第五章光電探測方式與探測系統(tǒng)

1、 光電探測方式與探測系統(tǒng) 5.1 雙元探測方式雙元探測方式5.2 四象限探測方式四象限探測方式（原子力顯微鏡原子力顯微鏡）5.4 線陣器件的探測方式線陣器件的探測方式5.3 光機掃描探測方式光機掃描探測方式（3D激光顯微鏡）激光顯微鏡） 5.5 光學(xué)視覺傳感器光學(xué)視覺傳感器 5.6 直接探測系統(tǒng)直接探測系統(tǒng)5.7 相干探測方法相干探測方法5.1 雙元探測方式雙元探測方式8.1.1 雙元探測方式雙元探測方式 雙元探測方式是采用兩個光電探測器與光學(xué)系統(tǒng)頭，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單。通常把兩個探測器接成電橋方式或差動方式以自動減去背景光能作用下光電探測器輸出的光電流。 上圖為雙元探測的簡單原理圖。兩個相同

2、性能的光電探測器對稱地放在光學(xué)系統(tǒng)的像面上組成探測，兩探測器與電阻連成電橋方式，如圖(a)所示。圖(b)為兩個硅光電池與可調(diào)電阻連成電橋形式。當(dāng)平衡時，輸出端兩端電壓為零，能消除均勻背景的影響。當(dāng)目標(biāo)光能量落在某一器件上時，輸出端就有信號電壓輸出。兩個探測器分別受照時，輸出信號極性相反。圖(c)為用光敏電阻接成電橋形式外加偏壓E，其結(jié)果與(b)一樣。這一方案適用于系統(tǒng)接收到的光功率不很弱的場合，例如做成位置敏感器。 2雙元探測測速器雙元探測測速器 2雙元探測測速器雙元探測測速器 測速裝置。它可實測車輛行駛速度。尤其是車輛輪胎變形、道路崎嶇和車輛打滑程度不同時車輛的行駛速度。 裝置由兩個梳形光電

3、池組成，兩個相對形成一個較大的光敏面。光敏面放在光學(xué)系統(tǒng)像面上接收地面對陽光的反射光（或另外加照明燈）。當(dāng)車輛靜止時，兩探測器接收到相同的平均光強，有相同直流輸出。這時后面差動放大器有共模抑制作用，因而沒有信號輸出。當(dāng)車輛運動時，如果地面如同一面反射鏡，那么探測器仍得到均勻照明，仍是輸出直流。而事實上，地面上各點的反射率是極不均勻的，突出的點所成的像在探測器上將形成交變的調(diào)制信號。差動放大器對兩探測器的輸出信號VA、VB是相加的，形成交流信號。此信號可經(jīng)過整形、計數(shù)電路讀出所對應(yīng)的車輛的平均速度。也可送入微機算出瞬時速度的變化，對車輛行駛速度進(jìn)行研究。 3. 雙通道測量方式雙通道測量方式 :光

4、譜光度計原理圖3. 雙通道測量方式雙通道測量方式 :光譜光度計原理圖。儀器用兩個性能完全相同的光電倍增管或紅外光敏電阻與電路組成兩個測量通道，對樣品進(jìn)行光譜透過率測量。上面通道為參考通道，它作為相對測量的基準(zhǔn)，下面通道為測量通道，對樣品光譜透過率進(jìn)行實測。圖中用碘鎢燈作光源，光源發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡后經(jīng)狹縫S投射到分光棱鏡上。分光棱鏡射出為色散的光譜。由出射狹縫對色散的光譜選擇只射出單色光。當(dāng)棱鏡轉(zhuǎn)動時，狹縫出射光譜波長改變，射出的單色光經(jīng)調(diào)制盤調(diào)制成交變能量。 當(dāng)信號高于基準(zhǔn)電壓時，差放輸出信號控制光電倍增管高壓下降，反之就升高。相當(dāng)于入射光能量大時，信號經(jīng)電路后自動控制高壓下降，使倍增管高壓

5、下降，反之升高。這樣就自動消除了光源出射光譜量度不均勻的影響。下面一個測量通道輸出的信號強弱就直接代表了樣品的光譜透過率特性。當(dāng)光電探測器是采用光敏電阻時，差動輸出信號就不再控制光電倍增管的高壓，而去控制電機帶動光楔垂直于光束作進(jìn)退運動。當(dāng)光源光譜亮度高時，光楔前伸使光楔因厚度增加而多吸收一部分，反之就后退。這樣可以自動保持入射在測量通道的樣品上的光能量在整個光譜范圍內(nèi)都不變。這種雙通道比較探測方式不限于光譜測量，也可用于其它場合。 5.2 四象限探測方式四象限探測方式把四個性能完全相同的探測器按照直角坐標(biāo)要求排列成四個象限做在同一芯片上，中間有十字形溝道隔開。在可見光和近紅外波段，較為廣泛應(yīng)

