光電檢測技術第七章

光電檢測技術第七章第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日§7.1光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述§7.2直接（光強度調(diào)制）檢測方法與系統(tǒng)§7.3隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)§7.4空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

第7章非相干檢測方法與系統(tǒng)第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日7.1光電檢測系統(tǒng)及光電信號變換概述a)被測量調(diào)制光載波的主動系統(tǒng)b)反射式的主動系統(tǒng)一、光電檢測系統(tǒng)分類（一）根據(jù)光源來源分類1、主動測量系統(tǒng)第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日圖7－1采用鎖相放大的被動式光電檢測系統(tǒng)2、被動測量系統(tǒng)第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日（二）光源是否相干分類1、非相干檢測系統(tǒng)(1)若光信息為光強，即被測量被攜帶于光載波的強度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，這時光電器件只直接接收光強度變化，最后用解調(diào)的方法檢出被測信息，這種方法組成的系統(tǒng)稱為直接檢測光電系統(tǒng)。(2)若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣所組成的系統(tǒng)則稱為非相干檢測系統(tǒng)。

通常把直接檢測光信息的光強（或叫光功率）以及檢測非相干光調(diào)制頻率、振幅、相位的方法統(tǒng)稱為非相干檢測。

第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日2、相干檢測系統(tǒng)

如果光源是相干光源，但用光調(diào)制的方法使被測信息加載于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電解調(diào)的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中檢測出被測信息的系統(tǒng)稱為相干檢測系統(tǒng)。第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、光電變換方法（一）光電變換的目的（1）將待測信息加載到光載波上進而形成光電接收器件易于接收的光電信號。（2）改善系統(tǒng)的時間或空間分辨率和動態(tài)品質(zhì)，提高傳輸效率和檢測精度。（3）改善系統(tǒng)的信噪比，提高工作可靠性。第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日變換方法光學原理應用范圍幾何光學法透射、反射、折射、散射、遮光、光學成像等非相干光學現(xiàn)象或方法光開關、光學編碼、光掃描、瞄準定位、光準直、外觀質(zhì)量檢測、測長測角、測距等物理光學法干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學拍頻、偏振等相干光學現(xiàn)象或方法莫爾條紋、干涉計量、全息計量、散斑計量、外差干涉、外差通信、光譜分析、多譜勒測速等光電子學法電光效應、聲光效應、磁光效應、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等（二）光電變換的方法第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日一、直接檢測系統(tǒng)的基本原理

所謂直接檢測是將攜帶有待測兩量的光信號直接入射到探測器光敏面，光探測器響應于光輻射強度而輸出相應的電流或電壓。

7.2直接（光強度調(diào)制）檢測系統(tǒng)第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、直接檢測系統(tǒng)的基本特性（一）光探測器的平方律特性入射光波的光電場為：入射光的平均光功率為：光電探測器輸出的電流為：

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若光探測器的負載電阻為，則光探測器輸出的電功率為：光電探測器的平方律特性包含有兩層含意：其一是光電流正比于光場振幅的平方；其二是電輸出功率正比于入射光功率的平方。

第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日如果入射光信號為強度調(diào)制光，調(diào)制信號為d(t)，即調(diào)制的入射光信號的強度為P[1+d(t)]，那么光電探測器輸出的光電流為：式中，第一項為直流電平，可以用隔直電容隔掉；第二項為所需要的信號，即光載波的包絡檢測。第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日（二）直接檢測系統(tǒng)的信噪比直接檢測的輸出信噪比為：

則輸出功率信噪比為

第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日

（三）直接檢測系統(tǒng)的視場角

視場角是直接檢測系統(tǒng)的性能指標之一。它表示系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍。對于檢測系統(tǒng)，被測物看作是在無窮遠處，且物方與象方兩側(cè)的介質(zhì)相同。在此條件下，探測器位于焦平面上時，其半視場角（如下圖所示）為：或視場立體角為：式中，d是探測器直徑；為探測器面積；為焦距。第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日三、應用舉例（一）光電開關與光電轉(zhuǎn)速計1、透射分離型主動開關也用于工業(yè)自動控制、自動報警及一些引爆、燃燒等封閉室內(nèi)的室外點火控制第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日2、反射型主動開關

