光电检测第一章绪论

2020/5/24,南京工程学院,1,光电检测技术,光学基础测试器件处理电路,2020/5/24,南京工程学院,2,光电检测技术课程简介,课程性质：专业课学分：2.5学时：40（34学时讲课+6学时实验）先修课程：大学物理、传感器、电子线路、微机原理使用教材：光电检测技术雷玉堂等编著中国计量出版社考书目：光电检测技术习题与实验雷玉堂等编著中国计量出版社光电测试技术浦昭邦机械工业出版社,2020/5/24,南京工程学院,3,考核要求：成绩组成：期末70%，平时10%，实验20%考试方法：闭卷题库,2020/5/24,南京工程学院,4,第一章：概论；光电检测系统的组成。第二章：理论基础；光的基本度量方法和度量参数、常见的光学系统。第三章：光学系统常见光源第四章：各类光电与电光器件；光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。紫外光探测器按工作波段分：可见光探测器红外光探测器非成像型按应用分：变像管成像型像增强器摄像管光子检测器件按反应机理（结构形式）分热电检测器件,教学内容,2020/5/24,南京工程学院,5,第五章：介绍光电检测电路的组成、设计依据、设计要求和设计方法。第六章：光束的调制与扫描技术第七章：非相干信号的光电变换与检测第八章：相干变换与检测方法,教学内容,2020/5/24,南京工程学院,6,学习本课程的目的,了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。,2020/5/24,南京工程学院,7,光电检测技术,光电检测技术：一种非接触测量的高新技术。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。,2020/5/24,南京工程学院,8,变换电路光电传感,光学变换,电信号处理,存储,显示,控制,光学变换,电路处理,光电检测系统的组成,光电变换,2020/5/24,南京工程学院,9,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。,光电检测系统的具体作用,2020/5/24,南京工程学院,10,光电探测器的种类,2020/5/24,南京工程学院,11,光电检测系统与人操作功能比较,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,2020/5/24,南京工程学院,12,光电检测系统的功能分类,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,2020/5/24,南京工程学院,13,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,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,2020/5/24,南京工程学院,14,光电检测系统的特点,一般电子检测系统,传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的电参数信号变换电路：完成信号的转换、滤波和放大,2020/5/24,南京工程学院,15,一般光电系统,光发射机：分为主动式和被动式主动式：光源（或加调制器）被动式：无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射光学通道：大气、空间、水下和光纤等光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信息,2020/5/24,南京工程学院,16,光接收机的基本结构,接收到的光场,接收透镜系统,光电检测器,后继检测处理器,接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上光电检测器：完成光电信号的转换检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。,光接收机的分类,功率检测接收机直接检测或非相干检测外差检测接收机相干检测（空间相干）,2020/5/24,南京工程学院,17,光接收机的分类图示,2020/5/24,南京工程学院,18,2、光电系统大致可分作下列几种类型。（1）光-电型（应用最广泛）：被测量对象经过光机系统产生光信号，其通过光电转换成电信号进入电子系统，光学仪器的自动化常采用这种方式。若经AD转换，进一步传输到计算机处理，可组成部分代替人的视觉和思维活动的机器视觉系统。例如：智能化的工业在线检测。,（2）光-电-光型：由光机系统采集到的光信号通过光电转换（A/D）成电信号，经电信号处理后再经过电光变换形成光信号输出。例如：电视技术中的摄像管，显像管以及声像光盘的录制和再现都是这类系统的代表。