光電檢測第一章緒論

2023/12/12南京工程學(xué)院1光電檢測技術(shù)光學(xué)基礎(chǔ)測試器件處理電路2023/12/12南京工程學(xué)院2光電檢測技術(shù)課程簡介課程性質(zhì)：專業(yè)課學(xué)分：2.5學(xué)時(shí)：40（34學(xué)時(shí)講課+6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）先修課程：大學(xué)物理、傳感器、電子線路、微機(jī)原理使用教材：《光電檢測技術(shù)》雷玉堂等編著

中國計(jì)量出版社考書目：《光電檢測技術(shù)》習(xí)題與實(shí)驗(yàn)雷玉堂等編著中國計(jì)量出版社《光電測試技術(shù)》浦昭邦機(jī)械工業(yè)出版社2023/12/12南京工程學(xué)院3考核要求：成績組成：期末70%，平時(shí)10%，實(shí)驗(yàn)20%考試方法：閉卷題庫2023/12/12南京工程學(xué)院4第一章：概論；光電檢測系統(tǒng)的組成。第二章：理論基礎(chǔ)；光的基本度量方法和度量參數(shù)、常見的光學(xué)系統(tǒng)。第三章：光學(xué)系統(tǒng)常見光源第四章：各類光電與電光器件；光電檢測器件是利用物

質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。紫外光探測器按工作波段分：可見光探測器紅外光探測器非成像型按應(yīng)用分：變像管成像型像增強(qiáng)器攝像管

光子檢測器件按反應(yīng)機(jī)理（結(jié)構(gòu)形式）分熱電檢測器件教學(xué)內(nèi)容2023/12/12南京工程學(xué)院5第五章：介紹光電檢測電路的組成、設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法。第六章：光束的調(diào)制與掃描技術(shù)第七章：非相干信號的光電變換與檢測第八章：相干變換與檢測方法教學(xué)內(nèi)容2023/12/12南京工程學(xué)院6學(xué)習(xí)本課程的目的了解光電檢測系統(tǒng)的基本組成，光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。掌握光電檢測器件（傳感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它們的應(yīng)用范圍。能夠根據(jù)特性參數(shù)，選擇合適的光電檢測器件。熟悉常用器件的性能指標(biāo)。掌握了解常用光電檢測技術(shù)的測量、數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)換的方法，了解所需的元器件、儀器和相關(guān)的接口技術(shù)。2023/12/12南京工程學(xué)院7光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)：一種非接觸測量的高新技術(shù)。以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。2023/12/12南京工程學(xué)院8變換電路光電傳感光源光學(xué)系統(tǒng)被測對象光學(xué)變換電信號處理存儲顯示控制光學(xué)變換電路處理光電檢測系統(tǒng)的組成光電變換2023/12/12南京工程學(xué)院9光學(xué)變換時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學(xué)掃描光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長、相位、偏振形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）。電路處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。光電檢測系統(tǒng)的具體作用2023/12/12南京工程學(xué)院10光電探測器的種類類型實(shí)例PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge,GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si,Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)光電池非PN結(jié)光敏電阻(CdS,CdSe,Se,PbS)熱電元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）2023/12/12南京工程學(xué)院11光電檢測系統(tǒng)與人操作功能比較被測物體感覺器官人腦手控被測物體光電傳感微機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)光電傳感部分相當(dāng)于人身的感覺器官2023/12/12南京工程學(xué)院12光電檢測系統(tǒng)的功能分類測量檢查型:幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。運(yùn)動(dòng)量：速度、加速度、振動(dòng)表面形狀：光潔度、庇病、傷痕工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等2023/12/12南京工程學(xué)院13控制跟蹤型跟蹤控制：激光制導(dǎo)，紅外制導(dǎo)數(shù)值控制：自動(dòng)定位，圖形加工形成，數(shù)值控制圖象分析型圖形檢測圖形分析機(jī)械量：重量、壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng)電學(xué)量：電流、電壓、電場、磁場光學(xué)量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜2023/12/12南京工程學(xué)院14光電檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)一般電子檢測系統(tǒng)傳感器信號變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測對象中提取被測信號，轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)信號變換電路：完成信號的轉(zhuǎn)換、濾波和放大2023/12/12南京工程學(xué)院15一般光電系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)光學(xué)通道光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)：分為主動(dòng)式和被動(dòng)式

