现代传感第5章

1、1第第5 5章章 光电传感技术光电传感技术 日期：日期：2第第5 5章章 光电传感技术光电传感技术n5.1 5.1 概述概述 5.1.1 5.1.1 光学基础知识光学基础知识 5.1.2 5.1.2 光电传感器的光电传感器的组成组成及及特点特点n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光电探测器件光电探测器件n5.4 5.4 激光传感技术激光传感技术 n5.5 5.5 红外传感技术红外传感技术 35.1.2 5.1.2 光电传感器的光电传感器的组成组成及及特点特点 z光电传感器的一般组成形式主要包括光电传感器的一般组成形式主要包括光源光源（光能的提供者，良（光能的提供者，良好的光源

2、是保障光电传感器性能的重要前提）、好的光源是保障光电传感器性能的重要前提）、光通道光通道（光能（光能量的会聚收集、平行准直、图像的放大与缩小、光学滤波等）、量的会聚收集、平行准直、图像的放大与缩小、光学滤波等）、光电器件光电器件和和测量电路测量电路（对光电器件输出的电信号进行放大或转（对光电器件输出的电信号进行放大或转换，从而达到便于输出和处理的目的）换，从而达到便于输出和处理的目的）四个四个部分。部分。z可用于检测可用于检测直接引起光量变化直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐的非电量，如光强、光照度、辐射测温等；也可用来检测射测温等；也可用来检测能转换成光量变化能转换成光量变化的其他

3、非电量，如的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。以及物体的形状、工作状态的识别等。45.1.2 5.1.2 光电传感器的光电传感器的组成组成及及特点特点 z光电传感器既可以测量光电传感器既可以测量光信号光信号，也可以测量其他，也可以测量其他非光信号非光信号，只，只要这些信号最终能引起到达光电器件的光的变化。要这些信号最终能引起到达光电器件的光的变化。z根据被测量引起光变化的方式和途径的不同，可以分为两种形根据被测量引起光变化的方式和途径的不同，可以分为两种形式：式：一种一种是

4、被测量直接引起光源的变化，改变了光源的强弱或是被测量直接引起光源的变化，改变了光源的强弱或有无，从而实现对被测量的测量；有无，从而实现对被测量的测量；另一种另一种是被测量对光通路产是被测量对光通路产生作用，从而影响到达光电器件的光的强弱或有无，同样可以生作用，从而影响到达光电器件的光的强弱或有无，同样可以实现对被测量的测量。实现对被测量的测量。5第第5 5章章 光电传感技术光电传感技术n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 5.2.1 5.2.1 对光源的要求对光源的要求 5.2.2 5.2.2 常用光源常用光源n5.3 5.3 光电探测器件光电探测器件n5.4 5.4

5、 激光传感技术激光传感技术 n5.5 5.5 红外传感技术红外传感技术 65.2.15.2.1 对光源的对光源的要求要求n光源必须具有足够的光源必须具有足够的照度照度：保证被测目标具有足够的亮度和：保证被测目标具有足够的亮度和光通路具有足够的光通量，将有利于获得更高的灵敏度和信噪光通路具有足够的光通量，将有利于获得更高的灵敏度和信噪比，有利于提高测量精度和可靠性。光源照度不足，将影响测比，有利于提高测量精度和可靠性。光源照度不足，将影响测量稳定性，甚至导致测量失败。另一方面，光源的照度还应当量稳定性，甚至导致测量失败。另一方面，光源的照度还应当稳定，尽可能减小能量变化和方向漂移。稳定，尽可能减

6、小能量变化和方向漂移。n光源应保证光源应保证均匀均匀、无遮挡无遮挡或或阴影阴影：否则将会传输额外的系统：否则将会传输额外的系统误差或随机误差。误差或随机误差。 n光源的光源的照射方式照射方式应符合传感器的测量要求：为了实现对特定应符合传感器的测量要求：为了实现对特定被测量的测量，传感器一般会要求光源发出的光具有一定的方被测量的测量，传感器一般会要求光源发出的光具有一定的方向或角度，从而构成反射光、透射光、漫反射光、散射光等等。向或角度，从而构成反射光、透射光、漫反射光、散射光等等。此时，光源的系统设计显得尤为重要，对测量结果的影响较大。此时，光源的系统设计显得尤为重要，对测量结果的影响较大。

7、75.2.1 5.2.1 对光源的要求对光源的要求n光源的光源的发热量发热量应尽可能小：一般各种光源都存在不同应尽可能小：一般各种光源都存在不同程度的发热，因而对测量结果可能产生不同程度的影响。程度的发热，因而对测量结果可能产生不同程度的影响。因此，尽可能采用发热量较小的冷光源（发光二极管因此，尽可能采用发热量较小的冷光源（发光二极管等）；或者将发热较大的光源进行散热处理，并远离敏等）；或者将发热较大的光源进行散热处理，并远离敏感单元。感单元。 n光源发出的光必须具有适合的光源发出的光必须具有适合的光谱范围光谱范围：光电传感器：光电传感器主要使用的光的波长范围处在紫外至红外之间的区域，主要使用

8、的光的波长范围处在紫外至红外之间的区域，一般多用可见光和近红外光；光源光谱的选择必须同光一般多用可见光和近红外光；光源光谱的选择必须同光电器件的光谱一同考虑，避免出现二者无法对应的情形。电器件的光谱一同考虑，避免出现二者无法对应的情形。一般地，选择较大的光源光谱范围，保证包含光电器件一般地，选择较大的光源光谱范围，保证包含光电器件的光谱范围（主要是峰值点）在内即可。的光谱范围（主要是峰值点）在内即可。 85.2.25.2.2 常用常用光源：光源：1.1.热辐射热辐射光源光源n热辐射光源是通过将一些物体加热后产生热辐射来实现照明的。热辐射光源是通过将一些物体加热后产生热辐射来实现照明的。温度越高

