第五章-光电探测方式与探测系统

1、 光电探测方式与探测系统 5.1 双元探测方式双元探测方式5.2 四象限探测方式（四象限探测方式（原子力显微镜原子力显微镜）5.4 线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式5.3 光机扫描探测方式光机扫描探测方式（3D激光显微镜）激光显微镜） 5.5 光学视觉传感器光学视觉传感器 5.6 直接探测系统直接探测系统5.7 相干探测方法相干探测方法5.1 双元探测方式双元探测方式8.1.1 双元探测方式双元探测方式 双元探测方式是采用两个光电探测器与光学系统头，它的特点是结构简单。通常把两个探测器接成电桥方式或差动方式以自动减去背景光能作用下光电探测器输出的光电流。 上图为双元探测的简单原理图。两个相

2、同性能的光电探测器对称地放在光学系统的像面上组成探测，两探测器与电阻连成电桥方式，如图(a)所示。图(b)为两个硅光电池与可调电阻连成电桥形式。当平衡时，输出端两端电压为零，能消除均匀背景的影响。当目标光能量落在某一器件上时，输出端就有信号电压输出。两个探测器分别受照时，输出信号极性相反。图(c)为用光敏电阻接成电桥形式外加偏压E，其结果与(b)一样。这一方案适用于系统接收到的光功率不很弱的场合，例如做成位置敏感器。 2双元探测测速器双元探测测速器 2双元探测测速器双元探测测速器 测速装置。它可实测车辆行驶速度。尤其是车辆轮胎变形、道路崎岖和车辆打滑程度不同时车辆的行驶速度。 装置由两个梳形光

3、电池组成，两个相对形成一个较大的光敏面。光敏面放在光学系统像面上接收地面对阳光的反射光（或另外加照明灯）。当车辆静止时，两探测器接收到相同的平均光强，有相同直流输出。这时后面差动放大器有共模抑制作用，因而没有信号输出。当车辆运动时，如果地面如同一面反射镜，那么探测器仍得到均匀照明，仍是输出直流。而事实上，地面上各点的反射率是极不均匀的，突出的点所成的像在探测器上将形成交变的调制信号。差动放大器对两探测器的输出信号VA、VB是相加的，形成交流信号。此信号可经过整形、计数电路读出所对应的车辆的平均速度。也可送入微机算出瞬时速度的变化，对车辆行驶速度进行研究。 3. 双通道测量方式双通道测量方式 :

4、光谱光度计原理图3. 双通道测量方式双通道测量方式 :光谱光度计原理图。仪器用两个性能完全相同的光电倍增管或红外光敏电阻与电路组成两个测量通道，对样品进行光谱透过率测量。上面通道为参考通道，它作为相对测量的基准，下面通道为测量通道，对样品光谱透过率进行实测。图中用碘钨灯作光源，光源发出的光束经聚光镜后经狭缝S投射到分光棱镜上。分光棱镜射出为色散的光谱。由出射狭缝对色散的光谱选择只射出单色光。当棱镜转动时，狭缝出射光谱波长改变，射出的单色光经调制盘调制成交变能量。 当信号高于基准电压时，差放输出信号控制光电倍增管高压下降，反之就升高。相当于入射光能量大时，信号经电路后自动控制高压下降，使倍增管高

5、压下降，反之升高。这样就自动消除了光源出射光谱量度不均匀的影响。下面一个测量通道输出的信号强弱就直接代表了样品的光谱透过率特性。当光电探测器是采用光敏电阻时，差动输出信号就不再控制光电倍增管的高压，而去控制电机带动光楔垂直于光束作进退运动。当光源光谱亮度高时，光楔前伸使光楔因厚度增加而多吸收一部分，反之就后退。这样可以自动保持入射在测量通道的样品上的光能量在整个光谱范围内都不变。这种双通道比较探测方式不限于光谱测量，也可用于其它场合。 5.2 四象限探测方式四象限探测方式把四个性能完全相同的探测器按照直角坐标要求排列成四个象限做在同一芯片上，中间有十字形沟道隔开。在可见光和近红外波段，较为广泛

6、应用的是硅光电池和硅光电二极管。 四象限探测方式是用四象限管和光学系统组成测量头，在位置测量中四象限光管相当于直角坐标系中的四个象限。四象限探测器象限之间的间隔称为“死区”，一般要求“死区”做得很窄。若“死区”太宽，而入射光斑较小时，就无法判别光斑的位置；“死区”做得过分狭窄，可能引起信号之间的相互串扰，同时工艺上也不易达到，所以实际制作时，必须要兼顾这两个方面。 四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测等领域。激光准直原理图光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑

