光電檢測(cè)技術(shù)課件5

1、非相干信號(hào)的光電變換與檢測(cè) 光電信號(hào)的變換 直接檢測(cè)系統(tǒng) 隨時(shí)間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法 隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法1非相干信號(hào)的光電變換與檢測(cè) 光電信號(hào)的變換 直接檢測(cè)系統(tǒng) 隨時(shí)間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法 隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法2光電變換在光電系統(tǒng)中，通常要借助幾何光學(xué)、物理光學(xué)和光電子學(xué)的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，包括將一種光量轉(zhuǎn)換成另一種光量， 將非光量轉(zhuǎn)換成光量或?qū)⑦B續(xù)光量轉(zhuǎn)換成脈沖光量目的：將待測(cè)信息加載到光載波上進(jìn)而形成光電信號(hào)改善系統(tǒng)的時(shí)間和空間分辨力和動(dòng)態(tài)品質(zhì)， 提高傳輸效率和檢測(cè)精度改善系統(tǒng)的檢測(cè)信噪比， 提高工作可靠性3被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)光電系統(tǒng)

2、所接收的信號(hào)完全來(lái)自被測(cè)對(duì)象的自發(fā)輻射而不用人工光源信息源通過(guò)調(diào)制光源的電源電壓或電流，把信息加載到光載波上，而發(fā)射調(diào)制光；或者用光電系統(tǒng)照射目標(biāo)再進(jìn)行光電變化，被接收系統(tǒng)接收4相干檢測(cè)和非相干檢測(cè)若光信息為光強(qiáng)，即被測(cè)信號(hào)加載到光載波的強(qiáng)度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源直接檢測(cè)光電系統(tǒng)，也是一種非相干檢測(cè)；若光信息加載于相干光源載波的振幅、頻率或相位變化之中相干檢測(cè)系統(tǒng)；若光源是非相干光，使光信息加載于相干光源載波的振幅、頻率或相位變化之中非相干檢測(cè)系統(tǒng)。5典型光信號(hào)變換方法變換方法光學(xué)原理應(yīng)用范圍幾何光學(xué)法投射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象和方法光開(kāi)關(guān)、光學(xué)編碼

3、、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)角、測(cè)距物理光學(xué)法干涉、衍射、散斑、全息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象或方法干涉計(jì)量、全息計(jì)量、散斑計(jì)量、外差干涉、光譜分析、多普勒測(cè)速光電子學(xué)法電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光和傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開(kāi)關(guān)、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示 6非相干信號(hào)的光電變換與檢測(cè) 光電信號(hào)的變換 直接檢測(cè)系統(tǒng) 隨時(shí)間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法 隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法7直接探測(cè)系統(tǒng)的性能分析光電探測(cè)器的基本功能是把入射到探測(cè)器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電流光電流是光電探測(cè)器對(duì)入射光功率的響應(yīng)，如果傳遞的信息表現(xiàn)為光功率

4、的變化，利用光電探測(cè)器的直接光電轉(zhuǎn)換功能就能實(shí)現(xiàn)信息的直接解調(diào)8光電探測(cè)器的平方律特性假定入射光的電場(chǎng)為 是等幅余弦變化光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換定律若探測(cè)器的負(fù)載電阻為RL，那么光電探測(cè)器的輸出功率電輸出功率正比于入射光功率的平方；光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方9直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比設(shè)入射光電探測(cè)器的信號(hào)功率為Pi，噪聲功率為ni，光電探測(cè)器的輸出電功率為Po，輸出噪聲功率為no，則總的輸入功率為Pini，總的輸出功率為Pono由光電探測(cè)器的平方律特性信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有10根據(jù)信噪比的定義，輸出信噪比為 若（Pi/ni）1，則有 輸出信噪比等于輸入信噪比之半，光電轉(zhuǎn)換后的信躁比損失不大，適宜于強(qiáng)

