光電檢測技術課件5

1、非相干信號的光電變換與檢測 光電信號的變換 直接檢測系統 隨時間變化的光電信號變換與檢測方法 隨空間變化的光電信號變換與檢測方法1非相干信號的光電變換與檢測 光電信號的變換 直接檢測系統 隨時間變化的光電信號變換與檢測方法 隨空間變化的光電信號變換與檢測方法2光電變換在光電系統中，通常要借助幾何光學、物理光學和光電子學的方法對信號進行變換，包括將一種光量轉換成另一種光量， 將非光量轉換成光量或將連續(xù)光量轉換成脈沖光量目的：將待測信息加載到光載波上進而形成光電信號改善系統的時間和空間分辨力和動態(tài)品質， 提高傳輸效率和檢測精度改善系統的檢測信噪比， 提高工作可靠性3被動光學系統主動光學系統光電系統

2、所接收的信號完全來自被測對象的自發(fā)輻射而不用人工光源信息源通過調制光源的電源電壓或電流，把信息加載到光載波上，而發(fā)射調制光；或者用光電系統照射目標再進行光電變化，被接收系統接收4相干檢測和非相干檢測若光信息為光強，即被測信號加載到光載波的強度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源直接檢測光電系統，也是一種非相干檢測；若光信息加載于相干光源載波的振幅、頻率或相位變化之中相干檢測系統；若光源是非相干光，使光信息加載于相干光源載波的振幅、頻率或相位變化之中非相干檢測系統。5典型光信號變換方法變換方法光學原理應用范圍幾何光學法投射、反射、折射、散射、遮光、光學成像等非相干光學現象和方法光開關、光學編碼

3、、光掃描、瞄準定位、光準直、外觀質量檢測、測長測角、測距物理光學法干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學拍頻、偏振等相干光學現象或方法干涉計量、全息計量、散斑計量、外差干涉、光譜分析、多普勒測速光電子學法電光效應、聲光效應、磁光效應、空間光調制、光纖傳光和傳感等光調制、光偏轉、光開關、光通信、光記錄、光存儲、光顯示 6非相干信號的光電變換與檢測 光電信號的變換 直接檢測系統 隨時間變化的光電信號變換與檢測方法 隨空間變化的光電信號變換與檢測方法7直接探測系統的性能分析光電探測器的基本功能是把入射到探測器上的光功率轉換為相應的光電流光電流是光電探測器對入射光功率的響應，如果傳遞的信息表現為光功率

4、的變化，利用光電探測器的直接光電轉換功能就能實現信息的直接解調8光電探測器的平方律特性假定入射光的電場為 是等幅余弦變化光電探測器的光電轉換定律若探測器的負載電阻為RL，那么光電探測器的輸出功率電輸出功率正比于入射光功率的平方；光電流正比于光電場振幅的平方9直接檢測系統的信噪比設入射光電探測器的信號功率為Pi，噪聲功率為ni，光電探測器的輸出電功率為Po，輸出噪聲功率為no，則總的輸入功率為Pini，總的輸出功率為Pono由光電探測器的平方律特性信號和噪聲的獨立性，有10根據信噪比的定義，輸出信噪比為 若（Pi/ni）1，則有 輸出信噪比等于輸入信噪比之半，光電轉換后的信躁比損失不大，適宜于強

5、光探測11直接探測系統的噪聲 信號光功率的散粒噪聲 背景光功率的散粒噪聲 光電器件熱噪聲 光電器件暗電流引起的散粒噪聲直接檢測屬于非相干檢測，噪聲有：12直接探測信噪比和量子極限總的噪聲電流直接檢測的信噪比只考慮信號光功率引起的噪聲，得到極限信噪比13非相干信號的光電變換與檢測 光電信號的變換 直接檢測系統 隨時間變化的光電信號變換與檢測方法 隨空間變化的光電信號變換與檢測方法14隨時間變化的光電信號變換與檢測方法信號隨時間緩慢變化或周期性以及瞬時變化，發(fā)生在有限空間內，與時間有關于空間無關。光電信號F(t)幅值法頻率法相位法時間法直讀法零位法差動法補償法波數測量法頻率測量法15幅值法 定義：

