源分红外系统可见光系统按光源波长分可见光系统多用于民用点探测面探测系统按接受系统分用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统数字系统按调制和信号处理方式分直接检测相干检测系统按光波对信号的携带方式分光电信号检测光电信号检测主动系统主动系统通过信息调制光源或者光源发射的光受被测物体调制
光电检测系统原理
光电检测系统原理
光电检测系统是一种常用的检测技术，其原理基于光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被电子吸收，使电子获得足够的能量从而跳出原子的束缚，产生自由电子。
在光电检测系统中，一般采用光敏元件作为光电转换器件。
光敏元件根据其工作原理的不同可以分为光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。
当光照射到光敏元件上时，会产生光生电流或改变电阻值，这种电信号可以被测量、放大并进一步处理。
光电检测系统的光源也是至关重要的组成部分。
光源的选择要根据被检测物体的特性来确定，可以使用白光、激光、红外线等不同种类的光源。
在某些应用中，还需要使用滤光片来选择特定波长的光源。
此外，光电检测系统中还包含光电信号的处理与分析。
光电信号一般较弱，需要经过放大、滤波、调整等处理，以提高信号质量和准确性。
处理之后的信号可以用于后续的数据分析、控制指令等。
总的来说，光电检测系统通过利用光电效应将光信号转化为电信号，进而实现对被检测物体的非接触式检测。
这种检测方式具有灵敏度高、响应速度快、精度较高等特点，广泛应用于工业制造、生命科学、环境监测等领域。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
光电检测系统
长度：直尺、游标卡尺、千分尺
电压：万用表
质量：天平
间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式 计算出被测量。例如：
电功率：P = I * V（电流/电压）
重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周
期）
g
4
T
2L
2
返回
光电探测器的种类
类型 PN结
非PN结 电子管类
以光电子学为基础,以光电器件为主体,研究和发展光电信 息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：
1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测 5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析
光信息量化的变换方式在位移量（长度、宽 度和角度）的光电测量系统中得到广泛的应 用。
若长度信息量L量化为条纹信息量，则长度 L=qn
q为量化单位，采用莫尔条纹变换时，其为光栅节距，达到微米 量级；若采用激光干涉时，其 等于激光波长的二分之一或四分之一；n为条纹个数。
信息载入光学信息的方式
光通讯方式的信息变换
光电检测系统
光 光 被 光 光变 电
源
学 系 统
测 对 象
学 变 换
电换 传电 感路
信 号 处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
Байду номын сангаас
光电检测系统
光学变换
时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
光电检测系统的工作原理及应用
光电检测系统的工作原理及应用概述光电检测系统是利用光电传感器来实现对光信号的检测和测量的一种系统。
它通过将光信号转化为电信号进行处理和分析，广泛应用于工业自动化、仪器仪表、机器视觉、安防监控等领域。
本文将介绍光电检测系统的工作原理及其在各个领域的应用。
工作原理光电检测系统的工作原理是将光信号转化为电信号，并通过电路进行处理和分析。
光电传感器是光电检测系统的核心组件，它可以将光信号转化为电信号。
光电传感器光电传感器主要由光电二极管（Photodiode）、光敏电阻（Photocell）和光电管（Phototube）等组成。
光电二极管是最常见的光电传感器之一，其工作原理是利用半导体材料对光的敏感性，在光照下产生电流。
光电二极管可根据光照强度的变化产生不同的电流信号，实现对光信号的检测和测量。
信号处理电路光电检测系统中的信号处理电路主要用于放大、滤波和处理光电传感器产生的微弱电信号。
通过增加电流放大器、滤波器和信号处理器等电路，可以提高系统对光信号的灵敏度和稳定性。
