西安工业大学光电探测技术重点你懂得

1、测量：泛指各种被测目标物理量与技术参数的获取方法；是将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。测试 定义：用来确定被测对象的量值和属性为目的的全部操作；是测量、检验与试验的总称（方法与技术）。测试器具：传感器、测试仪器、测试装置、测试系统。测试过程 ：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出光电测试技术的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。光电测试技术有1光电转换技术（各种能量探测器、图像传感器）2光信息获取与测量技术（目标辐

2、射）3检测信息的光电处理（医学CT）光电测试技术优点：非接触式检测； 响应速度快； 测量精度高； 检测对象范围宽； 远距离、大量程； 具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理； 寿命长。光电测试技术缺点由于光电测试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。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。 使用温度范围小，不能用在高温。光电测试系统结构形式 按几何光学变换的光电测试方法1 利用几何光学变换的光电测试方法，指将光学现象看做直线光束传输的结果，在几何光学意义上，利用光束传播的直线性、遮光、反射、折射、成像等光

3、学变换方法进行的光电检测和控制。2 主要包括光开关、光电编码、准直定向、瞄准测长、成像检查等方面。3 相对应的结构形式有辐射式、反射式、遮挡式、透射式等按物理光学变换的光电测试方法1利用物理变换的光电检侧方法指将光学现象看做电磁波振荡传输的结果。在物理光学的意义上，利用光的衍射、干涉、光谱、能量、波长及频率等光学变换的现象对参量进行光电检测。2主要包括光度、色度、光栅和干涉度量、衍射和散斑测量、光谱分析等方面。3 相对应的结构形式有干涉式、衍射式。第二章测试技术 测试原理1 指采用什么样的原理（依据何种效应）去测试（感受）被测量，实质上就是传感器的敏感原理。2不同性质的被测量可用不同的原理来测

4、试，同一性质的被测量也可用不同的原理来实现测试系统： 根据系统中所处理的信号类型的不同，可分为模拟式和数字式测量系统。测试方法 常用的测试方法有直接测量和间接测量。 模拟测量系统处理、传输和输出都是模拟信号。 数字测量系统传感器、信号调理为模拟信号，而输入、输出接口间为数字信号。测试方法分类按检测过程分类：直接法，间接法，组合法；按检测方式分类：偏差式，零位式，微差式； 按接触关系分类：接触式，非接触式； 按被测量的变化快慢分类：静态检测，动态检测；按检测系统是否施加能量分类：主动式，被动式；按照输出结果是否反馈分类：开环测量，闭环测量。第三章物体发光的两种基本形式热辐射 又称温度辐射。任何物

5、体只要温度高于热力学温度，它就一定不断地发出电磁辐射。 自然界中的任何物体都是热辐射体。热辐射的频率与强度取决于是热平衡状态的温度。温度的函数，平衡辐射。温度低的物体发红外辐射，500左右时物体的辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在1500 时的温度辐射体开始发白光，其中还有相当多的紫外光。 热辐射光谱是连续光谱。 热辐射是红外探测技术和温度非接触测试的依据。发光辐射 激励可以使发光物质产生光。激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。 光谱不连续，线光谱、带光谱外界提供激励能的形式可有多种方式，常用的有：电致发光、光致发光、化学发光、热发光光源

6、的分类：广义：一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。按照光辐射来源不同，将光源分为两大类： 自然光源、人造光源人造光源 人为将各种形式的能量（ 热能、电能、 化学能）转化成光辐射能的器件。ü其中利用电能产生光的器件称为电光源，在一般光电测试系统中，电光源是最常见的光源。光源的基本特性参数：辐射效率、发光效率、光谱功率分布、空间光强分布、光源温度、Ø 光源颜色光谱功率分布 在选择光源时，光谱功率分布应由测试对象的要求来决定：1为了最大限度地利用光能，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致。2 目视测试：选用可见光谱辐射比较丰富的光源。

7、3目视瞄准：减轻人眼疲劳，选用绿色光源。4彩色摄影：为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。5红外测试与紫外测试，选用相应的红外灯和紫外灯。空间光强分布若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。在光学仪器中为了提高光的利用率，选择发光强度高的方向作为照明方向对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。光源温度任何物体，只要温度高于热力学温度，它就一定不断地发

8、出热辐射，又称温度辐射。黑体的温度决定了它的光辐射特性。 为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，黑体，以此作为热辐射研究的标准物体。 黑体是一种完全的温度辐射体，其温度决定了光辐射特性。 自然界不存在真正的黑体，黑体辐射情况只与其温度有关，与组成材料无关。光源温度对于非黑体辐射（如一般的光源），它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对一般的光源，其温度常用色温或相关色温表示。 色温辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。光源颜色包含了两方面的

