光电检测技术 第一章

1、第第1 1章章 概述概述v掌握内容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。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了解内容了解内容了解光电检测技术的优缺点；光在介质表面的反了解光电检测技术的优缺点；光在介质表面的反射和折射；光与物质的相互作用射和折射；光与物质的相互作用光的吸收、色光的吸收、色散、散射、干涉、衍射、偏振等；光电检测技术散、散射、干涉、衍射、偏振等；光

2、电检测技术的展望的展望 第第1 1章章 主要内容主要内容1.11.1引言引言1.21.2光电检测系统的基本构成和光电检测系统的基本构成和基本工作原理基本工作原理 1.31.3光电检测技术的现代发展光电检测技术的现代发展 1.1 引言引言一、光电检测技术的定义一、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、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。储存、控制、计算和显示等。二、光电检测技术的检测量二、光电检测技术的检测量 从原理上讲可以检测一

3、切能够影响从原理上讲可以检测一切能够影响光量光量或或光特性光特性的非电量。的非电量。光量光量：光通量或光强度：光通量或光强度光特性光特性：光波的幅值、频率、相位、偏振：光波的幅值、频率、相位、偏振三、光电检测技术的主要内容三、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，达到输成电量，并进一步经电路放大、处理等，达到输出的目的。出的目的。信息变换技

4、术信息变换技术和和电信号处理技术电信号处理技术。信息变换技术：信息变换技术：非电量变换成光学量非电量变换成光学量 光学量变换成电量光学量变换成电量 1.21.2光电检测系统的基本构成和光电检测系统的基本构成和基本工作原理基本工作原理 一、几个光电检测实例一、几个光电检测实例1 1、红外防盗报警系统、红外防盗报警系统 图图112 2、激光外径扫描仪、激光外径扫描仪图图1 12 12 1旋转多面体旋转多面体 2 2半导体激光器半导体激光器 3 3透镜透镜 4 4工件工件 5 5物镜物镜 6 6光电器件光电器件3、光弹性效应测力计、光弹性效应测力计图图13二、光电检测系统的构成框图二、光电检测系统的

5、构成框图 图图1 14 4 光电检测系统框图光电检测系统框图 光光是信息传递的媒介，它由是信息传递的媒介，它由光源光源产生。光产生。光源与源与照明光学系统照明光学系统一起获得测量所需的一起获得测量所需的光载波光载波，光载波与光载波与被测对象被测对象同时作用在光学系统上而将被同时作用在光学系统上而将被测量载荷到光载波上，称为测量载荷到光载波上，称为光学变换光学变换。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，称为载波上载荷有各种被测信息，称为光信息光信息。光信。光信息经光电器件实现由光向息经光电器件实现由光向电的

6、信息电的信息转换，称为转换，称为光光电转换电转换。然后被测信息就可用各种电信号处理的。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。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：光电检测系统各部分的功能：（1 1）光源和照明光学系统：）光源和照明光学系统： 考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间分考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间分布；布； 发出的光作为载波或者被测对象；发出的光作为载波或者被测

7、对象； 照明光学系统的分类照明光学系统的分类（2 2）被测对象及光学变换：）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换为光参量 光学系统可以根据不同的光学性质、光学效应，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、光参量：光本质是电磁波，其参量有幅值、频率、相位、偏振态、传播方向等相位、偏振态、传播方向等（3 3）光信号的匹配处理）光信号的匹配处理（4 4）光电转换：）光电转换： 以光信号为媒质，以光电探测器为手段，以光信号为媒质，以光电探测器为手

8、段，将经过待测量调制的光信号转换成电信号；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、动态决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响应响应 ； 光电探测器光电探测器（5 5）电信号的放大与处理：）电信号的放大与处理：主要实现两个功能：主要实现两个功能：实现对微弱信号的检测；实现对微弱信号的检测；实现光源的稳定化实现光源的稳定化 （6 6）存储、显示与控制系统：）存储、显示与控制系统：三、基本工作原理三、基本工作原理 光电检测系统是以光信息变换为基础的，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把待测量通过光信号变换为电量来进行测量的。的。

