光電檢測系統(tǒng)

光電檢測系統(tǒng)第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電檢測是信息時代的關鍵技術信息技術:微電子信息技術（電集成）、光子信息技術（光集成）、光電信息技術（光電集成）。感測技術、通信技術、人工智能與計算機技術、控制技術。信息的產(chǎn)生和獲取、轉換、傳輸、控制、存儲、處理、顯示。第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電信息技術1、光電源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和綜合信息網(wǎng)絡3、光頻微電子4、光電方法用于瞬態(tài)光學觀測以光電子學為基礎,以光電器件為主體,研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應用。它涉及到：5、光電傳感、光纖傳感和圖象傳感6、激光、紅外、微光探測，定向和制導7、光電精密測試，在線檢測和控制技術8、混合光電信息處理、識別和圖象分析第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電信息技術9、光電人工智能和機器視覺10、光（電）邏輯運算和光（電）計算機及光電數(shù)據(jù)存儲11、生物光子學

第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日檢測與測量光電傳感器：基于光電效應，將光信號轉換為電信號的一種光電器件將非電量轉換為與之有確定對應關系的電量輸出。光電檢測技術：是利用光電傳感器實現(xiàn)各類檢測。它將被測量的量轉換成光通量,再轉換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術，完成在線和自動測量光電檢測系統(tǒng)光學變換光電變換電路處理光電檢測技術第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日定義：被測信息：傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)全部操作：檢測過程確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出物理量（光、電、力、熱、磁、聲、…）被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天體……）檢測器具化學量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）……檢測的基本概念第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日例：空調機測量控制室溫空氣被測對象：被測信息：檢測器具：操作過程：室內空氣溫度溫度傳感器---熱電阻、熱電偶熱敏電阻電信號處理顯示空調機返回第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日直接測量：對儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運算，直接得出被測量的數(shù)值。例如：長度：直尺、游標卡尺、千分尺電壓：萬用表質量：天平間接測量：測量幾個與被測量相關的物理量，通過函數(shù)關系式計算出被測量。例如：電功率：P=I*V（電流/電壓）重力加速度：單擺測量（L：擺的線長，T：擺動的周期）

返回測量第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日類型實例PN結PN光電二極管（Si,Ge,GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si,Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)非PN結光電元件(CdS,CdSe,Se,PbS)熱電元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）返回光電探測器的種類第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電檢測技術以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機運算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。光電檢測系統(tǒng)第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日變換電路光電傳感光源光學系統(tǒng)被測對象光學變換電信號處理存儲顯示控制光學變換電路處理光電檢測系統(tǒng)第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日光學變換時域變換：調制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學掃描光學參量調制：光強、波長、相位、偏振形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處理的光學信息。光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌寗与娐诽幚硐到y(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）。電路處理放大、濾波、調制、解調、A/D、D/A、微機與接口、控制。光電檢測系統(tǒng)第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日被測物體感覺器官人腦手控被測物體光電傳感微機執(zhí)行機構光電傳感部分相當于人身的感覺器官光電檢測系統(tǒng)與人操作功能比較第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日測量檢查型:幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。運動量：速度、加速度、振動表面形狀：光潔度、庇病、傷痕工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等機械量：重量、壓力、應變、壓強電學量：電流、電壓、電場、磁場光學量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜光電檢測系統(tǒng)的功能分類第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日控制跟蹤型跟蹤控制：激光制導，紅外制導數(shù)值控制：自動定位，圖形加工形成，數(shù)值控制圖象分析型圖形檢測圖形分析光電檢測系統(tǒng)的功能分類第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日高精度：從地球到月球激光測距的精度達到1米。高速度：光速是最快的。遠距離、大量程：遙控、遙測和遙感。非接觸式檢測：不改變被測物體性質的條件下進行測量。壽命長：光電檢測中通常無機械運動部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準確度高，對被測物無形狀和大小要求。數(shù)字化和智能化：強的信息處理、運算和控制能力。光電檢測技術的特點第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日直接作用法差動測量法補償測量法脈沖測量法光電檢測方法第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器可見光系統(tǒng)多用于民用點探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測器接受目標的總輻射功率用面接受元件測量目標的光強分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調制和信號處理方式分)直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶方式分)光電檢測系統(tǒng)分類第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日通過信息調制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調制.返回主動系統(tǒng)第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日光信號來自被測物體的自發(fā)輻射被動系統(tǒng)第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日信息載入光學信息的方式-光電變化的基本形式