6、用的是硅光電池和硅光電二極管。 四象限探測方式是用四象限管和光學(xué)系統(tǒng)組成測量頭，在位置測量中四象限光管相當(dāng)于直角坐標(biāo)系中的四個象限。四象限探測器象限之間的間隔稱為“死區(qū)”，一般要求“死區(qū)”做得很窄。若“死區(qū)”太寬，而入射光斑較小時，就無法判別光斑的位置；“死區(qū)”做得過分狹窄，可能引起信號之間的相互串?dāng)_，同時工藝上也不易達(dá)到，所以實際制作時，必須要兼顧這兩個方面。 四象限探測器主要被用于激光準(zhǔn)直、二維方向上目標(biāo)的方位定向、位置探測等領(lǐng)域。激光準(zhǔn)直原理圖光電池AC、BD兩兩接成電橋，當(dāng)光束準(zhǔn)直時，亮斑中心與四象限管十字溝道重合，此時電橋輸出信號為零。若亮斑沿上下左右有偏移時，兩對電橋就相應(yīng)于光斑偏

7、離方向而輸出、的信號。那個探測器被照亮斑的面積大，輸出信號也大。這種準(zhǔn)直儀可用于各種建筑施工場合作為測量基準(zhǔn)線。 脈沖激光定向脈沖激光器作光源照射遠(yuǎn)處軍事目標(biāo)，被照射的目標(biāo)對光脈沖發(fā)生漫反射，反射回來的光由光電接收系統(tǒng)接收。四象限管放在光學(xué)系統(tǒng)后焦面附近，光軸通過四象限管十字溝道中心。遠(yuǎn)處目標(biāo)反射光近似于平行光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)成像于物鏡的后焦面上，四象限管的位置因略有離焦，于是接收到目標(biāo)的像為一圓形光斑。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光軸對準(zhǔn)目標(biāo)時，圓形光斑中心與四象限管中心重合。四個器件因受照的光斑面積相同，輸出相等的脈沖電壓。當(dāng)目標(biāo)相對光軸在x、y方向上有任何偏移時目標(biāo)像的圓形光斑的位置就在四象限管上相應(yīng)地有偏移

8、，四個探測器因受照光斑面積不同而得到不同的光能量，從而輸出脈沖電壓的幅度也不同。四象限管探測電路方塊圖四個探測器分別與運算電路相連。當(dāng)目標(biāo)相對光軸在x、y方向上有任何偏移時目標(biāo)像的圓形光斑的位置就在四象限管上相應(yīng)地有偏移，四個探測器因受照光斑面積不同而得到不同的光能量，從而輸出脈沖電壓的幅度也不同。四個探測器的輸出脈沖電壓經(jīng)四個放大器A、B、C、D放大后進(jìn)入和差電路進(jìn)行運算，得到代表光斑沿x或y方向的偏移量所對應(yīng)的電壓。可表示為式中A、B、C、D代表四個探測器的輸出。k為電路的放大系數(shù)。 () ()xVk A BC D() ()yVk A DB C通常為了消除光斑自身功率變化（例如：運動目標(biāo)遠(yuǎn)

9、近變化而引起光斑總能量變化）采用和差比幅電路。其輸出電壓為假如光斑是光強均勻分布的圓斑，光斑的半徑是各象限探測器上得到扇形光斑面積是光斑總面積的一部分，并且A、B、C、D探測器的輸出與相應(yīng)象限扇形光斑面積成正比，由求扇形面積公式可推得輸出信號與光斑偏移量的關(guān)系為()()xABCDVkABCD()()yADBCVkABCD22221)arcsinxxxVkrxrrr22221)arcsinyyyVkryrrr輸出信號與光斑位移之間的關(guān)系 在一定范圍內(nèi)是呈線性關(guān)系的。在實用系統(tǒng)中通常還需要再加入脈沖展寬電路，把信號脈沖展寬到能夠控制后續(xù)部件。 測量物體微位移原理圖 如果采用其它形式的光學(xué)系統(tǒng)與四象