7、偏离方向而输出、的信号。那个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。 脉冲激光定向脉冲激光器作光源照射远处军事目标，被照射的目标对光脉冲发生漫反射，反射回来的光由光电接收系统接收。四象限管放在光学系统后焦面附近，光轴通过四象限管十字沟道中心。远处目标反射光近似于平行光进入光学系统成像于物镜的后焦面上，四象限管的位置因略有离焦，于是接收到目标的像为一圆形光斑。当光学系统光轴对准目标时，圆形光斑中心与四象限管中心重合。四个器件因受照的光斑面积相同，输出相等的脉冲电压。当目标相对光轴在x、y方向上有任何偏移时目标像的圆形光斑的位置就在四象限管上相应地有偏

8、移，四个探测器因受照光斑面积不同而得到不同的光能量，从而输出脉冲电压的幅度也不同。四象限管探测电路方块图四个探测器分别与运算电路相连。当目标相对光轴在x、y方向上有任何偏移时目标像的圆形光斑的位置就在四象限管上相应地有偏移，四个探测器因受照光斑面积不同而得到不同的光能量，从而输出脉冲电压的幅度也不同。四个探测器的输出脉冲电压经四个放大器A、B、C、D放大后进入和差电路进行运算，得到代表光斑沿x或y方向的偏移量所对应的电压。可表示为式中A、B、C、D代表四个探测器的输出。k为电路的放大系数。 () ()xVk A BC D() ()yVk A DB C通常为了消除光斑自身功率变化（例如：运动目标

9、远近变化而引起光斑总能量变化）采用和差比幅电路。其输出电压为假如光斑是光强均匀分布的圆斑，光斑的半径是各象限探测器上得到扇形光斑面积是光斑总面积的一部分，并且A、B、C、D探测器的输出与相应象限扇形光斑面积成正比，由求扇形面积公式可推得输出信号与光斑偏移量的关系为()()xABCDVkABCD()()yADBCVkABCD22221)arcsinxxxVkrxrrr22221)arcsinyyyVkryrrr输出信号与光斑位移之间的关系 在一定范围内是呈线性关系的。在实用系统中通常还需要再加入脉冲展宽电路，把信号脉冲展宽到能够控制后续部件。 测量物体微位移原理图 如果采用其它形式的光学系统与四

10、象限组合使用，四象限探测也不限于测量方位，也可测其它物理量。如果物点S0在B位置上，经物镜成像后物的理想像面位置在Q点，在物镜后面加一柱面镜后成像面位置在P点，那么当接收面（探测器）在PQ这段距离内由左向右移动时，所接收到的光斑将由长轴为垂直方向的椭圆形逐渐变成长轴为水平方向的椭圆形。而在M点位置处光斑是圆形的。反过来把四象限管放在M点位置上，当物点在B点附近有微位移时，四象限管上所得到的光斑形状也将发生改变。当物点 由B移到A位置时，四象限管得到长轴是垂直方向的椭圆光斑。物点处于C位置时得到长轴处于水平方向的椭圆光斑。 这时四象限管的输出信号经过和差电路和除法电路后输出信号为式中A、B、C、

11、D代表图示位置四个探测器的输出信号。由最后输出电压的正负可测得物点是远离了还是靠近了，其幅值大小反映微位移量的大小。()()ACBDVABCD原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式Cantilever is a beam supported on only one end.Cantilever can be scaled down to micro and nano range.Bridge under constructionbalcony原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式Evolution of interaction force between tip and sample as

12、 a function of distance 原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式Piezo mmfff, f: frequency change and final frequencym,m: mass change and initial mass of cantileverThe mass change of cantilever:原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式Contact mode (up) and non-contact mode (down) Tapping mode 原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式ImagingM

13、easurementNanofabricationOperations of single cell原子力显微镜探测方式原子力显微镜探测方式8.3 光机扫描探测方式光机扫描探测方式 用一个或多个探测器作接收器，用光学系统或光学零件作机械扫描运动，对目标进行瞬间取样，最终获得所需的目标信息。这种方式称为光机扫描探测方式。这种探测方式的主要特点是可获得较大的视场范围和动态范围。 3D激光显微镜激光显微镜 采用针孔共聚焦光学系统。可通过极小针孔，完全排除焦点位置外产生的反射光、环境光，并将反射光量最多的位置识别为正确高度。不仅可通过高精度定位实现高精度测量，还可对排除了散焦部分的图像进行累积，从而实

