第5章-弱光检测电路-《光电测试技术(第2版)》课件.ppt

《第5章-弱光检测电路-《光电测试技术(第2版)》课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章-弱光检测电路-《光电测试技术(第2版)》课件.ppt（57页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、弱光检测电路弱光检测电路弱光检测电路弱光检测电路光信号测量中常常会出现背景噪声或干扰很大，待测信号却十分微弱、几乎被噪声淹没的情况，即信噪比很低。如：如：对于空间物体的检测，常常伴随着强烈的背景辐射；在光谱学测量中特别是吸收光谱的弱谱线更是容易被环境辐射或检测器件的内部噪声所淹没 怎样提取信号？怎样提取信号？采用低噪声的前置放大及耦合电路设法将淹没信号的噪声尽量的减小，以便从噪声中将信号或信号所携带的信息提取出来，这就需要采取一些特殊的从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术。噪声的特点噪声的特点通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的频谱分布在很宽范围的内。频谱分布和信号频谱大部分不重叠，也

2、没有同步关系可以采用压缩检测通道带宽压缩检测通道带宽的方法。当噪声是随机白噪声时，检测通道的输出噪声正比于频带宽的平方根，只要压缩的带宽不影响输出就能大幅降低噪声输出。采用取样平均处理方法取样平均处理方法可使信号多次同步取样积累。由于信号的增加取决于取样总数，而随机白噪声的增加却仅由取样数的平方根决定，所以可以改善信噪比。降低噪声、改善信噪比的基本方法锁相放大器、取样积分器和光子计数器锁相放大器、取样积分器和光子计数器。常用的弱光信号处理方式：（一）锁相放大器（一）锁相放大器是一种对交流信号进行相敏检波的放大器 利用信号的频率特性和相位特性，“锁定”信号的频率和相位。噪声的频率既要落在信号通带

3、之内，又要和信号的位相相同才能有响应，而这样的几率是非常小的 锁相放大等效噪声带宽很小，因此能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比 利用锁相放大器可以检测出噪声比信号大104106倍的微弱光电信号优点：优点：检测灵敏度高，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法 输入信号 参考信号 混频器输出信号 是Us和Ur的频率差，为相位差 利用低通滤波器得到窄带的差频信号。同时，和频信号分量20被低通滤波器滤除，于是，输出信号Uo变为 输入信号中只有那些与参考电压同频率同频率的分量才使差频信号=0。此时，输出信号是直流信号，它的幅值取决于输入信号幅值并与参考信号和输入信号相位差有关，并有=0 在输入

4、信号中由于只有被测信号本身和参考信号有同频锁相关系，因此能得到最大的直流输出。噪声和干扰信号或者由于频率不同，造成0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除；或者由于相位不同而被相敏检波器截止。参考信号同频率同相位的噪声分量几率很小，只占白噪声的极小部分。因此，锁相放大能以极高的信噪比从噪声中提取出有用信号来。2相敏检波电路相敏检波电路 方波控制的相敏检波器的工作原理 方波控制的相敏检波器的输出信号为使相敏检波器的工作稳定、开关效率高，参考信号采用间隔相等的双极性方波信号，中心频率锁定在被测信号频率上。这种相敏检波器也称为开关混频器开关混频器。此开关电路输出信号的极性极性是随着输入信号和参考信号的相

5、位差而变化的。当Us和Ur同相或反相(=0或180)时，输出信号是正或负的脉动直流电压；当Us和Ur正交(=90)时，输出信号为零。这种等效开关电路可用场效应管式晶体管开关电路实现。参考电压的选取可以借助于对输入待测信号的锁相跟踪，也可以利用参考信号对被测信号进行斩波或调制，使被测信号和参考信号同步变化锁相放大技术包括的四个基本环节锁相放大技术包括的四个基本环节1)通过调制调制或斩光斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内，检测系统变成交流系统；2)在调制频率上对有用信号进行选频放大选频放大；3)在相敏检波器中对信号解调解调。同步调制作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄

