光电检测技术第七章

光电检测技术第七章第一页，共六十三页，2022年，8月28日§7.1光电信号变换及光电检测系统分类概述§7.2直接（光强度调制）检测方法与系统§7.3随时间变化的光电信号检测方法与系统§7.4空间分布的光电信号检测方法与系统

第7章非相干检测方法与系统第二页，共六十三页，2022年，8月28日7.1光电检测系统及光电信号变换概述a)被测量调制光载波的主动系统b)反射式的主动系统一、光电检测系统分类（一）根据光源来源分类1、主动测量系统第三页，共六十三页，2022年，8月28日图7－1采用锁相放大的被动式光电检测系统2、被动测量系统第四页，共六十三页，2022年，8月28日（二）光源是否相干分类1、非相干检测系统(1)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，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为直接检测光电系统。(2)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）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。

第五页，共六十三页，2022年，8月28日2、相干检测系统

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，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统。第六页，共六十三页，2022年，8月28日二、光电变换方法（一）光电变换的目的（1）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。（2）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。（3）改善系统的信噪比，提高工作可靠性。第七页，共六十三页，2022年，8月28日变换方法光学原理应用范围几何光学法透射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象或方法光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现象或方法莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分析、多谱勒测速等光电子学法电光效应、声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等（二）光电变换的方法第八页，共六十三页，2022年，8月28日一、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。

7.2直接（光强度调制）检测系统第九页，共六十三页，2022年，8月28日二、直接检测系统的基本特性（一）光探测器的平方律特性入射光波的光电场为：入射光的平均光功率为：光电探测器输出的电流为：

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若光探测器的负载电阻为，则光探测器输出的电功率为：光电探测器的平方律特性包含有两层含意：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。

第十一页，共六十三页，2022年，8月28日如果入射光信号为强度调制光，调制信号为d(t)，即调制的入射光信号的强度为P[1+d(t)]，那么光电探测器输出的光电流为：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，即光载波的包络检测。第十二页，共六十三页，2022年，8月28日（二）直接检测系统的信噪比直接检测的输出信噪比为：

则输出功率信噪比为

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（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。它表示系统能“观察”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。在此条件下，探测器位于焦平面上时，其半视场角（如下图所示）为：或视场立体角为：式中，d是探测器直径；为探测器面积；为焦距。第十四页，共六十三页，2022年，8月28日三、应用举例（一）光电开关与光电转速计1、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、燃烧等封闭室内的室外点火控制第十五页，共六十三页，2022年，8月28日2、反射型主动开关

汽油液面探测第十六页，共六十三页，2022年，8月28日3、光电耦合可实现用低压电路控制高压电路；第十七页，共六十三页，2022年，8月28日4、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第十八页，共六十三页，2022年，8月28日5、光电转速计转速n与光电探测器的输出脉冲频率之间的关系为：

n=60f/m,m为孔数或齿数。第十九页，共六十三页，2022年，8月28日（二）激光准直仪利用四个象限的光强是否相等来进行准直第二十页，共六十三页，2022年，8月28日

利用激光的相干性，采用方形菲涅尔波带片来提高激光准直仪的对准精度，如下图，这就是所谓的衍射准直仪。第二十一页，共六十三页，2022年，8月28日

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，与时间有关而与空间无关，信号可表示为F(t)。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F(x，y，z)，有的还同时随时间改变，表示为F(x，y，z，t)。非相干光电信号的变换与检测方法如图6-5所示。7.3随时间变化的光电信号检测方法与系统第二十二页，共六十三页，2022年，8月28日图6-5非相干光电信号的变换与检测方法第二十三页，共六十三页，2022年，8月28日一、幅值法

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加载到光通量的变化之中，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、测透过率、反射率等。第二十四页，共六十三页，2022年，8月28日1、直读法

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。根据光电探测器输出信号的大小来反映出待测量的变化。第二十五页，共六十三页，2022年，8月28日2、指零法

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物质在磁场下的偏振角的原理图第二十六页，共六十三页，2022年，8月28日3、差动法