主動(dòng)式：光源（或加調(diào)制器）被動(dòng)式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學(xué)通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機(jī)：收集入射的光信號并加以處理，恢復(fù)光載波信息2023/12/12南京工程學(xué)院16光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)接收到的光場接收透鏡系統(tǒng)光電檢測器后繼檢測處理器接收透鏡系統(tǒng)：對光信號進(jìn)行濾波、聚焦，入射到光檢測器上光電檢測器：完成光電信號的轉(zhuǎn)換檢測處理電路：完成電信號的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號。光接收機(jī)的分類功率檢測接收機(jī)—直接檢測或非相干檢測

外差檢測接收機(jī)—相干檢測（空間相干）2023/12/12南京工程學(xué)院17光接收機(jī)的分類圖示透鏡光電檢測器接收到的光場空間濾波器頻率濾波器直接檢測接收機(jī)外差檢測接收機(jī)合束鏡光電檢測器接收到的光場本地激光器本地光場聚焦光場透鏡2023/12/12南京工程學(xué)院182、光電系統(tǒng)大致可分作下列幾種類型。

（1）光-電型（應(yīng)用最廣泛）：被測量對象經(jīng)過光機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生光信號，其通過光電轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)入電子系統(tǒng)，光學(xué)儀器的自動(dòng)化常采用這種方式。若經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理，可組成部分代替人的視覺和思維活動(dòng)的機(jī)器視覺系統(tǒng)。例如：智能化的工業(yè)在線檢測。（2）光-電-光型：

由光機(jī)系統(tǒng)采集到的光信號通過光電轉(zhuǎn)換（A/D）成電信號，經(jīng)電信號處理后再經(jīng)過電光變換形成光信號輸出。例如：電視技術(shù)中的攝像管，顯像管以及聲像光盤的錄制和再現(xiàn)都是這類系統(tǒng)的代表。2023/12/12南京工程學(xué)院19（3）電-光-電型：電信號經(jīng)過電光變換得到可在光路中傳輸?shù)墓庑盘枺诮?jīng)過光電變換為電信號后作進(jìn)一步處理或輸出。典型應(yīng)用如光纖通訊，其主要利用光纖對光信號進(jìn)行傳輸。（4）光電混合型：其主要特點(diǎn)是使傳統(tǒng)光路實(shí)現(xiàn)光路器件的“有源化”和封閉的光束網(wǎng)絡(luò)，例如光導(dǎo)纖維、空間調(diào)制器等。這將最終組成有源可控的光學(xué)系統(tǒng)和集成光路。和現(xiàn)有的無源光路比較，這是光學(xué)技術(shù)的根本變革。2023/12/12南京工程學(xué)院20（5）電光混合型這種系統(tǒng)的目標(biāo)是將電路系統(tǒng)元器件的功能用光學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)，即所謂的電路元件的“光子化”，例如光學(xué)晶體管和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件等，目前許多單元器件已相繼問世或正在研制中。后兩種光電系統(tǒng)是光電技術(shù)未來的發(fā)展方向，其中的光電混合式或全光學(xué)式的光學(xué)計(jì)算機(jī)是這些系統(tǒng)最有吸引力的發(fā)展目標(biāo)。

通過上面的學(xué)習(xí)我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是通過光電檢測——所有被研究的信息都將通過各種效應(yīng)（力、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號，并通過電子線路和計(jì)算機(jī)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器的自動(dòng)化。因此，光電檢測作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。2023/12/12南京工程學(xué)院21高精度。

各種檢測技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測長度的精度達(dá)0.05um/m；光柵莫爾條紋法測角可達(dá)0.04″；用激光測距法測量地球到月球之間距離分辨率可達(dá)1m。高速度。

光電檢測以光為介質(zhì)，用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。遠(yuǎn)距離，大量程。