同时，信号处理电路还可以对电信号进行模数转换和数字信号处理，进一步对光信号进行分析和判断。
应用领域光电检测系统在各个领域有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：工业自动化光电检测系统在工业自动化领域中起到了重要作用。
它可以用于物料检测、位置判断和传感器触发等任务。
光电传感器可以检测到物体的存在与否，实现对物体的自动识别和测量。
在流水线上，光电检测系统可以实现对物体的计数和判断，提高生产效率和质量。
仪器仪表光电检测系统在仪器仪表领域中也有广泛的应用。
例如，在光谱仪中，光电传感器可以将光信号分解为不同波长的光谱，并进行光谱分析和测量。
在激光测距仪中，光电检测系统可以利用光信号的反射时间来测量目标物体与传感器的距离。
机器视觉光电检测系统在机器视觉领域中也被广泛应用。
它可以用于图像传感和边缘检测等任务。
利用光电传感器对光信号的感知和分析，可以实现对图像的自动采集、处理和判断。
光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
22
激光波形为：
I t Ae 2t2
第五章 光电直接探测系统
直接检测系统的基本工作原理 直接检测系统的基本特性 直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
直接探测（非相干探测）系统 利用光源出射光束的强度去携带信息， 光电探测器直接把接收到的光强度变化 转换为电信号变化，最后用解调电路检 出所携带的信息。 光外差探测（相干探测）系统 利用光波的振幅、频率、相位来携带信 息，而不是利用光强度，所以只有相干 光可被用来携带信息，检出信息时需用 光波相干的原理。
20
半视场角为： W d
2f
视场角立体角Ω为：
Ad f2
增大视场角Ω方法：增大探测器面积或 减小光学系统的焦距。
21
4、系统的通频带宽度
1） 等效矩形带宽 I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为：
E 1
2
I d
2
等效距形带宽Δω定义为：
E I 0 2 I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量
G2很大时，热噪声可以忽略,光电倍增管可接 近散粒噪声限。
19
2）光导探测器直接探测系统的信噪比 主要噪声为复合噪声，它和偏置电流成比例， 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处，且物方与像方两侧的介 质相同。
[2
e2
hv
( PS
Pb )G 2
2dI d G 2
4kt RL
]fR
L
15
信噪比为：
SNR
p
Po Pno
iN2S
e h 2 PS2
iN2B iN2D iN2T
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要达到信号噪声限，要求
eG2PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
❖ 信噪比：表征检测系统的灵敏度
SNRo
PS 2 2PS Pn Pn2
(PS Pn )2 1 2(PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率
❖ 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与
▪ 等效矩形带宽 ▪ 频谱曲线下降３dB的带宽 ▪ 包含９０％能量的带宽 ❖ 频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪 声功率也越大．
光电信号检测
5.3 直接检测系统的距离方程
1.被动接收系统的距离方程 2.主动接收系统的距离方程 ❖ 以上内容学生讲解
光电信号检测
5.4 光电直接检测系统举例
时变光信号的检测 ❖ 光电系统所处理的输入信号有一类是辐射光通量直接
Psi2
(SNRpi)2
SNRpo
Pno
2PsiPni Pni2
1 2(SNRpi)
光电信号检测
信号光较弱时
分两种情况分析： ❖ 1）当Psi<<Pni时，直接探测系统的输出信噪比
SNRpo (SNRpi)2 (Psi / Pni)2 1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 图中，由辐射源1产生的光通量Φ0，经布置于光路上的 被测样品或标准样品2的部分吸收或散射，投射到检测 器3的光敏表面上。
❖ 利用光电信号放大器4可以测量出载有信息的光通量Φ， 最后由指示仪表5显示记录下被测量的结果。
