光電探測方式與探測系統(tǒng)PPT課件

1、中原工學(xué)院理學(xué)院 曾灝憲7.17.1 探測方式探測方式中原工學(xué)院中原工學(xué)院光電光電探測方式與探測系統(tǒng)探測方式與探測系統(tǒng)光電信息技術(shù)光電信息技術(shù)主要內(nèi)容探測方式探測方式雙雙元元探測探測四象限探測四象限探測光機(jī)掃描探測光機(jī)掃描探測線陣器件的探測線陣器件的探測探測系統(tǒng)探測系統(tǒng)光學(xué)視覺傳感器光學(xué)視覺傳感器直接探測系統(tǒng)直接探測系統(tǒng)相干探測系統(tǒng)相干探測系統(tǒng)7.1 探測方式一一雙元探測雙元探測二二四象限探測四象限探測三三光機(jī)掃描探測光機(jī)掃描探測四四線陣器件的探測方式線陣器件的探測方式1、雙元探測原理采用采用2 2個(gè)光電探測器個(gè)光電探測器與光學(xué)系統(tǒng)組成探測頭來實(shí)現(xiàn)探測與光學(xué)系統(tǒng)組成探測頭來實(shí)現(xiàn)探測通常將通常將

2、2 2個(gè)探測器接成個(gè)探測器接成電橋方式電橋方式或或差動(dòng)方式差動(dòng)方式電橋方式電橋方式自動(dòng)減去背景光作用下光電探測器輸出的光電流自動(dòng)減去背景光作用下光電探測器輸出的光電流差動(dòng)方式差動(dòng)方式用用2 2個(gè)光探測器形成雙通道，經(jīng)后續(xù)電路適當(dāng)處理個(gè)光探測器形成雙通道，經(jīng)后續(xù)電路適當(dāng)處理消除與目標(biāo)消除與目標(biāo)信號(hào)無關(guān)的一些直流信號(hào)的影響信號(hào)無關(guān)的一些直流信號(hào)的影響都是為了都是為了提高探測精度提高探測精度電橋方式兩個(gè)性兩個(gè)性能能相同相同的的光電探光電探測器對稱地放在光學(xué)系測器對稱地放在光學(xué)系統(tǒng)的像面上統(tǒng)的像面上探測器與電阻組成電橋探測器與電阻組成電橋方式方式采用不同的探測器即可采用不同的探測器即可得到不同用途的雙

3、元探得到不同用途的雙元探測器件測器件雙元雙元探測探測原理圖原理圖A物鏡物鏡f(a)探測器為硅光電池兩個(gè)硅光電池與可調(diào)電兩個(gè)硅光電池與可調(diào)電阻連成電橋形式，兩探阻連成電橋形式，兩探測器輸出信號(hào)測器輸出信號(hào)極性相反極性相反平衡時(shí)，兩端輸出電壓平衡時(shí)，兩端輸出電壓為為0 0，能消除均勻背景的，能消除均勻背景的影響影響目標(biāo)光能量落在其中一目標(biāo)光能量落在其中一個(gè)探測器時(shí)，有信號(hào)輸個(gè)探測器時(shí)，有信號(hào)輸出出輸出輸出R1R2(b)硅光電池硅光電池探測器為光敏電阻將將(b)(b)中的硅光電池?fù)Q成中的硅光電池?fù)Q成光敏電阻，并外加偏壓光敏電阻，并外加偏壓 E E，組成圖，組成圖(c)(c)的形式，的形式，其效果與其

