第九章 现代光电检测技术与系统资料
09光信《光电检测技术》复习提纲新
摄像管的工作原理： 先将输入的光学图像转换成电荷图像，然后 通过电荷的积累和储存构成点位图像，最后 通过电子束扫描把点位图像读出。
主要性能： 1、光电转换特性 2、光谱响应 3、时间响应特性 4、输出信噪比 5、动态范围 6、图像传递特性 光电导式摄像管（视象管） 结构由 电子枪 和 光电导靶 两大部分 光电发射式摄像管与视像管得比较
I I p I d SE I so (e
qu
KT
1)
I P：光电流 I d暗电流 I so反向饱和电流
外光电效应 当光照射第某种物质中，若入射的光子能量 hv 足够大，那么它和物质中电子相互作用，可 致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应，能产生光电发射效 应的物体，成为光电射体，在光电管称为光阴极。 光电子发射服从基本规律： 1、光电发射第一定律 当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流 I 与入射的辐通量φ 成正比。 2、光电发射第二定律 发射的光电子的最大动能随入射光子光频率的增加而线性地增加， 而与人射光的强度无 关。 故又称爱因斯坦定律， 表达式为
Q1 100 % Q0
1. 光电倍增管的工作原理是什么?
(1)当光子照射至光阴极上时，由于光电效应，致使从光阴极表面上逸出相应数目的光电子。由于相邻电极 之间电压逐渐增高，在电场作用下，电子将被加速轰击到第一打拿极上，发射出成倍的二次电子。继而它 们又轰击第二打拿极，依次下去，电子逐级倍增。最后聚集到阳极上的电子数，可达阴极发射电子数的 10 倍。利用外光电效应和二次电子发射相结合即——把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的 一种光电探测器件。 工作过程：光子入射到光电阴极上产生光电子。光电子通过电子光纤输入系统进入倍增系统，电子得到倍 增，最后阳极把电子收集起来，形成阳极电流或电压， 2. 光电倍增管的疲劳与衰老的含义,两者的差别是什么? (2)疲劳：在较强的辐射作用下，倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳，这是暂时现象，待管子避光存放一段 时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来，当然过度的疲劳可能造成永久的损失。衰老：光电倍增管在正 常使用情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降且不能恢复，将这种现象称为衰老，这是真空 器件特有的现象。 区别：疲劳是暂时的，衰老是永不能恢复灵敏度的。 象管的主要功能是能把不可见（红外或紫外）图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接换成可见光图像， 如变象管。像增强管、X 射线像增强器等。 摄像管是一种把可见光或不可见（红外、紫外或 X 射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应的电信号， 通过显示器件再成像的光电成像器件。
第九章 现代光电检测技术与系统
现代光电检测技术与系统
汇报人：
目录
CONTENTS
01 添加目录标题
02 光电检测技术概述
03 光电检测系统的基 本构成
04 现代光电检测技术 的主要类型
05 现代光电检测系统 的典型应用
06 光电检测技术的挑 战与展望
添加章节标题
光电检测技术概述
光电检测技术的定义和分类
定义：光电检测技术是一种 利用光电效应进行检测的技 术包括光电转换、光电测量、 光电控制等。
观察和控制
电源单元：负 责为整个系统 提供稳定的电 源保证系统正
常工作
现代光电检测技术的主 要类型
光电成像检测技术
原理：利用光 电效应将光信 号转换为电信
号
应用：广泛应 用于医疗、工 业、科研等领
域
特点：高灵敏 度、高分辨率、
高稳定性
发展趋势：智 能化、微型化、
集成化
光纤传感检测技术
光纤传感检测技 术的原理：利用 光纤的传感特性 实现对物理量的 测量
高速化：高速 化的光电检测 技术可以快速 获取目标信息 提高检测速度。
微型化：微型化 的光电检测技术 可以减小设备的 体积和重量便于
携带和使用。
集成化：集成化 的光电检测技术 可以将多个检测 功能集成在一个 设备中提高检测 效率和准确性。
光电检测系统的基本构 成
光源和光路系统
光源：提供 检测所需的 光信号如激 光、LED等
控制系统
控制器：负责 接收和处理传 感器信号控制
执行器动作
传感器：负责 检测被测对象 的物理量如温 度、压力、流
量等
执行器：负责 执行控制器的 指令如调节阀
门、开关等
光电检测系统课件
光电检测系统在物联网与人工智能领域的应用前景
要点一
总结词
要点二
详细描述
随着物联网和人工智能技术的快速发展，光电检测系统的 应用前景十分广阔。