9、，辐射能就越大，光就越亮，辐射光谱的峰值波长也温度越高，辐射能就越大，光就越亮，辐射光谱的峰值波长也就越短。（就越短。（白炽灯白炽灯、卤钨灯卤钨灯）n光源谱线丰富，主要涵盖可见光和红外光，峰值约在近红外区，光源谱线丰富，主要涵盖可见光和红外光，峰值约在近红外区，因而可以适于大部分的光电传感器；因而可以适于大部分的光电传感器；n发光效率低发光效率低，一般仅有，一般仅有15%15%的光谱处在可见光；的光谱处在可见光；n发热大发热大，约超过，约超过80%80%的能量转化为热能，因此属于典型的热光的能量转化为热能，因此属于典型的热光源；源；n寿命短，一般为寿命短，一般为10001000小时左右；小时左

10、右；n易碎，电压高，使用有一定危险。易碎，电压高，使用有一定危险。95.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：2.2.气体放电气体放电光源光源 n气体放电光源是通过气体分子受激发后，产生气体放电光源是通过气体分子受激发后，产生放电而发光的，主要有碳弧灯、水银灯、钠弧放电而发光的，主要有碳弧灯、水银灯、钠弧灯、氙弧灯、灯、氙弧灯、荧光灯荧光灯（日光灯日光灯）等）等 。n效率高，省电，功率大，光色接近日光，紫外效率高，省电，功率大，光色接近日光，紫外线丰富。此外，气体放电光源有一定的辐射，线丰富。此外，气体放电光源有一定的辐射，其废弃物含有汞，容易污染环境，玻璃易碎，其废弃物含有汞，容易污染环境

11、，玻璃易碎，发光频率较低，对人眼有损害。发光频率较低，对人眼有损害。 n气体放电光源一般应用于有强光要求的场合，气体放电光源一般应用于有强光要求的场合，适于色温要求接近日光的情形。适于色温要求接近日光的情形。105.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：3.3.发光二极管发光二极管 n发光二极管发光二极管LED（Light Emiting Diode）是一种）是一种电致发光电致发光的的半半导体导体器件。在电场的作用下，半导体材料发光是基于器件。在电场的作用下，半导体材料发光是基于电子能级电子能级跃迁跃迁的原理。的原理。n当给发光二极管的当给发光二极管的PN结加结加正向正向电压时，外加电压时，

12、外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强。载流子的扩散运动加强。n由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩区扩散到散到P区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当电子与空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多当电子与空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。可余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。可见，结型发光二极管的见，结型发光二极管的发

13、光区发光区为为P P区。区。 115.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：3.3.发光二极管发光二极管 n体积小，可平面封装，属于固体光源，耐振动；体积小，可平面封装，属于固体光源，耐振动；n无辐射，无污染，是真正的绿色光源；无辐射，无污染，是真正的绿色光源；n功耗低，仅为白炽灯的功耗低，仅为白炽灯的1/81/8，荧光灯的，荧光灯的1/21/2，发热少，是典型的，发热少，是典型的冷光源；冷光源；n寿命长，一般可达寿命长，一般可达1010万小时，是荧光灯的数十倍；万小时，是荧光灯的数十倍；n响应快，一般点亮只需响应快，一般点亮只需1 1毫秒，适于快速通断或光开关；毫秒，适于快速通断或光开关；

14、n供电电压低，易于数字控制，与电路和计算机系统连接方便；供电电压低，易于数字控制，与电路和计算机系统连接方便；n在达到相同照度的前提下，发光二极管价格较白炽灯贵，单只在达到相同照度的前提下，发光二极管价格较白炽灯贵，单只发光二极管的功率低，亮度小。发光二极管的功率低，亮度小。125.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：4.4.激光激光光源光源 n激光是激光是19641964年年钱学森钱学森教授首先倡议对教授首先倡议对LASER一词的意译名。一词的意译名。nLASER是是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 的缩写

15、，意思是的缩写，意思是“光的受激发射放大光的受激发射放大”。n激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，即是激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，即是“光频振光频振荡器荡器”的意思。的意思。nOscillation “光的受激发射振荡光的受激发射振荡”n激光器激光器三三大大要素要素：激光：激光工作物质工作物质、激励能源激励能源、光学谐振腔光学谐振腔。n工作物质：工作物质：固体固体激光器（红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等）、激光器（红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等）、气体气体激光器（激光器（He-Ne、CO2、Ar+等）和等）和半导体半导体激光器（激光器（GaAs、GaSe、CaS、PbS等）。

16、等）。13第第5 5章章 光电传感技术光电传感技术n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光电探测器件光电探测器件及弱信号探测技术及弱信号探测技术 n5.4 5.4 激光传感技术激光传感技术 n5.5 5.5 红外传感技术红外传感技术 141.1.外外光电效应及器件光电效应及器件 n在光的照射下，使得电子逸出物体表面而在光的照射下，使得电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象，称为外光电效应。产生光电子发射的现象，称为外光电效应。n光电管光电管和和光电倍增管光电倍增管 光电管光电管光电倍增管光电倍增管152.2.内内光电效应：光电效应：(1)(1)光电导

