光電檢測(cè)技術(shù)第七章

光電檢測(cè)技術(shù)第七章第一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日§7.1光電信號(hào)變換及光電檢測(cè)系統(tǒng)分類(lèi)概述§7.2直接（光強(qiáng)度調(diào)制）檢測(cè)方法與系統(tǒng)§7.3隨時(shí)間變化的光電信號(hào)檢測(cè)方法與系統(tǒng)§7.4空間分布的光電信號(hào)檢測(cè)方法與系統(tǒng)

第7章非相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)第二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日7.1光電檢測(cè)系統(tǒng)及光電信號(hào)變換概述a)被測(cè)量調(diào)制光載波的主動(dòng)系統(tǒng)b)反射式的主動(dòng)系統(tǒng)一、光電檢測(cè)系統(tǒng)分類(lèi)（一）根據(jù)光源來(lái)源分類(lèi)1、主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)第三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7－1采用鎖相放大的被動(dòng)式光電檢測(cè)系統(tǒng)2、被動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)第四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日（二）光源是否相干分類(lèi)1、非相干檢測(cè)系統(tǒng)(1)若光信息為光強(qiáng)，即被測(cè)量被攜帶于光載波的強(qiáng)度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，這時(shí)光電器件只直接接收光強(qiáng)度變化，最后用解調(diào)的方法檢出被測(cè)信息，這種方法組成的系統(tǒng)稱(chēng)為直接檢測(cè)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(chēng)為非相干檢測(cè)系統(tǒng)。

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

第五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2、相干檢測(cè)系統(tǒng)

如果光源是相干光源，但用光調(diào)制的方法使被測(cè)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(cè)出被測(cè)信息的系統(tǒng)稱(chēng)為相干檢測(cè)系統(tǒng)。第六頁(yè)，共六十三頁(yè)，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(cè)信息加載到光載波上進(jìn)而形成光電接收器件易于接收的光電信號(hào)。（2）改善系統(tǒng)的時(shí)間或空間分辨率和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提高傳輸效率和檢測(cè)精度。（3）改善系統(tǒng)的信噪比，提高工作可靠性。第七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日變換方法光學(xué)原理應(yīng)用范圍幾何光學(xué)法透射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象或方法光開(kāi)關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)角、測(cè)距等物理光學(xué)法干涉、衍射、散斑、全息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象或方法莫爾條紋、干涉計(jì)量、全息計(jì)量、散斑計(jì)量、外差干涉、外差通信、光譜分析、多譜勒測(cè)速等光電子學(xué)法電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開(kāi)關(guān)、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等（二）光電變換的方法第八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日一、直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理

所謂直接檢測(cè)是將攜帶有待測(cè)兩量的光信號(hào)直接入射到探測(cè)器光敏面，光探測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓。

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

第十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

若光探測(cè)器的負(fù)載電阻為，則光探測(cè)器輸出的電功率為：光電探測(cè)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(chǎng)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(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日如果入射光信號(hào)為強(qiáng)度調(diào)制光，調(diào)制信號(hào)為d(t)，即調(diào)制的入射光信號(hào)的強(qiáng)度為P[1+d(t)]，那么光電探測(cè)器輸出的光電流為：式中，第一項(xiàng)為直流電平，可以用隔直電容隔掉；第二項(xiàng)為所需要的信號(hào)，即光載波的包絡(luò)檢測(cè)。第十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日（二）直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比直接檢測(cè)的輸出信噪比為：

則輸出功率信噪比為

第十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

（三）直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角

視場(chǎng)角是直接檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。它表示系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無(wú)窮遠(yuǎn)處，且物方與象方兩側(cè)的介質(zhì)相同。在此條件下，探測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角（如下圖所示）為：或視場(chǎng)立體角為：式中，d是探測(cè)器直徑；為探測(cè)器面積；為焦距。第十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日三、應(yīng)用舉例（一）光電開(kāi)關(guān)與光電轉(zhuǎn)速計(jì)1、透射分離型主動(dòng)開(kāi)關(guān)也用于工業(yè)自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警及一些引爆、燃燒等封閉室內(nèi)的室外點(diǎn)火控制第十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2、反射型主動(dòng)開(kāi)關(guān)