4、效果與(b) (b) 相同相同輸出輸出R1R2光敏電阻光敏電阻E(c)輸出輸出R1R2(b)應(yīng)用舉例上述方案適用于上述方案適用于接收到的光功率不是很弱的場合接收到的光功率不是很弱的場合如位置敏感器如位置敏感器假設(shè)目標(biāo)是寬帶形，將其成像到假設(shè)目標(biāo)是寬帶形，將其成像到2 2個(gè)探測器上個(gè)探測器上如果光學(xué)系統(tǒng)的主軸對準(zhǔn)目標(biāo)，目標(biāo)的像對稱地分布在兩個(gè)探如果光學(xué)系統(tǒng)的主軸對準(zhǔn)目標(biāo)，目標(biāo)的像對稱地分布在兩個(gè)探測器上，則兩個(gè)探測器接收到的光能量相等，電橋無信號(hào)輸出測器上，則兩個(gè)探測器接收到的光能量相等，電橋無信號(hào)輸出如果目標(biāo)偏離，兩個(gè)探測器接收到的光能量不等，有信號(hào)輸出如果目標(biāo)偏離，兩個(gè)探測器接收到的光能量不

5、等，有信號(hào)輸出可用于可用于線切割機(jī)自動(dòng)沿線切割線切割機(jī)自動(dòng)沿線切割自動(dòng)車沿固定線運(yùn)行（自動(dòng)裝配）自動(dòng)車沿固定線運(yùn)行（自動(dòng)裝配）2、應(yīng)用舉例：雙元探測測速器3、雙通道測量方式7.1 探測方式一一雙元探測雙元探測二二四象限探測四象限探測三三光機(jī)掃描探測光機(jī)掃描探測四四線陣器件的探測方式線陣器件的探測方式二、四象限探測方式把四個(gè)性能完全相同把四個(gè)性能完全相同的探測器按照直角坐的探測器按照直角坐標(biāo)要求對稱排列成四標(biāo)要求對稱排列成四個(gè)象限固定在同一個(gè)個(gè)象限固定在同一個(gè)芯片上芯片上各個(gè)探測器之間有溝各個(gè)探測器之間有溝道隔開，距離均勻道隔開，距離均勻四個(gè)探測器分別接性四個(gè)探測器分別接性能匹配的放大器，對能匹

6、配的放大器，對信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和均衡信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和均衡光照區(qū)光照區(qū)Sd12死區(qū)死區(qū)134Sd2V2V1Sd3V4Sd4V3V Vy yV Vx x應(yīng)用舉例：激光準(zhǔn)直用單模激光器作光源（發(fā)散角小、圓對稱分布光斑）用單模激光器作光源（發(fā)散角小、圓對稱分布光斑）準(zhǔn)直時(shí)光斑中心與十字溝道中心重合，此時(shí)準(zhǔn)直時(shí)光斑中心與十字溝道中心重合，此時(shí)A A、B B、C C、D D 四四個(gè)探測器輸出的信號(hào)強(qiáng)度一樣個(gè)探測器輸出的信號(hào)強(qiáng)度一樣激光器激光器擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)濾光片濾光片四象限光電池組四象限光電池組A AD DB BC C應(yīng)用舉例：2維方向上目標(biāo)的定位使用脈沖激光器作為光源（峰值功率高）使用脈沖激光器作為

7、光源（峰值功率高）遠(yuǎn)處目標(biāo)反射回來的光線經(jīng)透鏡收集成像于探測器表面遠(yuǎn)處目標(biāo)反射回來的光線經(jīng)透鏡收集成像于探測器表面當(dāng)對準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)成像在十字溝道中心，當(dāng)對準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)成像在十字溝道中心，4 4個(gè)探測器個(gè)探測器輸出信號(hào)強(qiáng)度一樣輸出信號(hào)強(qiáng)度一樣四象限光電池組四象限光電池組A AD DB BC C光線收集系統(tǒng)光線收集系統(tǒng)如果將信號(hào)輸入處理電路，如果將信號(hào)輸入處理電路，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制運(yùn)算處理電路圖（和差比幅電路）;-;-+DCBACBAODA+BxyUxUs(A+B)-(C+D)(A+B)+(C+D)(A+D)-(C+B)B+CC+DA+D實(shí)現(xiàn)運(yùn)算處理功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算處理功能(A

