光电检测技术第七章

1、v掌握内容掌握内容 光电检测系统的分类，光电信号变换方法，直接光电检测系统的分类，光电信号变换方法，直接接测系统，接测系统， 非相干检测系统，相干检测系统非相干检测系统，相干检测系统v理解内容理解内容 形成各光电检测系统的方法形成各光电检测系统的方法v了解内容了解内容 各光电系统的运用各光电系统的运用第第7 7章章 非相干检测方法与系统非相干检测方法与系统7.17.1光电信号变换及光电检测系统分类概述光电信号变换及光电检测系统分类概述7.27.2直接（光强度调制）检测方法与系统直接（光强度调制）检测方法与系统7.37.3随时间变化的光电信号检测方法与系统随时间变化的光电信号检测方法与系统7.4

2、7.4空间分布的光电信号检测方法与系统空间分布的光电信号检测方法与系统 第第7 7章章 非相干检测方法与系统非相干检测方法与系统7.1 7.1 光电检测系统及光电信号变换概述光电检测系统及光电信号变换概述a) a) 被测量调制光载波的主动系统被测量调制光载波的主动系统 b)b)反射式的主动系统反射式的主动系统一、光电检测系统分类一、光电检测系统分类（一）根据光源来源分类（一）根据光源来源分类1 1、主动测量系统、主动测量系统图图7 71 1 采用锁相放大的被动式光电检测系统采用锁相放大的被动式光电检测系统2 2、被动测量系统、被动测量系统（二）光源是否相干分类（二）光源是否相干分类1 1、非相

3、干检测系统、非相干检测系统(1)(1)若光信息为光强，即被测量被携带于光载波的若光信息为光强，即被测量被携带于光载波的强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源，强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源，这时光电器件只直接接收光强度变化，最后用解这时光电器件只直接接收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息，这种方法组成的系统称调的方法检出被测信息，这种方法组成的系统称为直接检测光电系统。为直接检测光电系统。(2)(2)若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样所组成的系统则称频率或者相位变化之中，这样所组成的系统则称为非相干检

4、测系统。为非相干检测系统。 通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率）通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法统称为非相干检测。统称为非相干检测。 2 2、相干检测系统、相干检测系统 如果光源是相干光源，但用光调制的方法使如果光源是相干光源，但用光调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中，被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中，然后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或然后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系统

5、。统。 二、光电变换方法二、光电变换方法（一）光电变换的目的（一）光电变换的目的（1 1）将待测信息加载到光载波上进而形成）将待测信息加载到光载波上进而形成光电接收器件易于接收的光电信号。光电接收器件易于接收的光电信号。（2 2）改善系统的时间或空间分辨率和动态）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质，提高传输效率和检测精度。品质，提高传输效率和检测精度。（3 3）改善系统的信噪比，提高工作可靠性。）改善系统的信噪比，提高工作可靠性。变换方法变换方法光光 学学 原原 理理 应应 用用 范范 围围 几何光学法几何光学法 透射、反射、折射、散透射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等射、遮光、光学成像

6、等非相干光学现象或方法非相干光学现象或方法 光开关、光学编码、光扫描、光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等量检测、测长测角、测距等 物理光学法物理光学法 干涉、衍射、散斑、全干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现频、偏振等相干光学现象或方法象或方法莫尔条纹、干涉计量、全息莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分析、多谱外差通信、光谱分析、多谱勒测速等勒测速等 光电子学法光电子学法 电光效应、声光效应、电光效应、声光效应、磁光效应、空间光调制

7、、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光纤传光与传感等 光调制、光偏转、光开关、光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光通信、光记录、光存储、光显示等光显示等 （二）光电变换的方法（二）光电变换的方法一、直接检测系统的基本原理一、直接检测系统的基本原理 所谓直接检测是将携带有待测两量的光信号直所谓直接检测是将携带有待测两量的光信号直接入射到探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强接入射到探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压度而输出相应的电流或电压。 7.2 7.2 直接（光强度调制）检测系统直接（光强度调制）检测系统二、直接检测系统的基本特性二、直接检测系统的基

8、本特性（一）光探测器的平方律特性（一）光探测器的平方律特性入射光波的光电场为入射光波的光电场为 ：入射光的平均光功率为：入射光的平均光功率为：光电探测器输出的电流为：光电探测器输出的电流为： )cos()(wtAtEs222221)cos()(ssAwtAtEP221sPAPI 若光探测器的负载电阻为若光探测器的负载电阻为 ，则光探测，则光探测器输出的电功率为器输出的电功率为 ：光电探测器的平方律特性包含有两层含意：光电探测器的平方律特性包含有两层含意：其一是光电流正比于光场振幅的平方；其一是光电流正比于光场振幅的平方；其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。其二是电输出功率正比于入射光功率的