5、光探測(cè)11直接探測(cè)系統(tǒng)的噪聲 信號(hào)光功率的散粒噪聲 背景光功率的散粒噪聲 光電器件熱噪聲 光電器件暗電流引起的散粒噪聲直接檢測(cè)屬于非相干檢測(cè)，噪聲有：12直接探測(cè)信噪比和量子極限總的噪聲電流直接檢測(cè)的信噪比只考慮信號(hào)光功率引起的噪聲，得到極限信噪比13非相干信號(hào)的光電變換與檢測(cè) 光電信號(hào)的變換 直接檢測(cè)系統(tǒng) 隨時(shí)間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法 隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法14隨時(shí)間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法信號(hào)隨時(shí)間緩慢變化或周期性以及瞬時(shí)變化，發(fā)生在有限空間內(nèi)，與時(shí)間有關(guān)于空間無(wú)關(guān)。光電信號(hào)F(t)幅值法頻率法相位法時(shí)間法直讀法零位法差動(dòng)法補(bǔ)償法波數(shù)測(cè)量法頻率測(cè)量法15幅值法 定義：

6、這種變換的特點(diǎn)是利用光的透射、反射、折射、遮光和成像的方法將被測(cè)信號(hào)直接加載到光通量的變化之中，在利用光電器件檢測(cè)光通量的幅值變化。 應(yīng)用：光開(kāi)關(guān)、輻射測(cè)溫、測(cè)表面粗糙度、測(cè)氣體或液體濃度、透過(guò)率、反射率 。16a 直讀法樣品光電器件放大顯示 直讀法原理圖缺點(diǎn)：光源光通量不穩(wěn)定將帶來(lái)誤差17b 指零法提高單通道系統(tǒng)測(cè)量精度最簡(jiǎn)單的方法是指零法。 利用標(biāo)定好的讀數(shù)裝置來(lái)補(bǔ)償光通量的不穩(wěn)定影響， 使測(cè)量系統(tǒng)在輸出光通量為零的狀態(tài)下讀數(shù)。磁致旋光檢測(cè)讀數(shù)裝置準(zhǔn)直鏡起偏器檢偏器物鏡光電器件H 起偏器垂直于檢偏器 調(diào)節(jié)讀數(shù)裝置，使檢偏器轉(zhuǎn)角等于被檢物質(zhì)引起的偏振面轉(zhuǎn)角18c 差動(dòng)法 為了減小單通道法入射

7、光通量對(duì)測(cè)量的影響，可以采用雙通道差動(dòng)法 物體透過(guò)率測(cè)量為例KMS1=S2 光源輻射發(fā)生波動(dòng)19幅值檢測(cè)法工件尺寸的檢測(cè)單通道測(cè)量法雙通道測(cè)量法U0A前置放大光闌前置放大差動(dòng)放大U1L20非相干光檢測(cè)頻率法 頻率法應(yīng)用于被測(cè)信息周期性變化的情況，被測(cè)信號(hào)載荷于光通量的變化次數(shù)或頻率的快慢之中，用來(lái)測(cè)量光通量的頻率和波數(shù)的方法頻率測(cè)量法與前面介紹的幅值測(cè)量法相比具有更高的精度，因?yàn)轭l率的穩(wěn)定度高于幅值的穩(wěn)定度，大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。且頻率測(cè)量是數(shù)字式的， 易于與計(jì)算機(jī)相連，使用方便。21a 波數(shù)測(cè)量法 波數(shù)測(cè)量法通常用于測(cè)量光通量隨著被測(cè)信息變化的周期數(shù)來(lái)檢測(cè)被測(cè)量，如光柵莫爾條紋的測(cè)量技術(shù)。光電