17、光电导效应效应 n半导体受到光照会产生光生半导体受到光照会产生光生“电子电子空穴空穴”对，使得对，使得导电性能增强。光线越强，导电性越强，电阻越低。导电性能增强。光线越强，导电性越强，电阻越低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。n光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。电导效应。n光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成PNPN结（结（无结无结光电探测器）。光电探测器）。n光敏电阻是利用半导体材料的光电导效应工作的，光光敏电阻是利用半导

18、体材料的光电导效应工作的，光敏电阻的电导随光照变化而变化。敏电阻的电导随光照变化而变化。16光敏电阻光敏电阻 n将一块半导体材料两端加上电极，接上电极引线。由将一块半导体材料两端加上电极，接上电极引线。由于光导效应只限于光照的物体表面，因此把于光导效应只限于光照的物体表面，因此把半导体薄半导体薄膜膜沉积在沉积在绝缘基底绝缘基底上。上。n为了减小湿度对灵敏度的影响，光敏电阻一般封装在为了减小湿度对灵敏度的影响，光敏电阻一般封装在带有窗口的金属或塑料带有窗口的金属或塑料外壳外壳内。内。 17二、内光电效应：二、内光电效应：(2)(2)光伏光伏效应效应n光生伏特效应（光生伏特效应（结结效应）：实现光

19、电效应需要有内部电势垒，效应）：实现光电效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子空穴对时，电势垒的内建电场将把电子当照射光激发出电子空穴对时，电势垒的内建电场将把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。应。n零偏零偏状态：状态：硅光电池硅光电池。n1 1、当作光电探测器使用，广泛应、当作光电探测器使用，广泛应用于近红外探测器、光电读出、光用于近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光准直、光电开关等。电耦合、激光准直、光电开关等。要求光电池照度特性的线性度好。要求光电池照度特性的线性度好。n2 2、用作电源，广泛用作太阳能

20、电池，作为人造卫星、野外灯、用作电源，广泛用作太阳能电池，作为人造卫星、野外灯塔，无人气象站、微波站等设备的电源使用。塔，无人气象站、微波站等设备的电源使用。18光敏二极管光敏二极管n处于处于反向偏置反向偏置的的PN结，在无光照的条件下具有高阻特性，反结，在无光照的条件下具有高阻特性，反向电流很小。向电流很小。n当有光照时，结区产生电子当有光照时，结区产生电子- -空穴对。在电场的作用下，电子空穴对。在电场的作用下，电子向向N区运动，空穴向区运动，空穴向P区运动，从而形成光电流，其方向与反区运动，从而形成光电流，其方向与反向电流一致。光的照度越大，光电流越大。向电流一致。光的照度越大，光电流越

21、大。n由于无光照时反向电流很小（一般为纳安量级），因此光照射由于无光照时反向电流很小（一般为纳安量级），因此光照射时的反向电流基本上与光强成正比。时的反向电流基本上与光强成正比。19第第5 5章章 光电传感技术光电传感技术n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光电探测器件及弱信号探测技术光电探测器件及弱信号探测技术 n5.4 5.4 激光传感技术激光传感技术 n5.5 5.5 红外传感技术红外传感技术 205.4.25.4.2 激光激光衍射衍射法：法：细丝直径细丝直径测量测量 fdhn对于微小尺寸（对于微小尺寸（500500 m m以下）的各种细丝、

22、狭缝、微小位移、以下）的各种细丝、狭缝、微小位移、微小孔等的测量，如果采用几何光学放大成像法测量，会由于微小孔等的测量，如果采用几何光学放大成像法测量，会由于光的衍射效应导致测量误差增大。光的衍射效应导致测量误差增大。n单色平行光垂直照射被测细丝，经细丝衍射后，在成像物镜的单色平行光垂直照射被测细丝，经细丝衍射后，在成像物镜的焦平面上形成衍射图样。根据夫琅禾费衍射理论和巴比涅互补焦平面上形成衍射图样。根据夫琅禾费衍射理论和巴比涅互补原理，直径为原理，直径为d的细丝和缝宽为的细丝和缝宽为d的狭缝具有相同的衍射图样。的狭缝具有相同的衍射图样。根据夫琅和费衍射理论，衍射图样的光强分布为：根据夫琅和费

23、衍射理论，衍射图样的光强分布为：20/sin)/sinsin(ddII21n线阵线阵CCDCCD器件放在成像透镜的后焦面上，细丝衍射条纹成像到器件放在成像透镜的后焦面上，细丝衍射条纹成像到CCDCCD上，光强分布转换成按时序分布的电压信号。该信号经低上，光强分布转换成按时序分布的电压信号。该信号经低通滤波和放大处理，再利用施密特电路变成方波输出。通滤波和放大处理，再利用施密特电路变成方波输出。5.4.2 5.4.2 激光衍射法：细丝直径测量激光衍射法：细丝直径测量fdhn以像素以像素N为为x轴，以信号电压为轴，以信号电压为y轴轴时，利用时钟脉冲对各方波的宽时，利用时钟脉冲对各方波的宽度进行计数

