光電檢測技術(shù) 第一章

1、第第1 1章章 概述概述v掌握內(nèi)容掌握內(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)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。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。v理解內(nèi)容理解內(nèi)容光的本質(zhì)及相關(guān)知識；輻射度與光度學(xué)的基本概念光的本質(zhì)及相關(guān)知識；輻射度與光度學(xué)的基本概念。 v了解內(nèi)容了解內(nèi)容了解光電檢測技術(shù)的優(yōu)缺點；光在介質(zhì)表面的反了解光電檢測技術(shù)的優(yōu)缺點；光在介質(zhì)表面的反射和折射；光與物質(zhì)的相互作用射和折射；光與物質(zhì)的相互作用光的吸收、色光的吸收、色散、散射、干涉、衍射、偏振等；光電檢測技術(shù)散、散射、干涉、衍射、偏振等；光

2、電檢測技術(shù)的展望的展望 第第1 1章章 主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.11.1引言引言1.21.2光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和基本工作原理基本工作原理 1.31.3光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展 1.1 引言引言一、光電檢測技術(shù)的定義一、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)一門新興檢測技術(shù)，它是利用電子技術(shù)對光學(xué)信息進行檢測，并進一步傳遞、對光學(xué)信息進行檢測，并進一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示等。儲存、控制、計算和顯示等。二、光電檢測技術(shù)的檢測量二、光電檢測技術(shù)的檢測量 從原理上講可以檢測一

3、切能夠影響從原理上講可以檢測一切能夠影響光量光量或或光特性光特性的非電量。的非電量。光量光量：光通量或光強度：光通量或光強度光特性光特性：光波的幅值、頻率、相位、偏振：光波的幅值、頻率、相位、偏振三、光電檢測技術(shù)的主要內(nèi)容三、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，并進一步經(jīng)電路放大、處理等，達到輸成電量，并進一步經(jīng)電路放大、處理等，達到輸出的目的。出的目的。信息變換技

4、術(shù)信息變換技術(shù)和和電信號處理技術(shù)電信號處理技術(shù)。信息變換技術(shù)：信息變換技術(shù)：非電量變換成光學(xué)量非電量變換成光學(xué)量 光學(xué)量變換成電量光學(xué)量變換成電量 1.21.2光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和基本工作原理基本工作原理 一、幾個光電檢測實例一、幾個光電檢測實例1 1、紅外防盜報警系統(tǒng)、紅外防盜報警系統(tǒng) 圖圖112 2、激光外徑掃描儀、激光外徑掃描儀圖圖1 12 12 1旋轉(zhuǎn)多面體旋轉(zhuǎn)多面體 2 2半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 3 3透鏡透鏡 4 4工件工件 5 5物鏡物鏡 6 6光電器件光電器件3、光彈性效應(yīng)測力計、光彈性效應(yīng)測力計圖圖13二、光電檢測系統(tǒng)的構(gòu)成框圖二、光電檢測系統(tǒng)的

5、構(gòu)成框圖 圖圖1 14 4 光電檢測系統(tǒng)框圖光電檢測系統(tǒng)框圖 光光是信息傳遞的媒介，它由是信息傳遞的媒介，它由光源光源產(chǎn)生。光產(chǎn)生。光源與源與照明光學(xué)系統(tǒng)照明光學(xué)系統(tǒng)一起獲得測量所需的一起獲得測量所需的光載波光載波，光載波與光載波與被測對象被測對象同時作用在光學(xué)系統(tǒng)上而將被同時作用在光學(xué)系統(tǒng)上而將被測量載荷到光載波上，稱為測量載荷到光載波上，稱為光學(xué)變換光學(xué)變換。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，稱為載波上載荷有各種被測信息，稱為光信息光信息。光信。光信息經(jīng)光電器件實現(xiàn)由光向息經(jīng)光電器件實現(xiàn)由光向電的

6、信息電的信息轉(zhuǎn)換，稱為轉(zhuǎn)換，稱為光光電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換。然后被測信息就可用各種電信號處理的。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、細分等，或方法實現(xiàn)解調(diào)、濾波、整形、判向、細分等，或送到計算機進行進一步的運算，直接顯示被測量送到計算機進行進一步的運算，直接顯示被測量或者存儲或者去控制相應(yīng)的裝置?；蛘叽鎯蛘呷タ刂葡鄳?yīng)的裝置。 光電檢測系統(tǒng)各部分的功能：光電檢測系統(tǒng)各部分的功能：（1 1）光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：）光源和照明光學(xué)系統(tǒng)： 考慮光源的輻射功率、光譜范圍、發(fā)光空間分考慮光源的輻射功率、光譜范圍、發(fā)光空間分布；布； 發(fā)出的光作為載波或者被測對象；發(fā)出的光作為載波或者被測

7、對象； 照明光學(xué)系統(tǒng)的分類照明光學(xué)系統(tǒng)的分類（2 2）被測對象及光學(xué)變換：）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)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)，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、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)、傳播方向等相位、偏振態(tài)、傳播方向等（3 3）光信號的匹配處理）光信號的匹配處理（4 4）光電轉(zhuǎn)換：）光電轉(zhuǎn)換： 以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手段，以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手

8、段，將經(jīng)過待測量調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；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、精度、動態(tài)決定整個檢測系統(tǒng)的靈敏度、精度、動態(tài)響應(yīng)響應(yīng) ； 光電探測器光電探測器（5 5）電信號的放大與處理：）電信號的放大與處理：主要實現(xiàn)兩個功能：主要實現(xiàn)兩個功能：實現(xiàn)對微弱信號的檢測；實現(xiàn)對微弱信號的檢測；實現(xiàn)光源的穩(wěn)定化實現(xiàn)光源的穩(wěn)定化 （6 6）存儲、顯示與控制系統(tǒng)：）存儲、顯示與控制系統(tǒng)：三、基本工作原理三、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，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行測量把待測量通過光信號變換為電量來進行測量的。的。