光便于遠(yuǎn)距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測，如武器制導(dǎo)，光電跟蹤，電視遙測等。光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)2023/12/12南京工程學(xué)院22非接觸檢測。

光照可認(rèn)為是沒有測量力的，也無磨擦，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，效率最高。壽命長。

光波可永久使用。具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力?？蓪?fù)雜信息并行處理。。同時(shí)光電方法還便于信息控制和存儲，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)2023/12/12南京工程學(xué)院231.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢光電傳感器的類型根據(jù)光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，可分為：直射型：光電轉(zhuǎn)換器對著光源放置，光軸重合，對于光源為發(fā)射光通量最大方向，對于光電器件為靈敏度最高的方向。反射型：分為單向反射和漫反射輻射型：被測物體本身為一輻射源，光電檢測器通過接收被測物體的輻射光能量實(shí)現(xiàn)測量。2023/12/12南京工程學(xué)院24光電檢測的基本方法直接作用法、差動(dòng)測量法、補(bǔ)償測量法和脈沖測量法I、直接作用法：受被測物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測機(jī)構(gòu)可直接得到所求被測物理量。被測物理量光通量光電傳感器放大、定標(biāo)直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型2023/12/12南京工程學(xué)院25II、差動(dòng)測量法：利用被測量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測量的大小，放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1雙光路差動(dòng)測量法測量物體長度2023/12/12南京工程學(xué)院26工作原理：Φ1=Φ2時(shí)，U=0ΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦ1>Φ2時(shí)，工件尺寸變小

U=S*(Φ1-Φ2)=S*ΔΦΦ1<Φ2時(shí)，工件尺寸變大

U=S*(Φ1-Φ2)=-S*ΔΦ說明：測量值的大小決定了U的幅值，測量值的正負(fù)決定于U的相位，可通過相敏檢波器得到。測量值U的幅值工件大小2023/12/12南京工程學(xué)院27III、補(bǔ)償測量法：原理：是用光或電的方法補(bǔ)償由被測量變化而引起的光通量變化，補(bǔ)償器的可動(dòng)元件連接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值，其大小反應(yīng)被測量變化大小。例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動(dòng)，使Φ1-Φ2=0，光楔移動(dòng)與讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測值。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1移動(dòng)控制及讀數(shù)顯示2023/12/12南京工程學(xué)院28IV、脈沖測量法：原理：測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測量的大小。1、脈寬方法測長度：測量關(guān)系式：

L=v*t=v*k*N=K*Nk---高頻脈沖時(shí)間當(dāng)量K---長度當(dāng)量N---計(jì)數(shù)器值高頻脈沖可取自電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)動(dòng)輪上脈沖，消除不勻速帶來的誤差。vnR1ER2高頻脈沖N計(jì)數(shù)器2023/12/12南京工程學(xué)院292、頻率法測速：在轉(zhuǎn)動(dòng)輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的光脈沖，m為反光片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則：f=n*m/60=N/t；即轉(zhuǎn)速可以由此得到：n=60N/m*t控制時(shí)間tRE放大整形N計(jì)數(shù)脈沖測量法特點(diǎn)：抗干擾性能好，精度高，直接與計(jì)算機(jī)相連，易于實(shí)現(xiàn)在線測量和自動(dòng)化控制。2023/12/12南京工程學(xué)院30光電傳感器的發(fā)展趨勢發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機(jī)、電檢測系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量，以滿足快速增長的經(jīng)濟(jì)需要。向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠(yuǎn)距離的遙控，遙測技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動(dòng)跟蹤，復(fù)雜形體自動(dòng)掃描測量等。2023/12/12南京工程學(xué)院31一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的成本約占50~70%光電檢測技術(shù)的應(yīng)用2023/12/12南京工程學(xué)院32二、光電檢測技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用

家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對焦---紅外測距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：2023/12/12南京工程學(xué)院33醫(yī)學(xué)：CT、胃鏡、虹膜檢測、生物檢測通信：光纜通訊航天：資源勘探、星際探索哈勃號太空望遠(yuǎn)鏡是被送入軌道的口徑最大的望遠(yuǎn)鏡?？傞L12.8米，鏡筒直徑4.28米，主鏡直徑2.4米，連外殼孔徑則為3米，全重11.5噸日用：掃描儀、光碟、照相機(jī)2023/12/12南京工程學(xué)院34三、光電檢測技術(shù)在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標(biāo)。2023/12/12南京工程學(xué)院35紅外雷達(dá)和平視顯示器