在物联网领域，光电检测系统可以用于各种传感器的数据 采集，实现远程监控和实时反馈。在人工智能领域，光电 检测系统可以作为机器视觉和图像识别的重要组件，为人 工智能提供更准确、更可靠的数据支持。同时，光电检测 系统还可以与其他技术相结合，如光通信、激光雷达等， 拓展其在物联网和人工智能领域的应用范围。
特点
高精度、高灵敏度、非接触、实时性 等。
光电检测系统的应用领域
工业自动化
用于生产线上的质量检测、测量 和控制。
通信与信息处理
用于光纤通信、光信号处理、光 计算等领域。
医学诊断
用于光谱分析、荧光检测、内窥 镜等医疗设备。
环境监测
用于水质、气体成分、污染物等 的检测和分析。
光电检测系统的发展趋势
高速化
Part
05
光电检测系统的未来展望
新型光电材料与器件的研究与应用
总结词
随着科技的不断进步，新型光电材料与器件的研究与应用成为了光电检测系统发展的重 要方向。
详细描述
新型光电材料如钙钛矿、二维材料等具有优异的光电性能，为光电检测系统的性能提升 提供了新的可能。同时，新型光电器件如光电晶体管、光电传感器等在灵敏度、响应速
02 03
光电效应分类
光电效应分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应是指光子能量 足够大时，将电子从物质表面打出，内光电效应则是光子能量使物质内 部电子跃迁至激发态。
光电效应应用
光电效应在光电检测、光电器件、光电子技术等领域有广泛应用。
光电检测技术与系统第4版
光电检测技术与系统第4版我们来了解一下光电检测技术与系统的基本原理。
光电检测技术利用光电效应，将光信号转化为电信号进行检测和测量。
其中，光电传感器是光电检测技术的核心组成部分，它能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理电路进行放大、滤波、数字化等处理，最终得到所需的测量结果。
光电检测系统由光源、光电传感器、信号处理电路和数据显示装置等组成，通过光源发出光信号，光电传感器接收光信号并转化为电信号，信号处理电路对电信号进行处理，最终通过数据显示装置展示测量结果。
光电检测技术与系统在各个领域中都有广泛的应用。
首先是工业自动化领域，光电传感器可以用于物料检测、位置检测、计数等方面，提高生产线的自动化程度和生产效率。
其次是医疗领域，光电检测技术可以应用于医学影像、生物分析等方面，为医疗诊断和治疗提供支持。
此外，光电检测技术还广泛应用于环境监测、军事安全、交通运输等领域，为各个行业提供了智能化、高效化的解决方案。
随着科技的不断发展，光电检测技术与系统也在不断创新与进步。
首先，光电传感器的灵敏度和响应速度不断提高，可以实现更高精度的测量。
其次，光电检测系统的体积不断减小，功耗不断降低，同时具备更强的抗干扰能力。
此外，光电检测技术与系统与其他领域的深度融合也是当前的研究热点，如光电与人工智能、光电与机器视觉等，将为光电检测技术与系统的应用带来更多创新和突破。
不过，光电检测技术与系统在应用中还存在一些挑战和问题。
首先是环境干扰的影响，光电传感器易受光照、温度、湿度等环境因素的影响，可能导致测量结果的不准确。
其次是光电检测系统的稳定性和可靠性需要进一步提高，以应对长时间运行和复杂环境的要求。
此外，光电检测技术与系统的成本也是一个考虑因素，如何降低成本、提高性价比是当前研究的重点之一。
《光电检测技术与系统第4版》是一本系统介绍光电检测技术与系统的专业书籍，内容涵盖了光电检测技术的基本原理、应用领域以及发展趋势。
光电检测技术与系统在各个行业中都发挥着重要作用，随着科技的不断进步，它将继续迎来更多创新和突破，并为社会的智能化、高效化发展做出更大贡献。
光电检测技术
光电检测技术预览说明:预览图片所展示的格式为文档的源格式展示,下载源文件没有水印,内容可编辑和复制习题一1、光电检测系统是由哪几部分组成的？各部分的作用是什么？2、光电检测技术的特点有哪些？3、简答以下概念：辐射通量、辐射亮度、辐照度、光通量、光亮度、光照度。
4、简答半导体材料的特性。
5、绝缘体、半导体、导体的能带图有何区别?6、什么是N型半导体？7、随温度的提高为什么N、P型半导体的费米能级会向中间移动？8、什么是载流子的复合？9、载流子的运动分哪两种？10、半导体对光的吸收有哪几种？哪种吸收最强？11、简答以下概念：半导体的异质结、肖特基势垒、注入接触、欧姆接触。
2、光电检测技术特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。
高速度：光速是最快的。
远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。
非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。
寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。
数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。
3、半导体对光的吸收形式有；本征吸收、杂质吸收、自由载流子、激子吸收、晶格吸收其中本征吸收最强。
4、温度特性、掺杂特性、受热、光、电磁场的影响。