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

n=60f/m,m為孔數(shù)或齒數(shù)。第十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日（二）激光準(zhǔn)直儀利用四個(gè)象限的光強(qiáng)是否相等來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)直第二十頁(yè)，共六十三頁(yè)，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(lái)提高激光準(zhǔn)直儀的對(duì)準(zhǔn)精度，如下圖，這就是所謂的衍射準(zhǔn)直儀。第二十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

非相干光電信號(hào)按其時(shí)空特點(diǎn)分為隨時(shí)間變化的光電信號(hào)和隨空間變化的光電信號(hào)。前者的特征是信號(hào)隨時(shí)間緩慢變化或周期性以及瞬時(shí)變化，發(fā)生于有限空間內(nèi)，與時(shí)間有關(guān)而與空間無(wú)關(guān)，信號(hào)可表示為F(t)。隨空間變化的光電信號(hào)發(fā)生在一定空間之內(nèi)，光電信號(hào)隨空間位置而改變，表示為F(x，y，z)，有的還同時(shí)隨時(shí)間改變，表示為F(x，y，z，t)。非相干光電信號(hào)的變換與檢測(cè)方法如圖6-5所示。7.3隨時(shí)間變化的光電信號(hào)檢測(cè)方法與系統(tǒng)第二十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D6-5非相干光電信號(hào)的變換與檢測(cè)方法第二十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日一、幅值法

這種變換的特點(diǎn)是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法將被測(cè)信號(hào)直接加載到光通量的變化之中，再用光電器件檢測(cè)光通量的幅值變化。它廣泛用于光開(kāi)關(guān)與光電轉(zhuǎn)速計(jì)、激光測(cè)距、準(zhǔn)直、輻射測(cè)溫、測(cè)表面粗糙度、測(cè)氣體或液體濃度、測(cè)透過(guò)率、反射率等。第二十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日1、直讀法

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

指零法是利用標(biāo)定好的讀數(shù)裝置來(lái)補(bǔ)償光通量的不穩(wěn)定影響，使測(cè)量系統(tǒng)在輸出光通量為零的狀態(tài)下讀數(shù)。下面以測(cè)量磁光物質(zhì)在磁場(chǎng)下的偏振角為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。下圖所示是測(cè)量磁光物質(zhì)在磁場(chǎng)下的偏振角的原理圖第二十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日3、差動(dòng)法

在直讀法和指零法的光電檢測(cè)系統(tǒng)中，光路只有一個(gè)通道。為了減小單通道法入射光通量波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，可以采用雙通道差動(dòng)法和雙通道差動(dòng)補(bǔ)償法。

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

第二十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

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

原理和工作過(guò)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(zhǎng)應(yīng)選為待測(cè)溶液的峰值吸收波長(zhǎng)。將該光線用分束器BS分成兩束，分別通過(guò)待測(cè)溶液S2和參比溶液S1，并用兩個(gè)性能一致的光電探測(cè)器接收。由于參比溶液對(duì)工作波長(zhǎng)的光不產(chǎn)生吸收，而待測(cè)溶液對(duì)該波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的吸收，因此，探測(cè)器PD1接收到的光強(qiáng)度I1即為入射光強(qiáng)度I0，而探測(cè)器PD2接收到的光強(qiáng)度I2取決于待測(cè)溶液的濃度。第三十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，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(dá)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(jiàn)，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(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日4、補(bǔ)償法第三十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日例：用補(bǔ)償法對(duì)溶液的濃度進(jìn)行檢測(cè)補(bǔ)償式光電比色法檢測(cè)溶液濃度的原理框圖

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

A、檢測(cè)前，先在待測(cè)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(hào)通道中的光闌，使電路的輸出為零，即使到達(dá)PD1和PD2的信號(hào)光及參考光強(qiáng)度相等。

B、測(cè)量開(kāi)始時(shí)，在信號(hào)通道中放入待測(cè)溶液試樣，由于待測(cè)溶液對(duì)工作波長(zhǎng)的光要產(chǎn)生吸收，因此，到達(dá)PD1的信號(hào)光強(qiáng)度將減小，差動(dòng)輸出將不為零，調(diào)節(jié)參考通道中的光闌，使參考光強(qiáng)亦減小，直到與信號(hào)光強(qiáng)相等，即輸出重新為零為止。此時(shí)，根據(jù)連接在參考通道中光闌上的刻度盤(pán)的讀數(shù)，即可讀出待測(cè)溶液的濃度值。第三十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日5、開(kāi)關(guān)法

