光电检测技术第一章.ppt

第1章 概述 v掌握内容 光电检测系统的研究内容、基本构成、工作原理及 基 本结构形式；调制和检测光特征参数及相应的基本方法 。 v理解内容 光的本质及相关知识；辐射度与光度学的基本概念。 v了解内容 了解光电检测技术的优缺点；光电检测技术的展望 第1章 主要内容 1.1引言 1.2光电检测系统的基本构成和基 本工作原理 1.3光电检测技术的现代发展 1.1 引言 一、光电检测技术的定义 光学与电子学技术相结合而产生的 一门新兴检测技术，它是利用电子技术 对光学信息进行检测，并进一步传递、 储存、控制、计算和显示等。 二、光电检测技术的检测量 从原理上讲可以检测一切能够影响光量 或光特性的非电量。 光量：光通量或光强度 光特性：光波的幅值、频率、相位、偏振 三、光电检测技术的主要内容 光电检测技术的主要内容是通过光学 系统把携带被测信息的非电量信息变换成 便于接收的光学信息，然后用光电探测器 将光学信息变换成电量，并进一步经电路 放大、处理等，达到输出的目的。 信息变换技术和电信号处理技术。 信息变换技术：非电量变换成光学量 光学量变换成电量 1.2光电检测系统的基本构成和 基本工作原理 一、几个光电检测实例 1、红外防盗报警系统 图11 2、激光外径扫描仪 图12 1旋转多面体 2半导体激光器 3透镜 4工件 5物镜 6光电器件 3、光弹性效应测力计 图13 1-白炽灯2-聚光镜3-滤光片4-减光楔5-分束镜6-起偏振镜7-云母片 8-测力元件9-检偏振镜10，12-光电池11-减光楔13-检流计 二、光电检测系统的构成框图 图14 光电检测系统框图 光是信息传递的媒介，它由光源产生。光 源与照明光学系统一起获得测量所需的光载波 ，光载波与被测对象同时作用在光学系统上而 将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。光 学变换是用各种调制的方法来实现的。光学变 换后的光载波上载荷有各种被测信息，称为光 信息。光信息经光电器件实现由光向电的信息 转换，称为光电转换。然后被测信息就可用各 种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、 判向、细分等，或送到计算机进行进一步的运 算，直接显示被测量或者存储或者去控制相应 的装置。 光电检测系统各部分的功能： （1）光源和照明光学系统 考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间 分布； 发出的光作为载波或者被测对象； 照明光学系统的分类 （2）被测对象及光学变换 光学变换：通过光学元件和光学系统把待测量 转换为光参量 光学系统可以根据不同的光学性质、光学效应 ，其结构形式不同 光参量：光本质是电磁波，其参量有幅值、频 率、相位、偏振态、传播方向等 （3）光信号的匹配处理 光信号的处理主要包括光信号的调制、变 光度、光谱校正、光漫射，以及会聚、扩束、 分束等。使用的光学器件可以是透镜、滤光片 、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器 、光栅等。 （4）光电转换 以光信号为媒质，以光电探测器为手段， 将经过待测量调制的光信号转换成电信号 ； 决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态 响应 ； 光电探测器 （5）电信号的放大与处理 主要实现两个功能： 实现对微弱信号的检测； 实现光源的稳定化 （6）存储、显示与控制系统 三、基本工作原理 光电检测系统是以光信息变换为基础的 ，把待测量通过光信号变换为电量来进行测 量的。 （一）把待测量变换为光信息量 它是以光通量的大小来反映待检测量 的大小。光电探测器的输出往往与入射到 它的光敏面上的光通量成正比，所以，光 电探测器的光电流大小可以反映出待检测 量的大小，即光电流I是待检测信息量Q值 的函数： I=f(Q) (1-1) 这是一种模拟量信息变换。 （二）把待检测量变换为光信息脉冲 它是以光脉冲或条纹数的多少来反映 待测量的大小，光电探测器的输出为低电 平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数 字信息，这些数字信息量T是待测信息量Q 的函数： T=f(Q) (1-2 ) 这是一种模/数信息转换。 四、基本结构形式 1、辐射式 图15 1、被测物体 2、会聚透镜 3、光电二极管 例：全辐射测温： 由斯忒藩玻尔兹曼（StefanBoltzman）定 律可知，物体的全辐射出射度为： （11） 式中：比辐射率，对于某一物体值为常 数 斯忒藩玻尔兹曼常数； T绝对温度。 