5、禁带宽度不同，绝缘体太大，导体价带导带重合，只有半导体禁带宽度适合电子跃迁6、硅晶体中掺入五族元素，施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。
7、在常温下，N型半导体中n〉〉p，这时从价带激发到导带的电子比施主所提供的电子要少得多，但随着温度的提高，由价带到导带的热激发作用越来越强，由价带激发到导带的电子的比重越来越大，最后达到n≈p，即随温度的进一步上升，EF逐渐向禁带中央移动，材料显示本征特性。
8、电子与空穴相遇消失的过程。
9、由浓度梯度引起的扩散运动，在电场的作用下的漂移运动。
10、由两种不同质的半导体材料接触而组成的结，或由两种禁带宽度不同半导体材料组成的结。
光电检测技术概论资料PPT课件
尘土），成本高些。
四. 光电检测技术的应用
工业生产 航空航天 民用生活 军事作战
绪论
在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…. 现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%
在线 测量
在流水线上，边加工，边检 验，可提高产品的一致性和加工 精度。
从亮处突然进入暗处时，最初看不清楚任何物 体，经过一定时间后，视觉敏感度才逐渐增强。
从暗处突然进入亮处时，最初只感到耀眼的光 亮，看不清物体，一段时间后才能恢复视觉。
３.人的视觉有很高的分辨能力
４. 人的视觉具有很高的辨色能力
视网膜三种视锥细胞：
三原色学说：某一波长光线作用于视网膜 时，三种视锥细胞兴奋程度不同，信息传入 中枢，产生某一颜色的视觉
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
光变
电
源
学 系 统
测 对 象
学 变 换
电换 传电 感路
信 号 处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
光电检测系统与人操作功能比较
被测物体 手控
航空航天
民用生活
安全检查
面部 识别技术
军用作战
激光测距机、激光雷达、激光导引头、激 光陀螺、热成像系统、微光夜视仪、观瞄 系统、卫星观测系统……
单兵作战武器
夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。
美国国家导弹防御计划---NMD
1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系 统
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大，如温度、湿度、光照等，可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵，对于一些小型企业和实验室而言，购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能，操作和维护需要专业人员，限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大，对数据的解读和分析需要较高的专业水平，增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数，在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用，能够实现高精度的测量，尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料，降低环境因素对检测结果的影响，提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产，降低光电检测设备的成本，促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛，例如在自动控制系统中用于检测光束的通断，在测量领域用于检测物体的位置和尺寸，在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成，其中光电器件是核心部分，其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术，具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数，在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
光电检测与技术知识点总结
光电检测与技术知识点总结
光电检测是通过光电传感器将光信号转化为电信号进行检测和测量的技术。
1. 光电传感器的分类：
- 光电开关：通过光电传感器的发射器和接收器之间的光束被遮挡或被恢复来触发开关动作。
- 光电传感器：通过光电传感器接收到的光信号的变化来检测目标物体的位置、颜色、形状等信息。
- 光电编码器：通过光电传感器接收到的光信号的脉冲数来测量目标物体的位置、速度等。
2. 光电传感器的原理：
- 光电开关：通过发射器发出的光束被目标物体遮挡或恢复，经过接收器接收后产生电信号，通过比较电信号的强弱来触发开关动作。
