光电探测方式与探测系统PPT课件

1、中原工学院理学院 曾灏宪7.17.1 探测方式探测方式中原工学院中原工学院光电光电探测方式与探测系统探测方式与探测系统光电信息技术光电信息技术主要内容探测方式探测方式双双元元探测探测四象限探测四象限探测光机扫描探测光机扫描探测线阵器件的探测线阵器件的探测探测系统探测系统光学视觉传感器光学视觉传感器直接探测系统直接探测系统相干探测系统相干探测系统7.1 探测方式一一双元探测双元探测二二四象限探测四象限探测三三光机扫描探测光机扫描探测四四线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式1、双元探测原理采用采用2 2个光电探测器个光电探测器与光学系统组成探测头来实现探测与光学系统组成探测头来实现探测通常将通常将

2、2 2个探测器接成个探测器接成电桥方式电桥方式或或差动方式差动方式电桥方式电桥方式自动减去背景光作用下光电探测器输出的光电流自动减去背景光作用下光电探测器输出的光电流差动方式差动方式用用2 2个光探测器形成双通道，经后续电路适当处理个光探测器形成双通道，经后续电路适当处理消除与目标消除与目标信号无关的一些直流信号的影响信号无关的一些直流信号的影响都是为了都是为了提高探测精度提高探测精度电桥方式两个性两个性能能相同相同的的光电探光电探测器对称地放在光学系测器对称地放在光学系统的像面上统的像面上探测器与电阻组成电桥探测器与电阻组成电桥方式方式采用不同的探测器即可采用不同的探测器即可得到不同用途的双

3、元探得到不同用途的双元探测器件测器件双元双元探测探测原理图原理图A物镜物镜f(a)探测器为硅光电池两个硅光电池与可调电两个硅光电池与可调电阻连成电桥形式，两探阻连成电桥形式，两探测器输出信号测器输出信号极性相反极性相反平衡时，两端输出电压平衡时，两端输出电压为为0 0，能消除均匀背景的，能消除均匀背景的影响影响目标光能量落在其中一目标光能量落在其中一个探测器时，有信号输个探测器时，有信号输出出输出输出R1R2(b)硅光电池硅光电池探测器为光敏电阻将将(b)(b)中的硅光电池换成中的硅光电池换成光敏电阻，并外加偏压光敏电阻，并外加偏压 E E，组成图，组成图(c)(c)的形式，的形式，其效果与其

4、效果与(b) (b) 相同相同输出输出R1R2光敏电阻光敏电阻E(c)输出输出R1R2(b)应用举例上述方案适用于上述方案适用于接收到的光功率不是很弱的场合接收到的光功率不是很弱的场合如位置敏感器如位置敏感器假设目标是宽带形，将其成像到假设目标是宽带形，将其成像到2 2个探测器上个探测器上如果光学系统的主轴对准目标，目标的像对称地分布在两个探如果光学系统的主轴对准目标，目标的像对称地分布在两个探测器上，则两个探测器接收到的光能量相等，电桥无信号输出测器上，则两个探测器接收到的光能量相等，电桥无信号输出如果目标偏离，两个探测器接收到的光能量不等，有信号输出如果目标偏离，两个探测器接收到的光能量不

5、等，有信号输出可用于可用于线切割机自动沿线切割线切割机自动沿线切割自动车沿固定线运行（自动装配）自动车沿固定线运行（自动装配）2、应用举例：双元探测测速器3、双通道测量方式7.1 探测方式一一双元探测双元探测二二四象限探测四象限探测三三光机扫描探测光机扫描探测四四线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式二、四象限探测方式把四个性能完全相同把四个性能完全相同的探测器按照直角坐的探测器按照直角坐标要求对称排列成四标要求对称排列成四个象限固定在同一个个象限固定在同一个芯片上芯片上各个探测器之间有沟各个探测器之间有沟道隔开，距离均匀道隔开，距离均匀四个探测器分别接性四个探测器分别接性能匹配的放大器，对能匹

6、配的放大器，对信号进行补偿和均衡信号进行补偿和均衡光照区光照区Sd12死区死区134Sd2V2V1Sd3V4Sd4V3V Vy yV Vx x应用举例：激光准直用单模激光器作光源（发散角小、圆对称分布光斑）用单模激光器作光源（发散角小、圆对称分布光斑）准直时光斑中心与十字沟道中心重合，此时准直时光斑中心与十字沟道中心重合，此时A A、B B、C C、D D 四四个探测器输出的信号强度一样个探测器输出的信号强度一样激光器激光器扩束准直系统扩束准直系统滤光片滤光片四象限光电池组四象限光电池组A AD DB BC C应用举例：2维方向上目标的定位使用脉冲激光器作为光源（峰值功率高）使用脉冲激光器作为

7、光源（峰值功率高）远处目标反射回来的光线经透镜收集成像于探测器表面远处目标反射回来的光线经透镜收集成像于探测器表面当对准目标时，目标成像在十字沟道中心，当对准目标时，目标成像在十字沟道中心，4 4个探测器个探测器输出信号强度一样输出信号强度一样四象限光电池组四象限光电池组A AD DB BC C光线收集系统光线收集系统如果将信号输入处理电路，如果将信号输入处理电路，还可以实现自动控制还可以实现自动控制运算处理电路图（和差比幅电路）;-;-+DCBACBAODA+BxyUxUs(A+B)-(C+D)(A+B)+(C+D)(A+D)-(C+B)B+CC+DA+D实现运算处理功能实现运算处理功能(A