9、（一）把待測量變換為光信息量（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，即光電流的大小，即光電流I I是待檢測信息量是待檢測信息量Q Q值的函值的函數(shù)：數(shù)： I=f(QI=f(Q) (1-1) (1-1) 這是一種模擬量信息變換。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（二）把待檢測量變換為光信息脈沖 它

10、是以光脈沖或條紋數(shù)的多少來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低反映待測量的大小，光電探測器的輸出為低電平和高電平兩個狀態(tài)組成的一系列脈沖數(shù)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)字信息量字信息，這些數(shù)字信息量T T是待測信息量是待測信息量Q Q的的函數(shù)：函數(shù)： T=f(QT=f(Q) (1-2 ) (1-2 ) 這是一種模這是一種模/ /數(shù)信息轉(zhuǎn)換。數(shù)信息轉(zhuǎn)換。四、基本結(jié)構(gòu)形式四、基本結(jié)構(gòu)形式1 1、輻射式、輻射式圖圖1 15 15 1、被測物體、被測物體 2 2、會聚透鏡、會聚透鏡 3 3、光電二極管、光電二極管例：全輻射測溫：例：全輻射測溫：由斯忒

11、藩玻爾茲曼（由斯忒藩玻爾茲曼（StefanStefanBoltzmanBoltzman）定律）定律可知，物體的全輻射出射度為：可知，物體的全輻射出射度為： （1 11 1）式中：式中：比輻射率，對于某一物體比輻射率，對于某一物體值為常數(shù)值為常數(shù) 斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)；斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)； T T絕對溫度。絕對溫度。在近距離測量時，可不考慮大氣對輻射的吸收作在近距離測量時，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：用，則光電探測器輸出的電壓信號為：式中式中為光電變換系數(shù)。將（為光電變換系數(shù)。將（1 11 1）代入上式得：）代入上式得： (12)4TMe4TVsesMV 2 2、反

12、射式、反射式圖圖16 1、光源、光源 2、被測物、被測物 3、光電探測器、光電探測器測轉(zhuǎn)速的例子：測轉(zhuǎn)速的例子： 軸轉(zhuǎn)動一周，光電探測器軸轉(zhuǎn)動一周，光電探測器4 4就獲得一就獲得一個由光源個由光源1 1發(fā)出的反射光的脈沖，此脈沖數(shù)就反發(fā)出的反射光的脈沖，此脈沖數(shù)就反映了軸的轉(zhuǎn)速。映了軸的轉(zhuǎn)速。 圖圖17 1、光源、光源 2、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸 3、小平面鏡、小平面鏡 4、光電探測器、光電探測器3、遮擋式、遮擋式圖圖18 1、光源、光源 2、待檢測物、待檢測物 3、光電探測器、光電探測器4 4、透射式：根據(jù)工作原理不同又分為：、透射式：根據(jù)工作原理不同又分為：（1 1）模擬量信息變換方式）模擬量信息變換

13、方式（2 2）模）模/ /數(shù)信息變換方式數(shù)信息變換方式 圖圖19圖圖1105 5、干涉式、干涉式 圖圖1 111111 1光源光源 2 2透鏡透鏡 3 3分束器分束器 4 4反射鏡反射鏡 5 5待測物體待測物體 6 6光電探測光電探測器器6 6、衍射式、衍射式 圖圖1 112 12 衍射測量原理結(jié)構(gòu)衍射測量原理結(jié)構(gòu) 1.31.3光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是：光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是：非接觸化、小型化、集成化、數(shù)字化、智能化非接觸化、小型化、集成化、數(shù)字化、智能化 （1 1）非接觸、快速在線測量系統(tǒng)，以滿足快速）非接觸、快速在線測量系統(tǒng)，以滿足快速增長的商

14、品經(jīng)濟的需要。增長的商品經(jīng)濟的需要。（2 2）發(fā)展小型的、快速的微型光、機、電測試）發(fā)展小型的、快速的微型光、機、電測試系統(tǒng)。系統(tǒng)。（3 3）發(fā)展納米、亞納米級高精度的光電測量新）發(fā)展納米、亞納米級高精度的光電測量新技術(shù)。技術(shù)。（4 4）發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測）發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化的智能化系統(tǒng)。量與光電控制一體化的智能化系統(tǒng)。（5 5）發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠距離的）發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠距離的遙控，遙測技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動跟蹤，遙控，遙測技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動跟蹤，復(fù)雜形體自動掃描測量等。復(fù)雜形體自動掃描測量等。（6 6）向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技）向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)發(fā)展。術(shù)發(fā)展。（7 7）向人們無法觸及的領(lǐng)越發(fā)展。）向人們無法觸及的領(lǐng)越發(fā)展。光電檢測技術(shù)的優(yōu)點：光電檢測技術(shù)的優(yōu)點：（1 1）非接觸式檢測。）非接觸式檢測。（2 2）響應(yīng)速度快。）響應(yīng)速度快。（3 3）測量精度高。）測量精度高。（4 4）檢測對象范圍寬。）檢測對象范圍寬。（5 5）遠距離、大量程。）遠距離、大量程。（6 6）具有很強的信息處理和運算能力，可將復(fù)雜）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。信息并行處理。（7 7）壽命長。）壽命長。光電