9、含义： 色表（用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。 高压钠灯的色表呈黄色 荧光灯的色表呈白色） 显色性（当用光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体（黑体）照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。）Ø光源的分类按照原理不同 ：热辐射源光源：太阳、黑体模拟器、白炽灯。气体放电光源：脉冲灯、原子光谱灯、汞灯。固体发光光源：电致发光屏、结型发光光源、液晶显示、等离子体显示。激光器：气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器。激光光源形成条件：能级粒子数反转是前提条件用外界激励源实现能级粒子数反转。光学谐振腔共振作

10、用必要条件 维持光波在光学谐振腔内稳定振荡，受激辐射光子增生。阈值条件决定性条件光在谐振腔内来回一次所获得的增益等于或大于它所遭受的各种损耗之和。光辐射探测器件定义 光辐射量的测量通常采用各种探测器件把光辐射能变换成一种可测的量。 以光信号为媒质，以光辐射探测器件为手段，将经过待测量调制的光信号转换成电信号。光辐射探测器件的性能往往直接影响到测试的可行性；准确性。光辐射探测器件分类光辐射探测器按响应方式不同，或者说器件机理不同，分为： 光子(光电)探测器件（真空器件：光电管光电倍增管 真空摄像管变像管像增强管。固体器件光敏电阻光电二极管光电三极管光电池光纤传感器 电荷耦合器件CCD,CMOS）

11、热电探测器件 ：热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器光辐射探测器件特点：光电器件：响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒热电器件：响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。响应慢，一般为几毫秒光电探测器特性参数1量子效率 光电探测器的量子效率 ，即单位时间内探测器传输出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比。 对于理想的探测器= 1，即一个光子产生一个光电子。 对于实际探测器< 1。 对于探测器，量子效率越高越好。噪声的来源：外部原因：人为噪声、自然噪声。内部原因：光子噪声、热

12、噪声、散粒噪声、产生-复合、低频噪声、温度噪声、放大器噪声。当频率很低时，1/f 噪声主导；当频率中间时，产生-复合噪声显著； 当频率很高时，白噪声占主导地位。第四章目视系统的对准和调焦 对准横向对准 一个目标与比较标志在垂直瞄准轴方向的重合或置中横向平面内： 是否对准 对准以后，人眼的对准不确定度：以对准残余量对眼瞳中心的夹角表示的。调焦纵向对准 一个目标与比较标志在瞄准轴方向的重合纵向深度内：调焦的目的主要是使物体（目标）成像清晰，其次是为了确定物面或它的共轭像面的位置称为定焦。 定焦以后，人眼的调焦不确定度：以目标和标志到眼瞳距离的倒数之差表示。光电对准分类光度式 光度式光电对准是根据刻

13、线像相对于仪器的狭缝位置不同，通过狭缝到达光电接收器的光通量不同产生的光电流也不同这个原理。 以输出光电流（或电压）最小时为对准，此时刻线像中心与狭缝中心重合。 差动光度式 为提高准确度可在刻线像面上放置两个狭缝，用两个光电管分别接收通过每个狭缝的光通量，以输出两光电流相等时为对准。相位式 在光度式的基础上加入一调制器即成为相位式。 调制器有两种：在成像光路中加入一个以一定频率振动的反光镜，使刻线像在狭缝处做同频率振动；刻线像不动，狭缝以一定频率在像平面内振动。光电定焦实质上是确定物镜的最佳像面的位置。采用图像处理法实现自动调焦的一个关键问题就在于图像清晰度评价函数的选取。光学传递函数测试基础

14、以点扩散函数为基础的定义以点扩散函数(线扩散函数)为基础的定义以正弦光栅成像为基础的定义光学传递函测试方法扫描法 干涉法EROS传递函数测定仪 变频的实现 公转扫描自转变频r=r0cos照相物镜像面照度均匀性的测量，就是要测量出照相物镜对亮度均匀的发光面成像时，像面上各视场角位置处的照度相对于视场中央照度的比值。 测量方法可分为直接测量法和照相测量法两种： 直接测量法是利用光电探测器直接在像面上扫描，测出各个位置上相对照度的比值。 照相测量法是利用感光底片记录下像面上的照度分布，通过测量底片上不同位置处的光密度，换算出照度的相对比值。q透过率定义：=/*100%出射的光通量比入射的光通量 只能

