第五章光电探测方式与探测系统介绍

( A B ) (C D) Vx k A B C D ( A D) ( B C ) Vy k A B C D
探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种准直仪可用于各
种建筑施工场合作为测量基准线。
脉冲激光定向
脉冲激光器作光源照射远处军事目标，被照射的目标对光脉冲发生漫反射， 反射回来的光由光电接收系统接收。四象限管放在光学系统后焦面附近，光轴
通过四象限管十字沟道中心。远处目标反射光近似于平行光进入光学系统成像于
物镜的后焦面上，四象限管的位置因略有离焦，于是接收到目标的像为一圆形光 斑。当光学系统光轴对准目标时，圆形光斑中心与四象限管中心重合。四个器件
因受照的光斑面积相同，输出相等的脉冲电压。当目标相对光轴在x、y方向上有
任何偏移时目标像的圆形光斑的位置就在四象限管上相应地有偏移，四个探测器 因受照光斑面积不同而得到不同的光能量，从而输出脉冲电压的幅度也不同。
上图为双元探测的简单原理图。两个相同性能的光电探测器对称地放 在光学系统的像面上组成探测，两探测器与电阻连成电桥方式，如图 (a)所示。图(b)为两个硅光电池与可调电阻连成电桥形式。当平衡时， 输出端两端电压为零，能消除均匀背景的影响。当目标光能量落在某 一器件上时，输出端就有信号电压输出。两个探测器分别受照时，输 出信号极性相反。图(c)为用光敏电阻接成电桥形式外加偏压E，其结 果与(b)一样。这一方案适用于系统接收到的光功率不很弱的场合， 例如做成位置敏感器。
2．双元探测测速器
2．双元探测测速器 测速装置。它可实测车辆行驶速度。尤其是车辆轮胎变形、道 路崎岖和车辆打滑程度不同时车辆的行驶速度。 装置由两个梳形光电池组成，两个相对形成一个较大的光敏面。 光敏面放在光学系统像面上接收地面对阳光的反射光（或另外 加照明灯）。当车辆静止时，两探测器接收到相同的平均光强， 有相同直流输出。这时后面差动放大器有共模抑制作用，因而 没有信号输出。当车辆运动时，如果地面如同一面反射镜，那 么探测器仍得到均匀照明，仍是输出直流。而事实上，地面上 各点的反射率是极不均匀的，突出的点所成的像在探测器上将 形成交变的调制信号。差动放大器对两探测器的输出信号VA、 VB是相加的，形成交流信号。此信号可经过整形、计数电路读 出所对应的车辆的平均速度。也可送入微机算出瞬时速度的变 化，对车辆行驶速度进行研究。
§5.2 四象限探测方式
把四个性能完全相同的探测器按照直角坐标要求排列成四个象限做在 同一芯片上，中间有十字形沟道隔开。在可见光和近红外波段，较为 广泛应用的是硅光电池和硅光电二极管。
四象限探测方式是用四象限管和光学系统组成测量头，在
位置测量中四象限光管相当于直角坐标系中的四个象限。 四象限探测器象限之间的间隔称为“死区”，一般要求 “死区”做得很窄。若“死区”太宽，而入射光斑较小时， 就无法判别光斑的位置；“死区”做得过分狭窄，可能引
3. 双通道测量方式 :光谱光度计原理图
3. 双通道测量方式 : 光谱光度计原理图。仪器用两个性能完全相同的光电倍增管或红外光 敏电阻与电路组成两个测量通道，对样品进行光谱透过率测量。上面 通道为参考通道，它作为相对测量的基准，下面通道为测量通道，对 样品光谱透过率进行实测。图中用碘钨灯作光源，光源发出的光束经 聚光镜后经狭缝S投射到分光棱镜上。分光棱镜射出为色散的光谱。 由出射狭缝对色散的光谱选择只射出单色光。当棱镜转动时，狭缝出 射光谱波长改变，射出的单色光经调制盘调制成交变能量。 当信号高 于基准电压时，差放输出信号控制光电倍增管高压下降，反之就升高。 相当于入射光能量大时，信号经电路后自动控制高压下降，使倍增管 高压下降，反之升高。这样就自动消除了光源出射光谱量度不均匀的 影响。 下面一个测量通道输出的信号强弱就直接代表了样品的光谱透过率特 性。当光电探测器是采用光敏电阻时，差动输出信号就不再控制光电 倍增管的高压，而去控制电机带动光楔垂直于光束作进退运动。当光 源光谱亮度高时，光楔前伸使光楔因厚度增加而多吸收一部分，反之 就后退。这样可以自动保持入射在测量通道的样品上的光能量在整个 光谱范围内都不变。这种双通道比较探测方式不限于光谱测量，也可 用于其它场合。
移量所对应的电压。可表示为
Vx k ( A B) (C D) Vy k ( A D) (B C)
式中A、B、C、D代表四个探测器的输出。k为电路的放大系数。
通常为了消除光斑自身功率变化（例如：运动目标远近变化而引起光 斑总能量变化）采用和差比幅电路。其输出电压为
四象限管探测电路方块图
四个探测器分别与运算电路相连。当目标相对光轴在x、y方向上有任 何偏移时目标像的圆形光斑的位置就在四象限管上相应地有偏移，四
个探测器因受照光斑面积不同而得到不同的光能量，从而输出脉冲电
压的幅度也不同。四个探测器的输出脉冲电压经四个放大器A、B、 C、D放大后进入和差电路进行运算，得到代表光斑沿x或y方向的偏
起信号之间的相互串扰，同时工艺上也不易达到，所以实
际制作时，必须要兼顾这两个方面。 四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方 位定向、位置探测等领域。
激光准直原理图 光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限 管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有 偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出、的信号。那个
光电探测方式与探测系统
§5.1 双元探测方式 §5.2 四象限探测方式（原子力显微镜） §5.3 光机扫描探测方式（3D激光显微镜） §5.4 线阵器件的探测方式 §5.5 光学视7 相干探测方法
§5.1 双元探测方式
8.1.1 双元探测方式
双元探测方式是采用两个光电探测器与光学系统头，它的特点是 结构简单。通常把两个探测器接成电桥方式或差动方式以自动减去背 景光能作用下光电探测器输出的光电流。