在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收 作用，则光电探测器输出的电压信号为： 式中为光电变换系数。将（11）代入上式 得： (12) 2、反射式 图16 1、光源 2、被测物 3、光电探测器 测转速的例子： 轴转动一周，光电探测器4就获得一个由光 源1发出的反射光的脉冲，此脉冲数就反映了轴 的转速。 图17 1、光源 2、转轴 3、小平面镜 4、光电探测器 3、遮挡式 图18 1、光源 2、待检测物 3、光电探测器 4、透射式：根据工作原理不同又分为： （1）模拟量信息变换方式 （2）模/数信息变换方式 图19 图110 5、干涉式 图111 1光源 2透镜 3分束器 4反射镜 5待测物体 6光电探测 器 6、衍射式 图112 衍射测量原理结构 *光电检测技术26 五、基本方法 1.方法分类 *光电检测技术27 2.方法的选择 合理选择光学测量方法主要依据以下五 点来综合考虑： 被测对象与被测量； 测量范围； 测量的灵敏度或精度； 经济性； 测量时的环境要求。 *光电检测技术28 测量精度与测量灵敏度 选择测量方法的另 一主要原则是灵敏度和 要求的精度。右图是主 要光学测量方法在尺寸 上能达到的分辨率。而 精度一般来说是测量分 辨率的13倍。 *光电检测技术29 测量的经济性与环境要求 经济性好,环境要求 低 经济性中,环境要求一 般 经济性偏高，有环境要 术 衍射计量 扫描计量 散斑计量 光纤计量 莫尔与拓扑法 图像计测法 共路干涉计量 全息计量 光谱计量 纳米计量 表：主要光学测量方法的经济性和对环境的要求 方法选择小结 以上选择的依据是初步的，测量方法的最终确定应有具 体设计方案，综合考虑以上各方面的因素。测量方法的确定 往往是测量是否取得成功的关键。 *光电检测技术30 1.3 光电检测技术的现代发展 1.技术特色 *光电检测技术31 2.技术现状（光学测量技术学科的组成） 光学是这个基本 体系中的原理基 础，而精密机械 、电子技术与计 算机技术构成塔 底三角形，是光 学测量的支撑基 础。 *光电检测技术32 技术现状（光学测量技术主要原理分类） *光电检测技术33 技术现状（光学测量系统的主要构成） *光电检测技术34 光学测量技术发展趋势（原理上） 从主观光学发展成为客观光学，即用光电探测器取代人 眼这个主观探测器，提高了测量精度与效率； 用激光光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光 线用于各种光学测量上； 从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，实现 测量与控制的一体化。 光学测量技术发展趋势（功能上） 从静态测量发展成为动态测量； 从逐点测量发展成为全场测量； 从低速度测量发展成快速的，具有存贮、记录功能的测量。 *光电检测技术35 3.技术发展方向 亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优 先发展；利用新的物理学原理和光电子学原理而产生的 新的光学测量方法将不断出现； 以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的 集成光学和其他微传感器将成为技术的主流方向，小型 的、微型的非接触式光学传感器以及微光学这类微结构 系统将崭露头角； 半导体激光器(LD)及其阵列，光开关，光滤波器，光 电探测阵列等新器件将在过程控制，在线测量与控制上 得到广泛应用； *光电检测技术36 快速、高效的3D测量技术将取得突破，成为带 存贮功能的全场动态测量仪器； 发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与光 学控制的一体化； 发展光学诊断和光学无损检测技术； 生物科学研究中的光探测越来越收到世界科技 工作者的共同关注。 3.技术发展方向 非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化 光电检测技术的优点： （1）非接触式检测。 （2）响应速度快。 （3）测量精度高。 （4）检测对象范围宽。 （5）远距离、大量程。 （6）具有很强的信息处理和运算能力，可将复 杂信息并行处理。 （7）寿命长。 光电检测技术的缺点： (1)由于光电检测系统中用到光学元件，容易 被沾污，影响光信号的传输，必须采取措施， 否则使用受限制。 （2）外界干扰光影响大。