15、说明光学系统透射光的情况，不能说明光学仪器的实际光度性能。 光度性能因素：照明光源、光学系统、接收器（人眼、彩色胶片等）。考虑照明光源、光学系统、接收器，总的透过率点源法没有得到推广应用的原因： 测量杂光扩散函数时，杂光信号太弱，而点光源像中央的信号又很强，因此要求光电探测器有极宽的动态测量范围，技术实施难度较大。 还需要有准确度较高的扫描装置，使光电探测器在像面上扫描，测出在像面不同位置上的照度变化规律。 测量仪器较复杂，所以这种方法没有得到推广应用。激光的方向性2=/d,焦平面上光斑直径D=f×2发散角和立体角的关系=激光的纵模谐振频率1谐振腔内有无限多个谐振频率。2每一种谐振频

16、率的振荡代表一种振荡方式，称为一个“模式”。3 沿轴向传播的振动，称为“轴向模式”，简称“纵模”。4纵模的频率间隔与谐振腔光学长度成反比，与模序数q无关。谐振频率 纵模在频谱上呈现为等间隔的分立谱线，称为谐振频率。在增益曲线范围内，并且增益大于各种损耗的那些频率才能形成激光。其他频率的光波都不能形成激光振荡。 谐振腔起了一种频率选择器的作用，正是由于这种作用，才使激光具有良好的单色性。横模光强分布1激光光束的截面形状除对称的圆形光斑以外，还会出现一些形状较为复杂的光斑。2光场在横向不同的稳定分布，称为不同的横模。3激光的模式用TEMmnq标记，横模用TEMmn来标记。轴对称：m代表光强分布在x

17、方向上的极小值数目，n代表光强分布在y方向上的极小值数目。激光的模式用TEMmnq标记，横模用TEMmn来标记。旋转对称：m表示半径方向上出现的暗环数，n表示暗环直径数。高斯光束特性：当z=0时，2=0当z 时， 2=2/0远场发散角；当z = 0到的范围准直距离，在此区间发散角最小。高斯光束在z<0 处是沿z 方向传播的会聚球面波； 当它到达z = 0处变成一个平面波；当继续传播时又变成一个发散的球面波。光束各处上的光强分布均为高斯光束激光束的自准直技术是指能实现反射波面与入射波面完全重合的技术。平面镜反射实现自准直 相位共轭技术实现自准直现有的激光准直仪按照工作原理的不同将激光准直的

18、方法分为 振幅（光强）测量法 干涉测量法 偏振测量法等。激光测距技术原理通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的：L=ct最短的尺用于保证必要的测距准确度；最长的尺用于保证测距仪的量程。激光相位测距技术 主要有直接测尺频率方式和间接测尺频率方式两种。激光相位测距技术直接测尺频率方式光尺的调制频率fs =c/2Ls 所选的测尺频率fs 直接和测尺长度Ls 相对应；间接测尺频率方式用fs1和fs2分别测量某一距离时，所得相位尾数之差，与用fs1和fs2的差频频率fs = fs1- fs2 测量该距离时的相位尾数相等。 通过fs1和fs2频率的相位尾数并取其差值来间接测定相应的差频频

19、率的相位尾数。通常把fs1和fs2 称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。脉冲激光测距对光脉冲的要求：光脉冲应具有足够的强度 光脉冲的方向性要好 光脉冲的单色性要好光脉冲的宽度要窄两种测距技术比较：1 精度不同 脉冲测距测量精度比较低，适用于军事及工程测量中精度要求不太高的场合；相位测距测量精度比较高，在大地和工程测量中得到了广泛的应用。Ø2 调制方式不同 脉冲测距调制激光器产生巨脉冲； 相位测距调制激光器产生强度成余弦变化的连续波。3信号处理方式不同脉冲测距用开关电路高频脉冲计数，测量主波信号和回波信号之间相距的时间；相位测距比较主振信号与返回信号之间相位差，来计算光线从

20、测距仪到被测点传播往返的时间。影响干涉条纹对比度的因素 光源的时间相干性；空间相干性相干光束的光强不等。杂散光的存在； 各光束的偏振状态差异；振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。被测长度与干涉条纹变化的次数N 和干涉仪所用光源波长之间的关系是：L=N/2被测长度的相对误差有两部分组成： 干涉条纹计数的相对误差波长也就是频率的相对误差激光干涉测长系统组成结构及作用激光光源为提高光源的单色性，对激光器要采取稳频措施。可移动平台携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹变化 光电显微镜的作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号，其瞄准精度对测量系统的总体精度有很大影响。光电计数器则对干涉条纹的变化进行计数显示和记录装置是测量结果的输出设备，显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移动的个数及与之对应的长度。迈克尔逊干涉仪激光干涉测长系统的核心部分全息术对光源的要求：光源的时间相干性决定了能够记录的物体最大景深；光源的空间相干性决定了能够记录的物体最大横向范围。三角法测试技术直射式激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或其表面变化