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光学系统 光电探测器 电路处理 光源 光电检测系统 光电检测是信息时代的关键技术 信息技术 微电子信息技术 电集成 光子信息技术 光集成 光电信息技术 光电集成 感测技术 通信技术 人工智能与计算机技术 控制技术 信息的产生和获取 转换 传输 控制 存储 处理 显示 光电信息技术 1 光电源器件 包括激光器 和可控光功能器件及集成2 光通信和综合信息网络3 光频微电子4 光电方法用于瞬态光学观测 以光电子学为基础 以光电器件为主体 研究和发展光电信息的形成 传输 接收 变换 处理和应用 它涉及到 5 光电传感 光纤传感和图象传感6 激光 红外 微光探测 定向和制导7 光电精密测试 在线检测和控制技术8 混合光电信息处理 识别和图象分析 光电信息技术 9 光电人工智能和机器视觉10 光 电 逻辑运算和光 电 计算机及光电数据存储11 生物光子学 检测与测量光电传感器 基于光电效应 将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出 光电检测技术 是利用光电传感器实现各类检测 它将被测量的量转换成光通量 再转换成电量 并综合利用信息传送和处理技术 完成在线和自动测量光电检测系统光学变换光电变换电路处理 光电检测技术 定义 被测信息 传感器 检测仪器 检测装置 检测系统 全部操作 检测过程 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 信号采集 信号处理 信号显示 信号输出 物理量 光 电 力 热 磁 声 被测对象 宇宙万物 固液气体 动物 植物 天体 检测器具 化学量 PH 成份 生物量 酶 葡萄糖 检测的基本概念 例 空调机测量控制室温 空气 被测对象 被测信息 检测器具 操作过程 室内空气 温度 温度传感器 热电阻 热电偶 热敏电阻 电信号 处理 显示 空调机 返回 直接测量 对仪表读数不经任何运算 直接得出被测量的数值 例如 长度 直尺 游标卡尺 千分尺电压 万用表质量 天平间接测量 测量几个与被测量相关的物理量 通过函数关系式计算出被测量 例如 电功率 P I V 电流 电压 重力加速度 单摆测量 L 摆的线长 T 摆动的周期 返回 测量 返回 光电探测器的种类 光电检测技术以激光 红外 光纤等现代光电器件为基础 通过对载有被检测物体信号的光辐射 发射 反射 散射 衍射 折射 透射等 进行检测 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号 由输入电路 放大滤波等检测电路提取有用的信息 再经过A D变换接口输入微型计算机运算 处理 最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量 光电检测系统 光学变换 电路处理 光电检测系统 光学变换时域变换 调制振幅 频率 相位 脉宽空域变换 光学扫描光学参量调制 光强 波长 相位 偏振形成能被光电探测器接收 便于后续电学处理的光学信息 光电变换光电 热电器件 传感器 变换电路 前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息 电信号的放大和处理 电路处理放大 滤波 调制 解调 A D D A 微机与接口 控制 光电检测系统 被测物体感觉器官人脑手控被测物体光电传感微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官 光电检测系统与人操作功能比较 测量检查型 几何量 长度 角度 形状 位置 形变 面积 体积 距离 运动量 速度 加速度 振动表面形状 光洁度 庇病 伤痕工作过程 湿度 流量 压力 物位 PH值 浓度等机械量 重量 压力 应变 压强电学量 电流 电压 电场 磁场光学量 吸收 反射 透射 光度 色度 波长 光谱 光电检测系统的功能分类 控制跟踪型跟踪控制 激光制导 红外制导数值控制 自动定位 图形加工形成 数值控制图象分析型图形检测图形分析 光电检测系统的功能分类 高精度 从地球到月球激光测距的精度达到1米 高速度 光速是最快的 远距离 大量程 遥控 遥测和遥感 非接触式检测 不改变被测物体性质的条件下进行测量 寿命长 光电检测中通常无机械运动部分 故测量装置寿命长 工作可靠 准确度高 对被测物无形状和大小要求 数字化和智能化 强的信息处理 运算和控制能力 光电检测技术的特点 直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法 光电检测方法 主动系统 被动系统 按信息光源分 红外系统 