10、限組合使用，四象限探測也不限于測量方位，也可測其它物理量。如果物點S0在B位置上，經(jīng)物鏡成像后物的理想像面位置在Q點，在物鏡后面加一柱面鏡后成像面位置在P點，那么當(dāng)接收面（探測器）在PQ這段距離內(nèi)由左向右移動時，所接收到的光斑將由長軸為垂直方向的橢圓形逐漸變成長軸為水平方向的橢圓形。而在M點位置處光斑是圓形的。反過來把四象限管放在M點位置上，當(dāng)物點在B點附近有微位移時，四象限管上所得到的光斑形狀也將發(fā)生改變。當(dāng)物點 由B移到A位置時，四象限管得到長軸是垂直方向的橢圓光斑。物點處于C位置時得到長軸處于水平方向的橢圓光斑。 這時四象限管的輸出信號經(jīng)過和差電路和除法電路后輸出信號為式中A、B、C、D

11、代表圖示位置四個探測器的輸出信號。由最后輸出電壓的正負(fù)可測得物點是遠(yuǎn)離了還是靠近了，其幅值大小反映微位移量的大小。()()ACBDVABCD原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式Cantilever is a beam supported on only one end.Cantilever can be scaled down to micro and nano range.Bridge under constructionbalcony原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式Evolution of interaction force between tip and sample as

12、a function of distance 原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式Piezo mmfff, f: frequency change and final frequencym,m: mass change and initial mass of cantileverThe mass change of cantilever:原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式Contact mode (up) and non-contact mode (down) Tapping mode 原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式ImagingMe

13、asurementNanofabricationOperations of single cell原子力顯微鏡探測方式原子力顯微鏡探測方式8.3 光機掃描探測方式光機掃描探測方式 用一個或多個探測器作接收器，用光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)零件作機械掃描運動，對目標(biāo)進(jìn)行瞬間取樣，最終獲得所需的目標(biāo)信息。這種方式稱為光機掃描探測方式。這種探測方式的主要特點是可獲得較大的視場范圍和動態(tài)范圍。 3D激光顯微鏡激光顯微鏡 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)?？赏ㄟ^極小針孔，完全排除焦點位置外產(chǎn)生的反射光、環(huán)境光，并將反射光量最多的位置識別為正確高度。不僅可通過高精度定位實現(xiàn)高精度測量，還可對排除了散焦部分的圖像進(jìn)行累積，從而實現(xiàn)

14、高精細(xì)/ 高倍率觀察。3D激光顯微鏡激光顯微鏡原理原理透過玻璃觀察短路缺陷 TFT，大面積拼接TFT，放大、3D觀察樣品：導(dǎo)光板樣品：導(dǎo)光板256256256um256um體積測量線粗糙度顆粒分析邊緣自動識別高度測量長度測量面粗糙度膜厚測量面積測量3D激光顯微鏡可以做到激光顯微鏡可以做到3D3D顯微鏡顯微鏡 VSVS光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡3D3D顯微鏡顯微鏡 VS SEMVS SEM共焦共焦3D3D顯微鏡顯微鏡 VS VS 粗糙度儀粗糙度儀8.4 線陣器件的探測方式線陣器件的探測方式把多個光電探測器組成一個線陣列稱為線陣列探測器。目前，在線陣器件中使用較為廣泛、而且使用正在增多的器件是線陣光電二

15、級管和線陣CCD。因為它們對輸入光強線性響應(yīng)好，串行輸出、電路簡單、結(jié)構(gòu)精細(xì)、使用方便等優(yōu)點。這里以CCD為例，說明其探測方式。 線陣CCD器件的應(yīng)用方式可歸結(jié)為兩類：一類是利用其象元尺寸的精確性，對目標(biāo)獲得二進(jìn)象信號。機信號振幅為0或1二值，從0、1信號中檢測出所需信息。另一類是利用它對光強的線性響應(yīng)特性，能輸出有不同等級的模擬信號，去檢測所需的信息。8.4.1 輸出二進(jìn)象信號的工作方式輸出二進(jìn)象信號的工作方式物體通過物鏡成像在CCD器件上，CCD器件在驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動脈沖的作用下，獲得與物向光強呈正比例的電荷圖。并能逐個輸出脈沖信號。每個信號脈沖就是CCD相應(yīng)象素所對應(yīng)的光強。CCD的輸

