光电检测-绪论

非PN结 电子管类 其他类
主要学习内容
• 1.1 信息技术及光电检测技术 • 1.2 光电检测与光电传感器概念 • 1.3 光电检测系统的组成及特点 • 1.4 光电检测方法及应用发展趋势
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
透镜
接收到 的光场
光电检测器
频率滤波器
直接检测接收机
透镜
合束镜
外差检测接收机
接收到 的光场
聚焦光场
光电检测器
本地光场 本地激 光器
•光电系统框图
光学变换
光电变换
电路处理
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（振幅、频率、相位、 偏振态，传播方向变化等）。
• 非接触检测。 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。
主要学习内容
• 1.1 信息技术及光电检测技术 • 1.2 光电检测与光电传感器概念 • 1.3 光电检测系统的组成及特点 • 1.4 光电检测方法及应用发展趋势
1.4 光电检测方法及应用发展趋势
4 2 L g 2 T
1.2 光电检测与光电传感器概念
• 检测与测量 • 光电传感器与敏感器的概念
光电传感器
传 感 器非电量来自电量（确定对应关系）能量控制型---有源传感器：光敏电阻，光电二极管三极管 能量转换型---无源传感器：光电池
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。
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。
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Φ1-Φ2=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。
敏感器确定对应关系可用非电量应变力电量电阻传感器应变片被测非电量压力敏感器弹性元件光电传感器的种类类型实例pn结pn光电二极管sigegaaspin光电二极管si雪崩光电二极管sige光电晶体管si集成光电传感器和光电晶闸管si非pn结光电元件cdscdsesepbs热电元件pztlitao3pbtio3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siccdmoscpd型位置检测用元件psd光电池主要学习内容?11信息技术及光电检测技术?12光电检测与光电传感器概念?13光电检测系统的组成及特点?14光电检测方法及应用发展趋势13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
u i或 u s uO
滤波器
uR
uO ui u R 1 / 2 gEi E R cos[2 ( f1 f 2 )t 1 2 ] 1 / 2 gEi E R cos[2 ( f1 f 2 )t 1 2 ]
滤去高频信号后， uO ui u R 1 / 2 gEi ER cos[2 ( f1 f 2 )t 1 2 ]
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）
•光接收机的分类图示
空间滤波器
• 根据光源、光学系统和光电转换器件放 置位置的不同，光电传感器的类型：
光电转换器对着光源放置，光轴 直射型： 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
被测物体本身为一辐射源，光电 辐射型： 检测器通过接收被测物体的辐射 光能量实现测量。
定义： 通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范 围带，以此来判别被测参数是否合格或参数量是否存在。 即：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） …… 全部操作： 检测器具 检测过程 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
光电检测技术与应用
(共36学时) 主 讲：马锁冬 讲师
苏州大学 光电信息科学与工程学院 现代光学技术研究所
办公电话：0512-65111927 地址： 苏大本部逸夫楼407室 E-mail: masuodong@
上课时间：每周一 1-3节，2-13周，第4周国庆放假， 第13周随堂考试 上课地点：C-106教室 考核方式：平时30%（出勤10%，作业20%）, 考试70% 使用教材： 《光电检测技术与应用（第二版）》, 郭培源等编著 , 北京航空航天大学出版社, 2012. 参考书目： 《光电检测技术》, 曾光宇等编著, 清华大学出版社 《光电检测技术》, 雷玉堂等编著, 中国计量出版社 《激光光电检测》, 吕海宝等编著, 国防科技大学出 版社
最终完成对各类物理量进行在线 和自动检测。
主要学习内容
• 1.1 信息技术及光电检测技术 • 1.2 光电检测与光电传感器概念 • 1.3 光电检测系统的组成及特点 • 1.4 光电检测方法及应用发展趋势
1.2 光电检测与光电传感器概念
• 检测与测量 • 光电传感器与敏感器的概念
检测的基本概念
如f1 f 2 , 则uO 1 / 2 gEi E R cos(1 2 ) 1 / 2 gEi E R cos
特性分析： 0，则 u O 输出为正， ，则 u O 输出为负。
相敏检波器用途：
可用来测幅、测相，还可高频信号变成中频信 号（差频信号）
例：空调机测控室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 操作过程： 空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
测量的基本概念
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：直接测量和间接测量 直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。 例如： – 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平 – 温度：温度计