8、+B)-(C+D)/(A+B+C+D)(A+D)-(C+B)/(A+B+C+D)輸出信號(hào)與光斑偏移量的關(guān)系假設(shè)光斑是均勻分布的圓形，半徑為假設(shè)光斑是均勻分布的圓形，半徑為 r r各探測器上得到的扇形面積是總面積的一部分，輸出各探測器上得到的扇形面積是總面積的一部分，輸出信號(hào)幅值與面積成正比，則信號(hào)幅值與面積成正比，則rxrrxrxkVxarcsin12222ryrryrykVyarcsin12222ryx,O輸出信號(hào)與光斑偏移量的關(guān)系輸出信號(hào)與光斑偏移量的關(guān)系yxV,應(yīng)用舉例：其它應(yīng)用配合其它形式的光學(xué)系統(tǒng)，四象限探測方式還可用于配合其它形式的光學(xué)系統(tǒng)，四象限探測方式還可用于測量其它物理量測量

9、其它物理量測量物體的微位移測量物體的微位移照相系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦照相系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦激光唱盤跳動(dòng)量測量激光唱盤跳動(dòng)量測量7.1 探測方式一一雙元探測雙元探測二二四象限探測四象限探測三三光機(jī)掃描探測光機(jī)掃描探測四四線陣器件的探測方式線陣器件的探測方式三. 光機(jī)掃描探測定義：定義：用一個(gè)或者多個(gè)探測器做接收器用一個(gè)或者多個(gè)探測器做接收器，用光學(xué)系統(tǒng)用光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)零件做機(jī)械掃描或光學(xué)零件做機(jī)械掃描運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，對目標(biāo)進(jìn)行瞬間取樣對目標(biāo)進(jìn)行瞬間取樣，最終獲得最終獲得所需所需的目標(biāo)信息的目標(biāo)信息特點(diǎn)特點(diǎn)：可獲得較大的可獲得較大的視視場場和和動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍原理原理：以以紅外掃描熱成像系統(tǒng)紅外掃描熱成像系統(tǒng)為例為

10、例紅外掃描熱成像原理圖前置放大前置放大窗窗InSbInSb探測器探測器水平同步信號(hào)水平同步信號(hào)凸輪凸輪垂直同步信號(hào)垂直同步信號(hào)擺動(dòng)平面鏡擺動(dòng)平面鏡M M2 2液液N N2 2電機(jī)一電機(jī)一發(fā)生器發(fā)生器發(fā)生器發(fā)生器電機(jī)二電機(jī)二M M2 2I I2 2M M1 1I I1 1球面反射鏡球面反射鏡M M1 1旋轉(zhuǎn)棱鏡旋轉(zhuǎn)棱鏡I I1 1光機(jī)掃描系統(tǒng)光機(jī)掃描系統(tǒng)掃描軌跡掃描反射鏡掃描反射鏡M M2 2掃描掃描反射鏡反射鏡M M1 1(a)(a)垂直掃描光路垂直掃描光路(b)(b)水平掃描光路水平掃描光路掃掃描描折折射射棱鏡棱鏡I I2 2掃掃描描折折射射棱鏡棱鏡I I1 1( (c c) )掃描軌跡圖掃

11、描軌跡圖水平掃描速度快水平掃描速度快垂直掃描速度慢垂直掃描速度慢掃描電機(jī)在掃描的同時(shí)發(fā)出掃描同步控制脈掃描電機(jī)在掃描的同時(shí)發(fā)出掃描同步控制脈沖，使顯示和掃描同步?jīng)_，使顯示和掃描同步應(yīng)用掃描熱成像可用于掃描熱成像可用于夜間觀察夜間觀察測量溫度分布（醫(yī)學(xué)、工業(yè)）測量溫度分布（醫(yī)學(xué)、工業(yè)）監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行森林火災(zāi)報(bào)警森林火災(zāi)報(bào)警類似的還有激光飛點(diǎn)掃描系統(tǒng)（自學(xué)）類似的還有激光飛點(diǎn)掃描系統(tǒng)（自學(xué)）光機(jī)掃描探測方式還可用于被動(dòng)的二維空間測量（發(fā)光機(jī)掃描探測方式還可用于被動(dòng)的二維空間測量（發(fā)現(xiàn)熱目標(biāo)）等現(xiàn)熱目標(biāo)）等7.1 探測方式一一雙元探測雙元探測二二四象限探測四象限探測三三光機(jī)掃描探測光機(jī)掃描