❖ 单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。
光电信号检测
1）直读法 ❖ 在单通道系统中，直接测量载荷信息的光通量值，并
SNRpo ( Psi )2 Pni
❖ 输出的信噪比将更小，检测灵敏度也低，直接检
测系统不适合弱光检测。
光电信号检测
信号光很强时
2）当Psi>>Pni 时，相应的输出信噪比：
(SNRpi)2
(Psi / Pni)2
SNRpo
1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 用单元探测器接受目标的总辐射功率 ▪ 用面接受元件测量目标的光强分布
❖ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) ❖ 直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
光电信号检测
主动系统
❖ 通过信息调制光源，或者光源发射的光受被测 物体调制。
光电信号检测
SNRpo 1 (Psi / Pni) 2
当输入信噪比远远大于1时，输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。
结论：直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
光电信号检测
直接探测系统的探测灵敏度
❖2.直接探测系统的探测灵敏度
输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
光电信号检测
§5-1 光电直接检测系统的基本原理
5.1.1直接测量系统的工作原理 ❖ 定义：
光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏
面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应 的电流或电压。
❖ 换句话说，直接检测系统是随时间变化光信号或随空间 变化的光信号的直接测量 ，属于非相干检测。
第五章 光电直接检测系统
电科08（系统设计）
宁波工程学院电子与信息工程学院
电子科学与技术教研室
丁志群 制
光电信号检测
光电信号检测
光电检测系统分类
❖ 主动系统/被动系统(按信息光源分)
❖ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) ▪ 红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 ▪ 可见光系统多用于民用
发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有 关．
光电信号检测
（三）直接检测系统的视场角
❖ 表征系统能“观察”到的空 间范围。
❖ 系统的视场角越大越好。但 是增大检测器面积使系统的
噪声增大；减小焦距使系统 的相对孔径加大。
2
d Ad / f 1
光电信号检测
（四）系统的通频带宽度
❖ 检测系统要求Δf保持原由信号的调制信息． ❖ 确定系统频带宽度的几种方法：
N（t）是接收光场的光电子计数速率。
光电信号检测
（二）光电检测的平方律特性
❖假设 入射号 Es(t) Acos t
式中A为信号光电场振幅， 为信号光的频
率。平均功率为
Ps Es2 (t) A2 / 2
❖ 光检测器输出电流为
Is Ps e Es2 (t) e A2
h
2h
❖式中：Es2 (t) 表示 Es2 (t) 的时间平均值； 为光电变换比例常数，且有 e
光电信号检测
❖ 利用图b中的方框图可以计算出系统的测量关系。设被 测偏振面转角为θx，检偏器的读出转角为θ0，偏振器组 合的相对转角为θx-θ0，对于透光率τ的转换因子为M， 则检偏-起偏器组合和指示仪表的输出值θ分别可表示为：
τ＝M(θx-θ0)
和
❖ 由以上二式有
θ＝KSIΦ0τ
θ＝KSIΦ0M(θx-θ0)＝K0(θx-θ0)
光电信号检测
一、光通量的幅度测量 1．单通道测量系统
单通道测量系统和直读法 a) 原理示意图 b) 方框图 1-辐射源 2-被测样品（或标准样品） 3-检测器 4-光电信号放大器 5-指示仪表
光电信号检测
❖ 被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器，经由读 出装置进行测量的系统称作单通道测量系统。
❖ 只考虑热噪声影响 P min, TL (2 hv kT f / RL e
光电信号检测
❖ 3.光电探测器内增益对检测灵敏度的影响
