光電檢測技術(shù)第一章2課件

1、第1章 概述掌握內(nèi)容 光電檢測系統(tǒng)的研究內(nèi)容、基本構(gòu)成、工作原理及基本結(jié)構(gòu)形式；調(diào)制和檢測光特征參數(shù)及相應(yīng)的基本方法。理解內(nèi)容光的本質(zhì)及相關(guān)知識；輻射度與光度學(xué)的基本概念。 了解內(nèi)容了解光電檢測技術(shù)的優(yōu)缺點；光電檢測技術(shù)的展望 第1章 主要內(nèi)容1.1引言1.2光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和基本工作原理 1.3光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展 1.1 引言一、光電檢測技術(shù)的定義 光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)，它是利用電子技術(shù)對光學(xué)信息進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示等。二、光電檢測技術(shù)的檢測量 從原理上講可以檢測一切能夠影響光量或光特性的非電量。光量：光通量或光強度光特性：光波的

2、幅值、頻率、相位、偏振三、光電檢測技術(shù)的主要內(nèi)容 光電檢測技術(shù)的主要內(nèi)容是通過光學(xué)系統(tǒng)把攜帶被測信息的非電量信息變換成便于接收的光學(xué)信息，然后用光電探測器將光學(xué)信息變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)電路放大、處理等，達(dá)到輸出的目的。信息變換技術(shù)和電信號處理技術(shù)。信息變換技術(shù)：非電量變換成光學(xué)量 光學(xué)量變換成電量 1.2光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和基本工作原理 一、幾個光電檢測實例1、紅外防盜報警系統(tǒng) 圖112、激光外徑掃描儀 圖12 1旋轉(zhuǎn)多面體 2半導(dǎo)體激光器 3透鏡 4工件 5物鏡 6光電器件3、光彈性效應(yīng)測力計 圖131-白熾燈2-聚光鏡3-濾光片4-減光楔5-分束鏡6-起偏振鏡7-云母片8-測力元件9

3、-檢偏振鏡10，12-光電池11-減光楔13-檢流計 二、光電檢測系統(tǒng)的構(gòu)成框圖 圖14 光電檢測系統(tǒng)框圖 光是信息傳遞的媒介，它由光源產(chǎn)生。光源與照明光學(xué)系統(tǒng)一起獲得測量所需的光載波，光載波與被測對象同時作用在光學(xué)系統(tǒng)上而將被測量載荷到光載波上，稱為光學(xué)變換。光學(xué)變換是用各種調(diào)制的方法來實現(xiàn)的。光學(xué)變換后的光載波上載荷有各種被測信息，稱為光信息。光信息經(jīng)光電器件實現(xiàn)由光向電的信息轉(zhuǎn)換，稱為光電轉(zhuǎn)換。然后被測信息就可用各種電信號處理的方法實現(xiàn)解調(diào)、濾波、整形、判向、細(xì)分等，或送到計算機進(jìn)行進(jìn)一步的運算，直接顯示被測量或者存儲或者去控制相應(yīng)的裝置。 光電檢測系統(tǒng)各部分的功能：（1）光源和照明光學(xué)

4、系統(tǒng)考慮光源的輻射功率、光譜范圍、發(fā)光空間分布；發(fā)出的光作為載波或者被測對象；照明光學(xué)系統(tǒng)的分類（2）被測對象及光學(xué)變換光學(xué)變換：通過光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)把待測量轉(zhuǎn)換為光參量光學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的光學(xué)性質(zhì)、光學(xué)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)形式不同光參量：光本質(zhì)是電磁波，其參量有幅值、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向等（3）光信號的匹配處理 光信號的處理主要包括光信號的調(diào)制、變光度、光譜校正、光漫射，以及會聚、擴束、分束等。使用的光學(xué)器件可以是透鏡、濾光片、光闌、光楔、棱鏡、反射鏡、光通量調(diào)制器、光柵等。 （4）光電轉(zhuǎn)換以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手段，將經(jīng)過待測量調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；決定整個檢測系統(tǒng)的靈敏度