6、的范围内；4)通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波低通滤波，获得被放大的光电信号。补偿法双通道测光装置的锁相放大器补偿法双通道测光装置的锁相放大器该系统具有自动补偿光源强度波动的源补偿能力。输出直流电压控制伺服电机带动可变衰减器运动，当系统平衡时，读出可变衰减器的透过率就等于被测样品的透射率。（二）取样积分器（二）取样积分器 Boxcar平均器-是利用取样取样和平均化技术平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置。对于稳定的周期性电信号，若在每个周期的同一同一相位相位多次采集波形上某点数值，其算术平均的结果与该点处的瞬时值成正比测量脉冲光信号如：荧光衰减荧光衰减 动态反射率动态反射率 高

7、分辨率光谱高分辨率光谱取样积分器的测量方式(1)(1)稳态测量方式稳态测量方式(2)(2)扫描测量方式扫描测量方式(1)稳态测量方式稳态测量方式 输入信号经前级放大输入到取样开关开关的动作由触发信号控制，它是由调制辐射光通量的调制信号形成的。触发输入经延时电路按指定时间延时，产生确定宽度的门脉冲加在取样开关上。在开关接通时间内，输入信号通过电阻R向存贮电容C上充电，得到信号积分值。设积分器的充电时间常数0=RC，则经过N次取样后，电容C上的电压值UC为 Us为信号电压；tg是开关接通的时间 当tgN 0时，电容C上的电压能跟踪输入信号的波形，Uc=Us门脉冲宽度tg决定输出信号的时间分辨率。t

8、g越小，分辨率越高越小，分辨率越高，比tg更窄的信号波形将难以分辨。或一阶RC滤波器，传递函数为fei为输入噪声等效带宽输出的噪声等效带宽等效带宽为(2)扫描测量方式扫描测量方式 扫描测量取样积分器及工作波形 n门延迟的时间借助慢扫描电压缓慢而连续的改变，取样脉冲和相应触发脉冲之间的延时依次增加n对每一个新的触发脉冲，取样脉冲缓慢移动，扫描整个输入信号的过程。这种情况下积分器的输出变成信号波形的复制，称作扫描测量取样扫描测量取样n在每次取样之后要用开关将放电电容C短路，使积分器复原，准备下一个数据的采集 n取样积分器在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号取样积分器在每个信号脉冲周期内只取一个输入

9、信号，可对输入波形确定位置重复采样，信号多次取样线性叠加，而噪声矢量叠加，所以信噪比提高 用低噪声光电检测器对调制后的周期性的弱光信号或脉冲进行光电变换；利用产生光脉冲的激励源取得和输入光脉冲同步的触发电信号；取样积分器设置门延迟和门脉冲宽度控制单元，以便形成与触发脉冲具有恒定延时或延时与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；取样脉冲控制取样开关，对连续的周期性变化信号进行定点取样或扫描取样；积分器对取样信号进行多次线性累加或重复采集，经滤波后获得输出信号。取样积分器检测弱光电信号的测量步骤：取样积分器组成测光系统取样积分器组成测光系统采用脉冲发生器作激励源，驱动发光二极管工作。用光电倍增管或其

10、他检测器接收，用取样积分器测量。脉冲发生器给出参考信号，同时控制积分器的取样时间，通过扫描测量记录余辉的消失。利用取样积分器组成的测量发光二极管余辉的装置示意图双通道积分器双通道积分器n优点优点：消除激光能量起伏的影响n脉冲激光器用脉冲发生器触发，同时提供一个触发信号给取样积分器。当激光器工作时，激光光束通过单色器改善光束单色性。n激光束分束后一束由B检测器直接接收，另一束通过置于超导螺旋管中的样品由A检测器接收。nA、B通道信号由双通道取样积分器检测后，经比例器输出，可得到相对于激光强度的归一化样品透射率。激光分光器的原理图用来测量超导螺线管中的样品透过率随磁场变化的函数。适用于由脉冲光源产