SNRo Pso
（GPs）2
Pno 2eG（2 e）(Ps Pb)f 4kT f / RL
hv
Ps / ef
G2 2 G2
)（ e）(1 hv
Pb )f Ps
随被测信息变化的。这种情况下的被测信息是载荷在 光通量的幅度大小、变化频率或变化相位上，检测这 些参量可以测量出所需要的信息。 举例： ➢ 直接测量来自被测物体的光辐射进行的光谱分析和辐 射测温； ➢ 通过检测被测物体的透光率测量气体液体的浓度或薄 膜厚度； ➢ 通过测量反射率检测物体的表面状态等。下面介绍直 接随信息改变的光通量测量方法。
通过与标准样品的比对测定被测量的方法称作直读法。 ❖ 例如为了测量样品的透过率，可以在图a所示的光路中
事 先分别放置透过率已知的标准样品，每次对电表值 进行标定。 ❖ 经过这样的处理后再将被测样品放在光路中，即可由电 表的示值直接得到被测的透过率值。
光电信号检测
❖ 直读法测量系统的方框图示于图b中。设照明样品的光 通量为Φ0，样品透过率为τ，透过样品并为光电检测器 接收的光通量为Φ，检测器的电流灵敏度为SI，放大器 增益为K，读出装置的传递系数为M，输出值为θ，则 直读系统的测量值可表示为
i 1 A2 A2d (t) 2
若光电检测输出端有隔直电容，则输出仅有第二 项（即实现包络检测）。
光电信号检测
二、直接检测系统的信噪比和灵敏度 1. 直接探测系统的信噪比
Pso Pno （e）2(Psi Pni)2RL hv
（e）2(Psi2 2PsiPni Pni2 )RL hv
Pso
光电信号检测
❖ 式中，K0＝KSIΦ0M，Φ0为入射照明光通量，SI为光检 测器灵敏度，K为放大器增益。在无试样的校准状态下， 即θx＝0时，调整θ0，使θ＝0。随后加入试样则θx≠0， 因而θ≠0。重新调整θ，使θ再次为零，此时有 θx＝θ0
❖
θ＝SIKMΦ0τ＝K0τ
或
❖
τ＝θ/K0
式中K0＝SIKMΦ0。
光电信号检测
❖ 当K0保持恒定不变时，被测值τ和读出示值θ之间存在着 一一对应的关系，可根据θ确定被测的τ值。但实际上K0 值不是完全不变的。
❖ 特别是Φ0因子与照明状态有关，存在着长期工作的不 稳定性和不重复性。
❖ 比例因子K0的波动会直接造成测量示值的偏差。此外定 标所用基准的误差或在定标过程中引入的偏差也会直接 影响测量结果，因此直读法在实际应用中受到一定的限 制。
h
光电信号检测
（二）光电检测的平方律特性
❖ 若光检测器的负载电阻为RL，则光电检测器 输出功率为
结论：
Po
Is2 RL
( e)2
P R2 s L
h
直接探测系统的平方律特性
❖光电探测器的的光电流正比于光场振幅的平 方；
❖光电探测器输出的电功率正比于入射光功率 的平方。
光电信号检测
❖若入射波是调幅波，即 Es(t) A[1 d(t)]cost 式中： d (t) 为调制信号。则检测器输出电流为
K!
是光电转换系数
光电信号检测
❖ 泊松计数统计是光电转换的最基本统计，它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。
❖ 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。
❖ 光电探测器响应单个光子的求和，可作为平均
光电流。
K (0,T )
Ip E[ X (t)] E[ h(t tj)]
j0
T
e(t tj)N (tj)dtj eN (t) 0
SNRo
Pso Pno
2e（[ e）(Ps
（e hv
Pb)
Ps）2 Id)]f
4kT f
/
RL
hv
光电信号检测
❖强信号下， SNRpo 1
❖只考虑散弹噪声的影响 SNRpo, sL Ps 2hvf
NEP P min, sL 2hvf /
❖ 只考虑背景噪声影响
eG2PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
❖ 信噪比：表征检测系统的灵敏度
SNRo
PS 2 2PS Pn Pn2
(PS Pn )2 1 2(PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率
❖ 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与
▪ 等效矩形带宽 ▪ 频谱曲线下降３dB的带宽 ▪ 包含９０％能量的带宽 ❖ 频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪 声功率也越大．
光电信号检测
5.3 直接检测系统的距离方程
1.被动接收系统的距离方程 2.主动接收系统的距离方程 ❖ 以上内容学生讲解
光电信号检测
5.4 光电直接检测系统举例