5、、精度、動態(tài)響應(yīng) ；光電探測器（5）電信號的放大與處理主要實現(xiàn)兩個功能：實現(xiàn)對微弱信號的檢測；實現(xiàn)光源的穩(wěn)定化 （6）存儲、顯示與控制系統(tǒng)三、基本工作原理 光電檢測系統(tǒng)是以光信息變換為基礎(chǔ)的，把待測量通過光信號變換為電量來進(jìn)行測量的。（一）把待測量變換為光信息量 它是以光通量的大小來反映待檢測量的大小。光電探測器的輸出往往與入射到它的光敏面上的光通量成正比，所以，光電探測器的光電流大小可以反映出待檢測量的大小，即光電流I是待檢測信息量Q值的函數(shù)： I=f(Q) (1-1) 這是一種模擬量信息變換。（二）把待檢測量變換為光信息脈沖 它是以光脈沖或條紋數(shù)的多少來反映待測量的大小，光電探測器的輸出為

6、低電平和高電平兩個狀態(tài)組成的一系列脈沖數(shù)字信息，這些數(shù)字信息量T是待測信息量Q的函數(shù)： T=f(Q) (1-2 ) 這是一種模/數(shù)信息轉(zhuǎn)換。四、基本結(jié)構(gòu)形式1、輻射式圖15 1、被測物體 2、會聚透鏡 3、光電二極管例：全輻射測溫：由斯忒藩玻爾茲曼（StefanBoltzman）定律可知，物體的全輻射出射度為： （11）式中：比輻射率，對于某一物體值為常數(shù) 斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)； T絕對溫度。在近距離測量時，可不考慮大氣對輻射的吸收作用，則光電探測器輸出的電壓信號為：式中為光電變換系數(shù)。將（11）代入上式得： (12)2、反射式圖16 1、光源 2、被測物 3、光電探測器測轉(zhuǎn)速的例子： 軸轉(zhuǎn)動一

7、周，光電探測器4就獲得一個由光源1發(fā)出的反射光的脈沖，此脈沖數(shù)就反映了軸的轉(zhuǎn)速。 圖17 1、光源 2、轉(zhuǎn)軸 3、小平面鏡 4、光電探測器3、遮擋式 圖18 1、光源 2、待檢測物 3、光電探測器4、透射式：根據(jù)工作原理不同又分為：（1）模擬量信息變換方式（2）模/數(shù)信息變換方式 圖19圖1105、干涉式 圖1111光源 2透鏡 3分束器 4反射鏡 5待測物體 6光電探測器6、衍射式 圖112 衍射測量原理結(jié)構(gòu) 7/27/2022光電檢測技術(shù)26五、基本方法1.方法分類7/27/2022光電檢測技術(shù)272.方法的選擇 合理選擇光學(xué)測量方法主要依據(jù)以下五點來綜合考慮： 被測對象與被測量； 測量范

8、圍； 測量的靈敏度或精度； 經(jīng)濟性； 測量時的環(huán)境要求。7/27/2022光電檢測技術(shù)28測量精度與測量靈敏度 選擇測量方法的另一主要原則是靈敏度和要求的精度。右圖是主要光學(xué)測量方法在尺寸上能達(dá)到的分辨率。而精度一般來說是測量分辨率的13倍。 7/27/2022光電檢測技術(shù)29測量的經(jīng)濟性與環(huán)境要求經(jīng)濟性好,環(huán)境要求低 經(jīng)濟性中,環(huán)境要求一般 經(jīng)濟性偏高，有環(huán)境要術(shù) 衍射計量掃描計量散斑計量光纖計量 莫爾與拓?fù)浞▓D像計測法共路干涉計量 全息計量光譜計量納米計量 表：主要光學(xué)測量方法的經(jīng)濟性和對環(huán)境的要求方法選擇小結(jié) 以上選擇的依據(jù)是初步的，測量方法的最終確定應(yīng)有具體設(shè)計方案，綜合考慮以上各方面

9、的因素。測量方法的確定往往是測量是否取得成功的關(guān)鍵。 7/27/2022光電檢測技術(shù)301.3 光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展1.技術(shù)特色7/27/2022光電檢測技術(shù)312.技術(shù)現(xiàn)狀（光學(xué)測量技術(shù)學(xué)科的組成） 光學(xué)是這個基本體系中的原理基礎(chǔ)，而精密機械、電子技術(shù)與計算機技術(shù)構(gòu)成塔底三角形，是光學(xué)測量的支撐基礎(chǔ)。7/27/2022光電檢測技術(shù)32技術(shù)現(xiàn)狀（光學(xué)測量技術(shù)主要原理分類） 7/27/2022光電檢測技術(shù)33技術(shù)現(xiàn)狀（光學(xué)測量系統(tǒng)的主要構(gòu)成）7/27/2022光電檢測技術(shù)34光學(xué)測量技術(shù)發(fā)展趨勢（原理上）從主觀光學(xué)發(fā)展成為客觀光學(xué)，即用光電探測器取代人眼這個主觀探測器，提高了測量精度與效率；用