11、生的连续周期性变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要与光脉冲同步而与噪声不同步的激励信号。取样积分器在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值。可以对输入波形的确定位置做重复测量，也可以通过自动扫描再现出整个波形。在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量相加的，所以，对信号有恢复和提取的作用。在测量占空比小于50%的窄脉冲光强度的情况下，要比锁相放大器有更好的信噪比。用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨力。双通道系统能提供自动背景和辐射源补偿。取样积分器测量弱光电信号特点：25（三）（三）光子计数器光子计数器当光微弱到一定程度时，光的量

12、子特征量子特征便开始突出出来。光的辐射功率低于10-12W时，光电倍增管的光电阴极发射出的光电子就不再是连续的。因此，在倍增管的输出端会产生有光电子形式的离散的信号脉冲。可借助于电子计数的方法检测到入射光子数，实现极弱光强或光通量的测量。根据对外部扰动的补偿方式，光子计数系统可分为三种类型：基本型、辐射源补偿型和背景补偿型基本型、辐射源补偿型和背景补偿型 光子计数法只适合于极弱光的测量，光子的速率限制在大约109/s，相当于1nW的功率，不能测量包含许多光子的短脉冲强度。（1）基本光子计数系统及工作波形）基本光子计数系统及工作波形n入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经放大器输送到一

13、个脉冲高度鉴别器上。n由放大器输出的信号除有用光子脉冲之外还包括器件噪声和多光子脉冲。即时间上不能分辨的连续光子集合而成的大幅度脉冲。n峰值鉴别器的作用是从中分离出单光子脉冲，采用双电平鉴别器，它仅仅使落在两电平间的光子脉冲产生输出信号n计数器计数光子脉冲数，计算出在一定的时间间隔内的计数值，以数字和模拟信号的形式输出。n比例计用于给出正比于计数脉冲速率的连续模拟信号。计数器原理启动脉冲，使计数器A开始累加从鉴别器来的信号脉冲。计数器C同时开始计数由时钟脉冲源来的计时脉冲。计数器是计数器是一个可预置的减法计数器一个可预置的减法计数器，事先由预置开关置入计数值N。设时钟脉冲频率为fc，则计时器预

14、置的计数时间是在预置的测量时t内，计数器A的累加计数值可计算为fA:平均光脉冲计数率。(2)辐射源补偿的光子计数系统辐射源补偿的光子计数系统 辐射源补偿的光子计数系统 为了补偿辐射源变化的影响，采用双通道系统双通道系统。在参考通道中用同样的放大鉴别器测量辐射源的光强，输出计数率fc只由光源变化决定。光子计数器使输出信号为fA/fc。比例因子fA/fc仅由被测样品透过率决定而与源强度变化无关。信号脉冲 A-B=(S+N)-N=S 总脉冲 A+B=(S+N)+N 对于光电倍增管，随机噪声满足泊松分布，其标准偏差为信噪比即为 例如：例如：在t=10s时间内，若分别测得A=106和B=4.4105，则

15、可计算为被测光子数被测光子数:S=A-B=5.6105标准偏差标准偏差:SNR=S/=5.6105/1.2103 467 信噪比信噪比 光子计数器工作状态选择光子计数器工作状态选择 光子计数器用光电倍增管应当工作在最佳工作电压下，以获得最好的信噪比光子计数器存在一个最佳鉴别电平。光子计数的基本过程：光子计数的基本过程：用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。应用应用单分子的光谱学研究光谱-光度计

16、测量流式细胞计光子相关谱法激光雷达典型的低暗计数率为:25赫兹和150赫兹可探测到的最低功率为0.14飞瓦调制盘调制调制盘调制原理：原理：调制盘被置于光学系统的像平面像平面上，位于光电探测器之前。当目标像与调制盘之间有相对运动时，调制盘的透光与不透光栅格切割像点，使得通过调制盘的辐射能量变成断续输出，光电探测器接收到的是光辐射被调制成周期性的强度调制信号作用：作用：最基本作用是把恒定的辐射通量变成周期性重复的光辐射通量。将静止的目标像调制成交流信号以抑制噪声和光源波动的影响，提高系统的检测能力；可进行空间滤波，抑制背景噪声；提供目标的方位空间等。种类：种类：按照调制方式的不同按照调制方式的不同