- 光电传感器：通过接收器接收到的光信号的强度、频率、相位等来检测目标物体的位置、颜色、形状等信息。
- 光电编码器：通过接收器接收到的光信号的脉冲数来测量目标物体的位置、速度等。
3. 光电传感器的应用领域：
- 工业自动化：用于物体检测、测量、计数等。
- 机器人技术：用于机器人的位置感知、障碍物检测等。
- 电子设备：用于手机、相机等设备的亮度感应、手势识别等。
- 安防监控：用于人体检测、入侵报警等。
4. 光电传感器的特点：
- 非接触式检测：光电传感器不需要与目标物体直接接触，可以在一定距离上进行检测。
- 高精度：光电传感器可以实现微小物体的检测和测量。
- 快速响应：光电传感器的响应时间通常在毫秒级别，适用于高速检测。
- 高稳定性：光电传感器的输出信号稳定，不受环境干扰影响。
以上是光电检测与技术的一些基础知识点总结，希望对您有帮助。
光电检测与技术知识点总结
光电检测与技术知识点总结一、光电检测基础知识1. 光电效应：光子射入物质时，将能量传递给物质，或者将物质中的粒子激发出来。
前者称为光吸收，后者称为光发射。
2. 光电效应分类：外光电效应、内光电效应和光热效应。
3. 光电效应的应用：光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
二、光电检测技术基础1. 光电检测器的分类：根据工作原理，可分为外光电效应检测器、内光电效应检测器和光热效应检测器。
2. 光电检测器的工作特性：光谱响应、频率响应、线性范围、探测率和噪声等。
3. 常用光电检测器：光电二极管、光电晶体管、光电池、光电倍增管等。
三、光电检测系统1. 光电检测系统的基本组成：光源、被测物、光电检测器、信号处理电路和显示设备。
2. 光电检测系统的应用：测量长度、测量角度、测量速度、测量温度等。
3. 光电检测系统的误差来源：光源的不稳定性、光学系统的误差、探测器噪声和信号处理电路的误差等。
四、常用光电检测技术1. 红外线检测技术：利用红外线的热效应，可以测量物体的温度和辐射功率。
红外线传感器有热敏电阻、热电偶等。
2. 激光雷达技术：利用激光的反射和散射，可以测量物体的距离和形状。
常用的激光雷达有脉冲式和连续波式两种。
3. 光纤传感器技术：利用光纤的传光特性，可以测量物体的位移、压力和温度等物理量。
光纤传感器有折射率型、光强调制型和光相位调制型等。
4. 图像传感器技术：利用图像传感器将光学图像转换为电信号，可以测量物体的尺寸和形状。
常用的图像传感器有CCD和CMOS两种。
5. 色彩传感器技术：利用色彩传感器测量物体的颜色和色差，可以应用于颜色识别和颜色检测等方面。
常用的色彩传感器有RGB和CMYK两种。
光电检测系统-PPT
32
光电检测系统
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光电检测系统
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测距原理： 由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离。测距仪原理： 由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。
脉冲激光测距仪的原理框图
光电检测系统
光电检测系统
光电检测系统
9
光学变换
几何光学物理光学光电子学将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号改善系统的时间和空间分辨力和动态品质， 提高传输效率和检测精度改善系统的检测信噪比， 提高工作可靠性
光电检测系统
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主动系统/被动系统(按有无人工光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测/面探测系统(按接受系统分)用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
光电检测系统
23
在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。 模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为 F = f(Q) 显然，数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。因此，这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。
现代检测技术-李英顺-电子教案-第9章
9.2光电元件
9.2.1光敏电阻
光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯 电阻元件，其阻值随光照增强而减小。
如图9-1
1、光敏电阻的工作原理