可见光系统 按光源波长分 红外系统多用于军事 有大气窗口 需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测 面探测系统 按接受系统分 用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统 数字系统 按调制和信号处理方式分 直接检测 相干检测系统 按光波对信号的携带方式分 光电检测系统分类 通过信息调制光源 或者光源发射的光受被测物体调制 返回 主动系统 光信号来自被测物体的自发辐射 被动系统 信息载入光学信息的方式 光电变化的基本形式 如图 a 所示 为信息载荷于光源中的情况 或光学信息为光源本身 如光源的温度信息 光源的频谱信息 光源的强度信息等 根据这些信息可以进行钢水温度的探测 光谱分析 火灾报警 武器制导 夜视观察 地形地貌普查和成像测量等的应用 信息载荷于光源的方式 信息载荷于透明体的方式 如图 b 所示 为信息载荷于透明体中的情况 在这种情况下 信息可为透明体的透明度 透明体密度的分布 透明体的厚度 透明体介质材料对光的吸收系数等都为载荷信息的方式 信息载入光学信息的方式 入射到介质表面的通量 物质的浓度 溶液和气体对光的吸收性质 介质厚度 透过率 光电变换系数 信息载荷于反射光的方式 信息载入光学信息的方式 通常分为两种 镜面反射 用来判断光信号的有无 如光准直 转速等 漫反射 检测物体表面的外观质量 疵病信号电压 被测表面的照度 正品表面的反射率 疵病表面的反射率 光电接收器件有效视场内疵病所占地面积 信息载荷于遮挡光的方式 如图 d 所示为信息载荷于遮挡光的方式 物体部分或全部遮挡入射光束 或以一定的速度扫过光电器件的视场 实现了信息载荷于遮挡光的过程 信息载入光学信息的方式 可用于检测物体的位移量 尺寸 主要用在测微计 尺寸检测仪以及光电计数 光开关等领域 输出位移量的信号电压 被测表面的照度 光敏面的宽度 高度 物体遮挡光的位移量 光电测速 b 光电数字式转速表工作原理图 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘 它们具有不同的反射率 当转轴转动时 反光与不反光交替出现 光电敏感器件间断地接收光的反射信号 转换为电脉冲信号 是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘 在调置盘一边由白炽灯产生恒定光 透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上 转换成相应的电脉冲信号 经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号 转速由该脉冲频率决定 信息载荷于光学量化器的方式 光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有限个离散量的方法 图 e 所示光学量化器包含有光栅摩尔条纹量化器 各种干涉量化器和光学码盘量化器等 光信息量化的变换方式在位移量 长度 宽度和角度 的光电测量系统中得到广泛的应用 信息载入光学信息的方式 若长度信息量L量化为条纹信息量 则长度L qnq为量化单位 采用莫尔条纹变换时 其为光栅节距 达到微米量级 若采用激光干涉时 其等于激光波长的二分之一或四分之一 n为条纹个数 光通讯方式的信息变换目前 光通讯技术正在蓬勃地发展 信息高速公路的主要组成部分为光通讯技术 光通讯技术的实质是光电变换的一种基本形式 称为光信息通讯的变换方式 如图 f 所示 信息首先对光源进行调制 发出载有各种信息的光信号 通过光纤传送到远方的目的地 再通过解调器将信息还原 由于光纤传输的媒体常为激光 它具有载荷量大 损耗小 速度快 失真小等特点现已广泛地用于声音和视频图像等信息通讯中 信息载入光学信息的方式 主动系统 被动系统 按信息光源分 红外系统 可见光系统 按光源波长分 红外系统多用于军事 有大气窗口 需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测 面探测系统 按接受系统分 用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统 数字系统 按调制和信号处理方式分 直接检测 相干检测系统 按光波对信号的携带方式分 光电检测系统分类 1 模拟光电变换 被测的非电量信息 如温度 介质厚度 均匀度 溶液浓度 位移量 工件尺寸等 载荷于光信息量时 常为光度量 通量 照度和出射度等 的方式送给光电器件 光电器件则以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出 