17、：调幅式（AM）、调频式（FM）、调相式（PM）、调宽式（WM）和脉冲编码式。按目标像点与调制盘之间相对运动的方式不同：按目标像点与调制盘之间相对运动的方式不同：旋转式、光点扫描式（即圆锥扫描式）和圆周平移式调制盘的空间滤波作用空间滤波：利用目标和背景相对于系统的张角不同，即利用目标和背景空间分布的差异，调制盘抑制背景以突出目标，从而把目标从背景中分离出来。调制盘的上半区为目标调制区，由透过辐射与不透过辐射的辐射状扇形条交替而成；而下半区为半透区，其透过率日出式调制盘很难完全滤除背景日出式调制盘很难完全滤除背景背景的边缘多半是不规则的背景内部的辐射也可能是不均匀的，同时还存在辐射面积较小的背景

18、如果有一条背景边缘正好与辐条平行，调制盘转动后，透明与不透明辐条一次 3.用调制盘确定目标方位在跟踪及制导系统中，调制盘主要用来测量目标方位光学系统图6-16 目标和像点的关系xyooyxzo目标平面（物平面）焦平面MMfqq 目标M：（，）像点M：(，）光学系统焦距:f:像点方位角；q:失调角，它反映了目标偏离光学系统光轴的大小ABABS2SS1ab)像点相对调制盘格子及调制波形图S1:像点上一部分辐射功率P1能透过调制盘的面积S2：像点上余下部分的辐射功率P2不能透过调制盘的面积P1：不能透过调制盘的辐射功率P2：能透过调制盘的辐射功率调制盘匀速转动上半圆调制上半圆调制区内，透过调制盘的辐

19、射功率就在P1和P2之间周期性地变化；在下半圆下半圆半透区内，透过调制盘的功率为像点总功率（P）的一半调制深度m假定目标像点的面积不变随着像点偏离量增大，即像点由A位移到B，则S1增大S2减小，调制深度m即调制信号的幅值逐渐增大。反之亦然。调制盘在像点面积一定时，调幅信号的调制深度m是目标像点在调制盘上的偏离量的函数ABABS2SS1ab)像点相对调制盘格子及调制波形图m=f（）拉曼光谱仪及相关技术拉曼光谱仪及相关技术 拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼(Raman)。1928年，年，拉曼首先从实验观察拉曼首先从实验观察到单色的入射光投射到物质中后产生的散到单色的入射

20、光投射到物质中后产生的散射，通过对散射光进行谱分析，首先发现射，通过对散射光进行谱分析，首先发现散射光除了含有与入射光相同频率的光外，散射光除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光频率不同的光。以后人还包含有与入射光频率不同的光。以后人们将这种们将这种散射光与入射光频率不同的现象散射光与入射光频率不同的现象称为拉曼散射称为拉曼散射。拉曼因此获得诺贝尔奖。拉曼因此获得诺贝尔奖。光散射光散射-瑞利散射瑞利散射散射光中，弹性(瑞利)散射占主导前后散射光与入射光有相同的频率入射光分子分子散射光 excitationemission光散射光散射-拉曼拉曼散射光中的1010光子之一是非弹性散射（拉

21、曼）前后光损失能量，使分子振动入射光分子excitation分子振动散射光excit.-vib.emissionVibrational States振动能级 iGround State基级Virtual State虚能级Real States 真实能级 Mid IR Stokes Raman Rayleigh Anti-Stokes Raman Fluorescence 红外 斯托克斯拉曼斯托克斯拉曼 瑞利散射 反斯托克斯拉曼 荧光拉曼测量的是什么？拉曼测量的是什么？Information obtained from Raman spectroscopy 拉曼光谱的信息拉曼光谱的信息chara