,2020/5/24,南京工程学院,19,（3）电-光-电型：电信号经过电光变换得到可在光路中传输的光信号，在经过光电变换为电信号后作进一步处理或输出。典型应用如光纤通讯，其主要利用光纤对光信号进行传输。,（4）光电混合型：其主要特点是使传统光路实现光路器件的“有源化”和封闭的光束网络，例如光导纤维、空间调制器等。这将最终组成有源可控的光学系统和集成光路。和现有的无源光路比较，这是光学技术的根本变革。,2020/5/24,南京工程学院,20,（5）电光混合型这种系统的目标是将电路系统元器件的功能用光学方法来实现，即所谓的电路元件的“光子化”，例如光学晶体管和光学双稳态器件等，目前许多单元器件已相继问世或正在研制中。后两种光电系统是光电技术未来的发展方向，其中的光电混合式或全光学式的光学计算机是这些系统最有吸引力的发展目标。,通过上面的学习我们可以看出，光电系统的共同特点是通过光电检测所有被研究的信息都将通过各种效应（力、热、声、电、磁）调制到光载波上，然后将携带被研究的信息光载波转换为电信号，并通过电子线路和计算机的综合处理，实现光学仪器的自动化。因此，光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重要的意义。,2020/5/24,南京工程学院,21,高精度。各种检测技术中最高。如激光干涉仪法检测长度的精度达0.05um/m；光栅莫尔条纹法测角可达0.04；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m。高速度。光电检测以光为介质，用光学方法获取和传递信息是最快的。远距离，大量程。光便于远距离传播的介质，适于遥控和遥测，如武器制导，光电跟踪，电视遥测等。,光电检测技术的特点,2020/5/24,南京工程学院,22,非接触检测。光照可认为是没有测量力的，也无磨擦，可实现动态测量，效率最高。寿命长。光波可永久使用。具有很强的信息处理和运算能力。可将复杂信息并行处理。同时光电方法还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。,光电检测技术的特点,2020/5/24,南京工程学院,23,1.4光电检测方法及应用发展趋势,光电传感器的类型,根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，可分为：,直射型：光电转换器对着光源放置，光轴重合，对于光源为发射光通量最大方向，对于光电器件为灵敏度最高的方向。反射型：分为单向反射和漫反射辐射型：被测物体本身为一辐射源，光电检测器通过接收被测物体的辐射光能量实现测量。,2020/5/24,南京工程学院,24,光电检测的基本方法,直接作用法、差动测量法、补偿测量法和脉冲测量法,I、直接作用法：受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量。,光电系统的基本模型,2020/5/24,南京工程学院,25,II、差动测量法：利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反应被测量的大小，,双光路差动测量法测量物体长度,2020/5/24,南京工程学院,26,工作原理：,1=2时，U=0,12时，工件尺寸变小U=S*(1-2)=S*,12时，工件尺寸变大U=S*(1-2)=-S*,说明：测量值的大小决定了U的幅值，测量值的正负决定于U的相位，可通过相敏检波器得到。,2020/5/24,南京工程学院,27,III、补偿测量法：,原理：是用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出补偿量值，其大小反应被测量变化大小。例：由相敏检波器输出控制光楔上下移动，使1-2=0，光楔移动与读数机构相连，读数反映光通量的变化量，即被测值。,2020/5/24,南京工程学院,28,IV、脉冲测量法：,原理：测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽，相位，频率，脉冲数量等）反映被测量的大小。,1、脉宽方法测长度：,测量关系式：L=v*t=v*k*N=K*N,k-高频脉冲时间当量K-长度当量N-计数器值,高频脉冲可取自电动机或转动轮上脉冲，消除不匀速带来的误差。,2020/5/24,南京工程学院,29,2、频率法测速：,在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接收与转速相对应的光脉冲，m为反光片数，n为每分钟转速，则：f=n*m/60=N/t；即转速可以由此得到：n=60N/m*t,脉冲测量法特点：抗干扰性能好，精度高，直接与计算机相连，易于实现在线测量和自动化控制。,2020/5/24,南京工程学院,30,光电传感器的发展趋势,发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。