时变光信号的检测 ❖ 光电系统所处理的输入信号有一类是辐射光通量直接
Psi2
(SNRpi)2
SNRpo
Pno
2PsiPni Pni2
1 2(SNRpi)
光电信号检测
信号光较弱时
分两种情况分析： ❖ 1）当Psi<<Pni时，直接探测系统的输出信噪比
SNRpo (SNRpi)2 (Psi / Pni)2 1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 图中，由辐射源1产生的光通量Φ0，经布置于光路上的 被测样品或标准样品2的部分吸收或散射，投射到检测 器3的光敏表面上。
❖ 利用光电信号放大器4可以测量出载有信息的光通量Φ， 最后由指示仪表5显示记录下被测量的结果。
❖ 单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。
光电信号检测
1）直读法 ❖ 在单通道系统中，直接测量载荷信息的光通量值，并
SNRpo ( Psi )2 Pni
❖ 输出的信噪比将更小，检测灵敏度也低，直接检
测系统不适合弱光检测。
光电信号检测
信号光很强时
2）当Psi>>Pni 时，相应的输出信噪比：
(SNRpi)2
(Psi / Pni)2
SNRpo
1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 用单元探测器接受目标的总辐射功率 ▪ 用面接受元件测量目标的光强分布
❖ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) ❖ 直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
光电信号检测
主动系统
❖ 通过信息调制光源，或者光源发射的光受被测 物体调制。
光电信号检测
SNRpo 1 (Psi / Pni) 2
当输入信噪比远远大于1时，输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。
结论：直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
光电信号检测
直接探测系统的探测灵敏度
❖2.直接探测系统的探测灵敏度
输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
光电信号检测
§5-1 光电直接检测系统的基本原理
5.1.1直接测量系统的工作原理 ❖ 定义：
光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏
面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应 的电流或电压。
❖ 换句话说，直接检测系统是随时间变化光信号或随空间 变化的光信号的直接测量 ，属于非相干检测。
第五章 光电直接检测系统
电科08（系统设计）
宁波工程学院电子与信息工程学院
电子科学与技术教研室
丁志群 制
光电信号检测
光电信号检测
光电检测系统分类
❖ 主动系统/被动系统(按信息光源分)
❖ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) ▪ 红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 ▪ 可见光系统多用于民用
发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有 关．
光电信号检测
（三）直接检测系统的视场角
❖ 表征系统能“观察”到的空 间范围。
❖ 系统的视场角越大越好。但 是增大检测器面积使系统的
噪声增大；减小焦距使系统 的相对孔径加大。
2
d Ad / f 1
光电信号检测
（四）系统的通频带宽度
❖ 检测系统要求Δf保持原由信号的调制信息． ❖ 确定系统频带宽度的几种方法：
N（t）是接收光场的光电子计数速率。
光电信号检测
（二）光电检测的平方律特性
❖假设 入射号 Es(t) Acos t
式中A为信号光电场振幅， 为信号光的频
率。平均功率为
Ps Es2 (t) A2 / 2
❖ 光检测器输出电流为
Is Ps e Es2 (t) e A2
h
2h
❖式中：Es2 (t) 表示 Es2 (t) 的时间平均值； 为光电变换比例常数，且有 e
光电信号检测
❖ 利用图b中的方框图可以计算出系统的测量关系。设被 测偏振面转角为θx，检偏器的读出转角为θ0，偏振器组 合的相对转角为θx-θ0，对于透光率τ的转换因子为M， 则检偏-起偏器组合和指示仪表的输出值θ分别可表示为：