22、cteristic Raman frequencies拉曼频率的确认拉曼频率的确认composition of material物质的组成物质的组成e.g.MoS2,MoO3changes in frequency of Raman peak拉曼峰位的变化拉曼峰位的变化stress/strainState 张力张力/应力应力 e.g.Si 10 cm-1 shift per%strainpolarization of Raman peak拉曼偏振拉曼偏振crystal symmetry and orientation晶体对称性和取向晶体对称性和取向e.g.orientation of CVD

23、diamond grainswidth of Raman peak拉曼峰宽拉曼峰宽quality of crystal晶体质量晶体质量e.g.amount of plastic deformationintensity of Raman peak拉曼峰强度拉曼峰强度amount of material物质总量物质总量e.g.thickness of transparent coatingparallelperpendicular激光激光Raman光谱仪光谱仪 laser Raman spectroscopy激光光源激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；Ar激光器，波长514.5nm，

24、488.0nm；散射强度1/4 单色器单色器：光栅，多单色器；检测器检测器：光电倍增管，光子计数器；傅立叶变换-拉曼光谱仪FT-Raman spectroscopy光源：光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064m）；检测器：检测器：高灵敏度的铟镓砷探头；特点：特点：（1）避免了荧光干扰；）避免了荧光干扰；（2）精度高；）精度高；（3）消除了瑞利谱线；）消除了瑞利谱线；（4）测量速度快。）测量速度快。显微镜显微镜样品样品双双瑞瑞利利滤滤光光片片狭缝狭缝光栅光栅扩束器扩束器激光激光CCD检测器检测器雷尼绍拉曼光谱仪光路结构示意图雷尼绍拉曼光谱仪光路结构示意图单色仪的结构和原理PMTM2GM1

25、S1：入射狭缝 S2：出射狭缝 M1：离轴抛物镜 G：闪耀光栅 M2：反光镜 PMT：光电倍增管 S1S2图1三部分三部分光源和照明系统、分光系统和接收系统光源和照明系统、分光系统和接收系统样样品品的的放放置置方方法法CCl4的拉曼光谱 Stocks linesanti-Stockes linesRayleigh scattering/cm-1AlmegaAlmega激光拉曼光谱仪激光拉曼光谱仪(美国美国)1.光谱范围：光谱范围：检测器绝对光谱范围400nm1050nm；2.可选激光器：可选激光器：785nm,633nm,532nm；同时具有大容量样品仓和显微镜，自动化程度高，采样方式灵活；共

26、聚焦设计拉曼显微镜可获得不同深度样品的真实信息；可提供丰富的Raman标准谱库。LabRAMLabRAM系列小型拉曼光谱系统（法国）系列小型拉曼光谱系统（法国）仪器设计的紧凑，功能强大，其它技术参数：最佳空间分辨率 XY平面内光点直径：0.8微米(514nm),轴方向（深度）：2微米 第二探测器入口及多光栅可换性使系统波长检测范围可扩展至紫外和近红外 1.真正的显微共焦光路2.多激光可选3.热电(空气)或液氮冷却多种规格CCD探测器可选4.光谱分辨率为小型拉曼光谱系统中最高的5.可扩展为最新的拉曼和红外共同原位检测的系统 拉曼光谱仪拉曼光谱仪(英国英国)1.灵敏度远高于其它同类拉曼谱仪，波长可

27、任意选择2.仪器精度和重复性比其它同类光谱仪提高了一个数量级。3.可一次连续扫描大范围的拉曼光谱无需接谱4.最新的显微共焦系统，可连续调节共焦深度，大大提高了仪器的光通量和稳定性。5.拉曼或荧光信号一次直接成像，迅速获得材料的空间分布。JascoJasco显微共聚焦激光拉曼光谱仪显微共聚焦激光拉曼光谱仪(日本日本)1.高光通量 2.偏差自动校正的光谱 3.完全的共聚焦显微系统 4.超高效率电子制冷的 CCD检测器 5.紧凑、完全一体化设计 是显微镜、激光器与光学系统完全都包括的整体设计。广泛应用于半导体、制药、法医学、材料研究、聚合物、包装工业、文物鉴定、矿物学、光电学、钻石、生物学、医学研究、教育、质量与过程控制等领域。