24、度进行计数, , 可以得到可以得到N0，N1， N2，, ,其中其中N1，N3，N5，为各为各级暗条纹宽度的计数值，取其级暗条纹宽度的计数值，取其1 1/ / 2 2作为暗条纹宽度的中点值，相邻作为暗条纹宽度的中点值，相邻两暗点的间距的平均值两暗点的间距的平均值h为：为：225.4.2 5.4.2 激光衍射法：激光衍射法：薄带宽度薄带宽度测量测量 n钟表工业中的游丝以及电子工业中用到的各种金属薄带钟表工业中的游丝以及电子工业中用到的各种金属薄带( (宽度在宽度在lmm以下以下) )，也可以和细丝一样用激光衍射法测量，也可以和细丝一样用激光衍射法测量它的宽度或宽度变化。薄带除了尺寸小、用普通方法

25、难它的宽度或宽度变化。薄带除了尺寸小、用普通方法难于实现生产过程测量外，由于它有很大宽度和厚度比，于实现生产过程测量外，由于它有很大宽度和厚度比，进一步增加了测量时的困难和误差。进一步增加了测量时的困难和误差。235.4.5 5.4.5 激光激光准直准直法：法：1.1.利用利用方向方向性性n利用高斯光束的中心线作直线基准。常用利用高斯光束的中心线作直线基准。常用He-Ne激光器作为光激光器作为光源，它的发散角为源，它的发散角为1mrad1mrad，远处的光斑直径为，远处的光斑直径为50cm50cm，采用准直，采用准直望远镜后，可以将发散角压缩至望远镜后，可以将发散角压缩至0.1mrad0.1m

26、rad。n高斯光束的中心线是一条直线，可以用来作为基准直线。高斯光束的中心线是一条直线，可以用来作为基准直线。n用四象限光电池作为接收器，当准直点偏离中心时，光电池就用四象限光电池作为接收器，当准直点偏离中心时，光电池就会输出与偏差量成正比的电压信号会输出与偏差量成正比的电压信号Vx和和Vy。n采用这种方法进行准直，在采用这种方法进行准直，在2020m内的准直精度可达内的准直精度可达0.050.05mm。7070m内的准直精度可达内的准直精度可达0.20.2mm。245.4.5 5.4.5 激光准直法：激光准直法：2.2.利用利用相干相干性性n当激光束通过望远镜发射出来以后，均匀地照射在当激光

27、束通过望远镜发射出来以后，均匀地照射在方形菲涅耳方形菲涅耳波带片上，并使其充满整个波带片。波带片上，并使其充满整个波带片。n这样，在光轴的某一个位置会出现一个很细的十字叉。当用一这样，在光轴的某一个位置会出现一个很细的十字叉。当用一个观察屏放在此处，可以看到清晰的十字亮线。个观察屏放在此处，可以看到清晰的十字亮线。n调节望远镜的焦距，十字叉就会出现在光轴的不同位置。这些调节望远镜的焦距，十字叉就会出现在光轴的不同位置。这些十字叉的交点的连线为一直线，可以用来作为直线基准来进行十字叉的交点的连线为一直线，可以用来作为直线基准来进行准直测量。十字叉中心的探测可以用光电探测器。准直测量。十字叉中心的

28、探测可以用光电探测器。n采用这种方法进行准直，在采用这种方法进行准直，在3 3km以内的准直精度达以内的准直精度达2525 m。 25n利用光速不变的基本原理，由激光器向被测目标发出一利用光速不变的基本原理，由激光器向被测目标发出一个激光短脉冲信号，该信号经目标反射后返回，如果激个激光短脉冲信号，该信号经目标反射后返回，如果激光强发出脉冲到接收返回信号的时间间隔为光强发出脉冲到接收返回信号的时间间隔为t，则被测距，则被测距离可表示为：离可表示为：n这种测距方法十分简单、容易实现，测量精度主要取决这种测距方法十分简单、容易实现，测量精度主要取决于时间间隔的测量精度。但在实施时，会遇到光传播路于时

29、间间隔的测量精度。但在实施时，会遇到光传播路径中周围介质如大气中的气体成分、温度、湿度、气流、径中周围介质如大气中的气体成分、温度、湿度、气流、气压等的影响。因此通常采用高强度、脉冲宽度超窄的气压等的影响。因此通常采用高强度、脉冲宽度超窄的激光脉冲作为光源来提高信噪比和定时精度，以达到提激光脉冲作为光源来提高信噪比和定时精度，以达到提高测量距离分辨力的目的。高测量距离分辨力的目的。5.4.6 5.4.6 激光激光测距测距：1.1.脉冲（时间）脉冲（时间）测距法测距法012Lc t265.4.6 5.4.6 激光测距：激光测距：2.2.相位相位测距法测距法 n通过检测回波与发射信号的相位差来确定

30、目标通过检测回波与发射信号的相位差来确定目标的距离。（其中的距离。（其中D D可以看作是发射点至目标的可以看作是发射点至目标的往返距离）往返距离）)2(22ND275.4.75.4.7 散斑散斑测量测量 n粗糙表面或许多颗粒会引起激光散射，由于这些散射光彼此不粗糙表面或许多颗粒会引起激光散射，由于这些散射光彼此不规则的位相关系可产生干涉的斑纹，称之为规则的位相关系可产生干涉的斑纹，称之为散斑。散斑。n粗糙表面粗糙表面和和相干光相干光照射是形成散斑现象的两个基本条件。照射是形成散斑现象的两个基本条件。n因为散斑是由粗糙表面的散射光干涉所形成的，所以散斑是粗因为散斑是由粗糙表面的散射光干涉所形成的