即输出信号量是被测信号量Q的函数 或称输出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函数关系 可表示为Ip f Q 模拟变换系统 或Up f Q 光电变换电路输出的电流Ip或电压Up不仅与被测信息量Q值有关而且与载体光度量有关 因此 为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系 载体光度量必须稳定 否则 载体光度量的变化直接影响被测信息量 另外 电路参数的变化 尤其是电源电压的波动 放大电路的噪声 放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定 而光度量的稳定又与光源 光学系统及机械结构等的性能有关 因此 实现稳定的高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多其他技术方面的困难 必须采用各种措施解决这些困难 才能获得高质量的模拟光电信息变换 模拟变换系统 在这类光电变换中 被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息 包括光脉冲 条纹信号和数字代码等 再经光电变换电路输出 模 数光电变换中的光电变换电路只要输出 0 和 1 高 低电平 两个状态的脉冲即可 脉冲的频率 间隔 宽度 相位等都可以载荷信息 因此 这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压 而是数字信息量F 它与被测信息量Q的函数关系为F f Q 显然 数字信息量F只取决于光通量变化的频率 周期 相位和时间间隔等信息参数 而与光的强度无关 也不受电源 光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响 因此 这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格 只要能使光电变换电路输出稳定的 0 和 1 两个状态即可 模数变换系统 光电检测系统分类 主动系统 被动系统 按信息光源分 红外系统 可见光系统 按光源波长分 红外系统多用于军事 有大气窗口 需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测 面探测系统 按接受系统分 用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统 数字系统 按调制和信号处理方式分 直接检测 相干检测系统 按光波对信号的携带方式分 直接检测 无论是相干或非相干光源 都是利用光源发射的光强携带信息 光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化 然后 用解调电路检出所携带的信息 相干检测 利用光波的振幅 频率 相位携带信息 而不是光强 因为用光波的相干原理 只能用相干光 类似于无线电外茶检测 故又称光外差检测 直接检测 相干检测 信噪比 与灵敏度相关误码率 0 和 1 出现错误的概率 光电检测系统的信噪比 将待测光信号直接入射到光探测器光敏面 光探测器响应于光辐射强度输出相应的电流或电压 光探测器的平方律特性光电流正比于光电场振幅的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方 直接检测系统的基本工作原理 信噪比 表征检测系统的灵敏度PS 输入信号光功率 Pn 噪声功率检测距离 是系统灵敏度的另外一种评价指标 与发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有关 系统的基本特性 表征系统能 观察 到的空间范围系统的视场角越大越好 但是增大检测器面积使系统的噪声增大 减小焦距使系统的相对孔径加大 直接检测系统的视场角 检测系统要求 f保持原由信号的调制信息 确定系统频带宽度的几种方法 等效矩形带宽频谱曲线下降 dB的带宽包含 能量的带宽频带宽度越宽 通过信号的能量越大 系统的噪声功率也越大 系统的通频带宽度 fS为信号光波 fL为本机振荡光波 这两束相干光入射到探测器表面进行混频 形成相干光场 经探测器变换后 输出信号中包含的差频信号 故又称相干探测 光外差检测 设入射到探测器上的信号光场为 本机振荡光场为 入射到探测器上的总光场为 基本原理 量子效率 光子能量 差频 式中第一 二项为余弦函数平方的平均值 等于1 2 第三项 和频项 是余弦函数的平均值为零 而第四项 差频项 相对光频而言 频率要低得多 当差频低于光探测器的截止频率时 