光电检测技术与应用-第1章-绪论

1、光电检测技术与应用-第1章-绪论第一页，共44页。1.1 信息技术及光电检测技术信息技术： 微电子技术、光子信息技术和光电信息技术传统的电子技术微电子技术光子信息技术光电信息技术10/11/20222第二页，共44页。微电子技术：通过控制固体内电子的微观运动来实现对信息的加工处理，并在固体的微区（小到几个晶格）内进行，将一个电子功能部件甚至一个系统集成在一个很小的芯片上。光子信息技术：以光集成技术为核心的有关光学元器件制造的应用技术，利用传统工艺将有源和无源光学器件集成在一起，构成能完成光学信息采集处理和存储等功能的系统光电信息技术：光与电子转换及其应用技术，光频段微电子技术。传统的电子技术微

2、电子技术光子信息技术光电信息技术光电检测技术10/11/20223第三页，共44页。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,以光电子器件为主体,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10/11/20224第四页，共44页。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

3、学 本课程着重在光电检测的元器件、系统、方法和应用。 10/11/20225第五页，共44页。光电检测技术光电传感器：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10/11/20226第六页，共44页。光电探测器的种类类 型实 例PN结PN光电二极管（Si,Ge, GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si, Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)

4、非PN结光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS)热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池返回10/11/20227第七页，共44页。光电检测系统(一)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

5、何量或物理量。10/11/20228第八页，共44页。光电检测系统(二)变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理10/11/20229第九页，共44页。光电检测系统(三)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。10/11/202210第十页，共44页。光电检测系

6、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 10/11/202211第十一页，共44页。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10/11/202212第十二页，共44页。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

7、检测图形分析10/11/202213第十三页，共44页。1.2 光电检测与光电传感器概念1、检测与测量检测：通过一定的物理方式 ，分辨出被测参量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。测量方式：直接测量：温度计，电压表间接测量：由电压和电流数值，通过关系计算出功率 10/11/202214第十四页，共44页。2、光电传感器与敏感器的概念敏感器光电传感器-光电效应：将光信号转换为电信号（确定对应关系）可测非电量电量光电传感器被测非电量敏感器10/11/202215第十五页，共44

8、页。1.3 光电检测系统的组成及特点一般电子检测系统传感器信号变换器输出环节传感器：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10/11/202216第十六页，共44页。一般光电系统光发射机光学通道光接收机光发射机：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10/11/202217第十七页，共44页。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

9、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）10/11/202218第十八页，共44页。光接收机的分类图示透镜光电检测器接收到的光场空间滤波器频率滤波器直接检测接收机外差检测接收机合束镜光电检测器接收到的光场本地激光器本地光场聚焦光场透镜10/11/202219第十九页，共44页。光电系统框图光源光学系统被测对象光学变换光电转换电信号处理存储显示控制光学变换：通过各种光学元件和光学系统，如平面镜、狭缝、透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现 ，作用是将被测量转换为光参量（

10、振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化等）。光电转换：由各种光电器件来实现，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。10/11/202220第二十页，共44页。光电系统的分类1、光电系统的分类：广义的光电系统包括两个分支，即光电能量系统、光电信息系统 （1）光电能量系统：太阳能发电、激光加工、激光医疗、激光核聚变等。主要是解决有关大功率光辐射能量的产生、控制、利用及向其他能量形式的转换。（2）光电信息系统：以光辐射和电子流为信息载体，通过光电或电光相互转换，综合利用光学或电子学的方法进行信息的传输、采集、处理、存储或显示、以实现确定目标的混合系统，简称光电系统。10/11/202221第

11、二十一页，共44页。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。10/11/202222第二十二页，共44页。（3）电-光-电型： 电信号经过电光变换得到可在光

12、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。10/11/202223第二十三页，共44页。（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

13、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（机、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。所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和接收解调两个主要方面。 10/11/202224第二十四页，共44页。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秒；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达

14、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。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10/11/202225第二十五页，共44页。了解并掌握典型的光电器件的原理和特点，会正确选用光电器件。学会根据光电器件的特点选择和设计光电检测电路和有关参数。能根据被测对象的要求，设计光电检测系统。光电检测技术的学

15、习要求：10/11/202226第二十六页，共44页。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。10/11/202227第二十七页，共44页。光电检测的基本方法根据检测原理，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

16、量。被测物理量光通量光电传感器放大、定标直接读数光电系统的基本模型10/11/202228第二十八页，共44页。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，放大相敏检波器uACREUL调制盘被测物光楔反光镜21双光路差动测量法测量物体长度10/11/202229第二十九页，共44页。工作原理：1=2时，U=0O1212tUOtO1212tUOtO1212tUOt12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。测量值U的幅值工件大

17、小10/11/202230第三十页，共44页。相敏检测器：核心是由一个乘法器和一个滤波器，如图一路为信号us，另一路为uR。ui=us=Eisin(1t+1), uR=ERsin(2t+2),滤波器ui或usu0uRu0=uiuR=1/2gEiERcos2(f1-f2)t+1-2)- 1/2gEiERcos(2(f1+f2)t+1+2滤去高频信号后，u0=uiuR=1/2gEiERcos2(f1-f2)t+1-2如f1=f2，则u0=1/2gEiERcos(1-2)=1/2gEiERcos10/11/202231第三十一页，共44页。特性分析： =0，则u0输出为正， =，则u0输出为负。相敏

18、检波器用途： 可用来测幅，测相， 还可高频信号变成中频信号（差频信号）双光路外差检测特点： 双光路可消除杂散光、光源波动、温度变化和电源电压波动带来的测量误差，使测量精度和灵敏度大大提高。10/11/202232第三十二页，共44页。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。放大相敏检波器uACREUL调制盘被测物光楔反光镜21移动控制及读数显示10/11/202233第三十三页

19、，共44页。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*Nk-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。vnR1ER2高频脉冲N计数器10/11/202234第三十四页，共44页。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控制时间tRE放大整形N计数脉冲测量法特点：抗

20、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。10/11/202235第三十五页，共44页。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。10/11/202236第三十六页，共44页。一、在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装

21、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10/11/202237第三十七页，共44页。检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度