光电测试技术概论

U U 0 cos t U 0 cos t z / c
上式表明： (a)z一定时，则U代表场矢量在该点做 时间上的周期振动
电磁波的传播
(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同做空间的周期变化 (c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空 间各点的振动状态。从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。 时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/
来自两个独立光源的两束光，迭加后的光强等于两束光单独照射的光 强之和。
I
I
1

0
1
I 2 2 I1 I 2 cos dt 1

不产生干涉！
I1 I 2 2 I1 I 2

cos dt
0

相干迭加
光程与光程差
P点位相差恒定，光 强始终不变。 决定 干涉现象的条纹分布决定于两束相干光的位相差。 同一介质两光之间的几何路程差 不同介质?
光波的偏振
(1)自然光
光波的偏振
布儒斯特定律：入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光，折射光为部分 偏振光，且此时的反射光线和折射光线垂直。 该方法是可以获得线偏振光的方法之一。由于i0 + r = π / 2 ，n1 sin i0 = n2 sin r， 则
传播方向 z
若n1为空气，则tg i0 = n2，这样，当介质折射率一定时， i0就唯一地被确定。 起偏或检偏的元件有两种： 1.光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的； 2.偏振片：它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分 子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而 产生线偏振光。 马吕斯定律：完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为I1 = I0 cos2α，其中的
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：
例：空调机测量控制室温 被测对象： 被测信息： 检测器具： 室内空气 温度 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
• 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 • 电压：万用表 • 质量：天平
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：
2
(4)球面波及其复数表示法 球面简谐波方程： U
U0 r cos t r c
球面波的复数表示法： U
U 0 it kr e r
2
2013-03-17
光波的干涉
设有两个频率相同的光源 在P点相遇
非相干迭加
振幅E10 E20
光强I 1 I 2
两光在P点振动的 位相差
• 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）
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
g
4 2 L T2
激光外径扫描仪工作原理
光 源
光 学 系 统
被 测 对 象
光 学 变 换
光 电 变 换
电 信 息 处 理
1
2013-03-17
c r ct v
2
2
光程可认为是在相同时间内，光在真空中通 过的路程。



( n 2 r2 n1 r1 )


光程差=(n2r2-n1r1)
单频光束干涉条纹的强度分布 a) 双光束干涉 b) 多光束干涉
两同相的相干光源发出的两相干光束，干涉条纹明暗条件由光程差确定

E 0 E
光的特性
电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电检测技术只涉及光学谱区。 在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵 敏阈都同时覆盖此区域。可以使用光学透镜接收辐射或聚焦成像。
电磁波的传播
0
B μ0 J B 0
E 0 E 0
hν
hν h h 2 h P n0 n0 n0 k c 2 2
式中h 是普朗克常数，h=6.63×10-34J•S。
4
2013-03-17
光电检测技术与系统
•光电检测技术是利用光电传感器实现各类非接触的检测技术，也是精密检测 技术之一。具体言之，光电检测技术是将被测物理量转换成光学量，进而再转 换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量的技术。
B 0 B 0
光速、频率和波长三者的关系 (1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。 (2)光速
c 2 .9 9 8 1 0 8 m / s 3 1 0 8 m / s
1 T
光波的表示
(1)平面波 波阵面或同相面：光波位相相同的空间各点所连成的面 平面波：波阵面是平面 (2)单色平面波：具有单一频率的平面波 准单色波:实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如 称为准单色波。 理想的单色平面波（简谐波） 设真空中电磁波的电矢量 E在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 B 在y方 向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则E、B 的振动 方程分别为: E E 0 cos t E 0 cos 2 t
2013-03-17
光电检测技术
测控技术与仪器系 娄小平 louxiaoping@ 2013年2月
检测的基本概念
定义： 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 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
k ( 2 k 1) 2
k 0 ,1, 2 k 0 ,1, 2
干涉加强 干涉减弱
3
2013-03-17
光波的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向，绕过障碍 物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不 均匀分布，这种现象称为光的衍射。 通常把衍射分为二类： 1 ）菲涅耳衍射：光源和观察屏（或二者之一）离开衍射屏距离有 限，又称为近场衍射； 2 ）夫琅和费衍射：光源和观察屏距离衍射屏都相当于无限远，因 而又称为远场衍射。
在 时间内，迭加处的位相差 将“瞬息万变”
E 2 E102 E202 2 E10 E20 cos I I1 I 2 2 I1 I 2 cos
1

cos dt 0
0

I I1 I 2
分子原子每次发光的时间极短，观察到的是在较长时间内的平均值

2 nr

（2）振动方向相同 （3）具有固定的位相差
若光源上一发光点的光分成两束，则各经历不同的路径再会合迭加。
在 两 种 介 质 的 界 面 ：
n2

2 r1
n1


( n 2 r2 n1 r1 )
光在某一介质中所经历的几何路程
光程
n
i
ri
光程与光程差
均匀介质
nr
其中，U为场矢量大小，代表 E 或B 的大小，U0为场矢量的振幅。


(2)单色平面波：具有单一频率的平面波 波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播
(3)平面波的复数表示法 光强 线偏振的单色平面波的复数表示：
i t kz 或 U U 0 exp i t kz U U 0e ~ 复振幅U :模量U 0 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布 ~ ~ U U0 exp ikz U U exp it
(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数 (4)三者的关系 在真空中
c 0
各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同
B B 0 cos t B 0 cos 2 t
两式统一写为：
U U 0 cos t U 0 cos 2 t
c v v ( 0 )
是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：
(2)部分偏振光与线偏振光
光的特性 波粒二象性
2、粒子性（光电子学） 普朗克（1858-1947） 爱因斯坦（1879-1955） 1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因 斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光 与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射等。 在真空中一个光子的能量为 ，动量为 P ，则它们与光波频率，波长 之间的关系为：
若I1 I 2
则I 2I1 (1 cos ) 4I1 cos 2
2 k I 4 I1
干涉相长
v
c n

产生干涉！
光波相干的条件： （1）频率相同
( 2 k 1) I 0
干涉相消

c n n
2 r
位相改变
2 r2
n
2
何为光电检测技术
《光电检测技术》是一门以光为信息载体，以光电转换为基础， 以现代电子学和计算机技术为处理工具的物理量探测与测量技术。
光的特性 波粒二象性
1、波动性（物理光学或波动光学） 1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论，光在传播时表现出 波动性 。表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射等。 光波是电场E和磁场B的振动和传播。如图所示。习惯上常把电矢量叫做光 矢量。描述光波的数学关系是Maxwell方程。