31、，所以散斑是粗糙表面的某些信息的携带者。这样，借助于散斑不仅可以研究糙表面的某些信息的携带者。这样，借助于散斑不仅可以研究粗糙表面本身，而且还可以研究其位置及形状的变化。以借助粗糙表面本身，而且还可以研究其位置及形状的变化。以借助散斑现象而获取这些信息的各种技术统称为散斑现象而获取这些信息的各种技术统称为散斑技术散斑技术。n客观（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的。客观（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的。n主观（成像）散斑：在成像光组像面上形成散斑。主观（成像）散斑：在成像光组像面上形成散斑。28n散斑的空间结构是随机分布的颗粒形状，可以用散斑的空间结构是随机分布的颗

32、粒形状，可以用横向横向大小和大小和纵纵向向大小来描述。由于随机性质，通常用二相邻亮斑间距的统计大小来描述。由于随机性质，通常用二相邻亮斑间距的统计平均值来定义散斑的平均尺寸。平均值来定义散斑的平均尺寸。n对圆形照亮区域，散斑的对圆形照亮区域，散斑的横向横向平均直径为：平均直径为：n该式说明，散斑横向平均直径与照明区域大小有关，大的照明该式说明，散斑横向平均直径与照明区域大小有关，大的照明区域对应大的孔径角，散斑变小，反之，散斑变大。这是因为，区域对应大的孔径角，散斑变小，反之，散斑变大。这是因为，大的照明区域，表明有更多的面积元上的散射的光波参与干涉。大的照明区域，表明有更多的面积元上的散射的

33、光波参与干涉。n散斑的散斑的纵向纵向平均直径为：平均直径为：uTsin/6 . 05.4.7 5.4.7 散斑测量散斑测量 uT2sin/2295.4.7 5.4.7 散斑测量散斑测量 一、用多张散斑图测量空间位移一、用多张散斑图测量空间位移n物体表面的移动或变形，必须导致其散斑的相应移动。物体表物体表面的移动或变形，必须导致其散斑的相应移动。物体表面运动与散斑场的运动有确定关系，因此，记录了散斑场的运面运动与散斑场的运动有确定关系，因此，记录了散斑场的运动情况，也就能反推出物体表面的运动情况。动情况，也就能反推出物体表面的运动情况。n当激光照射物面时，对物体进行第一次拍摄，底片上即记录了当激

34、光照射物面时，对物体进行第一次拍摄，底片上即记录了物面的散斑图，对物体加载使物体变形后，再拍摄一次，这样，物面的散斑图，对物体加载使物体变形后，再拍摄一次，这样，同一底片上记录了两个散斑图。由于两次记录的光学装置没有同一底片上记录了两个散斑图。由于两次记录的光学装置没有变化，即物镜的孔径角没有变，故两个散斑图是相同的，但是变化，即物镜的孔径角没有变，故两个散斑图是相同的，但是位置因物体表面的移动而产生了相应的移动，如果能够测量出位置因物体表面的移动而产生了相应的移动，如果能够测量出两个散斑图的移动量，也就知道了物体表面的移动量。两个散斑图的移动量，也就知道了物体表面的移动量。305.4.7 5

35、.4.7 散斑测量散斑测量 一、用多张散斑图测量空间位移一、用多张散斑图测量空间位移n对这张散斑底片进行光学傅立叶变换，在频谱面上，将显示出对这张散斑底片进行光学傅立叶变换，在频谱面上，将显示出杨氏干涉条纹。对杨氏干涉条纹进行测量，即可求出两个散斑杨氏干涉条纹。对杨氏干涉条纹进行测量，即可求出两个散斑图的位移量，由散斑的位移量再求出物体表面的位移。图的位移量，由散斑的位移量再求出物体表面的位移。n傅立叶谱面的杨氏干涉是如何形成的：两个相同的面内位移散傅立叶谱面的杨氏干涉是如何形成的：两个相同的面内位移散斑图样在照相底片上的叠加，必定产生一个新的散斑图样，其斑图样在照相底片上的叠加，必定产生一个

36、新的散斑图样，其特点是成对小颗粒的随机分布，在一对颗粒当中，一个颗粒属特点是成对小颗粒的随机分布，在一对颗粒当中，一个颗粒属于第一次曝光，而另一个颗粒属于第二次曝光，记录是相同的。于第一次曝光，而另一个颗粒属于第二次曝光，记录是相同的。显然，经过位移后的散斑，一对颗粒起着两个小孔的作用，它显然，经过位移后的散斑，一对颗粒起着两个小孔的作用，它们在远场必然产生杨氏干涉条纹。们在远场必然产生杨氏干涉条纹。315.4.7 5.4.7 散斑测量散斑测量n（1 1）透明固体折射率和厚度的测定）透明固体折射率和厚度的测定：激光束经扩束准直后，：激光束经扩束准直后，通过半漫透射片照明适当倾斜放置的待测透明体

37、，由于在透明通过半漫透射片照明适当倾斜放置的待测透明体，由于在透明介质分界面上发生两次折射，它经过透明介质后将平移介质分界面上发生两次折射，它经过透明介质后将平移d，这，这将使每个散斑从原来没有透明介质时的位置也产生位移将使每个散斑从原来没有透明介质时的位置也产生位移d。325.4.7 5.4.7 散斑测量：（散斑测量：（2 2）测透明液体的折射率测透明液体的折射率n此时假设有某种介质此时假设有某种介质( (例如水例如水) )的折射率为已知，而求另外一种的折射率为已知，而求另外一种介质的折射率，故称这种测试方法为介质的折射率，故称这种测试方法为内标法内标法。n在一扁平状容器内先注入水，进行第一