6、這種變換的特點是利用光的透射、反射、折射、遮光和成像的方法將被測信號直接加載到光通量的變化之中，在利用光電器件檢測光通量的幅值變化。 應用：光開關、輻射測溫、測表面粗糙度、測氣體或液體濃度、透過率、反射率 。16a 直讀法樣品光電器件放大顯示 直讀法原理圖缺點：光源光通量不穩(wěn)定將帶來誤差17b 指零法提高單通道系統測量精度最簡單的方法是指零法。 利用標定好的讀數裝置來補償光通量的不穩(wěn)定影響， 使測量系統在輸出光通量為零的狀態(tài)下讀數。磁致旋光檢測讀數裝置準直鏡起偏器檢偏器物鏡光電器件H 起偏器垂直于檢偏器 調節(jié)讀數裝置，使檢偏器轉角等于被檢物質引起的偏振面轉角18c 差動法 為了減小單通道法入射

7、光通量對測量的影響，可以采用雙通道差動法 物體透過率測量為例KMS1=S2 光源輻射發(fā)生波動19幅值檢測法工件尺寸的檢測單通道測量法雙通道測量法U0A前置放大光闌前置放大差動放大U1L20非相干光檢測頻率法 頻率法應用于被測信息周期性變化的情況，被測信號載荷于光通量的變化次數或頻率的快慢之中，用來測量光通量的頻率和波數的方法頻率測量法與前面介紹的幅值測量法相比具有更高的精度，因為頻率的穩(wěn)定度高于幅值的穩(wěn)定度，大約兩個數量級以上。且頻率測量是數字式的， 易于與計算機相連，使用方便。21a 波數測量法 波數測量法通常用于測量光通量隨著被測信息變化的周期數來檢測被測量，如光柵莫爾條紋的測量技術。光電

8、器件標尺光柵指示光柵準直鏡X光柵莫爾條紋測量22b 頻率測量法 若要測量光柵尺的運動速度， 只需將光柵尺的位移對時間微分，即 dN/dt為波數的時間變化率 dx/dt 為速度，即運動速度與光通量變化頻 率成正比23非相干光檢測相位和時間測量法a. 相位測量法如果光載波的光通量被調制成隨時間呈周期變化，而被測信息加載于光通量的相位之中，檢測到這個相位值即能確定被測值，這種方法稱為光通量的相位測量法典型的光通量相位測量實例是光電測距，其原理：該系統采用半導體激光器作為光源，再光源的供電電路中施加正弦電壓，則半導體激光器就發(fā)射出正弦規(guī)律變化的光通量 24若被測距離為D, 從發(fā)射光至返回光的時間為t，

9、光的傳播速度為c， 則這段時間里光載波的相位改變了 ， 即 從而待測距離D為 n 為空氣折射率12345671.半導體激光器激勵源2.半導體激光器3，5.光學系統4. 靶鏡 6.光電器件7. 放大電路25b. 時間測量法若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時可用測量單個脈沖的時間延遲來測距離，稱為時間法。若該巨脈沖從發(fā)射到接收的時間延遲為t, 則被測距離為 D=1/2 ct 時間法測距原理1激光器 2，4光學系統3目標 5光電器件12345D26b. 時間測量法 計數器計數值N，則從而得到 K 是測距脈沖當量； 隨著測距脈沖頻率f提高，系統測距分辨率也越高。27光電測距光源發(fā)射光學系統傳輸介質目

10、標物接收光學系統光電檢測器件檢測電路光電測距系統傳輸介質作用距離是指相對于點目標，光電系統所允許的最小接收能量相對應的距離叫做測距系統的作用距離。(1)(2)(3)為了提高測距系統的作用距離應該使用功率大、發(fā)散角小的光源；提高光學系統的透過率；使用大口徑的光學系統28非相干信號的光電變換與檢測 光電信號的變換 直接檢測系統 隨時間變化的光電信號變換與檢測方法 隨空間變化的光電信號變換與檢測方法29隨空間變化的光電信號變化和檢測方法1. 幾何中心檢測法用于光強隨空間分布的光信號位置檢測，又稱光學目標定位 ；光學目標不考慮對象的物理性質，把它看成與背景有一定光強反差的幾何形體或景物；當幾何形體由簡