汽油液面探測第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日3、光電耦合可實現(xiàn)用低壓電路控制高壓電路；第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日4、編碼計數(shù)型主動開關可用于工業(yè)自動線上產(chǎn)品計數(shù)或醫(yī)用液粒計數(shù)第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日5、光電轉(zhuǎn)速計轉(zhuǎn)速n與光電探測器的輸出脈沖頻率之間的關系為：

n=60f/m,m為孔數(shù)或齒數(shù)。第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日（二）激光準直儀利用四個象限的光強是否相等來進行準直第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

利用激光的相干性，采用方形菲涅爾波帶片來提高激光準直儀的對準精度，如下圖，這就是所謂的衍射準直儀。第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日

非相干光電信號按其時空特點分為隨時間變化的光電信號和隨空間變化的光電信號。前者的特征是信號隨時間緩慢變化或周期性以及瞬時變化，發(fā)生于有限空間內(nèi)，與時間有關而與空間無關，信號可表示為F(t)。隨空間變化的光電信號發(fā)生在一定空間之內(nèi)，光電信號隨空間位置而改變，表示為F(x，y，z)，有的還同時隨時間改變，表示為F(x，y，z，t)。非相干光電信號的變換與檢測方法如圖6-5所示。7.3隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日圖6-5非相干光電信號的變換與檢測方法第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日一、幅值法

這種變換的特點是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法將被測信號直接加載到光通量的變化之中，再用光電器件檢測光通量的幅值變化。它廣泛用于光開關與光電轉(zhuǎn)速計、激光測距、準直、輻射測溫、測表面粗糙度、測氣體或液體濃度、測透過率、反射率等。第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日1、直讀法

在采用直讀法的光電檢測系統(tǒng)中，光源發(fā)出的光經(jīng)待測量調(diào)制后直接由光電探測器接收。根據(jù)光電探測器輸出信號的大小來反映出待測量的變化。第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日2、指零法

指零法是利用標定好的讀數(shù)裝置來補償光通量的不穩(wěn)定影響，使測量系統(tǒng)在輸出光通量為零的狀態(tài)下讀數(shù)。下面以測量磁光物質(zhì)在磁場下的偏振角為例來進行說明。下圖所示是測量磁光物質(zhì)在磁場下的偏振角的原理圖第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日3、差動法

在直讀法和指零法的光電檢測系統(tǒng)中，光路只有一個通道。為了減小單通道法入射光通量波動對測量的影響，可以采用雙通道差動法和雙通道差動補償法。

差動檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日差動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2

第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日

差動檢測系統(tǒng)測位移的結(jié)構(gòu)3第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：溶液濃度的測量第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

原理和工作過程：光源1發(fā)出的光經(jīng)單色器2后成為單色光，該單色光的波長應選為待測溶液的峰值吸收波長。將該光線用分束器BS分成兩束，分別通過待測溶液S2和參比溶液S1，并用兩個性能一致的光電探測器接收。由于參比溶液對工作波長的光不產(chǎn)生吸收，而待測溶液對該波長的光有較強的吸收，因此，探測器PD1接收到的光強度I1即為入射光強度I0，而探測器PD2接收到的光強度I2取決于待測溶液的濃度。第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日系統(tǒng)輸出電壓為：

式中，C0為比例常數(shù);

為PD1上產(chǎn)生的光電流;為PD2上產(chǎn)生的光電流；K1、K2為PD1和PD2的靈敏度，、為到達PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致，則K1＝K2，故上式可變?yōu)椋?/p>

由于在忽略反射和散射的情況下，I1=I2,故

可見，最后輸出電壓即為溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的濃度。第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日4、補償法第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：用補償法對溶液的濃度進行檢測補償式光電比色法檢測溶液濃度的原理框圖

第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日它的工作原理及過程為：光源發(fā)出的光經(jīng)過干涉濾光片后成為單色光，由分光器分成兩路，分別通過4和5達到光電探測器PD1和PD2。

A、檢測前，先在待測試樣及參考試樣比色皿中均放入?yún)⒖既芤海ㄈ缯麴s水），將參考通道中的光闌打到透光量最大，調(diào)節(jié)信號通道中的光闌，使電路的輸出為零，即使到達PD1和PD2的信號光及參考光強度相等。

B、測量開始時，在信號通道中放入待測溶液試樣，由于待測溶液對工作波長的光要產(chǎn)生吸收，因此，到達PD1的信號光強度將減小，差動輸出將不為零，調(diào)節(jié)參考通道中的光闌，使參考光強亦減小，直到與信號光強相等，即輸出重新為零為止。此時，根據(jù)連接在參考通道中光闌上的刻度盤的讀數(shù)，即可讀出待測溶液的濃度值。第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日5、開關法