9、（一）把待测量变换为光信息量（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，即光电流的大小，即光电流I I是待检测信息量是待检测信息量Q Q值的函值的函数：数： I=f(QI=f(Q) (1-1) (1-1) 这是一种模拟量信息变换。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（二）把待检测量变换为光信息脉冲 它

10、是以光脉冲或条纹数的多少来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，这些数字信息量字信息，这些数字信息量T T是待测信息量是待测信息量Q Q的的函数：函数： T=f(QT=f(Q) (1-2 ) (1-2 ) 这是一种模这是一种模/ /数信息转换。数信息转换。四、基本结构形式四、基本结构形式1 1、辐射式、辐射式图图1 15 15 1、被测物体、被测物体 2 2、会聚透镜、会聚透镜 3 3、光电二极管、光电二极管例：全辐射测温：例：全辐射测温：由斯忒

11、藩玻尔兹曼（由斯忒藩玻尔兹曼（StefanStefanBoltzmanBoltzman）定律）定律可知，物体的全辐射出射度为：可知，物体的全辐射出射度为： （1 11 1）式中：式中：比辐射率，对于某一物体比辐射率，对于某一物体值为常数值为常数 斯忒藩玻尔兹曼常数；斯忒藩玻尔兹曼常数； T T绝对温度。绝对温度。在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收作在近距离测量时，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：用，则光电探测器输出的电压信号为：式中式中为光电变换系数。将（为光电变换系数。将（1 11 1）代入上式得：）代入上式得： (12)4TMe4TVsesMV 2 2、反

12、射式、反射式图图16 1、光源、光源 2、被测物、被测物 3、光电探测器、光电探测器测转速的例子：测转速的例子： 轴转动一周，光电探测器轴转动一周，光电探测器4 4就获得一就获得一个由光源个由光源1 1发出的反射光的脉冲，此脉冲数就反发出的反射光的脉冲，此脉冲数就反映了轴的转速。映了轴的转速。 图图17 1、光源、光源 2、转轴、转轴 3、小平面镜、小平面镜 4、光电探测器、光电探测器3、遮挡式、遮挡式图图18 1、光源、光源 2、待检测物、待检测物 3、光电探测器、光电探测器4 4、透射式：根据工作原理不同又分为：、透射式：根据工作原理不同又分为：（1 1）模拟量信息变换方式）模拟量信息变换

13、方式（2 2）模）模/ /数信息变换方式数信息变换方式 图图19图图1105 5、干涉式、干涉式 图图1 111111 1光源光源 2 2透镜透镜 3 3分束器分束器 4 4反射镜反射镜 5 5待测物体待测物体 6 6光电探测光电探测器器6 6、衍射式、衍射式 图图1 112 12 衍射测量原理结构衍射测量原理结构 1.31.3光电检测技术的现代发展光电检测技术的现代发展光电检测技术的发展趋势是：光电检测技术的发展趋势是：非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化 （1 1）非接触、快速在线测量系统，以满足快速）非接触、快速在线测量系统，以满足快速增长的商

14、品经济的需要。增长的商品经济的需要。（2 2）发展小型的、快速的微型光、机、电测试）发展小型的、快速的微型光、机、电测试系统。系统。（3 3）发展纳米、亚纳米级高精度的光电测量新）发展纳米、亚纳米级高精度的光电测量新技术。技术。（4 4）发展闭环控制的光电检测系统，实现光电测）发展闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化的智能化系统。量与光电控制一体化的智能化系统。（5 5）发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的）发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控，遥测技术，激光制导，飞行物自动跟踪，遥控，遥测技术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测量等。复杂形体自动扫描测量等。（6 6）向微空间三维测量技术和大空间三维测量技）向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。术发展。（7 7）向人们无法触及的领越发展。）向人们无法触及的领越发展。光电检测技术的优点：光电检测技术的优点：（1 1）非接触式检测。）非接触式检测。（2 2）响应速度快。）响应速度快。（3 3）测量精度高。）测量精度高。（4 4）检测对象范围宽。）检测对象范围宽。（5 5）远距离、大量程。）远距离、大量程。（6 6）具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂）具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。信息并行处理。（7 7）寿命长。）寿命长。光电