9、平方。 LLPPRPheRIS222)(LR 如果入射光信号为强度调制光，调制信号如果入射光信号为强度调制光，调制信号为为d(t)d(t)，即调制的入射光信号的强度为，即调制的入射光信号的强度为P1+d(t)P1+d(t)，那么光电探测器输出的光电流，那么光电探测器输出的光电流为：为： 式中，第一项为直流电平，可以用隔直电式中，第一项为直流电平，可以用隔直电容隔掉；第二项为所需要的信号，即光载容隔掉；第二项为所需要的信号，即光载波的包络检测。波的包络检测。)(1 )(1 tdPhetdPIP（二）直接检测系统的信噪比（二）直接检测系统的信噪比直接检测的输出信噪比为：直接检测的输出信噪比为： f

10、hPfqPfqPPSNRSSSSd22222222(/)()212(/)pssnpsnnsnSPPPSNNPPPPP功率则输出功率信噪比为则输出功率信噪比为 1/nsPP2）（）（功率nsPPNS1/nsPPnsPPNS21功率）（ （三）直接检测系统的视场角（三）直接检测系统的视场角 视场角是直接检测系统的性能指标之一。它表示系视场角是直接检测系统的性能指标之一。它表示系统能统能“观察观察”到的空间范围。对于检测系统，被测物看到的空间范围。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与象方两侧的介质相同。在此作是在无穷远处，且物方与象方两侧的介质相同。在此条件下，探测器位于焦平面上时，其半视

11、场角（如下图条件下，探测器位于焦平面上时，其半视场角（如下图所示）为：所示）为：或视场立体角为：或视场立体角为：式中，式中，d d是探测器直径；是探测器直径； 为探测器面积；为探测器面积； 为焦距。为焦距。fdW2/2fAddAf三、应用举例三、应用举例（一）光电开关与光电转速计（一）光电开关与光电转速计1 1、透射分离型主动开关、透射分离型主动开关也用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭也用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火控制室内的室外点火控制2 2、反射型主动开关、反射型主动开关 汽油液面探测汽油液面探测3 3、光电耦合、光电耦合可实现用低压电路控制高

12、压电路；可实现用低压电路控制高压电路；4 4、编码计数型主动开关、编码计数型主动开关可用于工业自动线上产品计数或医用液粒计数可用于工业自动线上产品计数或医用液粒计数5 5、光电转速计、光电转速计转速转速n n与光电探测器的输出脉冲频率之间的关系与光电探测器的输出脉冲频率之间的关系为：为： n=60f/m, mn=60f/m, m为孔数或齿数。为孔数或齿数。（二）激光准直仪（二）激光准直仪利用四个象限的光强是否相等来进行准直利用四个象限的光强是否相等来进行准直 利用激光的相干性，采用方形菲涅利用激光的相干性，采用方形菲涅 尔波带尔波带片来提高激光准直仪的对准精度，如下图，这片来提高激光准直仪的对

13、准精度，如下图，这就是所谓的衍射准直仪。就是所谓的衍射准直仪。 非相干光电信号按其时空特点分为随非相干光电信号按其时空特点分为随时间变化的光电信号和随空间变化的光电信时间变化的光电信号和随空间变化的光电信号。前者的特征是信号随时间缓慢变化或周号。前者的特征是信号随时间缓慢变化或周期性以及瞬时变化，发生于有限空间内，与期性以及瞬时变化，发生于有限空间内，与时间有关而与空间无关，信号可表示为时间有关而与空间无关，信号可表示为F(t)F(t)。随空间变化的光电信号发生在一定空间之内，随空间变化的光电信号发生在一定空间之内，光电信号随空间位置而改变，表示为光电信号随空间位置而改变，表示为F(xF(x，

14、y y，z)z)，有的还同时随时间改变，表示为，有的还同时随时间改变，表示为F(xF(x，y y，z z，t)t)。非相干光电信号的变换与检测方法如。非相干光电信号的变换与检测方法如图图6-56-5所示。所示。7.3 7.3 随时间变化的光电信号检测方法与系统随时间变化的光电信号检测方法与系统图图6-5 6-5 非相干光电信号的变换与检测方法非相干光电信号的变换与检测方法一、幅值法一、幅值法 这种变换的特点是利用光的透射、反射、这种变换的特点是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法将被测信号直接折射、遮光或者成像的方法将被测信号直接加载到光通量的变化之中，再用光电器件检加载到光通量的变化