在黑暗的环境下它的电阻是很高的，但当它受到光线照 射时，若光子能量hy大于本征半导体材料的禁带宽度Eg，同 禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁到导带，激发出电 子—空穴对，从而加强了导电性能，使阻值降低，且照射的 光线愈强阻值也愈低。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合， 电阻有恢复原值。这种由于光线照射强弱而导致半导体电阻 值变化的现象，称为光导效应。具有光导效应的材料就称为 “光敏电阻”用光敏电阻制成的器件称为光导管，但通常也 叫光敏电阻。
①光电流。光敏电阻在不受光照射的阻值称“暗电 阻”，此时流过的电流称“暗电流”；光敏电阻在受光照 射时的阻值称“亮电阻”，此时的电流称“亮电流”。而 亮电流与暗电流之差即为“光电流”。当然，希望暗阻愈 大愈好，而亮阻愈小愈好，也即光电流要尽可能大，这样 光敏电阻的灵敏度就高。
②光敏电阻的伏安特性。在光敏电阻的两端所加 电压和电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。 它是一条直线，所加电压U越高，光电流I也越大，而 且没有饱和现象。在给定的光照下，电阻值与外加电 压无关；在给定的电压下光电流值随光照的增加而增 加。
光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫
外区域到红外区域，且体积小，性能稳定，价格低，所以被
广泛应用于自动测试系统中。但是，使用时需要有外部电源，
同时当有电流通过它时，会产生热的问题。光敏电阻的种类
繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、锡化物等组成。
图9-1 光敏电阻的结构及表示符号
光电检测技术与系统教学设计
光电检测技术与系统教学设计背景随着科技的迅猛发展，光电检测技术在许多领域中得到了广泛应用，如生物医药、环保、新材料等。
因此，掌握光电检测技术成为了现代科技人才必须的一项基本技能。
在高等教育中，培养学生的光电检测技术需要通过实践教学来实现，才能更好地逐步掌握和应用。
光电检测技术与系统教学设计是一项必不可少的工作，为学生提供了更好的学习和实践机会，也促进了教育教学改革的进展。
教学目标本次教学设计旨在培养学生的光电检测技术与系统应用能力，让学生了解光电检测技术的基本原理和应用，了解光电检测系统的主要组成部分，以及光电检测技术在各种领域中的应用情况。
教学内容1. 光电检测技术基础•光的本质及其与物质的相互作用•光学基础和光电探测器原理•光电检测器的种类和特点•光电元器件和微光测量2. 光电检测系统•光电检测系统的基本组成和原理•光电检测系统的设计和调试•光电检测系统在各个领域中的应用3. 实践操作•光电检测器的基本使用方法•光电检测系统的实际操作•常用光电检测器的测量试验及结果分析教学方法本次课程的主要教学方法为理论讲授与实践操作相结合。
通过理论讲解和实验操作让学生更好地掌握光电检测技术和系统，让学生在实验中发现问题，分析问题，解决问题的能力。
教学评价本次教学的评价主要是以学生的课堂出勤率、课程参与度和实践操作成绩综合评价。
学生必须在参加实践操作，完成实验报告，并按时提交。
同时，教师也将为学生提供充足的实验室时间，为学生有出色成果提供机会。
教学资源本次光电检测技术与系统教学使用的设备资源如下：•光电检测器•激光器•光电探测器同时，还需要配备实验室的常规设备，如电脑、投影仪等。
总结光电检测技术与系统是一门在实践中不断发展和创新的学科，学生应当深入理解其原理和应用，掌握光电检测技术和系统设计。
通过教学设计实践，教育教学将能更好地促进学生的能力发展，培养具有实际应用能力的工程技术人员。
光电检测技术 第9章[92页]
![光电检测技术 第9章[92页]](https://img.taocdn.com/s3/m/a2cd94edbe23482fb4da4cc9.png)
三、应用举例 （一）光电开关与光电转速计 1、透射分离型主动开关
也用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭室 内的室外点火控制
2、反射型主动开关 汽油液面探测
3、光电耦合 可实现用低压电路控制高压电路；
4、编码计数型主动开关 可用于工业自动线上产品计数或医用液粒计数
5、光电转速计
转速n与光电探测器的输出脉冲频率之间的关系 为：
n=60f/m, m为孔数或齿数。
（二）激光准直仪
利用四个象限的光强是否相等来进行准直
利用激光的相干性，采用方形菲涅 尔波带 片来提高激光准直仪的对准精度，如下图，这 就是所谓的衍射准直仪。
9.3 随时间变化的光电信号检测方法与系统
物理光学法 干涉、衍射、散斑、全 息、波长变换、光学拍 频、偏振等相干光学现 象或方法
莫尔条纹、干涉计量、全息 计量、散斑计量、外差干涉、 外差通信、光谱分析、多谱 勒测速等
光电子学法 电光效应、声光效应、 光调制、光偏转、光开关、
磁光效应、空间光调制、 光通信、光记录、光存储、
光纤传光与传感等
光显示等
1、直读法
在采用直读法的光电检测系统中，光源发出 的光经待测量调制后直接由光电探测器接收。 根据光电探测器输出信号的大小来反映出待测 量的变化。