背景光及外干扰光的 影响使信噪比变差，但可采取措施减至最小。 （3）使用温度范围小，不能用在高温。 补 充 知 识 1.4 光的本质 1.5 光在介质表面的反射和折射 1.6 光与物质的相互作用 1.7 光的干涉、衍射和偏振 1.8 辐射度的基本物理量 1.9 光度的基本物理量 1.4 光的本质 光是电磁波 具有波、粒二象性 电磁波谱 10-14:宇宙射线 10-12:射线 10-10: x 射线 10-7:紫外线 10-6:可见光3.8-77.8-7 10-5:红外线 10-4:毫米波 10-3:厘米波 10-2102 : 无线电 光波 电磁波谱图 一、基本概念 1.光谱 可见光波长 0.38m0.78m 光速C=f. 紫外线 0.01m0.38m 具有荧光作用（荧光灯 ），生理作用（医用紫光灯） 光学玻璃 透射弱 石英玻璃 透射强 红外线 0.78m1000m 具有热辐射作用（人体 保健） 近红外3m（人体辐射 9.4m远红外内衣） 2.色谱 在可见光范围内，由于波长的不同。而对视觉 产生的颜色差异。（人眼的光谱） 0.380.4350.490.580.600.650.78 紫 蓝 绿 黄 橙 红 3.光的单位 光强度：光源产生光的强弱。 频率为 5401012 （0.555m）的单色光在给定 方向上产生的辐射功率为1/680 W/Sr（球面 度）定为光强度单位。称坎德拉cd 光通量：具有1cd均匀光源在一个球面内产生 的光的辐射量，定为光通量单位 称流明lm 光照度：物体表面被光照亮的程度。1lm的光 通量在1的平面上产生的照度，单位为勒克 斯lx 1.5 光在介质表面的反射和折射 一、光在两透明介质分界面上的反射和折射 实质上是光波的电磁场与物质的相互作用， 反射光和折射光的传播方向与入射光入射角的关 系就是我们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关系是与反射率（ R） 和透射率（T）有关。 二、光在金属表面上的反射 （1）金属反射光的能力与金属包含的自由电子 的密度有关 自由电子密度越大（电导率也越大），反 射本领也越高 （2）对于同一种金属，入射光波长不同，反射 率也不同 频率较低的红外辐射，主要对金属中的自 由电子发生作用；频率较高的可见光和紫外辐 射，也可以对金属中的束缚电子发生作用。（ 这时因为束缚电子本身的固有频率处在可见光 和紫外辐射区）束缚电子使金属的反射能力降 低，透射能力增大，呈现出非金属的光学性质 。 （3）金属表面的反射率也与光的入射角有关 与电介质表面的反射不同，不论在什么角 度下反射，金属都不能使反射光成为全偏振 。 1.6 光与物质的相互作用 光的吸收、色散和散 射 一、光的吸收与色散 （1）导电介质和绝缘介质都可以引起光吸 收现象。 （2）光的吸收是基于朗伯一比尔定律，用 公式表示为: （1.11 ） 式中：I为吸收后的光强度；I。是物质浓度为零 (即不存在吸收物质)时的光强度；L为色皿(采 样槽)的长度； 为吸收常数。用图可以表示 为： 图15 朗伯比尔定律原理图 吸收系数 ： （1）是波长的函数，这种函数关系称为吸收光 谱；不同的材料吸收光谱完全不同。 （2）吸收系数与折射率有关，为： 式中， 称为吸收率或消光系数；消光系数和 折射率都是波长的函数。 （3）色散定义：当某一介质的吸收系数 随波长不同而改变时，则光在该媒质中传播 时，不同波长的光路将被散开。 表示介质折射率随波长变化的程度，用色 散率表示： 二、光的散射 光在不均匀介质中，才有散射。 根据散射光波长与入射光波长是否相同 ， 散射可分为两类： （一）瑞利散射 散射光波长与入射光波长相同。 根据不均匀结构的性质，瑞利散射又可分为三类 ： （1）丁达尔散射 介质中有很多大质点，其线度约等于光的波 长，它们的折射率与周围均匀介质的折射率不同 。 如乳状液、含有悬浮物的流体、胶体溶液。 由这些质点的无规则排列所引起的散射称为 丁 达尔散射。 （2）瑞利散射 由于介质中存在着密度起伏，破坏了介质 的光学均匀性，从而导致散射。这种散射光的 强度和波长的4次方成反比，即： 称为瑞利定律。 散射光的波长还是原来入射光的波长，只 是入射光中波长较短的光散射系数大，即容易 被散射。 （3）瑞利散射 在各向异性介质中，除了密度起伏外，分 子的去向与它们最可能的平均取向也有偏差 。这种偏差表现为这部分分子的极化率（ P=XE中的X）对其平均值有起伏，破坏了次波 的相干性，导致光的散射。 （二）喇曼散射 在散射光中，除有与入射光频率相同 的瑞利散射外，在瑞利线的两侧还有频率 为的散射线存在。这种散射现象称之为喇 曼散射。 