发展小型的、快速的微型光、机、电检测系统。非接触、快速在线测量，以满足快速增长的经济需要。向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。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。向人们无法触及的领域发展。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，复杂形体自动扫描测量等。,2020/5/24,南京工程学院,31,一、在工业生产领域的应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.现代工程装备中，检测环节的成本约占5070%,光电检测技术的应用,2020/5/24,南京工程学院,32,二、光电检测技术在日常生活中的应用,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,2020/5/24,南京工程学院,33,医学：CT、胃镜、虹膜检测、生物检测,通信：光缆通讯,航天：资源勘探、星际探索哈勃号太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。总长12.8米，镜筒直径4.28米，主镜直径2.4米，连外壳孔径则为3米，全重11.5吨,日用：扫描仪、光碟、照相机,2020/5/24,南京工程学院,34,三、光电检测技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。,2020/5/24,南京工程学院,35,红外雷达和平视显示器,2020/5/24,南京工程学院,36,美国国家导弹防御计划-NMD,四、光电检测技术在国防领域的应用,监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,2020/5/24,南京工程学院,37,五、光电检测技术在航天领域的应用,2020/5/24,南京工程学院,38,哈勃太空望远镜,2020/5/24,南京工程学院,39,“哈勃”太空望远镜拍摄的狮子座“NGC3370”螺旋星系的照片,2020/5/24,南京工程学院,40,哈勃望远镜2002年5月到12月拍摄到的太空神秘发光星体图片,2020/5/24,南京工程学院,41,人们还在不断研究光的应用领域,宇宙1号太阳帆,宇宙1号的太阳帆面积为530.93平方米，由光压获得的推力为255克。如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力即为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星,2020/5/24,南京工程学院,42,应该指出的是，人们对光的认识还远未完结，对光的本性、传播规律以及光与物质相互作用的研究还在不断继续。,研究新进展,百度筷搜内置红外光谱仪,2020/5/24,南京工程学院,43,“百度筷搜”看起来和普通筷子没什么差别，却拥有智能检测回锅油、饮用水酸碱度和水果甜度、品种和产地等特色功能，可连接智能手机，随身携带使用。测量数据会经蓝牙传输给智能手机，通过筷子尾部的LED灯与用户进行智能交流，如检测结果合格，显示蓝色；检测结果不好，以红色警示。筷托则内置红外光谱仪，能对测量物进行定性和定量分析。,研究新进展,利用石墨烯研制出超薄太赫兹波段光检测器,2020/5/24,南京工程学院,44,这种光检测器能非接触式看到衣服，人体组织，塑料和其它非金属物体表面之下的东西。现有大多数太赫兹探测器是体积大，速度慢，工作温度必须保持在接近绝对零度（约4开尔文）。现在，马里兰州大学，澳大利亚莫纳什大之间合作开发出了室温超薄太赫兹波段光检测器原型，检测速度比现有产品快了100万倍。,其原理是石墨烯其电子吸收光，并检测太赫兹波的存在的电信号。这些太赫兹电磁波无法穿透水或金属。它们也是非电离，所以它们不会破坏身体组织或DNA。因此可以用在安全扫描器，找出隐藏的武器而没有侵犯身体隐私。它也可以使医学成像更安全和更有效。其他应用包括化学传感，远程炸弹检测，夜视镜/摄像机等等。,研究新进展,2020/5/24,南京工程学院,45,飞利浦推出HueBeyond双重照明智能灯具,飞利浦又为其智能灯具Hue家族增添了一名新成员，HueBeyond作为一款造型独特的双重照明智能灯具，有三种模式顶灯，吊灯以及桌面台灯。,均可由设备遥控调节灯具色调色彩等。HueBeyond与其他Hue家族产品不同的是其构建了两组灯泡，每一组都能独立调节以将灯光应用于不同的场景。,研究新进展,日本计划研制先进光学卫星能识别地面上1米大的物体,2020/5/24,南京工程学院,46,日本政府计划在2019年发射这一颗先进光学卫星，同时卫星上将搭载防卫省研发的红外线监控装置，以便能够对他国的弹道导弹发射基地