如圖(a)所示，為信息載荷于光源中的情況（或光學信息為光源本身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源的強度信息等。根據(jù)這些信息可以進行鋼水溫度的探測、光譜分析、火災報警、武器制導、夜視觀察、地形地貌普查和成像測量等的應用。

信息載荷于光源的方式第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日信息載荷于透明體的方式

如圖(b)所示，為信息載荷于透明體中的情況。在這種情況下，信息可為透明體的透明度，透明體密度的分布，透明體的厚度，透明體介質材料對光的吸收系數(shù)等都為載荷信息的方式。

信息載入光學信息的方式入射到介質表面的通量物質的濃度溶液和氣體對光的吸收性質介質厚度透過率光電變換系數(shù)第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日信息載荷于反射光的方式

信息載入光學信息的方式通常分為兩種：鏡面反射：用來判斷光信號的有無。如光準直，轉速等；漫反射：檢測物體表面的外觀質量。疵病信號電壓被測表面的照度正品表面的反射率疵病表面的反射率光電接收器件有效視場內疵病所占地面積第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

信息載荷于遮擋光的方式

如圖(d)所示為信息載荷于遮擋光的方式，物體部分或全部遮擋入射光束，或以一定的速度掃過光電器件的視場，實現(xiàn)了信息載荷于遮擋光的過程。信息載入光學信息的方式可用于檢測物體的位移量＆尺寸。主要用在測微計，尺寸檢測儀以及光電計數(shù)，光開關等領域。輸出位移量的信號電壓被測表面的照度光敏面的寬度＆高度物體遮擋光的位移量第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電測速231231(a)(b)光電數(shù)字式轉速表工作原理圖在待測轉速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉軸轉動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉換為電脈沖信號。是在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日信息載荷于光學量化器的方式

光學量化是指通過光學的方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個離散量的方法。圖（e）所示光學量化器包含有光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學碼盤量化器等。

光信息量化的變換方式在位移量（長度、寬度和角度）的光電測量系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

信息載入光學信息的方式若長度信息量L量化為條紋信息量，則長度L=qnq為量化單位，采用莫爾條紋變換時，其為光柵節(jié)距，達到微米量級；若采用激光干涉時，其等于激光波長的二分之一或四分之一；n為條紋個數(shù)。第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日光通訊方式的信息變換目前，光通訊技術正在蓬勃地發(fā)展，信息高速公路的主要組成部分為光通訊技術。光通訊技術的實質是光電變換的一種基本形式，稱為光信息通訊的變換方式。如圖(f)所示，信息首先對光源進行調制，發(fā)出載有各種信息的光信號，通過光纖傳送到遠方的目的地，再通過解調器將信息還原。由于光纖傳輸?shù)拿襟w常為激光，它具有載荷量大，損耗小，速度快，失真小等特點現(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。

信息載入光學信息的方式第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器可見光系統(tǒng)多用于民用點探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測器接受目標的總輻射功率用面接受元件測量目標的光強分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調制和信號處理方式分)直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶方式分)光電檢測系統(tǒng)分類第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.模擬光電變換

被測的非電量信息（如溫度、介質厚度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流Ip或電壓Up信號的形式輸出。即輸出信號量是被測信號量Q的函數(shù)，或稱輸出信號量與被測信號量之間的關系為模擬函數(shù)關系?？杀硎緸?/p>