15、之中，再用光电器件检测光通量的幅值变化。它广泛用于光开关与测光通量的幅值变化。它广泛用于光开关与光电转速计、激光测距、准直、辐射测温、光电转速计、激光测距、准直、辐射测温、测表面粗糙度、测气体或液体浓度、测透过测表面粗糙度、测气体或液体浓度、测透过率、反射率等。率、反射率等。1 1、直读法、直读法 在采用直读法的光电检测系统中，光源发在采用直读法的光电检测系统中，光源发出的光经待测量调制后直接由光电探测器接收。出的光经待测量调制后直接由光电探测器接收。根据光电探测器输出信号的大小来反映出待测根据光电探测器输出信号的大小来反映出待测量的变化。量的变化。000000)()(UAIISQfUAIII

16、ULLp2 2、指零法、指零法 指零法是利用标定好的读数装置来补偿光指零法是利用标定好的读数装置来补偿光通量的不稳定影响，使测量系统在输出光通量为通量的不稳定影响，使测量系统在输出光通量为零的状态下读数。下面以测量磁光物质在磁场下零的状态下读数。下面以测量磁光物质在磁场下的偏振角为例来进行说明。下图所示是测量磁光的偏振角为例来进行说明。下图所示是测量磁光物质在磁场下的偏振角的原理图物质在磁场下的偏振角的原理图3 3、差动法、差动法 在直读法和指零法的光电检测系统中，光在直读法和指零法的光电检测系统中，光路只有一个通道。为了减小单通道法入射光通量路只有一个通道。为了减小单通道法入射光通量波动对测

17、量的影响，可以采用双通道差动法和双波动对测量的影响，可以采用双通道差动法和双通道差动补偿法。通道差动补偿法。 差动检测系统基本结构差动检测系统基本结构1差动检测系统结构差动检测系统结构2 2 122222112212nnn 差动检测系统测位移的结构差动检测系统测位移的结构3)()()()(2121例：溶液浓度的测量例：溶液浓度的测量 原理和工作过程：光源原理和工作过程：光源1 1发出的光经单发出的光经单色器色器2 2后成为单色光，该单色光的波长应后成为单色光，该单色光的波长应选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器用分束器BSBS分成两束，分别通过待测溶

18、液分成两束，分别通过待测溶液S S2 2和参比溶液和参比溶液S S1 1，并用两个性能一致的光，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器光有较强的吸收，因此，探测器PD1PD1接收接收到的光强度到的光强度I I1 1即为入射光强度即为入射光强度I I0 0，而探测，而探测器器PD2PD2接收到的光强度接收到的光强度I I2 2取决于待测溶液取决于待测溶液的浓度。的浓度。系统输出电压为：系统输出电压为： 式中，式中，C C0 0为比例常数为比例常

19、数; ; 为为PDPD1 1上产生的光电流上产生的光电流; ; 为为PD2PD2上产生的光电流；上产生的光电流；K K1 1、K K2 2为为PD1PD1和和PD2PD2的灵敏的灵敏度，度， 、 为到达为到达PD1PD1和和PD2PD2上的光通量。若上的光通量。若PDPD1 1和和PDPD2 2性能一致，则性能一致，则K K1 1K K2 2，故上式可变为：，故上式可变为： 由于在忽略反射和散射的情况下，由于在忽略反射和散射的情况下，I I1 1=I=I2 2, ,故故 可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。了溶液的浓度。 2

20、1 10012210122(lglg)/lgRKUCIIRRCRK2121001212lglgRRIUCCRRI002lgIUKI1I2I124、补偿法例：用补偿法对溶液的浓度进行检测例：用补偿法对溶液的浓度进行检测补偿式光电比色法检测溶液浓度的原理框图补偿式光电比色法检测溶液浓度的原理框图 它的工作原理及过程为：光源发出的光经过干涉它的工作原理及过程为：光源发出的光经过干涉滤光片后成为单色光，由分光器分成两路，分别滤光片后成为单色光，由分光器分成两路，分别通过通过4 4和和5 5 达到光电探测器达到光电探测器PD1PD1和和PD2PD2。 A A、检测前，先在待测试样及参考试样比色、检测前，