前面介紹的幾種檢測方法都是基于由待測量對光源光通量進行調(diào)制，然后用光電探測器檢測出調(diào)制光的光通量的大小，屬于模擬變換。而開光式光電檢測系統(tǒng)是通過檢測光的有無來檢測出待測量，屬于數(shù)字變換，它是最簡單的光強度調(diào)制檢測系統(tǒng)。開關法最典型的光電檢測系統(tǒng)的例子是光電轉(zhuǎn)速計。第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日6、舉例：物體尺寸的檢測投影法

小尺寸測量第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日大尺寸測量第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、頻率法

頻率法應用于被測信息呈周期性變化的情況，這時被測信息載荷于光通量的變化次數(shù)或頻率的快慢之中，用測量光通量的波數(shù)和頻率的方法測出被測值。使光通量的波數(shù)和頻率隨被測信息變化的方法有許多種，如用幾何光學的透光和反光的方法，使光通過旋轉(zhuǎn)的多孔圓盤或反光的多面體，用光柵的莫爾條紋技術或光干涉的干涉條紋技術等。第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日1、波數(shù)測量法

波數(shù)測量法通常用測量光通量隨被測信息變化的周期數(shù)來檢測被測值，如光柵莫爾條紋測量技術。如圖所示是用光柵測量位移的例子。

圖光柵莫爾條紋測量原理圖

第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日2、頻率測量法

在前述例子中，若要測量光柵尺的運動速度，只需要將光柵尺的位移對時間微分，即：式中，dN/dt為波數(shù)的時間變化率即頻率；而dx/dt為速度，即運動速度與光通量變化頻率成正比。這種通過測量光通量變化的頻率來測量被測參數(shù)的方法稱作頻率測量法。波數(shù)測量法與頻率測量法對光通量的幅度變化不敏感，因而對光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比幅值法低。第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日三、相位法

如果光載波的光通量被調(diào)制成隨時間呈周期性變化，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相位激光測距儀，如圖所示。

圖激光相位測距儀原理圖第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日四、時間法

若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時可用單個脈沖的時間延遲來測距離，稱為時間法。脈沖式激光測距儀和激光雷達都是時間法測距的典型應用。下面兩圖是脈沖激光測距儀的原理方框圖和各級波形圖。第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日7.4空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

光學目標就是不考慮被測對象的物理本質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學反差的幾何形體或圖形景物.

信號處理的目的是確定目標相對基準坐標的角度或位置偏差，稱作空間定位。第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日一幾何中心檢測法

第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.像分析和像分析器

像分析器的基本工作原理是：將被測物體的光學像相對于假面基準的幾何坐標，變換為通過該基準某一取樣窗口的光通量，通過檢測該光通量的變化來解調(diào)出物體的坐標位置。

第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.典型的像分析器（1）雙通道差分調(diào)制式像分析器可采用照明光源調(diào)制使照明光強E0按諧波形式變化。即：

則假設按正弦規(guī)律移位。即：

第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日(2)單通道掃描調(diào)制式像分析器第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日(3)掃描調(diào)制和極值檢測圖中被測鋼帶1的邊緣2通過鏡頭3成像于光欄4上，光欄的橫向尺寸確定了物方的測量范圍D。轉(zhuǎn)筒5上刻有通光狹縫．其間隔與光欄長度相等，以形成等間隔的光脈沖。鋼帶邊緣的像位置可對光脈沖進行脈寬調(diào)制，最后由光電元件6接收。解調(diào)出脈寬調(diào)制函數(shù)即可確定鋼帶邊緣的位置變化第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日(3)掃描調(diào)制和極值檢測輻射源1產(chǎn)生的光束經(jīng)準直鏡2變成平行光投射到被測直徑4上再經(jīng)成像透鏡3和光闌5成放大像7于掃描盤面上。盤面附近放置狹縫6，截取部分像。掃描盤上有阿基米德螺線形的通光孔和直線狹縫6相疊合。當掃描盤轉(zhuǎn)動時，狹縫孔被調(diào)制盤通光孔的輪廓以直線的軌跡和時間成正比地實現(xiàn)掃描運動，這樣便對被測直徑的像完成了掃描調(diào)制。調(diào)制后的光通量經(jīng)聚光鏡9由光電接收器10接收。

第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日二亮度中心檢測法第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日

光學像分解是在光學系統(tǒng)中附加各種分光元件使入射光束分別向確定的不同方向傳播，再在各自終端安裝上單一光敏面的光電元件.1.光學像