二、光电变换方法
（一）光电变换的目的
（1）将待测信息加载到光载波上进而形成 光电接收器件易于接收的光电信号。
（2）改善系统的时间或空间分辨率和动态 品质，提高传输效率和检测精度。
（3）改善系统的信噪比，提高工作可靠性。
（二）光电变换的方法
变换方法 光 学 原 理
应用范围
几何光学法 透射、反射、折射、散 光开关、光学编码、光扫描、 射、遮光、光学成像等 瞄准定位、光准直、外观质 非相干光学现象或方法 量检测、测长测角、测距等
现代检测技术(9.1.2)--光电式传感器(2015新版)
Xi’an Jiaotong University
光电管的基本特性
Xi’an Jiaotong University
光电管的基本特性
Xi’an Jiaotong University
光电管的基本特性
Xi’an Jiaotong University
光电管的基本特性
其他特性：
暗电流：无光照时，光电流不为零的现象； 温度特性：光电管的光照特性、伏安特性等会受
Xi’an Jiaotong University
光电倍增管
Xi’an Jiaotong University
光电倍增管的基本特性
Xi’an Jiaotong University
光电倍增管的基本特性
Xi’an Jiaotong University
光电倍增管的基本特性
Xi’an Jiaotong University
二、光生伏特效应
光生伏特效应：在光线作用下，能使物体 产生一定方向的电动势的现象。
+
P
- -- - -
P
光
- - +- -
+++++
+ +-+ +
N
N
-
阻挡层——内建电场—— PN 结
光照射——光电子空穴对——内建电场作用 ——光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区——光电动势
Xi’an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University
光电管的基本特性
物理量
发光强度 （ Luminous intensity ） 光通量 （ Luminous flux ） 亮度 （ Luminanc e） 照度 （ Illuminanc e） 光发射度 （ Luminous emittance ）
第九章-现代光电技术
激光的优势
相干性好 亮度极高 颜色极纯
激光牛顿环干涉
rm mR
在CCD接受靶运动过程中， 实时计算检测位置与初始 位置的坐标差
(ΔY,ΔX,H), 其中ΔY=Y-Y0; ΔX=X-X0
根据坐标差,工程师就可以 方便地找到需要调整的位 置，调整方向及调整量。
二、共光路激光干涉仪测量技术
电池和充电器到6个小时；在仪器没有报警低电 压时，不要充电；按照此规则反复三次后，电池将达到最好的使用效 果；
充电器的正确使用
充电器是智能充电器，具有“放电”和“充电”的功能。在把电池装 到充电器中进行充电的程序是这样的：先把放电按键按下，黄灯亮； 说明放电正在进行。等放电完毕，黄灯闪烁，同时绿灯亮；说明开始 充电。待充电完毕，绿灯也开始闪烁。此时说明充电完成。（前三次 充电要达到6个小时）
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激光干涉测长仪的主要结构
激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器，输出的 是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性，对激光器要采取 稳频措施； 迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件） 可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起 沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动； 光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数； 显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹 移动的个数或与之对应的长度； 光电显微镜：作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号；
模式功能详解
5,水平距离测量模式(Horiz Dist Mode)
－该模式用于测量仪器到目标间的水平距离； －测量过程是这样的：对准目标的任何部位进行测量，都将自动得到水平距离。测
量时仪器同时测量了倾斜距离和倾斜角度，内部计算机运算后，直接显示水平距 离； －主要用于有障碍物阻挡时的水平距离（因为仪器水平放置测量时，会受障碍物影 响）；
现代检测技术与系统第9章
0
n
例如：
对50线/mm的光栅，用4mm宽的光电元件进行接收，那么光电元件所接收到的就是总 共达200条光栅刻线的集体作用的结果，光电元件的输出是这200条刻线共同对光调制结 果的总和。
重难点