8、+B)-(C+D)/(A+B+C+D)(A+D)-(C+B)/(A+B+C+D)输出信号与光斑偏移量的关系假设光斑是均匀分布的圆形，半径为假设光斑是均匀分布的圆形，半径为 r r各探测器上得到的扇形面积是总面积的一部分，输出各探测器上得到的扇形面积是总面积的一部分，输出信号幅值与面积成正比，则信号幅值与面积成正比，则rxrrxrxkVxarcsin12222ryrryrykVyarcsin12222ryx,O输出信号与光斑偏移量的关系输出信号与光斑偏移量的关系yxV,应用举例：其它应用配合其它形式的光学系统，四象限探测方式还可用于配合其它形式的光学系统，四象限探测方式还可用于测量其它物理量测量

9、其它物理量测量物体的微位移测量物体的微位移照相系统的自动调焦照相系统的自动调焦激光唱盘跳动量测量激光唱盘跳动量测量7.1 探测方式一一双元探测双元探测二二四象限探测四象限探测三三光机扫描探测光机扫描探测四四线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式三. 光机扫描探测定义：定义：用一个或者多个探测器做接收器用一个或者多个探测器做接收器，用光学系统用光学系统或光学零件做机械扫描或光学零件做机械扫描运运动动，对目标进行瞬间取样对目标进行瞬间取样，最终获得最终获得所需所需的目标信息的目标信息特点特点：可获得较大的可获得较大的视视场场和和动态范围动态范围原理原理：以以红外扫描热成像系统红外扫描热成像系统为例为

10、例红外扫描热成像原理图前置放大前置放大窗窗InSbInSb探测器探测器水平同步信号水平同步信号凸轮凸轮垂直同步信号垂直同步信号摆动平面镜摆动平面镜M M2 2液液N N2 2电机一电机一发生器发生器发生器发生器电机二电机二M M2 2I I2 2M M1 1I I1 1球面反射镜球面反射镜M M1 1旋转棱镜旋转棱镜I I1 1光机扫描系统光机扫描系统扫描轨迹扫描反射镜扫描反射镜M M2 2扫描扫描反射镜反射镜M M1 1(a)(a)垂直扫描光路垂直扫描光路(b)(b)水平扫描光路水平扫描光路扫扫描描折折射射棱镜棱镜I I2 2扫扫描描折折射射棱镜棱镜I I1 1( (c c) )扫描轨迹图扫

11、描轨迹图水平扫描速度快水平扫描速度快垂直扫描速度慢垂直扫描速度慢扫描电机在扫描的同时发出扫描同步控制脉扫描电机在扫描的同时发出扫描同步控制脉冲，使显示和扫描同步冲，使显示和扫描同步应用扫描热成像可用于扫描热成像可用于夜间观察夜间观察测量温度分布（医学、工业）测量温度分布（医学、工业）监测电网运行监测电网运行森林火灾报警森林火灾报警类似的还有激光飞点扫描系统（自学）类似的还有激光飞点扫描系统（自学）光机扫描探测方式还可用于被动的二维空间测量（发光机扫描探测方式还可用于被动的二维空间测量（发现热目标）等现热目标）等7.1 探测方式一一双元探测双元探测二二四象限探测四象限探测三三光机扫描探测光机扫描

12、探测四四线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式四.线阵器件的探测方式定义：定义：将多个光电探测器组成一个线阵列称为线阵列将多个光电探测器组成一个线阵列称为线阵列探测器探测器特点：特点：对输入光对输入光强强的的线线性响应好，扫描速度快，串行性响应好，扫描速度快，串行输出，电路简单，结构精细，使用方便等输出，电路简单，结构精细，使用方便等原理：原理：以线阵以线阵CCDCCD为例为例有两类使用方式有两类使用方式利用其像元尺寸的精确性，从目标获取二进像信号，以检测所需信利用其像元尺寸的精确性，从目标获取二进像信号，以检测所需信息息测量位置、位移、面积等测量位置、位移、面积等利用其对光强的线性响应特性，输

13、出不同等利用其对光强的线性响应特性，输出不同等级（灰度）的级（灰度）的模拟信号，模拟信号，达到检测所需信息的目达到检测所需信息的目的的形状等形状等1、输出二进像信号的工作方式物体通过物体通过CCDCCD摄像机进行光电成像并输摄像机进行光电成像并输出信出信号号该信号脉冲与一个固定的阈值信号该信号脉冲与一个固定的阈值信号V Vthth 进进行比较，根据行比较，根据比较结果输出信比较结果输出信号号 1 1 或或 0 0此二进像信号可通过数字电路或者微机进行处理此二进像信号可通过数字电路或者微机进行处理CCDCCD驱动电路驱动电路物物比较器比较器V Vthth二进制二进制信号输出信号输出物镜物镜CCD

14、CCDCCDCCD摄像机摄像机应用举例1：位移测量器采用高精度线阵采用高精度线阵CCDCCD作为角度变化探测作为角度变化探测器器，利用三角测量法计算位移与角度，利用三角测量法计算位移与角度变化的关系变化的关系应用举例2：自动传送带上的工件检测工件尺寸工件尺寸为为 x x，物镜放大率，物镜放大率为为 M M，工，工件在件在CCDCCD上成像线度为上成像线度为xx，则，则设设CCDCCD每个象素上的像尺寸为每个象素上的像尺寸为 ，则则其其中中 n n 是是CCDCCD输出的脉冲数输出的脉冲数Mxx物镜物镜CCDCCD工件工件传送台传送台x xnx 2、输出灰度像的工作方式CCDCCD对所接收的光辐射具有良好的线性响应对所接收的光辐射具有良好的线性响应把它放在物镜的像面上对物体进行摄像时，它的输出把它放在物镜的