14、现高精细/ 高倍率观察。3D激光显微镜激光显微镜原理原理透过玻璃观察短路缺陷 TFT，大面积拼接TFT，放大、3D观察样品：导光板样品：导光板256256256um256um体积测量线粗糙度颗粒分析边缘自动识别高度测量长度测量面粗糙度膜厚测量面积测量3D激光显微镜可以做到激光显微镜可以做到3D3D显微镜显微镜 VSVS光学显微镜光学显微镜3D3D显微镜显微镜 VS SEMVS SEM共焦共焦3D3D显微镜显微镜 VS VS 粗糙度仪粗糙度仪8.4 线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式把多个光电探测器组成一个线阵列称为线阵列探测器。目前，在线阵器件中使用较为广泛、而且使用正在增多的器件是线阵光电

15、二级管和线阵CCD。因为它们对输入光强线性响应好，串行输出、电路简单、结构精细、使用方便等优点。这里以CCD为例，说明其探测方式。 线阵CCD器件的应用方式可归结为两类：一类是利用其象元尺寸的精确性，对目标获得二进象信号。机信号振幅为0或1二值，从0、1信号中检测出所需信息。另一类是利用它对光强的线性响应特性，能输出有不同等级的模拟信号，去检测所需的信息。8.4.1 输出二进象信号的工作方式输出二进象信号的工作方式物体通过物镜成像在CCD器件上，CCD器件在驱动电路输出的驱动脉冲的作用下，获得与物向光强呈正比例的电荷图。并能逐个输出脉冲信号。每个信号脉冲就是CCD相应象素所对应的光强。CCD的

16、输出信号通常与一个固定的阈值电压通过比较器进行比较。当信号脉冲高于阈值电压时，比较器输出为1。当低于阈值电压时，比较器输出为0。于是得到一行0、1型信号，对应于被测物而进象输出 。位移测量器原理图位移测量器原理图用白炽灯作光源，光源发出的光经聚光镜了l1后会聚于小孔上。小孔处于物镜l2的焦面上，透过小孔的光束经分束器反射折向物镜l2。由l2透射以后出射的光为平行光，它投向平面反射镜M。若平面镜 M垂直于物镜光轴，则有平面镜反射回去的光透过分束器后会聚于CCD中心位置某一象束上，形成小亮点。此亮点使CCD输出中只有这一象束有一较高的脉冲电压输出，其它位置只有暗电流产生的低电压。如果平面镜 M有倾

17、斜，则成像在CCD上的小亮点将发生转移。可以通过计数输出信号脉冲位移了多少个象素去求出平面镜的倾斜角 yftg式中 y是小亮点的位移量， f是物镜的焦距。当 f足够大时 ，y=K,K为比例系数，角度的分辨率取决于f和y，而CCD每个象素尺寸仅为几微米到十几微米，所以角分辨率可达秒级。这种轻便型位移测量器可方便的测量大工件的直线度和垂直度。 8.6 直接探测系统直接探测系统 8.6.1 系统类型系统类型 8.6.2 光电探测系统的指标光电探测系统的指标 8.6.3 直接探测系统直接探测系统 8.6.4 直接探测系统的作用距离直接探测系统的作用距离 8.6.5 直接探测系统的视场直接探测系统的视场

18、8.6.1 系统类型（系统类型（P358）光电探测系统的类型是很多的，我们可以从不同角光电探测系统的类型是很多的，我们可以从不同角度出发把系统进行分类。度出发把系统进行分类。1、按携带信息的光源：可分为、按携带信息的光源：可分为主动系统主动系统和和被动系统被动系统 被动探测系统被动探测系统所接收到的光信号来自目标的自发目标的自发辐射辐射。 目标辐射功率和背景辐射功率同时进入光学系统，然后会聚到探测器上光信号转换为电信号，光电信号由处理电路处理以后输出所需信息。系统有加调制也有不加调制的。目 标 大气光学系统调制器光电探测器电子电路 接受系统 被动光电系统方块图被动光电系统方块图信息源调制器光源光学系统传输介质光学系统光电探测器电子电路光源调制器光学系统信息源 接收系统主动光电系统方块图主动光电系统方块图主动探测系统主动探测系统是发射和接收系统共同配合进行工作的。光源光源采用人工光源，如激光器、发光管、气体放电灯等。信息源可以通过调制光源的电源电压（或电流），把信息载到光波上去，通过发射系统发射调制光。或者， 光源出射的光（经过或者不经过光学调制器）照射目标，利用目标的反射、