重点：基本概念；光电编码器和计量光栅的工作原理。 难点：码盘的辨向原理、计量光栅的辨向原理与细分技术。
✓ 掌握光电编码器（码盘式、脉冲盘式）和计量光栅的工作原理； ✓ 了解光电编码器（码盘式、脉冲盘式）的结构和计量光栅的结构、组成； 学习要求 ✓ 掌握二进制与循环码的相互转换方法； ✓ 了解数字式传感器的应用。
BH
W2
sin
W
2
W2
B
C A
BH BH
θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例 如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。
（2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时， 莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫 尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以 对光栅1的运动进行辨向。
解决办法：为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。 • 循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码
发生变化。 • 如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个
码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。 对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小 分辨率α=360°/2n。
光电干涉检测技术与系统
现代光电干涉检测技术与系统——多参数OCT 系统方向现代光电干涉检测技术是光干涉理论和现代光电检测技术、信号处理技术、计算机技术和自动控制原理的综合应用。
激光的出现开创了光干涉检测技术飞速发展的新时代，激光干涉测量被广泛地应用于长度、角度、微观形貌、光谱等领域。
现代光电干涉检测技术正朝着以下几个方向发展：所用光源涵盖了从微光到紫外的所有波段；探测器探测灵敏度和响应度也有了极大的提高；在信号处理方面，在适应环境、消除噪声、误差修正处理、测量数据速度和可靠性等方面有明显提高；光学系统的集成和小型化有明显进展。
其中，OCT （光学相干层析成像）技术具有高分辨率、无介入、无损伤等优点，其分辨率可高达1-10μm ，更被称为“光学活检”，体现了超越传统五大医学成像技术的优势，在医学成像领域有着广阔的发展前景。
传统OCT 系统无法测定光学材料的偏振效应和双折射性质，因而限制了其应用范围。
多参数光学相干层析技术是偏振OCT 的一个分支，它利用偏振光成像，在继承了传统OCT 优点的同时，还具有可检测样品的背散射率、双折射率、光轴分布、折射率、厚度等多种参数的特点，是一种具有广泛应用前景的医学诊断技术。
由于多参数OCT 以提取样品的多种参数为目标，因此其数据处理系统不仅需要对干涉电信号进行放大、解调、滤波等处理，还需要针对不同特性参数设计合适的提取算法，有效、精确地获取样品各类参数分布，以作为进一步形成图像显示的基础。
因此，设计高效的数据处理系统，是研制多参数OCT 的重要环节。
在实际实现阶段，全光纤型偏振OCT 较空间型偏振OCT 器件发挥了更加优良的作用，为方便调整光路，前者的系统光路采用保偏光纤连接，这就使得各光学元器件的光轴无需必在同一水平线上。
同时，最终成品总器件体积更小，更便于发展成为便携式装置。
光电探测器C 宽带光源SLD A/D 光电探测器A A/D A/D 光电探测器BHe-Ne 激光器起偏器光纤偏振开关1×2耦合器2×2耦合器2×2耦合器放大、滤波放大、滤波放大、滤波准直器偏振分束器偏振控制器FPGA USB 计算机光路A 光路C样品台X准直器偏振控制器Y 光学快速扫描延迟线固定反射镜光路B全光纤化多参数OCT 光路结构如上图所示。
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9.2光度量和辐射度量检测技术
9.2.1 照度的测量
目前在实际工作中主要采用客观法测量照度，即将照度计的光辐 射探测器放在待测平面，光照引起探测器的光电流，放大后通过仪 表或数字读出。对于标定过的照度计，读出的数据代表了所测平面 的照度值。照度计的基本结构是光电测量头及其示数装置。光电测 量头包括光电探测元件、光谱修正滤光片以及扩大测量量程的光衰 减器(中性滤多片等)，如图9-9所示。
图9-9 照度计结构原理图
为了可靠地测量照度，照度计必须满足以下条件:
(1) 光电探测器的光谱响应应符合照度测量的要求；
(2) 探测器的余弦校正;
(3) 照度示值与所测照度有正确的比例关系；
(4) 照度计要定期进行精确标定； (5) 照计计要有较多强的环境适应性;
9.2.2 亮度的测量
第9章 现代光电检测技术与系统
本章主要内容
1.光谱仪器 2.光度量和辐射度量检测技术
3.莫尔形貌测试技术
4.条形码技术 5.三角法测试技术 6.光电图像检测技术