10、激光光源來取代常規(guī)光源，獲得方向性極好的實際光線用于各種光學(xué)測量上；從光機結(jié)合的模式向光機電算一體化的模式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)測量與控制的一體化。光學(xué)測量技術(shù)發(fā)展趨勢（功能上）從靜態(tài)測量發(fā)展成為動態(tài)測量；從逐點測量發(fā)展成為全場測量；從低速度測量發(fā)展成快速的，具有存貯、記錄功能的測量。7/27/2022光電檢測技術(shù)353.技術(shù)發(fā)展方向亞微米級、納米級的高精密光學(xué)測量方法首先得到優(yōu)先發(fā)展；利用新的物理學(xué)原理和光電子學(xué)原理而產(chǎn)生的新的光學(xué)測量方法將不斷出現(xiàn)；以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)的高精度、小尺寸、低成本的集成光學(xué)和其他微傳感器將成為技術(shù)的主流方向，小型的、微型的非接觸式光學(xué)傳感器以及微光學(xué)這類微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將嶄露頭

11、角；半導(dǎo)體激光器(LD)及其陣列，光開關(guān)，光濾波器，光電探測陣列等新器件將在過程控制，在線測量與控制上得到廣泛應(yīng)用；7/27/2022光電檢測技術(shù)36快速、高效的3D測量技術(shù)將取得突破，成為帶存貯功能的全場動態(tài)測量儀器；發(fā)展閉環(huán)式光學(xué)測試技術(shù)，實現(xiàn)光學(xué)測量與光學(xué)控制的一體化；發(fā)展光學(xué)診斷和光學(xué)無損檢測技術(shù)；生物科學(xué)研究中的光探測越來越收到世界科技工作者的共同關(guān)注。3.技術(shù)發(fā)展方向非接觸化、小型化、集成化、數(shù)字化、智能化光電檢測技術(shù)的優(yōu)點：（1）非接觸式檢測。（2）響應(yīng)速度快。（3）測量精度高。（4）檢測對象范圍寬。（5）遠(yuǎn)距離、大量程。（6）具有很強的信息處理和運算能力，可將復(fù)雜信息并行處理。

12、（7）壽命長。光電檢測技術(shù)的缺點： (1)由于光電檢測系統(tǒng)中用到光學(xué)元件，容易被沾污，影響光信號的傳輸，必須采取措施，否則使用受限制。（2）外界干擾光影響大。背景光及外干擾光的影響使信噪比變差，但可采取措施減至最小。（3）使用溫度范圍小，不能用在高溫。補 充 知 識1.4 光的本質(zhì)1.5 光在介質(zhì)表面的反射和折射1.6 光與物質(zhì)的相互作用1.7 光的干涉、衍射和偏振1.8 輻射度的基本物理量1.9 光度的基本物理量 1.4 光的本質(zhì)光是電磁波具有波、粒二象性電磁波譜10-14:宇宙射線10-12:射線10-10: x 射線10-7:紫外線10-6:可見光3.8-77.8-710-5:紅外線10

13、-4:毫米波10-3:厘米波10-2102: 無線電光波電磁波譜圖一、基本概念 1.光譜可見光波長 0.38m0.78m 光速C=f.紫外線 0.01m0.38m 具有熒光作用（熒光燈），生理作用（醫(yī)用紫光燈）光學(xué)玻璃 透射弱 石英玻璃 透射強紅外線 0.78m1000m 具有熱輻射作用（人體保健）近紅外3m（人體輻射9.4m遠(yuǎn)紅外內(nèi)衣）2.色譜在可見光范圍內(nèi)，由于波長的不同。而對視覺產(chǎn)生的顏色差異。（人眼的光譜）0.380.4350.490.580.600.650.78 紫 藍(lán) 綠 黃 橙 紅 3.光的單位光強度：光源產(chǎn)生光的強弱。 頻率為5401012 （0.555m）的單色光在給定方向上