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。

差动检测系统基本结构1第二十七页，共六十三页，2022年，8月28日差动检测系统结构2

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差动检测系统测位移的结构3第二十九页，共六十三页，2022年，8月28日例：溶液浓度的测量第三十页，共六十三页，2022年，8月28日

原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2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。将该光线用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液S2和参比溶液S1，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PD1接收到的光强度I1即为入射光强度I0，而探测器PD2接收到的光强度I2取决于待测溶液的浓度。第三十一页，共六十三页，2022年，8月28日系统输出电压为：

式中，C0为比例常数;

为PD1上产生的光电流;为PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1和PD2的灵敏度，、为到达PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致，则K1＝K2，故上式可变为：

由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I2,故

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。第三十二页，共六十三页，2022年，8月28日4、补偿法第三十三页，共六十三页，2022年，8月28日例：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

第三十四页，共六十三页，2022年，8月28日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，分别通过4和5达到光电探测器PD1和PD2。

A、检测前，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PD1和PD2的信号光及参考光强度相等。

B、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收，因此，到达PD1的信号光强度将减小，差动输出将不为零，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。第三十五页，共六十三页，2022年，8月28日5、开关法

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出调制光的光通量的大小，属于模拟变换。而开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制检测系统。开关法最典型的光电检测系统的例子是光电转速计。第三十六页，共六十三页，2022年，8月28日6、举例：物体尺寸的检测投影法

小尺寸测量第三十七页，共六十三页，2022年，8月28日大尺寸测量第三十八页，共六十三页，2022年，8月28日二、频率法

频率法应用于被测信息呈周期性变化的情况，这时被测信息载荷于光通量的变化次数或频率的快慢之中，用测量光通量的波数和频率的方法测出被测值。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，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。第三十九页，共六十三页，2022年，8月28日1、波数测量法

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技术。如图所示是用光栅测量位移的例子。

图光栅莫尔条纹测量原理图

第四十页，共六十三页，2022年，8月28日2、频率测量法

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：式中，dN/dt为波数的时间变化率即频率；而dx/dt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变化不敏感，因而对光源系统的稳定性要求比幅值法低。第四十一页，共六十三页，2022年，8月28日三、相位法

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，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。典型的光通量相位测量实例是相位激光测距仪，如图所示。

图激光相位测距仪原理图第四十二页，共六十三页，2022年，8月28日四、时间法

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。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。下面两图是脉冲激光测距仪的原理方框图和各级波形图。第四十三页，共六十三页，2022年，8月28日第四十四页，共六十三页，2022年，8月28日7.4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，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.

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。第四十五页，共六十三页，2022年，8月28日一几何中心检测法

第四十六页，共六十三页，2022年，8月28日1.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，通过检测该光通量的变化来解调出物体的坐标位置。

第四十七页，共六十三页，2022年，8月28日2.典型的像分析器（1）双通道差分调制式像分析器可采用照明光源调制使照明光强E0按谐波形式变化。即：

则假设按正弦规律移位。即：

第四十八页，共六十三页，2022年，8月28日(2)单通道扫描调制式像分析器第四十九页，共六十三页，2022年，8月28日(3)扫描调制和极值检测图中被测钢带1的边缘2通过镜头3成像于光栏4上，光栏的横向尺寸确定了物方的测量范围D。转筒5上刻有通光狭缝．其间隔与光栏长度相等，以形成等间隔的光脉冲。钢带边缘的像位置可对光脉冲进行脉宽调制，最后由光电元件6接收。解调出脉宽调制函数即可确定钢带边缘的位置变化第五十页，共六十三页，2022年，8月28日(3)扫描调制和极值检测辐射源1产生的光束经准直镜2变成平行光投射到被测直径4上再经成像透镜3和光阑5成放大像7于扫描盘面上。盘面附近放置狭缝6，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6相叠合。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9由光电接收器10接收。

第五十一页，共六十三页，2022年，8月28日二亮度中心检测法第五十二页，共六十三页，2022年，8月28日

光学像分解是在光学系统中附加各种分光元件使入射光束分别向确定的不同方向传播，再在各自终端安装上单一光敏面的光电元件.1.光学像