9.1 光谱仪器
9.1.1 单色光的产生
色仪用来将具有宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的
单色光，因而它既可作为一个可调波长的单色光源，也可作为 分光器；
R
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Hale Waihona Puke 9.1.2 光谱仪器的分类根据光谱仪器所采用的分解光谱的工作原理，它可以分成两 大类：经典光谱仪器和新型光谱仪器。 根据接收和记录光谱的方法不同，光谱仪器可分为：看谱仪、 摄谱仪、光电光谱仪。
根据光谱仪器所能正常工作的光谱范围，光谱仪器可分为： 真空紫外(即远紫外)光谱仪、紫外光谱仪、可见光光谱仪、近红 外光谱仪、红外光谱仪、远红外光谱仪。
采用劈式滤光片的成像光谱仪（图9-8）原理十分简单，但工艺复杂。
图9-8 劈式滤光片原理的成像光谱仪
几种光谱接收模式比较如下： （1）由于色散型成像光谱仪中均含有入射狭缝，狭缝越窄，光谱分辨率 越高，而进入系统的光通量就越少，即光谱分辨率和光通量成为色散型 成像光谱仪中相互制约的一对矛盾。而在干涉型成像光谱仪中同时测量 的却是所有谱元均有贡献的干涉强度，空间调制型干涉成像光谱仪虽然 也有狭缝，但狭缝宽度不影响光谱分辨率，只决定于空间分辨率的要求。 在满足空间分辨率的前提下，狭缝可以较宽，从而使狭缝面积和视场角 较大。 （2）光栅比棱镜、楔型滤光片和干涉技术有很多优点。其中较滤光片的 主要优点是可同时获得每一谱线且光谱分辨力高，极大简化了飞行后数 据的处理。由于透射全息光栅难以解决低失真和杂散光，反射式光栅成 为许多系统优选的对象。光栅主要的局限是传统的光栅系统存在光学失 真、多衍射级杂散光及对入射光极性灵敏度问题，但通过使用具有散光 修正反射衍射光栅可回避这些问题，如选择镜子的斜度和光栅全息构造 点来优化设计，平衡第三、四级杂散光。
(1) 色散型成像光谱仪
图9-5为基于反射光栅的色散超光谱系统，它原理简洁、性能稳 定，可同时获得每一谱线且光谱分辨力高
图9-5 基于光栅的色散系统
在光栅色散系统的实现形式上，凹面光栅由于兼具色散和成像 作用，比起平面光栅系统来结构简单，光学结构紧凑、轻巧，设计 简洁，所有外场应用时经常得到实际应用。凹面光栅的原理图及效 果图如图9-6所示。
根据仪器的功能及结构特点，光谱仪器也可以分为：单色仪、 发射光谱仪、吸收光谱仪器、荧光光谱仪器、调制光谱仪、其他 光谱仪器（如激光喇曼光谱仪、光声光谱仪、成像光谱仪、多光 谱扫描仪等）。
9.1.3 分光光度计
分光光度计主要用于测量物质的光谱反射比或光谱透射比。图9-1 是美国通用电器公司生产的一种由双单色仪系统和工作在零读数下的偏 光光度计组成的分光光度计的结构图。
图9-6 凹面光栅的原理效果图
(2) 干涉型成像光谱仪
时间调制干涉成像光谱仪，将入射光分裂成两部分，并通过一种可 变光程差将这两束光复合，从而产生一幅场景光谱干涉图（如图9-7)
图9-7 时间调制干涉成像光谱仪
(3) 滤光片型成像光谱仪
包括可调谐滤光片系统和空间可变滤光片系统，通过光学带通滤光 片把来自场景光谱的一个窄波段透射到单个探测器或者整个焦平面探测 器列阵上，可采用可调谐滤光片、分立滤光片或空间可变滤光片。可调
9.1.5 成像光谱仪
1. 场景扫描模式
成像光谱仪场景扫描常用的模式包括掸帚式、推帚式和凝视三种， 如图9-4所示。
图9-4 成像光谱仪场景扫描模式
2. 光谱接收模式
成像光谱仪的光谱接收模式有色散型、干涉型和滤光片型，模
式的最终选择取决于灵敏度、空间分辨率、光谱分辨率、视场之间 的折衷。目前常见的成像光谱仪大多为基于分光棱镜、色散棱镜和 衍射光栅的色散型成像光谱仪，其中又以采用光栅的色散型成像光 谱仪最为突出。
[I1]可否去掉?
图9-1 美国GE公司生产的一种分光光度计
9.1.4 傅立叶变换光谱仪
如图9-2是迈克尔逊干涉仪的工作原理。
图9-2 迈克尔逊干涉仪的光学系统
FT光谱辐射计和迈克尔逊干涉仪的差别在于：①平面镜M2 以一恒速V运动，位移量X=Vt；②光源不只是单色光，可以是
连续光谱
与棱镜、光栅单色仪相比，FT光谱辐射计的主要优点： (1)高的能量传输;(2)高的信噪比；(3)高的分辨率
谐滤光片包括声光和液晶两种，声光可调谐滤光片通过改变声波频率而
改变有效间隔，并将滤光片调到不同波长，对于给定的声频只有很窄的 光波范围满足相位匹配条件。液晶可调谐滤光片利用双折射效应，通过
改变寻常入射光线和非常入射光线之间的光程差选择波长，但其调谐速
度慢。采用调谐滤光片的成像光谱仪谱段可任意选择，控制方便，但很 难同时获得多谱段的图像。空间可变滤光片的典型是劈形滤光片。
按其作用原理可分为：物质色散、多缝衍射 、滤光片
单色仪的主要性能指标有：色散率和光谱分辨率 1. 色散率 色散率表明从色散系统中射出的不同波长的光线在空间彼此分 开的程度（角色散率），或者汇聚到焦平面上时彼此分开的距离 （线色散率）。
2. 光谱分辨率
分辨率是表明单色仪分开波长极为接近的两条谱线的能力。 理论分辨率等于角色散率与有效孔径在色散平面内宽度的乘积。