14、產(chǎn)生的輻射功率為1/680 W/Sr（球面度）定為光強度單位。稱坎德拉cd光通量：具有1cd均勻光源在一個球面內(nèi)產(chǎn)生的光的輻射量，定為光通量單位 稱流明lm光照度：物體表面被光照亮的程度。1lm的光通量在1的平面上產(chǎn)生的照度，單位為勒克斯lx 1.5 光在介質(zhì)表面的反射和折射一、光在兩透明介質(zhì)分界面上的反射和折射 實質(zhì)上是光波的電磁場與物質(zhì)的相互作用，反射光和折射光的傳播方向與入射光入射角的關(guān)系就是我們熟知的反射定律和折射定律。那么入射波、反射波和折射波的能量關(guān)系是與反射率（R）和透射率（T）有關(guān)。二、光在金屬表面上的反射（1）金屬反射光的能力與金屬包含的自由電子的密度有關(guān) 自由電子密度越大（

15、電導(dǎo)率也越大），反射本領(lǐng)也越高（2）對于同一種金屬，入射光波長不同，反射率也不同 頻率較低的紅外輻射，主要對金屬中的自由電子發(fā)生作用；頻率較高的可見光和紫外輻射，也可以對金屬中的束縛電子發(fā)生作用。（這時因為束縛電子本身的固有頻率處在可見光和紫外輻射區(qū)）束縛電子使金屬的反射能力降低，透射能力增大，呈現(xiàn)出非金屬的光學(xué)性質(zhì)。（3）金屬表面的反射率也與光的入射角有關(guān) 與電介質(zhì)表面的反射不同，不論在什么角度下反射，金屬都不能使反射光成為全偏振。1.6 光與物質(zhì)的相互作用 光的吸收、色散和散射一、光的吸收與色散（1）導(dǎo)電介質(zhì)和絕緣介質(zhì)都可以引起光吸收現(xiàn)象。（2）光的吸收是基于朗伯一比爾定律，用公式表示為:

16、 （1.11）式中：I為吸收后的光強度；I。是物質(zhì)濃度為零(即不存在吸收物質(zhì))時的光強度；L為色皿(采樣槽)的長度； 為吸收常數(shù)。用圖可以表示為： 圖15 朗伯比爾定律原理圖吸收系數(shù) ：（1）是波長的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為吸收光譜；不同的材料吸收光譜完全不同。（2）吸收系數(shù)與折射率有關(guān)，為：式中， 稱為吸收率或消光系數(shù)；消光系數(shù)和折射率都是波長的函數(shù)。（3）色散定義：當(dāng)某一介質(zhì)的吸收系數(shù) 隨波長不同而改變時，則光在該媒質(zhì)中傳播時，不同波長的光路將被散開。 表示介質(zhì)折射率隨波長變化的程度，用色散率表示：二、光的散射 光在不均勻介質(zhì)中，才有散射。 根據(jù)散射光波長與入射光波長是否相同，散射可分為兩類

17、：（一）瑞利散射 散射光波長與入射光波長相同。 根據(jù)不均勻結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，瑞利散射又可分為三類：（1）丁達(dá)爾散射 介質(zhì)中有很多大質(zhì)點，其線度約等于光的波長，它們的折射率與周圍均勻介質(zhì)的折射率不同。如乳狀液、含有懸浮物的流體、膠體溶液。 由這些質(zhì)點的無規(guī)則排列所引起的散射稱為丁達(dá)爾散射。（2）瑞利散射 由于介質(zhì)中存在著密度起伏，破壞了介質(zhì)的光學(xué)均勻性，從而導(dǎo)致散射。這種散射光的強度和波長的4次方成反比，即：稱為瑞利定律。 散射光的波長還是原來入射光的波長，只是入射光中波長較短的光散射系數(shù)大，即容易被散射。（3）瑞利散射 在各向異性介質(zhì)中，除了密度起伏外，分子的去向與它們最可能的平均取向也有偏差。這種

18、偏差表現(xiàn)為這部分分子的極化率（P=XE中的X）對其平均值有起伏，破壞了次波的相干性，導(dǎo)致光的散射。（二）喇曼散射 在散射光中，除有與入射光頻率相同的瑞利散射外，在瑞利線的兩側(cè)還有頻率為的散射線存在。這種散射現(xiàn)象稱之為喇曼散射。1.7 光的干涉、衍射和偏振一、光的干涉1、波的疊加原理2、波強度3、相干條件4、光源的相干性（1）時間相干性（2）空間相干性二、光的衍射1、定義2、分類菲涅耳衍射：夫朗和費衍射：三、光的偏振1、定義2、分類自然光偏振光 （1）線偏振光 （2）圓偏振光 （3）橢圓偏振光 （4）完全偏振光 （5）部分偏振光3、獲得偏振光的方法（1）反射和折射產(chǎn)生偏振光（2）雙折射產(chǎn)生偏振光