8、器件標(biāo)尺光柵指示光柵準(zhǔn)直鏡X光柵莫爾條紋測(cè)量22b 頻率測(cè)量法 若要測(cè)量光柵尺的運(yùn)動(dòng)速度， 只需將光柵尺的位移對(duì)時(shí)間微分，即 dN/dt為波數(shù)的時(shí)間變化率 dx/dt 為速度，即運(yùn)動(dòng)速度與光通量變化頻 率成正比23非相干光檢測(cè)相位和時(shí)間測(cè)量法a. 相位測(cè)量法如果光載波的光通量被調(diào)制成隨時(shí)間呈周期變化，而被測(cè)信息加載于光通量的相位之中，檢測(cè)到這個(gè)相位值即能確定被測(cè)值，這種方法稱為光通量的相位測(cè)量法典型的光通量相位測(cè)量實(shí)例是光電測(cè)距，其原理：該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為光源，再光源的供電電路中施加正弦電壓，則半導(dǎo)體激光器就發(fā)射出正弦規(guī)律變化的光通量 24若被測(cè)距離為D, 從發(fā)射光至返回光的時(shí)間為t，

9、光的傳播速度為c， 則這段時(shí)間里光載波的相位改變了 ， 即 從而待測(cè)距離D為 n 為空氣折射率12345671.半導(dǎo)體激光器激勵(lì)源2.半導(dǎo)體激光器3，5.光學(xué)系統(tǒng)4. 靶鏡 6.光電器件7. 放大電路25b. 時(shí)間測(cè)量法若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時(shí)可用測(cè)量單個(gè)脈沖的時(shí)間延遲來(lái)測(cè)距離，稱為時(shí)間法。若該巨脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間延遲為t, 則被測(cè)距離為 D=1/2 ct 時(shí)間法測(cè)距原理1激光器 2，4光學(xué)系統(tǒng)3目標(biāo) 5光電器件12345D26b. 時(shí)間測(cè)量法 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值N，則從而得到 K 是測(cè)距脈沖當(dāng)量； 隨著測(cè)距脈沖頻率f提高，系統(tǒng)測(cè)距分辨率也越高。27光電測(cè)距光源發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)傳輸介質(zhì)目

10、標(biāo)物接收光學(xué)系統(tǒng)光電檢測(cè)器件檢測(cè)電路光電測(cè)距系統(tǒng)傳輸介質(zhì)作用距離是指相對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，光電系統(tǒng)所允許的最小接收能量相對(duì)應(yīng)的距離叫做測(cè)距系統(tǒng)的作用距離。(1)(2)(3)為了提高測(cè)距系統(tǒng)的作用距離應(yīng)該使用功率大、發(fā)散角小的光源；提高光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率；使用大口徑的光學(xué)系統(tǒng)28非相干信號(hào)的光電變換與檢測(cè) 光電信號(hào)的變換 直接檢測(cè)系統(tǒng) 隨時(shí)間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法 隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法29隨空間變化的光電信號(hào)變化和檢測(cè)方法1. 幾何中心檢測(cè)法用于光強(qiáng)隨空間分布的光信號(hào)位置檢測(cè)，又稱光學(xué)目標(biāo)定位 ；光學(xué)目標(biāo)不考慮對(duì)象的物理性質(zhì)，把它看成與背景有一定光強(qiáng)反差的幾何形體或景物；當(dāng)幾何形體由簡(jiǎn)

11、單的點(diǎn)、線、面等規(guī)則形體構(gòu)成稱為簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)，如刻線、狹縫、十字線、光斑、方框。30幾何中心檢測(cè)法一般用于簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)的空間定位。光學(xué)目標(biāo)和其襯底間的反差形成物體表面輪廓。通過(guò)檢測(cè)與目標(biāo)輪廓分布相應(yīng)的像空間分布來(lái)確定物體中心位置的方法。輪廓的中心位置為幾何中心x1x2xG0 xy31單通道像空間分析器若光電器件接收光通量為(x)，狹縫照度分布為E(x)，取樣窗口函數(shù)h(x)，則定位特性1234567x靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖1光源 2聚光鏡 3分光鏡 4-物鏡 5刻度尺6-狹縫 7-光電器件lbd32單通道像空間分析器定位信號(hào)用h(x)和E(x)的卷積得到33掃描調(diào)制式像分析器與靜態(tài)光電顯微鏡