38、次曝光，然后放掉水再在一扁平状容器内先注入水，进行第一次曝光，然后放掉水再注入待测液体注入待测液体( (例如酒精例如酒精) )进行第二次曝光。进行第二次曝光。n设设D为容器内液体厚度，为容器内液体厚度， 为入射角，为入射角， 、及及n 、n 及分别是及分别是水和酒精的折射角与折射率，水和酒精的折射角与折射率，d1 1、d2 2是激光束通过容器中的水是激光束通过容器中的水和酒精时相应的平移量，则：和酒精时相应的平移量，则：335.4.8 5.4.8 全息干涉全息干涉测量测量 n全息（照相）术是由全息（照相）术是由DennieGabor（盖伯）教授于（盖伯）教授于19481948年发明年发明的，的

39、，19601960年激光器出现以后，全息术才获得了真正的发展，所年激光器出现以后，全息术才获得了真正的发展，所以常称激光全息照相技术。以常称激光全息照相技术。n普通照相是把物体表面反射和散射的光，通过照相镜头（透镜）普通照相是把物体表面反射和散射的光，通过照相镜头（透镜）成像在感光胶片上。在感光胶片上记录的只是物体的光强分布，成像在感光胶片上。在感光胶片上记录的只是物体的光强分布，得到的是物体的平面像。得到的是物体的平面像。n全息照相则不用透镜成像，全息照相则不用透镜成像，而是借助一束参考光与来自而是借助一束参考光与来自物体的反射或散射光在感光物体的反射或散射光在感光胶片上产生干涉，从而记录胶

40、片上产生干涉，从而记录物光的全部信息，即物光的物光的全部信息，即物光的振幅和相位。振幅和相位。345.4.8 5.4.8 全息干涉测量全息干涉测量 n将这张具有干涉图样的胶片经过适当曝光与冲洗处理之后，就将这张具有干涉图样的胶片经过适当曝光与冲洗处理之后，就得到了被摄物体的全息图（照片），它与普通照片毫无共同之得到了被摄物体的全息图（照片），它与普通照片毫无共同之处，只能看到一些明暗变化的干涉条纹图，但它确实记录了物处，只能看到一些明暗变化的干涉条纹图，但它确实记录了物体的三维几何信息。体的三维几何信息。n要想直接看到物体的像，只要将原来的参考光照射全息图，并要想直接看到物体的像，只要将原来的

41、参考光照射全息图，并在全息图另一侧向全息图看去，就会看到原来物体的像。在全息图另一侧向全息图看去，就会看到原来物体的像。355.4.8 5.4.8 全息干涉测量全息干涉测量 n拍摄全息像的过程称为全息拍摄全息像的过程称为全息记录记录过程，显像过过程，显像过程称为全息程称为全息重现重现过程。过程。n全息干涉的基本概念是，将相隔一段时间拍摄全息干涉的基本概念是，将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张全息图上，再现此的物体波分别记录在同一张全息图上，再现此全息图时，再现的二光波就发生干涉。通过干全息图时，再现的二光波就发生干涉。通过干涉条纹的检测，就可获得被测物体在拍摄时间涉条纹的检测，就可获得

42、被测物体在拍摄时间间隔内发生的变化。间隔内发生的变化。 n实时法实时法全息干涉术、全息干涉术、两次曝光两次曝光全息干涉术。全息干涉术。365.4.8 5.4.8 全息干涉测量全息干涉测量 n实时法实时法全息干涉术指再现时，不取走原物体。这时，原物由于全息干涉术指再现时，不取走原物体。这时，原物由于外界原因，如受应力、热膨胀或温度变化等因素影响，而使它外界原因，如受应力、热膨胀或温度变化等因素影响，而使它发生微小位移或变形，那么再现的初始物光波与变形或位移后发生微小位移或变形，那么再现的初始物光波与变形或位移后的物光波，因为彼此存在光程差而产生干涉现象，从而在观察的物光波，因为彼此存在光程差而产

43、生干涉现象，从而在观察再现像时，不仅可以看到物体本身，而且可以看到物体上面复再现像时，不仅可以看到物体本身，而且可以看到物体上面复杂的干涉条纹。杂的干涉条纹。n改变外界条件，光程差发生变化，干涉条纹也会随着移动。改变外界条件，光程差发生变化，干涉条纹也会随着移动。n这样，就可以通过改变应力、温度，观察条纹的变化情况来研这样，就可以通过改变应力、温度，观察条纹的变化情况来研究物体的变化趋势，从而探测和检查物体的内部缺陷。究物体的变化趋势，从而探测和检查物体的内部缺陷。375.4.8 5.4.8 全息干涉测量全息干涉测量 n假定物体只有假定物体只有位移位移，那么物体上的条纹分布是均匀的。，那么物体

44、上的条纹分布是均匀的。n如果物体只有如果物体只有变形变形，那么物体上变形大的地方条纹就密集而且，那么物体上变形大的地方条纹就密集而且条纹数多，变形小的地方条纹稀疏而且少。条纹数多，变形小的地方条纹稀疏而且少。n假定假定加载加载时，物体内部有时，物体内部有缺陷缺陷，缺陷处外表面的变形与其他地，缺陷处外表面的变形与其他地方不同，因此，该处会显现密集的圆环簇，通过观察圆环簇的方不同，因此，该处会显现密集的圆环簇，通过观察圆环簇的大小和位置，就能判别物体内部缺陷情况。大小和位置，就能判别物体内部缺陷情况。n因为相邻亮因为相邻亮( (或暗或暗) )条纹意味着该两个空间位置间有条纹意味着该两个空间位置间有