19、（3）偏振片光的偏振調(diào)制方法：1、旋光現(xiàn)象振動面旋轉(zhuǎn)的角度決定于旋光物質(zhì)的性質(zhì)、厚度以及入射光的波長2、法拉第效應(yīng) 一些不具有旋光性的物質(zhì)，在磁場的作用下也可以使穿過它的偏振光的振動方向旋轉(zhuǎn)。這種在磁場作用下產(chǎn)生的旋光效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。3、光彈效應(yīng)（1）雙折射現(xiàn)象（2）光彈效應(yīng)4、克爾電光效應(yīng) 迄今為止已發(fā)現(xiàn)的電光效應(yīng)有兩種：一種是折射率的變化量與外電場強度的一次方成比例，稱為泡克耳斯（Pochels）效應(yīng)；另一種是折射率的變化量與外電場強度的平方成比例，稱為克爾（Kerr）效應(yīng)。利用克爾效應(yīng)制成的調(diào)制器稱為克爾盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為具有電光效應(yīng)的液體有機化合物。利用泡克爾斯效應(yīng)制成的調(diào)制器稱

20、為泡克爾斯盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為非中心對稱的壓電晶體。泡克爾斯盒又可分為縱向和橫向調(diào)制器兩種。 克爾電光效應(yīng) 1.8 輻射度的基本物理量1、輻射能Qe 輻射能是一種以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J（焦耳）。當(dāng)輻射能被其它物質(zhì)吸收時，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，如熱能、電能等等?、輻射通量 輻射通量又稱輻射功率Pe，是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率，單位為W（瓦），即1W=1J/S（焦耳每秒）。它也是輻射能隨時間的變化率: (1.1)3、輻射強度Ie 輻射強度定義為在給定方向上的單位立體角內(nèi)，離開點輻射源（或輻射面源）的輻射通量。從圖1-1可見： (1.2) 單位為W/sr（瓦每球面

21、度）。圖1-1點輻射源的輻射強度 若點輻射源是各向同性的，即其輻射強度在所有方向上都相同，則該輻射源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為: (1.3)在空間所有方向（ ）上發(fā)射的輻射通量為： （1.4） 實際上，一般輻射源多為各向異性的輻射源，其輻射強度隨方向而變化，可用極坐標(biāo)輻射強度表示，即 如圖1-2所示。這樣，點輻射源在整個空間發(fā)射的輻射通量為： (1.5)1-2 某一方向上的發(fā)光強度4、輻射出射度Me 輻射出射度為面輻射源表面單位面積（通常往半空間立體角）上發(fā)射的輻射通量，即: (1.6)單位為W/m2（瓦每平方米）。5、輻射照度Ee 輻射照度為接收面上單位面積所照射的輻射通量，即: (1.

22、7)輻射通量的單位為W/m2（瓦每平方米）。 輻射出射度Me與輻射照度Ee的表達(dá)式和單位完全相同，其區(qū)別僅在于前者是描述面輻射源向外發(fā)射的輻射特性，而后者則為描述輻射接收面所接收的輻射特性。對此，應(yīng)從概念上區(qū)別。6、輻射亮度Le（圖1-3） 輻射亮度定義為輻射源表面一點處的面元在給定方向上的輻射強度，除以該面元在垂直與該方向的平面上的正投影面積，即: (1.8) 單位為W/sr（瓦每球面度平方米）。 圖1-3 輻射源的輻射亮度 一般輻射源表面各處的輻射亮度及該面源各方向上的輻射亮度都是不相同的，此時輻射源的輻射亮度的一般表達(dá)式為： （1.9）7、光譜輻射量 實際上，輻射源所發(fā)射的能量往往由很多波長的單色輻射所組成。為了研究各種波長的輻射能量，還必須對單一波長的光輻射作相應(yīng)的規(guī)定。前面介紹的幾個重要輻射量，都有與其相對應(yīng)的光譜輻射量 。光譜輻射量又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長的變化率。 光譜輻射通量 ： 輻射源發(fā)出的光在波長處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。輻射通量與波長的關(guān)系曲線如圖1-4所示，其關(guān)系式為 (1.10) 單位為W/um（瓦每微米），或W/nm（瓦每納米） 圖1-4 光譜輻射通量與波長的關(guān)系其它輻射量也有類似的關(guān)系：光譜輻照度：光譜輻射出射度：光譜輻射亮度：輻射源的總輻射通量是：其它輻射量也有類似的關(guān)系，用