1、,光电检测技术,张 宁光电工程学院3教401、85582830,课程简介,课程性质：专业基础课学 分：3.5学 时：64（48学时讲课+16学时实验）先修课程：工程光学、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 中国计量出版社参考书目：光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社 激光光电检测吕海宝等编著 国防科技大学出版社 光电检测技术与应用郭培源等编著 北京航空航天大学出版社,光电检测是信息时代的关键技术,信息技术:微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。信息的产生和获取、转换、传输、控
2、制、存储、处理、显示。,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、生物光子学本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识，即：光电检测的元器件、系统、方法和应用。,光电检测技术,
3、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：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。光电检测系统光学变换光电变换电路处理,教学要求,1、了解光电检测的应用范围及发展趋势2、理解光电检测器件的性能及应用3、掌握运用各种光电器件进行检测的
4、方法,教学内容,第一章：理论基础；光的基本度量方法和度量参数、半导体物理基础、光与物质作用产生的各种光电效应等。第二章-第五章：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,第六章-第七章：检测电路与微机接口；第六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。光电信号的种类归纳起来可分为缓变信号，调幅、调频脉冲信号，以及视频图像信号等，光电信号所载运的信息有幅度信息、频率信息和相
5、位信息，如何将这些信息送入微型计算机，完成信息的提取、存储、传输和控制，是第七章的核心内容。,教学内容,第八章-第九章：光电变换检测技术与方法。这两章将根据信息存在于光学参量的方式或光学信息的类型来讨论光电信息变换的基本方法，从而系统地认识光电信息变换。在解决光电技术的具体问题时能够根据变换方式提出理想的设计方案。第八章第一节讲述时变光信号的直接检测，即光通量的测量；第二节光通量为信息的载体，通过调制解调技术从已调制的信号中分离并提取出有用信息。第九章按照利用几何变换的光电检测方法和利用物理变换的光电检测方法分类介绍光电信号变换形式和检测方法。,教学内容,第十章：典型应用；1、辐射度量和光度量
6、的检测；如光强度计、光亮度计、辐射计以及光测高温计和辐射测温仪等。2、光电器件及光电成像系统特性的检测；如光谱增益、光灵敏度、亮度增益等。3、光学材料、元件及系统特性的检测；材料、元件的光谱特性，光学系统的调制传递函数；大倍率的减光片等。4、非光物理量的光电检测；检测对象广泛，如各种射线及电子束强度的检测，各种几何量、机械量、材料的硬度及强度、各种电量和磁量以及温度、湿度、材料浓度及成份等参量的检测。,绪 论一、几种简单的光电检测系统举例 1、光电计数器 2、红外报警器 3、光通信 4、转速（角速度）的光电检测 5、脉冲激光测距二、光电检测系统的主要构成及工作原理,绪论,一、几种简单的光电检测
7、系统举例1、光电计数器 图示为在传送带上对产品进行计数的原理图。传送带7上无产品时，光源1发出的光线，经透镜2和2射向光电器件3；当产品6从计数装置前面通过时，遮断射向光电器件3的光线，光电器件3产生电脉冲，经放大器4放大后由计数器5进行计数。应用于自动打包、自动装箱、传送带上对产品进行自动计数、统计街口汽车的流量等，,绪论,2、 红外报警器 当有人进入该区域，红外线必被遮住，可自动发出警报。红外光源GY发出的光束，经旋转的带孔圆盘C调制，使红外线变成频率数百赫的断续光(或由脉冲电源供电，使光源直接发出频率一定的脉冲光)，经窗口B1、反射镜M1-6及窗口B2后，照射于光敏三极管GG，它用遮光隔