21、先在待测试样及参考试样比色皿中均放入参考溶液（如蒸馏水），将参考通道皿中均放入参考溶液（如蒸馏水），将参考通道中的光阑打到透光量最大，调节信号通道中的光中的光阑打到透光量最大，调节信号通道中的光阑，使电路的输出为零，即使到达阑，使电路的输出为零，即使到达PD1PD1和和PD2PD2的信的信号光及参考光强度相等。号光及参考光强度相等。 B B、测量开始时，在信号通道中放入待测溶、测量开始时，在信号通道中放入待测溶液试样，由于待测溶液对工作波长的光要产生吸液试样，由于待测溶液对工作波长的光要产生吸收，因此，到达收，因此，到达PD1PD1的信号光强度将减小，差动输的信号光强度将减小，差动输出将不为零

22、，调节参考通道中的光阑，使参考光出将不为零，调节参考通道中的光阑，使参考光强亦减小，直到与信号光强相等，即输出重新为强亦减小，直到与信号光强相等，即输出重新为零为止。此时，根据连接在参考通道中光阑上的零为止。此时，根据连接在参考通道中光阑上的刻度盘的读数，即可读出待测溶液的浓度值。刻度盘的读数，即可读出待测溶液的浓度值。5 5、开关法、开关法 前面介绍的几种检测方法都是基于由待测量前面介绍的几种检测方法都是基于由待测量对光源光通量进行调制，然后用光电探测器检测对光源光通量进行调制，然后用光电探测器检测出调制光的光通量的大小，属于模拟变换。而开出调制光的光通量的大小，属于模拟变换。而开光式光电检

23、测系统是通过检测光的有无来检测出光式光电检测系统是通过检测光的有无来检测出待测量，属于数字变换，它是最简单的光强度调待测量，属于数字变换，它是最简单的光强度调制检测系统。制检测系统。 开关法最典型的光电检测系统的例子是光电开关法最典型的光电检测系统的例子是光电转速计。转速计。 6 6、举例：、举例：物体尺寸的检测物体尺寸的检测投影法投影法 小尺寸测量小尺寸测量大尺寸测量大尺寸测量二、频率法二、频率法 频率法应用于被测信息呈频率法应用于被测信息呈周期性周期性变化的情况，变化的情况，这时被测信息载荷于光通量的这时被测信息载荷于光通量的变化次数或频率的变化次数或频率的快慢之中快慢之中，用测量光通量的

24、波数和频率的方法测，用测量光通量的波数和频率的方法测出被测值。出被测值。 使光通量的波数和频率随被测信息变化的方使光通量的波数和频率随被测信息变化的方法有许多种，如用几何光学的透光和反光的方法，法有许多种，如用几何光学的透光和反光的方法，使光通过旋转的多孔圆盘或反光的多面体，用光使光通过旋转的多孔圆盘或反光的多面体，用光栅的莫尔条纹技术或光干涉的干涉条纹技术等。栅的莫尔条纹技术或光干涉的干涉条纹技术等。1 1、波数测量法、波数测量法 波数测量法通常用测量光通量随被测信息变波数测量法通常用测量光通量随被测信息变化的周期数来检测被测值，如光栅莫尔条纹测量化的周期数来检测被测值，如光栅莫尔条纹测量技

25、术。如图所示是用光栅测量位移的例子。技术。如图所示是用光栅测量位移的例子。 图图 光栅莫尔条纹测量原理图光栅莫尔条纹测量原理图 2 2、频率测量法、频率测量法 在前述例子中，若要测量光栅尺的运动速在前述例子中，若要测量光栅尺的运动速度，只需要将光栅尺的位移对时间微分，即：度，只需要将光栅尺的位移对时间微分，即： 式中，式中，dN/dtdN/dt为波数的时间变化率即频率；为波数的时间变化率即频率；而而dx/dtdx/dt为速度，即运动速度与光通量变化频率为速度，即运动速度与光通量变化频率成正比。这种通过测量光通量变化的频率来测量成正比。这种通过测量光通量变化的频率来测量被测参数的方法称作频率测量

26、法。被测参数的方法称作频率测量法。 波数测量法与频率测量法对光通量的幅度波数测量法与频率测量法对光通量的幅度变化不敏感，因而对光源系统的稳定性要求比幅变化不敏感，因而对光源系统的稳定性要求比幅值法低。值法低。bfdtdNbdtdx三、相位法三、相位法 如果光载波的光通量被调制成随时间呈周如果光载波的光通量被调制成随时间呈周期性变化，而被测信息加载于光通量的相位之中，期性变化，而被测信息加载于光通量的相位之中，检测到这个相位值即能确定被测值，这种方法称检测到这个相位值即能确定被测值，这种方法称为光通量的相位测量法。为光通量的相位测量法。 典型的光通量相位测量实例是相位激光测典型的光通量相位测量实