τ＝M(θx-θ0)
和
❖ 由以上二式有
θ＝KSIΦ0τ
θ＝KSIΦ0M(θx-θ0)＝K0(θx-θ0)
光电信号检测
一、光通量的幅度测量 1．单通道测量系统
单通道测量系统和直读法 a) 原理示意图 b) 方框图 1-辐射源 2-被测样品（或标准样品） 3-检测器 4-光电信号放大器 5-指示仪表
光电信号检测
❖ 被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器，经由读 出装置进行测量的系统称作单通道测量系统。
❖ 只考虑热噪声影响 P min, TL (2 hv kT f / RL e
光电信号检测
❖ 3.光电探测器内增益对检测灵敏度的影响
SNRo Pso
（GPs）2
Pno 2eG（2 e）(Ps Pb)f 4kT f / RL
hv
Ps / ef
G2 2 G2
)（ e）(1 hv
Pb )f Ps
随被测信息变化的。这种情况下的被测信息是载荷在 光通量的幅度大小、变化频率或变化相位上，检测这 些参量可以测量出所需要的信息。 举例： ➢ 直接测量来自被测物体的光辐射进行的光谱分析和辐 射测温； ➢ 通过检测被测物体的透光率测量气体液体的浓度或薄 膜厚度； ➢ 通过测量反射率检测物体的表面状态等。下面介绍直 接随信息改变的光通量测量方法。
通过与标准样品的比对测定被测量的方法称作直读法。 ❖ 例如为了测量样品的透过率，可以在图a所示的光路中
事 先分别放置透过率已知的标准样品，每次对电表值 进行标定。 ❖ 经过这样的处理后再将被测样品放在光路中，即可由电 表的示值直接得到被测的透过率值。
光电信号检测
❖ 直读法测量系统的方框图示于图b中。设照明样品的光 通量为Φ0，样品透过率为τ，透过样品并为光电检测器 接收的光通量为Φ，检测器的电流灵敏度为SI，放大器 增益为K，读出装置的传递系数为M，输出值为θ，则 直读系统的测量值可表示为
i 1 A2 A2d (t) 2
若光电检测输出端有隔直电容，则输出仅有第二 项（即实现包络检测）。
光电信号检测
二、直接检测系统的信噪比和灵敏度 1. 直接探测系统的信噪比
Pso Pno （e）2(Psi Pni)2RL hv
（e）2(Psi2 2PsiPni Pni2 )RL hv
Pso
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❖ 式中，K0＝KSIΦ0M，Φ0为入射照明光通量，SI为光检 测器灵敏度，K为放大器增益。在无试样的校准状态下， 即θx＝0时，调整θ0，使θ＝0。随后加入试样则θx≠0， 因而θ≠0。重新调整θ，使θ再次为零，此时有 θx＝θ0
❖
θ＝SIKMΦ0τ＝K0τ
或
❖
τ＝θ/K0
式中K0＝SIKMΦ0。
光电信号检测
❖ 当K0保持恒定不变时，被测值τ和读出示值θ之间存在着 一一对应的关系，可根据θ确定被测的τ值。但实际上K0 值不是完全不变的。
❖ 特别是Φ0因子与照明状态有关，存在着长期工作的不 稳定性和不重复性。
❖ 比例因子K0的波动会直接造成测量示值的偏差。此外定 标所用基准的误差或在定标过程中引入的偏差也会直接 影响测量结果，因此直读法在实际应用中受到一定的限 制。
h
光电信号检测
（二）光电检测的平方律特性
❖ 若光检测器的负载电阻为RL，则光电检测器 输出功率为
结论：
Po
Is2 RL
( e)2
P R2 s L
h
直接探测系统的平方律特性
❖光电探测器的的光电流正比于光场振幅的平 方；
❖光电探测器输出的电功率正比于入射光功率 的平方。
光电信号检测
❖若入射波是调幅波，即 Es(t) A[1 d(t)]cost 式中： d (t) 为调制信号。则检测器输出电流为
K!
是光电转换系数
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❖ 泊松计数统计是光电转换的最基本统计，它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。
❖ 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。
❖ 光电探测器响应单个光子的求和，可作为平均
光电流。
K (0,T )
Ip E[ X (t)] E[ h(t tj)]
j0
T
e(t tj)N (tj)dtj eN (t) 0
SNRo
Pso Pno
2e（[ e）(Ps
（e hv
Pb)
Ps）2 Id)]f
4kT f
/
RL
hv
光电信号检测
❖强信号下， SNRpo 1
❖只考虑散弹噪声的影响 SNRpo, sL Ps 2hvf
NEP P min, sL 2hvf /
❖ 只考虑背景噪声影响