8、板D与光源隔开以免受它的,直接照射。GG耍选用对红外线灵敏的光电器件，它接收红外线后，经选频放大器放大。,绪论,3、光通信 与无线电通信在原理、结构及通信过程方面都是类似的，所不同的是传送信息的运载工具是用光而不用一般的无线电波。 光通信的原理示意图如图所示，声音通过话筒1变为电信号经过音频放大器2放大，输出电流以调制发光二极管3的发光亮度，通过光学系统4，将光信号传送到接收端。当光敏二级管5接收到受音频调制的光信号后，转换为强弱变化的电信号经放大器6放大后，输出到喇叭或耳机7，发出声音。,绪论,4、转速（角速度）的光电检测 如图，盘1装在欲测转速的轴上，光源2发出的光线，经盘1调制后透射或反
9、射至光电器件3转速可由光电器件3产生的脉冲频率决定。有带孔的盘、带齿的盘、黑白相间的盘三种形式，各具有不同的反射率。采取何种形式决定于具体结构。 每分钟的转速n与频率f的关系如下： n=60f/m 式中M为孔数或齿数或黑白块的数目。因而只要测出频率就能决定转速或角速度。关于频率可用一般的频率表和数字频率汁测量。,绪论,5、脉冲激光测距 1960年第一台红宝石激光器投入运转不久、很快就有人将它用于脉冲测距研究。脉冲激光测距利用了激光的发散角小、能量在空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时较校短、能量在时间上相对集中的特点因此瞬时功率很大般可达兆瓦级。由于上述两点脉冲激光测距在有反射器的情
10、况下可以达到极远的测程，进行近距离(几公里)测量时，如果测量精度要求不高，那么不必使用反射器，利用被测目标对脉冲激光的反射取得反射信号，也可以进行测距。目前，脉冲激光的测距方法已得到了广泛的应用，如地形测量，战术前沿测距，工程测量，云层和飞机高度的测量，导弹运行轨道跟踪，人造地球卫星测距，地球与月球间距离的测量等等。目前，脉冲激光测距仪的型号较多，但原理基本相同。,绪论,脉冲激光测距的工作原理见下图。在1处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在2处装有向1处反射的装置，1处至2处间的距离D是待测的。如果在1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从l处到达2处再返回l处所需要的时间t，则D=ct/2。
11、,绪论,二、光电检测系统的主要构成及工作原理,光学变换,电路处理,光学系统中常用的元件有透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅及光学纤维等。 用于检测系统的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻(又称光导管)、真空光电管、充气光电管及光电倍增管等，选用何种型式，决定于光电传感器所需的灵敏度、反映速度、光源的特性及仪器的运用环境和条件等。,绪论,光电检测系统框图,绪论,1、光源2、被检测对象及光信号的形成3、光信号的匹配处理4、光电转换5、电信号的放大与处理6、微机及控制系统,绪论,1、光源 以光源发出的光作为携带待测信息的物质 光源本身就是待测对象分为：人工光源
12、和自然光源对光源的要求发光光谱特性、发光强度、光源稳定性等光源的类型及常用的光源性能比较 热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件等。,绪论,固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，利用此现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器等。它是随着半导体技术的发展而发展起来的新型光源，它具有低功率(低电压、低电流)驱动；高效率，可直接调制，小型化等特点，因而是光电检测技术中，特别是光纤检测技术中的理想光源，具有广阔的前景。下面对这4种类型的光源予以介绍：,绪论,热辐射光源： 热辐射光源是使物体温度升到足够高而发光的光源。例如白炽灯和卤钨灯。 在玻璃壳内充入碘、溴等卤
13、族元素的白炽灯称为卤钨灯。它们具有发射连续光谱、波长范围宽、价格便宜、使用方便等特点。,绪论,气体放电光源： 利用气体放电而发光的原理所制成的灯，称为气体放电灯。它的光谱不连续，而且光谱与气体或金属蒸气的种类及放电条件有关。改变气体或蒸汽的成分、气体的压力及放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。 气体放电灯发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。,绪论,根据充气气压的不同，可分为低气压放电灯和高气压放电灯。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如钠灯辐射黄色谱线，可用作偏振仪等的单色光源。 在需要线光源或