12、探測四四線陣器件的探測方式線陣器件的探測方式四.線陣器件的探測方式定義：定義：將多個(gè)光電探測器組成一個(gè)線陣列稱為線陣列將多個(gè)光電探測器組成一個(gè)線陣列稱為線陣列探測器探測器特點(diǎn)：特點(diǎn)：對輸入光對輸入光強(qiáng)強(qiáng)的的線線性響應(yīng)好，掃描速度快，串行性響應(yīng)好，掃描速度快，串行輸出，電路簡單，結(jié)構(gòu)精細(xì)，使用方便等輸出，電路簡單，結(jié)構(gòu)精細(xì)，使用方便等原理：原理：以線陣以線陣CCDCCD為例為例有兩類使用方式有兩類使用方式利用其像元尺寸的精確性，從目標(biāo)獲取二進(jìn)像信號(hào)，以檢測所需信利用其像元尺寸的精確性，從目標(biāo)獲取二進(jìn)像信號(hào)，以檢測所需信息息測量位置、位移、面積等測量位置、位移、面積等利用其對光強(qiáng)的線性響應(yīng)特性，輸

13、出不同等利用其對光強(qiáng)的線性響應(yīng)特性，輸出不同等級(jí)（灰度）的級(jí)（灰度）的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)，達(dá)到檢測所需信息的目達(dá)到檢測所需信息的目的的形狀等形狀等1、輸出二進(jìn)像信號(hào)的工作方式物體通過物體通過CCDCCD攝像機(jī)進(jìn)行光電成像并輸攝像機(jī)進(jìn)行光電成像并輸出信出信號(hào)號(hào)該信號(hào)脈沖與一個(gè)固定的閾值信號(hào)該信號(hào)脈沖與一個(gè)固定的閾值信號(hào)V Vthth 進(jìn)進(jìn)行比較，根據(jù)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出信比較結(jié)果輸出信號(hào)號(hào) 1 1 或或 0 0此二進(jìn)像信號(hào)可通過數(shù)字電路或者微機(jī)進(jìn)行處理此二進(jìn)像信號(hào)可通過數(shù)字電路或者微機(jī)進(jìn)行處理CCDCCD驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路物物比較器比較器V Vthth二進(jìn)制二進(jìn)制信號(hào)輸出信號(hào)輸出物鏡物鏡CCD

14、CCDCCDCCD攝像機(jī)攝像機(jī)應(yīng)用舉例1：位移測量器采用高精度線陣采用高精度線陣CCDCCD作為角度變化探測作為角度變化探測器器，利用三角測量法計(jì)算位移與角度，利用三角測量法計(jì)算位移與角度變化的關(guān)系變化的關(guān)系應(yīng)用舉例2：自動(dòng)傳送帶上的工件檢測工件尺寸工件尺寸為為 x x，物鏡放大率，物鏡放大率為為 M M，工，工件在件在CCDCCD上成像線度為上成像線度為xx，則，則設(shè)設(shè)CCDCCD每個(gè)象素上的像尺寸為每個(gè)象素上的像尺寸為 ，則則其其中中 n n 是是CCDCCD輸出的脈沖數(shù)輸出的脈沖數(shù)Mxx物鏡物鏡CCDCCD工件工件傳送臺(tái)傳送臺(tái)x xnx 2、輸出灰度像的工作方式CCDCCD對所接收的光輻射具有良好的線性響應(yīng)對所接收的光輻射具有良好的線性響應(yīng)把它放在物鏡的像面上對物體進(jìn)行攝像時(shí)，它的輸出把它放在物鏡的