Ip=f(Q)模擬變換系統(tǒng)第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日或

Up=f(Q)光電變換電路輸出的電流Ip或電壓Up不僅與被測信息量Q值有關而且與載體光度量有關。因此，為保證光電變換電路輸出信號與被測信息量Q的函數(shù)關系，載體光度量必須穩(wěn)定。否則，載體光度量的變化直接影響被測信息量。另外，電路參數(shù)的變化，尤其是電源電壓的波動，放大電路的噪聲、放大倍率的變化等都影響被測信號的穩(wěn)定。而光度量的穩(wěn)定又與光源、光學系統(tǒng)及機械結構等的性能有關。因此，實現(xiàn)穩(wěn)定的高精度的模擬光電信息變換常常遇到許多其他技術方面的困難。必須采用各種措施解決這些困難，才能獲得高質量的模擬光電信息變換。

模擬變換系統(tǒng)第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日

在這類光電變換中，被測信息量Q通過光學變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換電路輸出。模-數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出“0”和“1”（高、低電平）兩個狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出信號不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F。它與被測信息量Q的函數(shù)關系為

F=f(Q)顯然，數(shù)字信息量F只取決于光通量變化的頻率、周期、相位和時間間隔等信息參數(shù)，而與光的強度無關，也不受電源、光學系統(tǒng)及機械結構穩(wěn)定性等外界因素的影響。因此，這類光電變換方式對光源和光電器件的要求不象模擬光電變換那樣嚴格，只要能使光電變換電路輸出穩(wěn)定的“0”和“1”兩個狀態(tài)即可。模數(shù)變換系統(tǒng)第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電檢測系統(tǒng)分類主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器可見光系統(tǒng)多用于民用點探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測器接受目標的總輻射功率用面接受元件測量目標的光強分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調制和信號處理方式分)直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶方式分)第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日直接檢測:

無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強攜帶信息。光電探測器直接把接受到的光強的變化轉換為電信號的變化，然后，用解調電路檢出所攜帶的信息。相干檢測:

利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強。因為用光波的相干原理，只能用相干光。類似于無線電外茶檢測，故又稱光外差檢測。直接檢測/相干檢測第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電檢測系統(tǒng)的信噪比第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日將待測光信號直接入射到光探測器光敏面，光探測器響應于光輻射強度輸出相應的電流或電壓。光探測器的平方律特性光電流正比于光電場振幅的平方輸出的電功率正比于入射光功率的平方

直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日系統(tǒng)的基本特性第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日表征系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍系統(tǒng)的視場角越大越好．但是增大檢測器面積使系統(tǒng)的噪聲增大；減小焦距使系統(tǒng)的相對孔徑加大．直接檢測系統(tǒng)的視場角第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日檢測系統(tǒng)要求Δf保持原由信號的調制信息．確定系統(tǒng)頻帶寬度的幾種方法：等效矩形帶寬頻譜曲線下降３dB的帶寬包含９０％能量的帶寬頻帶寬度越寬，通過信號的能量越大，系統(tǒng)的噪聲功率也越大．系統(tǒng)的通頻帶寬度第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日fS為信號光波，fL為本機振蕩光波，這兩束相干光入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后，輸出信號中包含的差頻信號，故又稱相干探測。

光外差檢測第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日設入射到探測器上的信號光場為：

本機振蕩光場為：

入射到探測器上的總光場為：

基本原理第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項（和頻項）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項（差頻項）相對光頻而言，頻率要低得多。當差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為的光電流輸出。

光探測器輸出的光電流第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強度調制的光信號，還可探測頻率調制及相位調制的光信號，即在光探測器輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位等全部信息；轉換效率高：轉換增益可高達１０７－１０８，對微弱信號的探測有利．第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強度調制的光信號，還可探測頻率調制及相位調制的光信號，即在光探測器輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉換效率高：轉換增益可高達１０７－１０８，對微弱信號的探測有利。差頻信號是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實現(xiàn)外差探測。

第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日光外差檢測的特性良好的濾波性能

取差頻信號為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光；而直接探測中，所有的雜散光都被接收信噪比損失小檢測靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測的靈敏度極限為１個光子第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日系統(tǒng)對探測器性能的要求光外差檢測對探測器的要求比直接檢測高響應頻帶寬均勻性好工作溫度高