27、例是相位激光测距仪，如图所示。距仪，如图所示。 图图 激光相位测距仪原理图激光相位测距仪原理图四、时间法四、时间法 若光源发出的光通量是脉冲式辐射，这时若光源发出的光通量是脉冲式辐射，这时可用单个脉冲的时间延迟来测距离，称为时间法。可用单个脉冲的时间延迟来测距离，称为时间法。脉冲式激光测距仪和激光雷达都是时间法测距的脉冲式激光测距仪和激光雷达都是时间法测距的典型应用。典型应用。 下面两图是脉冲激光测距仪的原理方框图和下面两图是脉冲激光测距仪的原理方框图和各级波形图。各级波形图。7.47.4空间分布的光电信号检测方法与系统空间分布的光电信号检测方法与系统 光学目标就是不考虑被测对象的物理本质，光

28、学目标就是不考虑被测对象的物理本质，只把它们看作是与背景间有一定光学反差的几只把它们看作是与背景间有一定光学反差的几何形体或图形景物何形体或图形景物 . . 信号处理的目的是确定目标相对基准坐标信号处理的目的是确定目标相对基准坐标的角度或位置偏差，称作空间定位。的角度或位置偏差，称作空间定位。一一 几何中心检测法几何中心检测法 )(21210 xxxG1.1.像分析和像分析器像分析和像分析器 像分析器的基本工作原理是：将被测物体的光学像像分析器的基本工作原理是：将被测物体的光学像相对于假面基准的几何坐标，变换为通过该基准某相对于假面基准的几何坐标，变换为通过该基准某一取样窗口的光通量，通过检测

29、该光通量的变化来一取样窗口的光通量，通过检测该光通量的变化来解调出物体的坐标位置。解调出物体的坐标位置。 2.2.典型的像分析器典型的像分析器（1 1）双通道差分调制式像分析器）双通道差分调制式像分析器）（2/2)(00021lxxhExhExhEUUU可采用照明光源调制使可采用照明光源调制使照明光强照明光强E E0 0按谐波形式按谐波形式变化。即：变化。即：wtEEmsin0 wtEEmsin0wtxhEUmsin2则则x假设按正弦规律移位。假设按正弦规律移位。即：即： txxmsintwtxEhUmmsinsin2(2)(2)单通道扫描调制式像分析器单通道扫描调制式像分析器(3)(3)扫描

30、调制和极值检测扫描调制和极值检测图中被测钢带图中被测钢带1 1的边缘的边缘2 2通通过镜头过镜头3 3成像于光栏成像于光栏4 4上，上，光栏的横向尺寸确定了物光栏的横向尺寸确定了物方的测量范围方的测量范围D D。转筒。转筒5 5上上刻有通光狭缝其间隔与刻有通光狭缝其间隔与光栏长度相等，以形成等光栏长度相等，以形成等间隔的光脉冲。钢带边缘间隔的光脉冲。钢带边缘的像位置可对光脉冲进行的像位置可对光脉冲进行脉宽调制，最后由光电元脉宽调制，最后由光电元件件6 6接收。解调出脉宽调制接收。解调出脉宽调制函数即可确定钢带边缘的函数即可确定钢带边缘的位置变化位置变化 (3)(3)扫描调制和极值检测扫描调制和

31、极值检测辐射源辐射源1 1产生的光束经准直镜产生的光束经准直镜2 2变成平行光投射到被变成平行光投射到被测直径测直径4 4上再经成像透镜上再经成像透镜3 3和光阑和光阑5 5成放大像成放大像7 7于扫描于扫描盘面上。盘面附近放置狭缝盘面上。盘面附近放置狭缝6 6，截取部分像。扫描，截取部分像。扫描盘上有阿基米德螺线形的通光孔和直线狭缝盘上有阿基米德螺线形的通光孔和直线狭缝6 6相叠相叠合。当扫描盘转动时，狭缝孔被调制盘通光孔的轮合。当扫描盘转动时，狭缝孔被调制盘通光孔的轮廓以直线的轨迹和时间成正比地实现扫描运动，这廓以直线的轨迹和时间成正比地实现扫描运动，这样便对被测直径的像完成了扫描调制。调制后的光样便对被测直径的像完成了扫描调制。调制后的光通量经聚光镜通量经聚光镜9 9由光电接收器由光电接收器