1.7 光的干涉、衍射和偏振 一、光的干涉 1、波的叠加原理 2、波强度 3、相干条件 4、光源的相干性 （1）时间相干性 （2）空间相干性 二、光的衍射 1、定义 2、分类 菲涅耳衍射： 夫朗和费衍射： 三、光的偏振 1、定义 2、分类 自然光 偏振光 （1）线偏振光 （2）圆偏振光 （3）椭圆偏振光 （4）完全偏振光 （5）部分偏振光 3、获得偏振光的方法 （1）反射和折射产生偏振光 （2）双折射产生偏振光 （3）偏振片 光的偏振调制方法： 1、旋光现象 振动面旋转的角度决定于旋光物质的性质、厚 度以及入射光的波长 2、法拉第效应 一些不具有旋光性的物质，在磁场的作 用下也可以使穿过它的偏振光的振动方向旋转 。这种在磁场作用下产生的旋光效应或磁致旋 光效应。 3、光弹效应 （1）双折射现象 （2）光弹效应 4、克尔电光效应 迄今为止已发现的电光效应有两种：一种是 折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例 ，称为泡克耳斯（Pochels）效应；另一种是折 射率的变化量与外电场强度的平方成比例，称 为克尔（Kerr）效应。利用克尔效应制成的调 制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光 效应的液体有机化合物。利用泡克尔斯效应制 成的调制器称为泡克尔斯盒，其中的光学介质 为非中心对称的压电晶体。泡克尔斯盒又可分 为纵向和横向调制器两种。 克尔电光效应 1.8 辐射度的基本物理量 1、辐射能Qe 辐射能是一种以辐射的形式发射、传播或 接收的能量，单位为J（焦耳）。当辐射能被其 它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量， 如热能、电能等等。 2、辐射通量 辐射通量又称辐射功率Pe，是以辐射 形式发射、传播或接收的功率，单位为W （瓦），即1W=1J/S（焦耳每秒）。它也 是辐射能随时间的变化率: (1.1) 3、辐射强度Ie 辐射强度定义为在给定方向上的单位立体 角 内，离开点辐射源（或辐射面源）的辐射通量。 从图1-1可见： (1.2) 单位为W/sr（瓦每球面度）。 图1-1点辐射源的辐射强度 若点辐射源是各向同性的，即其辐射强度在所 有方向上都相同，则该辐射源在有限立体角内发 射的辐射通量为: (1.3) 在空间所有方向（ ）上发射的辐射通量为： （1.4） 实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源， 其辐射强度随方向而变化，可用极坐标辐射强度 表示，即 如图1-2所示。这样，点辐射源在整个空间 发 射的辐射通量为： (1.5) 1-2 某一方向上的发光强度 4、辐射出射度Me 辐射出射度为面辐射源表面单位面积 （通常往半空间立体角）上发射的辐射通 量，即: (1.6) 单位为W/m2（瓦每平方米）。 5、辐射照度Ee 辐射照度为接收面上单位面积所照射的辐射 通量，即: (1.7) 辐射通量的单位为W/m2（瓦每平方米）。 辐射出射度Me与辐射照度Ee的表达式和单位 完全相同，其区别仅在于前者是描述面辐射源向 外发射的辐射特性，而后者则为描述辐射接收面 所接收的辐射特性。对此，应从概念上区别。 6、辐射亮度Le（图1-3） 辐射亮度定义为辐射源表面一点处的 面元在给定方向上的辐射强度，除以该面 元在垂直与该方向的平面上的正投影面积 ，即: (1.8) 单位为W/sr（瓦每球面度平方米）。 图1-3 辐射源的辐射亮度 一般辐射源表面各处的辐射亮度及该面源各 方 向上的辐射亮度都是不相同的，此时辐射源的辐 射亮度的一般表达式为： （1.9） 7、光谱辐射量 实际上，辐射源所发射的能量往往由 很 多波长的单色辐射所组成。为了研究各种波 长的辐射能量，还必须对单一波长的光辐射 作相应的规定。前面介绍的几个重要辐射 量，都有与其相对应的光谱辐射量 。光谱 辐 射量又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波 长的变化率。 光谱辐射通量 ： 辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔 内 的辐射通量。辐射通量与波长的关系曲线如图1- 4 所示，其关系式为 (1.10) 单位为W/um（瓦每微米），或W/nm（瓦每纳米） 图1-4 光谱辐射通量与波长的关系 其它辐射量也有类似的关系： 光谱辐照度： 光谱辐射出射度： 光谱辐射亮度： 辐射源的总辐射通量是： 其它辐射量也有类似的关系，用一般的函数表