12、掃描調(diào)制式靜態(tài)光電顯微鏡，它增加了用于調(diào)制的振動(dòng)反射鏡6，從而實(shí)現(xiàn)像在縫上作周期掃描運(yùn)動(dòng)，使透過(guò)狹縫的光通量變成連續(xù)時(shí)間調(diào)制信號(hào)，再通過(guò)狹縫實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，最后由光電器件得到連續(xù)的幅度調(diào)制輸出掃描調(diào)制12345786掃描調(diào)制式靜態(tài)34掃描調(diào)制式像分析器掃描調(diào)制式像分析器的波形圖T1 T2 t0A(t)0t對(duì)準(zhǔn)狀態(tài) 偏右狀態(tài) 偏左狀態(tài)T1 T2 t0A(t)0tT1 T2 t0A(t)0t352. 幾何位置檢測(cè)法用光電方法來(lái)確定目標(biāo)的幾何位置，常用顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)或投影光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)物成像，然后用一個(gè)和幾何位置相關(guān)的指示線對(duì)成像輪廓進(jìn)行瞄準(zhǔn)，以確定物體的空間位置。ADFEBCRLABC

13、D+Ua 輪廓光電瞄準(zhǔn)法對(duì)準(zhǔn)不確定度在0.5m左右。36b 輪廓像偏移的光焦點(diǎn)測(cè)量法光焦點(diǎn)法是以聚焦光斑光密度分布的集中程度來(lái)判斷物體的軸向位置的方法光縫法刀口法像散法37輪廓像偏移的光焦點(diǎn)測(cè)量法 像散法半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由偏振分光鏡3將某一振動(dòng)方向的偏振光反射，經(jīng)過(guò)/4片后變成圓偏振光，由物鏡將光束在物面上匯聚為圓光點(diǎn)。被物面發(fā)射光束經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)/4片后變成線偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，經(jīng)偏振分光鏡全部透射，經(jīng)柱面鏡產(chǎn)生像散成像。38像點(diǎn)軸外偏移的光焦點(diǎn)法 是一種三角方式的軸向位移測(cè)量，用于數(shù)mm到數(shù)m距離的精密測(cè)量。a）測(cè)量范圍可達(dá)數(shù)百mm；分辨力1m。a）分辨力0.1m。39

14、3 亮度中心檢測(cè)方法 光輻射的亮度分布是光能量沿空間的分布，當(dāng)物體按輻射能量相等的標(biāo)準(zhǔn)將總能量分為兩部分，其中心位置為亮度中心B0, 這樣亮度中心位置可以表示為： B(x) 為亮度分布函數(shù) 通過(guò)測(cè)量與物空間亮度分布 相對(duì)應(yīng)的像空間照度分布來(lái)確定目標(biāo)能量中心位置的方法 稱為亮度中心檢測(cè)法。 40a 象限檢測(cè)器象限檢測(cè)器使用四象限光電池或四象限光敏二極管作成光靶與光學(xué)系統(tǒng)相配合來(lái)檢測(cè)亮度中心測(cè)量直線度或位移象限數(shù) 4光敏面直徑(mm) 16mm響應(yīng)度(1.06um) 0.35 A/W響應(yīng)時(shí)間(ns) 40探測(cè)波長(zhǎng)(um) 0.41.1工作溫度() -40+60SPD-045 4114 Uy Ux象限檢測(cè)器XY42小結(jié)光源、光學(xué)變換和光電器件一起構(gòu)成光電檢測(cè)系統(tǒng)；若光電系統(tǒng)所接收的信號(hào)來(lái)源被測(cè)對(duì)象輻射，稱為被動(dòng)光電系統(tǒng)；若信號(hào)來(lái)源調(diào)制光源，或人工光源，稱為主動(dòng)光電系統(tǒng)；若光源采用非相干光源，稱為非相干光檢測(cè)光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信息處理存儲(chǔ)控制顯示 光信號(hào)獲取