前面介紹的幾種檢測(cè)方法都是基于由待測(cè)量對(duì)光源光通量進(jìn)行調(diào)制，然后用光電探測(cè)器檢測(cè)出調(diào)制光的光通量的大小，屬于模擬變換。而開(kāi)光式光電檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)光的有無(wú)來(lái)檢測(cè)出待測(cè)量，屬于數(shù)字變換，它是最簡(jiǎn)單的光強(qiáng)度調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)法最典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)的例子是光電轉(zhuǎn)速計(jì)。第三十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日6、舉例：物體尺寸的檢測(cè)投影法

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

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

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

圖光柵莫爾條紋測(cè)量原理圖

第四十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2、頻率測(cè)量法

在前述例子中，若要測(cè)量光柵尺的運(yùn)動(dòng)速度，只需要將光柵尺的位移對(duì)時(shí)間微分，即：式中，dN/dt為波數(shù)的時(shí)間變化率即頻率；而dx/dt為速度，即運(yùn)動(dòng)速度與光通量變化頻率成正比。這種通過(guò)測(cè)量光通量變化的頻率來(lái)測(cè)量被測(cè)參數(shù)的方法稱(chēng)作頻率測(cè)量法。波數(shù)測(cè)量法與頻率測(cè)量法對(duì)光通量的幅度變化不敏感，因而對(duì)光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比幅值法低。第四十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，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(shí)間呈周期性變化，而被測(cè)信息加載于光通量的相位之中，檢測(cè)到這個(gè)相位值即能確定被測(cè)值，這種方法稱(chēng)為光通量的相位測(cè)量法。典型的光通量相位測(cè)量實(shí)例是相位激光測(cè)距儀，如圖所示。

圖激光相位測(cè)距儀原理圖第四十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日四、時(shí)間法

若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時(shí)可用單個(gè)脈沖的時(shí)間延遲來(lái)測(cè)距離，稱(chēng)為時(shí)間法。脈沖式激光測(cè)距儀和激光雷達(dá)都是時(shí)間法測(cè)距的典型應(yīng)用。下面兩圖是脈沖激光測(cè)距儀的原理方框圖和各級(jí)波形圖。第四十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第四十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日7.4空間分布的光電信號(hào)檢測(cè)方法與系統(tǒng)

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

信號(hào)處理的目的是確定目標(biāo)相對(duì)基準(zhǔn)坐標(biāo)的角度或位置偏差，稱(chēng)作空間定位。第四十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日一幾何中心檢測(cè)法

第四十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，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(cè)物體的光學(xué)像相對(duì)于假面基準(zhǔn)的幾何坐標(biāo)，變換為通過(guò)該基準(zhǔn)某一取樣窗口的光通量，通過(guò)檢測(cè)該光通量的變化來(lái)解調(diào)出物體的坐標(biāo)位置。

第四十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，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(qiáng)E0按諧波形式變化。即：

則假設(shè)按正弦規(guī)律移位。即：

第四十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，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(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日(3)掃描調(diào)制和極值檢測(cè)圖中被測(cè)鋼帶1的邊緣2通過(guò)鏡頭3成像于光欄4上，光欄的橫向尺寸確定了物方的測(cè)量范圍D。轉(zhuǎn)筒5上刻有通光狹縫．其間隔與光欄長(zhǎng)度相等，以形成等間隔的光脈沖。鋼帶邊緣的像位置可對(duì)光脈沖進(jìn)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(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日(3)掃描調(diào)制和極值檢測(cè)輻射源1產(chǎn)生的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡2變成平行光投射到被測(cè)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(pán)面上。盤(pán)面附近放置狹縫6，截取部分像。掃描盤(pán)上有阿基米德螺線形的通光孔和直線狹縫6相疊合。當(dāng)掃描盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，狹縫孔被調(diào)制盤(pán)通光孔的輪廓以直線的軌跡和時(shí)間成正比地實(shí)現(xiàn)掃描運(yùn)動(dòng)，這樣便對(duì)被測(cè)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(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日二亮度中心檢測(cè)法第五十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

光學(xué)像分解是在光學(xué)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(xué)像