14、面光源的情况下，若给出同样的光通量，气体放电灯消耗的能量为白炽灯的1213。,绪论,电致发光器件-发光二极管： 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。 电致发光有三种形态：结型电致发光（或称注入式发光）、粉末电致发光和薄膜电致发光。目前得到广泛应用的是注入式半导体发光器件和粉末电致发光屏，而在光电检测技术中，则主要是利用注入式半导体发光器件作为光源。,绪论,利用少数载流子在同质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做注入式发光。根据这种发光现象，把两种导电材料或两种不
15、同组分的材料形成界面接触就构成了结型电致发光器件。标志半导体发光器件性能的主要参数是发光器件的效率，它表示能量转换之间的数量关系。考虑到能量的不同形式和器件的不同用处，因而有几种不同的效率表示方法，如照明效率、发光效率、功率效率、量子效率、光学效率。,绪论,发光二极管的优点是：工作电压低(12v)，功耗小，驱动简单，小型化，寿命长，耐冲击和性能稳定等适用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。,绪论,激光器： 是“光受激辐射放大”的缩写。某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量(如特定频率的辐射能)，从低能级跃迁到高能级上(受激吸收)，如果使处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，形成粒子数反转
16、，就能在特定频率的光子激发下使高能粒子被迫集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子(受激发射)。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有光的受激辐射放大功能的器件叫激光器。,绪论,激光器是一种新颖光源，它与普通光源相比，具有三个重要的特性： 高方向性；就是说光束的发射角小，可以集中在狭窄的范围内，向特定方向发射。激光在几千米之外的扩展范围不到几厘米，激光测距就是利用了激光的高方向性。 高单色性；激光的单色性很好，它的频率宽度小于110普通光的频率宽度。所以说激光器是最好的单色光源。激光测长主要是利用激光的高单色性。 高亮度；激光在亮度方面有
17、很大的飞跃。,绪论,激光器的种类很多，迄今为止，已经研制成了好几百种不同类型的激光器。 按工作物质来分，激光器可以分为固体激光器(例如红宝石激光器)、气体激光器(例如氦一氖气体激光器、二氧化碳激光器)、半导体激光器(例如砷化镓激光器)、液体激光器等。 在光电检测技术中氦氖气体激光器和半导体激光器用得最多。,绪论,2、被检测对象及光信号的形成 光源发出的光通过被测量的物体，利用各种光学效应，如反射、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。 光信息的变换有两种基本工作原理：把待检测量变换为光信息量 它是以光通量的大小来反映待检测量的大小。光电探测器的输出往往
18、与入射到它的光敏面上的光通量成正比。所以，光电探测器的光电流大小可以反映待检测量的大小，即光电流I是待检测信息量Q值的函数：I=f（Q）这是一种模拟量信息变换。,绪论,把待检测量变换为光信息脉冲 它是以光脉冲或条纹数的多少来反映待测量的大小，光电探测器的输出为低电平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息，这些数字信息量T是待测信息量Q的函数：T=f(Q) 这是一种模数信息转换。 显然，数字信息量只取决于光通量的有无，而与光通量的大小无关。因此，基于这种工作原理的光电检测装置，对光源和光电探测器的要求较低，只要求有足够的光通量能区分“0”和“1”两个状态即可。,绪论,基于上述两种基本工作原理，