光探测器就有频率为的光电流输出 光探测器输出的光电流 光外差检测的特性 可获得全部信息 不仅可探测振幅和强度调制的光信号 还可探测频率调制及相位调制的光信号 即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅 频率和相位等全部信息 转换效率高 转换增益可高达 对微弱信号的探测有利 光外差检测的特性 可获得全部信息 不仅可探测振幅和强度调制的光信号 还可探测频率调制及相位调制的光信号 即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅 频率和相位等全部信息 转换效率高 转换增益可高达 对微弱信号的探测有利 差频信号是由具有恒定频率 近于单频 和恒定相位的相干光混频得到的 只有激光才能实现外差探测 光外差检测的特性 良好的滤波性能取差频信号为信息处理器的通频带 可以过滤频带外的杂散光 而直接探测中 所有的杂散光都被接收信噪比损失小检测灵敏度高例如 量子效率为 f为 Hz 则外差检测的灵敏度极限为 个光子 系统对探测器性能的要求 光外差检测对探测器的要求比直接检测高响应频带宽均匀性好工作温度高 光电检测系统分类 主动系统 被动系统 按信息光源分 红外系统 可见光系统 按光源波长分 点探测 面探测系统 按接受系统分 模拟系统 数字系统 按调制和信号处理方式分 直接检测 光外差检测系统 按光波对信号的携带方式分 直接检测系统 光强调制 莫尔条纹测长仪激光测距仪激光准直环境污染检测系统光外差检测系统激光干涉测长仪 相位调制 多普勒测速 频率调制 光外差通信 典型的光电检测系统 莫尔条纹的原理将两块光栅 节距分别为P1和P2 叠加在一起 并且两者的栅线成很小的角度 透过光栅能看到如图所示的明暗相间的莫尔条纹 这就是莫尔条纹的光强调制作用 长光栅莫尔条纹的形式横向条纹 P1 P2 很小 纵向条纹 P1 P2 0 斜条纹 P1 P2 很小 纵向条纹 横向条纹 莫尔条纹测长仪 光栅的节距比光的波长大很多 莫尔条纹的宽度B mm 光栅的节距P mm 和夹角 rad 之间的关系为 当两光栅沿垂直于栅线的方向相对移动时 莫尔条纹将沿平行于栅线的方向移动 光栅每移动一个节距 莫尔条纹移动一个宽度 因为 很小 放大倍数 很大 例如 20 K 172 斜向条纹 莫尔条纹的特性 两块光栅 一块为指示光栅与工作台固定 一块为长光栅 工作台前后移动的距离由两块光栅形成的莫尔条纹进行计数得到 指示光栅相对移动一个节距 莫尔条纹变化一周 指示光栅移动的距离为 指示光栅移动距离中包含的光栅线对数 小于 个光栅节距的小数 简单光栅读数头 灯 聚光镜 指示光栅 长光栅 光电探测器 莫尔条纹测长仪 光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号 通过对莫尔条纹的直接测量 可以测的光栅的位移量 在较宽的莫尔条纹间隔内安放细分装置进行细分 可读取位移的分数 提高测量的灵敏度和精度 光栅输出信号波形 莫尔条纹测长仪 工业自动化中的核心测控部件小型智能化的长度测试仪器 用于对长度 直径 厚度 表面形状 粗糙度等多种参数的测量 新一代的计量测试工具某些几何量计量检测仪器的核心转换系统某些物理量的计量检测仪器的核心转换系统纳米级测量的重要仪器非接触在线测量控制仪器 莫尔条纹测长仪的应用 激光测距仪的类型脉冲激光测距仪相位激光测距仪激光测距仪的特点测程远 测量精度高结构小巧 携带方便快速 非接触式距离测量激光对点准确受气象条件影响较大激光测距仪广泛应用于工业 国防军事 科学技术 激光测距仪 测距原理 由激光器对被测目标发射一个光脉冲 然后接受目标反射回来的光脉冲 通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离 测距仪原理 由激光发射系统 接受系统 门控电路 时钟脉冲振荡器和计数器等组成 脉冲激光测距仪的原理框图 一 脉冲激光测距仪 脉冲激光测距仪 发射系统 接收系统 接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路 门控电路 时钟脉冲振荡器 计数显示器 激光器 LD ND YAG 调Q 锁模 电源发射望远系统 物镜小孔光阑干涉滤光片 激光器发射激光脉冲被分为两部分 参考信号和回波信号 回波脉冲经光电探测器变换成电信号 再经放大和整形后 将电子门打开 使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时 当回波脉冲 负与门 到来时 关闭电子们 在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距离 时钟频