11、單的點、線、面等規(guī)則形體構成稱為簡單光學目標，如刻線、狹縫、十字線、光斑、方框。30幾何中心檢測法一般用于簡單光學目標的空間定位。光學目標和其襯底間的反差形成物體表面輪廓。通過檢測與目標輪廓分布相應的像空間分布來確定物體中心位置的方法。輪廓的中心位置為幾何中心x1x2xG0 xy31單通道像空間分析器若光電器件接收光通量為(x)，狹縫照度分布為E(x)，取樣窗口函數h(x)，則定位特性1234567x靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖1光源 2聚光鏡 3分光鏡 4-物鏡 5刻度尺6-狹縫 7-光電器件lbd32單通道像空間分析器定位信號用h(x)和E(x)的卷積得到33掃描調制式像分析器與靜態(tài)光電顯微鏡

12、掃描調制式靜態(tài)光電顯微鏡，它增加了用于調制的振動反射鏡6，從而實現像在縫上作周期掃描運動，使透過狹縫的光通量變成連續(xù)時間調制信號，再通過狹縫實現幅度調制，最后由光電器件得到連續(xù)的幅度調制輸出掃描調制12345786掃描調制式靜態(tài)34掃描調制式像分析器掃描調制式像分析器的波形圖T1 T2 t0A(t)0t對準狀態(tài) 偏右狀態(tài) 偏左狀態(tài)T1 T2 t0A(t)0tT1 T2 t0A(t)0t352. 幾何位置檢測法用光電方法來確定目標的幾何位置，常用顯微鏡光學系統或投影光學系統、準直光學系統將目標物成像，然后用一個和幾何位置相關的指示線對成像輪廓進行瞄準，以確定物體的空間位置。ADFEBCRLABC

13、D+Ua 輪廓光電瞄準法對準不確定度在0.5m左右。36b 輪廓像偏移的光焦點測量法光焦點法是以聚焦光斑光密度分布的集中程度來判斷物體的軸向位置的方法光縫法刀口法像散法37輪廓像偏移的光焦點測量法 像散法半導體激光器發(fā)出的光經過擴束準直后由偏振分光鏡3將某一振動方向的偏振光反射，經過/4片后變成圓偏振光，由物鏡將光束在物面上匯聚為圓光點。被物面發(fā)射光束經過經過/4片后變成線偏振光，偏振方向旋轉90度，經偏振分光鏡全部透射，經柱面鏡產生像散成像。38像點軸外偏移的光焦點法 是一種三角方式的軸向位移測量，用于數mm到數m距離的精密測量。a）測量范圍可達數百mm；分辨力1m。a）分辨力0.1m。39

14、3 亮度中心檢測方法 光輻射的亮度分布是光能量沿空間的分布，當物體按輻射能量相等的標準將總能量分為兩部分，其中心位置為亮度中心B0, 這樣亮度中心位置可以表示為： B(x) 為亮度分布函數 通過測量與物空間亮度分布 相對應的像空間照度分布來確定目標能量中心位置的方法 稱為亮度中心檢測法。 40a 象限檢測器象限檢測器使用四象限光電池或四象限光敏二極管作成光靶與光學系統相配合來檢測亮度中心測量直線度或位移象限數 4光敏面直徑(mm) 16mm響應度(1.06um) 0.35 A/W響應時間(ns) 40探測波長(um) 0.41.1工作溫度() -40+60SPD-045 4114 Uy Ux象限檢測器XY42小結光源、光學變換和光電器件一起構成光電檢測系統；若光電系統所接收的信號來源被測對象輻射，稱為被動光電系統；若信號來源調制光源，或人工光源，稱為主動光電系統；若光源采用非相干光源，稱為非相干光檢測光源光學系統被測對象光學變換光電轉換電信息處理存儲控制顯示 光信號獲取