19、可以组成下面几种光电变换结构形式。,1.反射式 举例：转速测量原理图,反射光通量取决于反射表面的性质、状态和光源之间的距离。用于光电准直、激光制导、主动式夜视仪、电视摄像、文字判读、表面粗糙度测试仪等。,绪论,2.透射式（又称吸收式）,光透过待检测物体，其中一部分光通量被待检测物吸收或散射，另一部分光通量透过待检物体由光电探测器接收，如上图所示。被吸收或散射的光通量的数值决定于待检测物的性质。常用于检测液体或气体浓度、透明度或浑浊度，检测透明薄膜的厚度和质量；检测透明容器的疵病，测量胶片的密度等。,绪论,3.辐射式,检测其辐射量的大小就能确定待测量的大小。 探测被测物体的辐射功率、光谱分布及温
20、度等参数，以便确定待测物体的存在、所处方位以及根据其光谱分布情况分析研究它的物质成份及性质，如辐射高温计、火警报警器、侦查跟踪、光谱分析、热成像仪等。,待检测物体1本身就是辐射源，它发出的辐射能强弱与待检测物I的性质(例如温度的高低)有关，用光电探测器3,绪论,4.遮挡式,根据被遮挡光通量的大小就可确定待检测物的形状，或者待检测物的位移量；根据被遮挡光束的次数就可确定待测物体的个数或者待测物体的运动速度等，相应地可用于物体外形尺寸的测量、产品计数、光电测速、光控开关及防盗报警等。,待检测物遮挡部分或全部光束，或周期性地遮挡光束，如图所示。,绪论,5.干涉式,绪论,如图所示，由光源1发出的光线经
21、过透镜2照射到分束器3(它可以是半透明半反射的平面镜成棱镜)上，经分光面把光线分成两路，一路射向平面反射镜4作为参考光，另一路6射向待检测物5，从待检测物中得到待测信息。例如，图a中的待测信息可以是位移或振动等。图b中的待测信息可以是待测物体折射率的变化，即浓度或成份变化的信息。光线a和b经过4和5后又一起射向光电探测器6，在光电探测器上可检测到干涉条纹信号。,绪论,因此干涉法可用于检测位移、振动、流体的浓度、折射率等。它的检测灵敏度和精度很高，动态范围大，但结构和检测电路复杂，成本高。,绪论,3、光信号的匹配处理 对光信号进行处理，使光与光电探测器等环节实现合理的匹配。如光信号的调制、变光度
22、、光谱校正、光漫射以及汇聚、扩散、分束等。 光信号的调制：将各种被测物理量的有关信息以及信号的形成载到光波上去，然后由探测系统解调，检测出所需要的信息，在光源发光、光传播过程、光电转换等环节均可进行光调制。光调制一般分为以下几种：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制等。 以上讨论的三个环节往往紧密结合在一起，目的是把待测信息合理地转换为适于后续处理的光信息。,绪论,4、光电变换 该环节是实现光电检测的核心部分。其主要作用是将光信号转换为电信号，以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。光电检测不同于其它光学检测的本质就在于此。完成这一转换主要是依靠各种类型
23、的光电及热电探测器。随着各类探测器的发展和新型探测器的出现，都为光电检测技术的发展提供了有力的基础。,绪论,5、光信号的放大与处理 这部分主要是由各种电子线路所组成。为实现各种检测目的，可按需要采用不同功能的电路来完成。对具体系统进行具体分析。应当指出，虽然电路处理方法多种多样，但必须注意整个系统的致性，也就是说，电路处理与光信号获得、光信号处理、以及光电转换均应统一考虑和安排。,绪论,在光电检测系统中，信号处理及有关电路是十分重要的。首先要从探测信号出发，讨论有关探测器和电路的噪声；微弱信号探测的处理；前置放大器的设计原则；以及在光电检测系统中常用的电路。 所谓信号处理是将包含有用信息和噪声
24、干扰的微弱信号进行放大、限制带宽、整形、鉴幅等处理，以便从中提取出有用信息。 设计时首先要减小探测系统和信号处理电路的噪声；与此同时按要求设计并制造出最佳的信号处理电路，以满足噪声系数、阻抗匹配、放大倍数、频带宽度及温度特性等所要求的指标。,绪论,常用电路：选频放大器相敏检波器（相敏整流器、相敏解调器）相位检测器（鉴相器）鉴频器脉冲宽度鉴别器积分微分运算器锁相环及锁相放大器,绪论,6、微机及控制系统 通常把显示系统也包括在这环节当中。许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。在需要利用检测量进行反馈后去实施控制的系统中，就要附加控制部分。如果控制关系比较复杂，则可采用微机系统给以分析、计算或判断等处理后，再由控制部分执行。这样的系统又可叫作智能化的光电检测系统。,再 见！,