45、2 2的位的位移，所以只要数出观察位置间的干涉条纹数目，就能定量地求移，所以只要数出观察位置间的干涉条纹数目，就能定量地求出该位置变形值的相对大小。出该位置变形值的相对大小。385.4.8 5.4.8 全息干涉测量全息干涉测量 n当物体同时存在位移和变形时，情况变得复杂，但是当物体同时存在位移和变形时，情况变得复杂，但是通过观察均匀分布条纹上重叠的不均匀环状或其他形通过观察均匀分布条纹上重叠的不均匀环状或其他形状条纹，还是能确定物体的变形情况。所以，可以用状条纹，还是能确定物体的变形情况。所以，可以用实时法干涉计量对工件作探伤和检验处理。实时法干涉计量对工件作探伤和检验处理。n该方法该方法不足

46、之处不足之处是要求就地处理（包括显影、定影）是要求就地处理（包括显影、定影）全息干板，并且有严格的定位精度要求，稍有定位变全息干板，并且有严格的定位精度要求，稍有定位变化就会掩盖物体的真实变化；另外，它还必须保留原化就会掩盖物体的真实变化；另外，它还必须保留原物体，对它作实地观察，这也带来工作上的不方便。物体，对它作实地观察，这也带来工作上的不方便。为了克服这些缺点，发展了为了克服这些缺点，发展了两次曝光两次曝光全息干涉术。全息干涉术。395.4.8 5.4.8 全息干涉测量全息干涉测量 n在两次曝光全息干涉术中，全息底板的制作与实时法不同。它在两次曝光全息干涉术中，全息底板的制作与实时法不同

47、。它采用采用两步两步操作，操作，第一步第一步摄取变形前物体的全息像（与实时法相摄取变形前物体的全息像（与实时法相同）；但在同）；但在第二步第二步操作时，它并不先对干板作显、定影处理，操作时，它并不先对干板作显、定影处理，而是在同一位置，相同的未处理干板上，对变形后物体进行第而是在同一位置，相同的未处理干板上，对变形后物体进行第二次全息记录过程，换言之，在同一块全息干板上连续摄下变二次全息记录过程，换言之，在同一块全息干板上连续摄下变形前、后两次的物光波干涉记录，然后，再作干板的显、定影形前、后两次的物光波干涉记录，然后，再作干板的显、定影处理。这样，全息底片处记录了处理。这样，全息底片处记录了

48、两个两个不同状态的物体不同状态的物体全息图全息图。当再现时，也能看到由变形或位移而引起的当再现时，也能看到由变形或位移而引起的干涉条纹干涉条纹。n目前，两次曝光法已被用来研究许多材料的特性，如检查材料目前，两次曝光法已被用来研究许多材料的特性，如检查材料内部的缺陷、由外界条件变化产生材料形变然后测出材料性能内部的缺陷、由外界条件变化产生材料形变然后测出材料性能参数、以及不同时刻材料或物体的变化等。参数、以及不同时刻材料或物体的变化等。 405.4.8 5.4.8 全息干涉测量全息干涉测量 n最后应当指出，全息干涉计量适应的位移或形变最后应当指出，全息干涉计量适应的位移或形变不能不能太大太大或或

49、太小太小。如果太大，干涉条纹过分密集，人眼无。如果太大，干涉条纹过分密集，人眼无法分辨；太小，条纹过分稀疏也无法正确测量。因而法分辨；太小，条纹过分稀疏也无法正确测量。因而选择合适的状态变化或该状态变化是否适合于全息干选择合适的状态变化或该状态变化是否适合于全息干涉计量必须事先给予考虑。涉计量必须事先给予考虑。n另外，光波另外，光波频率频率变化也直接影响到相位差，从而也影变化也直接影响到相位差，从而也影响到条纹变化测量的准确性。因此，要提高测量精度响到条纹变化测量的准确性。因此，要提高测量精度也应严格控制激光器输出光波频率的稳定性。也应严格控制激光器输出光波频率的稳定性。 41第第5 5章章

50、光电传感技术光电传感技术n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光电探测器件及弱信号探测技术光电探测器件及弱信号探测技术 n5.4 5.4 激光传感技术激光传感技术 n5.5 5.5 红外传感技术红外传感技术 425.5.1 5.5.1 红外辐射的红外辐射的基本知识基本知识n红外在大气中有红外在大气中有三个波段区间三个波段区间能基本完全透过，我们称之为能基本完全透过，我们称之为大大气窗口气窗口，分为，分为近红外近红外（0.760.761.11.1um），），中红外中红外（3 35 5um），），远红外远红外（8 81414um）。）。n红外线不具有像无

51、线电遥控那样穿过遮挡物去控制被控对象的红外线不具有像无线电遥控那样穿过遮挡物去控制被控对象的能力，红外线的辐射距离一般为能力，红外线的辐射距离一般为几米几米到到几十米几十米或更远一点。或更远一点。n红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：成五类：（1 1）辐射计）辐射计，用于辐射和光谱测量；，用于辐射和光谱测量；（2 2）搜索和跟）搜索和跟踪系统踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；运动进行跟踪；（3 3）热成像系统）热成像系统，可产生整个目