第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電檢測系統(tǒng)分類主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)點探測/面探測系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調制和信號處理方式分)直接檢測？/光外差檢測系統(tǒng)？(按光波對信號的攜帶方式分)第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日直接檢測系統(tǒng)（光強調制）莫爾條紋測長儀激光測距儀激光準直環(huán)境污染檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)激光干涉測長儀（相位調制）多普勒測速（頻率調制）光外差通信典型的光電檢測系統(tǒng)第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日莫爾條紋的原理將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度θ,透過光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強調制作用．長光柵莫爾條紋的形式橫向條紋:P1=P2,θ很小;縱向條紋:P1~P2,θ=0;斜條紋:P1~P2,θ很小.縱向條紋橫向條紋莫爾條紋測長儀第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日光柵的節(jié)距比光的波長大很多.莫爾條紋的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角θ(rad)之間的關系為：當兩光柵沿垂直于柵線的方向相對移動時，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動．光柵每移動一個節(jié)距Ｐ，莫爾條紋移動一個寬度Ｂ．因為θ很小，放大倍數(shù)Ｋ很大．例如:θ=20’,K=172斜向條紋莫爾條紋的特性第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺固定．一塊為長光柵．工作臺前后移動的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進行計數(shù)得到．指示光柵相對移動一個節(jié)距，莫爾條紋變化一周．指示光柵移動的距離為：

Ｎ：指示光柵移動距離中包含的光柵線對數(shù)，δ：小于１個光柵節(jié)距的小數(shù)．簡單光柵讀數(shù)頭１：燈，２：聚光鏡，３：指示光柵，４：長光柵，５：光電探測器莫爾條紋測長儀第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電探測器接收到的明暗變化的光信號轉換成電信號；通過對莫爾條紋的直接測量，可以測的光柵的位移量；在較寬的莫爾條紋間隔內安放細分裝置進行細分，可讀取位移的分數(shù)，提高測量的靈敏度和精度．光柵輸出信號波形莫爾條紋測長儀第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日工業(yè)自動化中的核心測控部件小型智能化的長度測試儀器，用于對長度、直徑、厚度、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測量。新一代的計量測試工具某些幾何量計量檢測儀器的核心轉換系統(tǒng)某些物理量的計量檢測儀器的核心轉換系統(tǒng)納米級測量的重要儀器非接觸在線測量控制儀器莫爾條紋測長儀的應用第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日激光測距儀的類型脈沖激光測距儀相位激光測距儀激光測距儀的特點測程遠、測量精度高結構小巧、攜帶方便快速、非接觸式距離測量激光對點準確受氣象條件影響較大激光測距儀廣泛應用于工業(yè)、國防軍事、科學技術。激光測距儀第五十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日測距原理：由激光器對被測目標發(fā)射一個光脈沖，然后接受目標反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經(jīng)過的時間來計算出目標的距離。測距儀原理： 由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受系統(tǒng)，門控電路、時鐘脈沖振蕩器和計數(shù)器等組成。脈沖激光測距儀的原理框圖一、脈沖激光測距儀第五十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日脈沖激光測距儀發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)接收光學系統(tǒng)光電探測器低噪聲寬帶放大器整形電路門控電路時鐘脈沖振蕩器計數(shù)顯示器激光器：LD，ND：YAG（調Q/鎖模）電源發(fā)射望遠系統(tǒng)物鏡小孔光闌干涉濾光片第五十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日激光器發(fā)射激光脈沖被分為兩部分：參考信號和回波信號?；夭}沖經(jīng)光電探測器變換成電信號，再經(jīng)放大和整形后，將電子門打開，使通過電子門的時鐘脈沖進入計數(shù)器開始計時；當回波脈沖（負與門）到來時，關閉電子們。在參考和回波脈沖之間計數(shù)器所接收到的時鐘脈沖個數(shù)代表來被測距離。時鐘頻率越高，測量的分辨率越高。但分辨率最終取決于激光脈沖的上升時間。脈沖測距波形第五十