2023/12/12南京工程學(xué)院36美國國家導(dǎo)彈防御計(jì)劃---NMD四、光電檢測技術(shù)在國防領(lǐng)域的應(yīng)用1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng):探測和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；

攔截器：能識別真假彈頭，敵友方2023/12/12南京工程學(xué)院37五、光電檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用2023/12/12南京工程學(xué)院38哈勃太空望遠(yuǎn)鏡2023/12/12南京工程學(xué)院39“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的獅子座“NGC3370”螺旋星系的照片2023/12/12南京工程學(xué)院40哈勃望遠(yuǎn)鏡2002年5月到12月拍攝到的太空神秘發(fā)光星體圖片2023/12/12南京工程學(xué)院41人們還在不斷研究光的應(yīng)用領(lǐng)域宇宙1號太陽帆宇宙1號的太陽帆面積為530.93平方米，由光壓獲得的推力為255克。如果太陽帆的直徑增至300米，其面積則為70686平方米，由光壓獲得的推力即為0.034噸。根據(jù)理論計(jì)算，這一推力可使重約0.5噸的航天器在200多天內(nèi)飛抵火星2023/12/12南京工程學(xué)院42應(yīng)該指出的是，人們對光的認(rèn)識還遠(yuǎn)未完結(jié)，對光的本性、傳播規(guī)律以及光與物質(zhì)相互作用的研究還在不斷繼續(xù)。研究新進(jìn)展百度筷搜內(nèi)置紅外光譜儀2023/12/12南京工程學(xué)院43“百度筷搜”看起來和普通筷子沒什么差別，卻擁有智能檢測回鍋油、飲用水酸堿度和水果甜度、品種和產(chǎn)地等特色功能，可連接智能手機(jī)，隨身攜帶使用。測量數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)藍(lán)牙傳輸給智能手機(jī)，通過筷子尾部的LED燈與用戶進(jìn)行智能交流，如檢測結(jié)果合格，顯示藍(lán)色；檢測結(jié)果不好，以紅色警示?？晖袆t內(nèi)置紅外光譜儀，能對測量物進(jìn)行定性和定量分析。研究新進(jìn)展利用石墨烯研制出超薄太赫茲波段光檢測器2023/12/12南京工程學(xué)院44這種光檢測器能非接觸式看到衣服，人體組織，塑料和其它非金屬物體表面之下的東西?，F(xiàn)有大多數(shù)太赫茲探測器是體積大，速度慢，工作溫度必須保持在接近絕對零度（約4開爾文）?，F(xiàn)在，馬里蘭州大學(xué)，澳大利亞莫納什大之間合作開發(fā)出了室溫超薄太赫茲波段光檢測器原型，檢測速度比現(xiàn)有產(chǎn)品快了100萬倍。其原理是石墨烯其電子吸收光，并檢測太赫茲波的存在的電信號。這些太赫茲電磁波無法穿透水或金屬。它們也是非電離，所以它們不會(huì)破壞身體組織或DNA。因此可以用在安全掃描器，找出隱藏的武器而沒有侵犯身體隱私。它也可以使醫(yī)學(xué)成像更安全和更有效。其他應(yīng)用包括化學(xué)傳感，遠(yuǎn)程炸彈檢測，夜視鏡/攝像機(jī)等等。研究新進(jìn)展2023/12/12南京工程學(xué)院45飛利浦推出HueBeyond雙重照明智能燈具飛利浦又為其智能燈具Hue家族增添了一名新成員，HueBeyond作為一款造型獨(dú)特的雙重照明智能燈具，有三種模式頂燈，吊燈以及桌面臺燈。均可由設(shè)備遙控調(diào)節(jié)燈具色調(diào)色彩等。HueBeyond與其他Hue家族產(chǎn)品不同的是其構(gòu)建