52、标红外辐射，可产生整个目标红外辐射的分布图像；的分布图像；（4 4）红外测距和通信系统）红外测距和通信系统；（5 5）混合系统）混合系统，是，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。指以上各类系统中的两个或者多个的组合。435.5.2 5.5.2 红外辐射的红外辐射的基本定律基本定律（1 1）基尔霍夫基尔霍夫定律定律n一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能；如果几个物体处于同一温场中，各物体的热发射能；如果几个物体处于同一温场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领。射本领正比于它的吸收本领。n黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物

53、体，黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体的吸收本领与波长和温度无关。黑体的吸收本领与波长和温度无关。n黑体的吸收本领最大，加热后，它发射的热辐射也比黑体的吸收本领最大，加热后，它发射的热辐射也比任何物体都要大。任何物体都要大。0EEr445.5.2 5.5.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律（2）斯忒斯忒藩藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律定律物体的总的出射辐射度与温度的四次方成正比。物体的总的出射辐射度与温度的四次方成正比。40)(TTM4)(TTMT455.5.2 5.5.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律（2 2）维恩维恩位移位移定律定律热辐射电磁波中包含各种波长，从实验可

54、知，热辐射电磁波中包含各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度成以物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度成以下关系：下关系：KmTm2897465.5.35.5.3 红外红外探测器探测器：1 1. .热热探测器探测器n热探测器也通称为能量探测器，其原理是利用辐射的热热探测器也通称为能量探测器，其原理是利用辐射的热效应，通过效应，通过热电变换热电变换来探测辐射。来探测辐射。n入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应元的温入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应元的温度升高，响应元材料的某一物理量随之而发生变化。利度升高，响应元材料的某一物理量随之而发生变化。利用不同物理效应可

55、设计出不同类型的热探测器，其换能用不同物理效应可设计出不同类型的热探测器，其换能过程主要有：热阻效应（热敏电阻）、热伏效应（热电过程主要有：热阻效应（热敏电阻）、热伏效应（热电偶偶/热电堆热释电效应。热电堆热释电效应。n由于各种热探测器都是先将辐射转化为热并产生温升，由于各种热探测器都是先将辐射转化为热并产生温升，而这一过程通常很慢，热探测器的时间常数要比光子探而这一过程通常很慢，热探测器的时间常数要比光子探测器大得多。因此，热探测器不适合用于快速、高灵敏测器大得多。因此，热探测器不适合用于快速、高灵敏度的探测。热探测器的最大优点是光谱响应范围较宽且度的探测。热探测器的最大优点是光谱响应范围较

56、宽且较平坦。较平坦。475.5.3 5.5.3 红外探测器：红外探测器：2.2.光子光子探测器探测器n光子探测器的工作机理是光子与探测器材料直接作用，产生内光子探测器的工作机理是光子与探测器材料直接作用，产生内光电效应，其换能过程包括：光生伏特效应、光电导效应、光光电效应，其换能过程包括：光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应等。它基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电磁效应等。它基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子（即电子或空穴）电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子（即电子或空穴）数目的变化。数目的变化。n由于这种变化是由入射光子数的变化引起

57、的，光子探测器的响由于这种变化是由入射光子数的变化引起的，光子探测器的响应正比于吸收的光子数。而热探测器的响应正比与所吸收的能应正比于吸收的光子数。而热探测器的响应正比与所吸收的能量，因此，光子探测器的探测率一般比热探测器要大量，因此，光子探测器的探测率一般比热探测器要大1 1至至2 2个数个数量级，其响应时间为微秒或纳秒级。量级，其响应时间为微秒或纳秒级。n光子探测器的光谱响应特性与热探测器完全不同，通常需要制光子探测器的光谱响应特性与热探测器完全不同，通常需要制冷至较低温度才能正常工作。冷至较低温度才能正常工作。485.5.3 5.5.3 红外探测器：红外探测器：3.3.基本参数基本参数

58、n（1 1）响应率）响应率r：输出电压输出电压与与输入输入的红外辐射的红外辐射功率功率之比。之比。n（2 2）响应波长范围）响应波长范围：红外探测器的：红外探测器的响应率响应率r与辐射的与辐射的波长波长有一有一定的关系。曲线定的关系。曲线为为热热敏探测器的特性，热敏红外探测器响应敏探测器的特性，热敏红外探测器响应率率r与波长与波长无关；无关；光光电探测器的光谱响应如图中曲线电探测器的光谱响应如图中曲线所示，所示，P对应响应峰值对应响应峰值rP，rP/2/2于对应为截止波长于对应为截止波长c。 PUr0495.5.3 5.5.3 红外探测器：红外探测器：3.3.基本参数基本参数 n(3)(3)噪

59、声等效功率噪声等效功率(NEP)(NEP)：若投射到探测器上的红外辐射功率所：若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率率就叫做噪声等效功率(NEP)(NEP)。噪声等效功率是一个可测量的。噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为，测得的输出电压为U0，然后除去，然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为辐射源，测得探测器的噪声电压为UN，则按比例计算，要使，则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为：，的辐射功率为：n(4) (4)

60、 探测率探测率D* *：经过分析，发现：经过分析，发现NEPNEP与检测元件的面积与检测元件的面积S S和放和放大器带宽大器带宽f 乘积的平方根成正比，比例系数的倒数称为探测乘积的平方根成正比，比例系数的倒数称为探测率率D* *。D* *实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积、放实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积、放大器的带宽为大器的带宽为1Hz时的辐射所获得的信噪比。时的辐射所获得的信噪比。rUUUPNN0NEP)/cm(NEP*WHzfSUrfSDN505.5.45.5.4 红外传感系统的红外传感系统的组成组成n（1 1）待测目标）待测目标：根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系：