16、出信號通常與一個固定的閾值電壓通過比較器進(jìn)行比較。當(dāng)信號脈沖高于閾值電壓時，比較器輸出為1。當(dāng)?shù)陀陂撝惦妷簳r，比較器輸出為0。于是得到一行0、1型信號，對應(yīng)于被測物而進(jìn)象輸出 。位移測量器原理圖位移測量器原理圖用白熾燈作光源，光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡了l1后會聚于小孔上。小孔處于物鏡l2的焦面上，透過小孔的光束經(jīng)分束器反射折向物鏡l2。由l2透射以后出射的光為平行光，它投向平面反射鏡M。若平面鏡 M垂直于物鏡光軸，則有平面鏡反射回去的光透過分束器后會聚于CCD中心位置某一象束上，形成小亮點。此亮點使CCD輸出中只有這一象束有一較高的脈沖電壓輸出，其它位置只有暗電流產(chǎn)生的低電壓。如果平面鏡 M有傾斜

17、，則成像在CCD上的小亮點將發(fā)生轉(zhuǎn)移?？梢酝ㄟ^計數(shù)輸出信號脈沖位移了多少個象素去求出平面鏡的傾斜角 yftg式中 y是小亮點的位移量， f是物鏡的焦距。當(dāng) f足夠大時 ，y=K,K為比例系數(shù)，角度的分辨率取決于f和y，而CCD每個象素尺寸僅為幾微米到十幾微米，所以角分辨率可達(dá)秒級。這種輕便型位移測量器可方便的測量大工件的直線度和垂直度。 8.6 直接探測系統(tǒng)直接探測系統(tǒng) 8.6.1 系統(tǒng)類型系統(tǒng)類型 8.6.2 光電探測系統(tǒng)的指標(biāo)光電探測系統(tǒng)的指標(biāo) 8.6.3 直接探測系統(tǒng)直接探測系統(tǒng) 8.6.4 直接探測系統(tǒng)的作用距離直接探測系統(tǒng)的作用距離 8.6.5 直接探測系統(tǒng)的視場直接探測系統(tǒng)的視場8

18、.6.1 系統(tǒng)類型（系統(tǒng)類型（P358）光電探測系統(tǒng)的類型是很多的，我們可以從不同角光電探測系統(tǒng)的類型是很多的，我們可以從不同角度出發(fā)把系統(tǒng)進(jìn)行分類。度出發(fā)把系統(tǒng)進(jìn)行分類。1、按攜帶信息的光源：可分為、按攜帶信息的光源：可分為主動系統(tǒng)主動系統(tǒng)和和被動系統(tǒng)被動系統(tǒng) 被動探測系統(tǒng)被動探測系統(tǒng)所接收到的光信號來自目標(biāo)的自發(fā)目標(biāo)的自發(fā)輻射輻射。 目標(biāo)輻射功率和背景輻射功率同時進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，然后會聚到探測器上光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光電信號由處理電路處理以后輸出所需信息。系統(tǒng)有加調(diào)制也有不加調(diào)制的。目 標(biāo) 大氣光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測器電子電路 接受系統(tǒng) 被動光電系統(tǒng)方塊圖被動光電系統(tǒng)方塊圖信息源調(diào)制器光源光

19、學(xué)系統(tǒng)傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)光電探測器電子電路光源調(diào)制器光學(xué)系統(tǒng)信息源 接收系統(tǒng)主動光電系統(tǒng)方塊圖主動光電系統(tǒng)方塊圖主動探測系統(tǒng)主動探測系統(tǒng)是發(fā)射和接收系統(tǒng)共同配合進(jìn)行工作的。光源光源采用人工光源，如激光器、發(fā)光管、氣體放電燈等。信息源可以通過調(diào)制光源的電源電壓（或電流），把信息載到光波上去，通過發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射調(diào)制光。或者， 光源出射的光（經(jīng)過或者不經(jīng)過光學(xué)調(diào)制器）照射目標(biāo)，利用目標(biāo)的反射、透射或散射加載上目標(biāo)信息，然后由接受系統(tǒng)進(jìn)行檢測。特點及缺點：特點及缺點：1、這兩種接收系統(tǒng)都是把目標(biāo)和背景的入射光能量經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)會聚于光電探測器上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。2、探測器輸出的信號經(jīng)處理電路檢出信息，在此過程中，背景噪聲和系統(tǒng)內(nèi)部探測器噪聲及電路噪聲等都與信號一起進(jìn)入系統(tǒng)。2. 按光譜范圍按光