O 工件大小 测量值 O Φ
t O U
Φ2 Φ1 Φ1 Φ2
t
O t U的幅值
t
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。
• 相敏检测器：
核心是由一个乘法器和 一个滤波器，一路为信 号 u s , 另一路为 u R . u i u s Ei sin( 1t 1 ), u R E R sin( 2 t 2 )
本课程着重学习：光电检测的原理、器件、系统和应用。
第一章 绪论
学习内容：
• 1.1 信息技术与光电检测技术 • 1.2 光电检测与光电传感器概念 • 1.3 光电检测系统的组成及特点 • 1.4 光电检测方法及应用发展趋势
1.1 信息技术与光电检测技术
• 信息技术：
– 包括感测技术（获取信息）、通信技术（传递信息） 、人工智能与计算机技术（处理信息）、控制技术（ 利用信息）。 – 信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理 、显示。 – 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）。
反光镜 光楔 移动控制及读数显示
Φ2 E C L 被测物 调制盘 Φ1 R 放大 U 相敏检波器 uA
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。
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。
1.3 光电检测系统的组成及特点
光电检测系统与人操作功能比较
光电传感部分相当于人身的感觉器官
1.3 光电检测系统的组成及特点
• 光电检测技术的特点
• • •
各种检测技术中最高。如激光干涉仪法检测长度 高精度。 的相对精度达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1m（38万公里）。 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。 光便于远距离传播的介质，适于遥控和遥测， 远距离，大量程。 如武器制导，光电跟踪，电视遥测等。 光照可认为是没有测量力的，也无磨 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。
双光路差动测量法测量物体长度
• 工作原理：
1 2时,U 0
Φ
U
Φ1
Φ2
Φ1
Φ2
O Φ
t O U
Φ1 Φ2 Φ1 Φ2
t
1 2时, 工件尺寸变小 U S (1 2 ) S 1 2时, 工件尺寸变大 U S (1 2 ) S
敏感器
传感器
敏 感 器
被测非电量 （弹性元件） 可用非电量 （应变片） （压力） （应变力）
电量 （电阻）
（确定对应关系）
敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是 把被测非电量转换为电量。
光电传感器的种类
类 型 PN结 实 例
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) 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管 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
1.3 光电检测系统的组成及特点
• 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
•光接收机的基本结构
接收到的 光场
绪论（3） 光电检测器件的工作原理及特性（4） 半导体光电检测器件及应用（6）
课 程 内 容
光电信号检测电路（4） 光电直接检测系统（4） 光外差检测系统（4） 光纤传感检测技术（4） 光电检测技术的典型应用（4）
学习本课程的目的
• • • • • • 了解光电检测技术的特点和发展趋势，光电检测系统的基本 组成。 掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理 及基本特性，了解它们的应用范围。 能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件，熟悉常用器 件的性能指标。 掌握直接检测与外差检测的原理和区别。 了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制 技术。 了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方 法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。
• 光电检测的基本方法
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
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。
反光镜 光楔 Φ2 E C L 被测物 调制盘 Φ1 R 放大 U 相敏检波器 uA
直接测量方式举例
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：直接测量和间接测量
间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函 数关系式计算出被测量。 例如：
电功率：P = I * V（电流*电压） 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）
传统的电子技术
微电子技术
光子信息技术
光电检测技术
光电信息技术
主要研究电子或离子在固体材 以光集成技术为核心的有关光 料中的运动规律及其应用，并 学元器件制造的应用技术， 利用光电传感器实现各类检测，即 利用它实现信号处理功能的科 利用传统工艺将有源和无源 学，是在电子电路和系统的超 将被测量转换成光通量，再将光 光学器件集成在一起，构成 小型化和微型化过程中逐渐形 光与电子转换及其 通量转换成电通量，并综合利用 能完成光学信息采集处理和 成和发展起来的，以实现电路 应用技术，光频段 信息传输技术和信息处理技术， 存储等功能的系统 的系统化和集成化 微电子技术。