光电检测系统

若光源是非相干光，使光信息加载于非相干光源 载波的振幅、频率或相位变化之中——非相干检 测系统。
直接探测系统的性能分析
▪ 光电探测器的基本功能是把入射到探测器上的 光功率转换为相应的光电流
i(t) q P(t) h
S q h
▪ 光电流是光电探测器对入射光功率的响应，如 果传递的信息表现为光功率的变化，利用光电 探测器的直接光电转换功能就能实现信息的直 接解调
器件则以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出。 即输出信号量是被测信号量Q的函数，或称输
出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函 数关系。可表示为
Ip=f(Q)
模拟变换系统
或
Up= f(Q)
光电变换电路输出的电流Ip或电压Up不仅与被测信息量Q值有关而且与 载体光度量有关。因此，为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q 的函数关系，载体光度量必须稳定。否则，载体光度量的变化直接影响 被测信息量。另外，电路参数的变化，尤其是电源电压的波动，放大电 路的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。而光度量的稳定 又与光源、光学系统及机械结构等的性能有关。因此，实现稳定的高精 度的模拟光电信息变换常常遇到许多其他技术方面的困难。必须采用各 种措施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。
0ekvd
U 0se kvd
透射式直接检测
光强度型光电信号直接检测
U 0 EbRl
遮挡式直接检测
光强度型光电信号直接检测
U 0 Er1 r2 BR
疵病信 号电压
被测表 面的照
度
正品表 面的反 射率
疵病表 面的反 射率
光电接收器件有
效视场内疵病所 占地面积
反射式直接检测
光电测速
2
3
1 (a)
直
相位法
接
检
幅值法
测
单通道 双通道
时
时间法
间
波数测量
变
频率法
化
频率测量
光
相
信 号
干 检
连续波调制
测
调幅 调频
脉冲调制
直读法 指零法 差动法 比较法
简单光学目 标空间定位
几何中心检 测法
亮度中心检 测法
象分析 扫描调制
光学象分析 象限监测器
空
间
光学图像的
变
扫描
化
光
信
号
几何参量的
检测
图像扫描
实体扫描 光度变换 空间编码 线值测量
▪ 电路处理 ➢ 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口 、控制。
光学变换
▪ 在光电系统中，通常要借助几何光学、物理 光学和光电子学的方法对信号进行变换，包 括将一种光量转换成另一种光量， 将非光 量转换成光量或将连续光量转换成脉冲光量
▪ 目的：
➢ 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
➢ 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：
➢ 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）
g
4
T
2L
2
返回
光电检测技术
▪ 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。
▪ 对光信号进行光强调制，提高系统检测精度 ▪ 光调制的优点: 1.容量大 2.易加载 3.距离远 4.易保密 5.抗电磁干扰能力强
光电检测系统分类
▪ 主动系统/被动系统(按信息光源分) ▪ 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
2 3
1 (b)
光电数字式转速表工作原理图
是在待测转速轴上固定一带 孔的转速调置盘，在调置盘 一边由白炽灯产生恒定光， 透过盘上小孔到达光敏二极 管组成的光电转换器上，转 换成相应的电脉冲信号，经 过放大整形电路输出整齐的 脉冲信号，转速由该脉冲频 率决定。
在待测转速的轴上固定一个 涂上黑白相间条纹的圆盘， 它们具有不同的反射率。当 转轴转动时，反光与不反光 交替出现，光电敏感器件间 断地接收光的反射信号，转 换为电脉冲信号。
▪ 光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。
它将被测量的量转换成光通量,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
▪ 光电检测系统
➢ 光学变换 ➢ 光电变换 ➢ 电路处理
光电检测系统
光
光
被
光
光变
电
源
学
测
学
电换
信
系
对
变
传电
号
统
象
换
感路
处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
光电探测器的种类
▪ 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)
模拟变换系统
1. 模拟光电变换
被测的非电量信息（如温度、介质厚度、 均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等） 载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照 度和出射度等）的方式送给光电器件，光电
光强度型光电信号直接检测 光强调制检测
光强度型光电信号直接检测
探测器直接测量被测目标的 辐射光强，根据这些信息可 以进行温度监测、红外侦察、 武器制导、光谱分析、火灾 报警、武器制导、夜视观察、 地形地貌普查和成像测量等 的应用。
辐射式直接检测
光强度型光电信号直接检测
0ed
k v,
v物质浓度
▪ 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)
光电信号检测种类
▪ 光强度型信号检测 ▪ 光相位型信号检测 ▪ 光偏振型信号检测 ▪ 光频率型信号检测 ▪ 光谱型信号检测
光电信号检测种类
▪ 光强度型信号检测 ---被测参量作用在光强信号上 ---直接检测和调制检测
机械式 光束式 电子式
运动物体 静止物体 空间搜索
轴向测距
一、脉冲激光测距仪
▪ 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：
▪ 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)
光电检测方法
▪ 直接检测和相干检测系统
若光信息为光强，即被测信号加载到光载波的强 度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源— —直接检测光电系统，也是一种非相干检测；
若光信息加载于相干光源载波的振幅、频率或相 位变化之中——相干检测系统；
▪ 被动光学系统
光电系统所接收的信号完全来自 被测对象的自发辐射而不用人工 光源
信光息源源的通电过源调电制压• 主 或电流，把信息 动
加载到光载波上，光
而发射调制光； 或者用光电系统
学
照射目标再进行 系
光电变化，被接 统
收系统接收
光强调制检测（将信号加载到光波上）
▪ 光强直接检测方法容易受到外部干扰和光强波动 的影响
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
光电检测系统分类
▪ 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
▪ 由光电探测器的平方律特性
▪ 信号和噪声的独立性，有
▪ 根据信噪比的定义，输出信噪比为
SNRO
Po no
Pi 2 2Pi ni ni2
Pi / ni 2 1 2 Pi / ni
若（Pi/ni）<<1，则有
直接探测方式不适宜输(入Po信/ n噪o )比小(P于i /1n或i )2微弱
光电探测器的平方律特性
▪ 假定入射光的电场为 ▪ 光电探测器的光电转换定律
是等幅余弦变化
▪ 若探测器的负载电阻为RL，那么光电探测器的输出功
率
电输出功率正比于入射光功 率的平方；
光电流正比于光电场振幅的 平方
直接检测系统的信噪比
▪ 设入射光电探测器的信号功率为Pi，噪声功率为ni ，光电探测器的输出电功率为Po，输出噪声功率 为no，则总的输入功率为Pi＋ni，总的输出功率为 Po＋no
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
类型 PN结
非PN结 电子管类
其他类
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) 光敏元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管
光电检测系统
光源 光学系统 光电探测器 电路处理
光电检测技术
▪ 检测与测量 ▪ 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：是利用光电传感器实现各类检测。
它将被测量的量转换成光通量,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
信号的探测
若（Pi/ni）>>1，则有
(Po
/
no
)
1 2
(Pi
/
ni
)
输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换
后的信躁比损失不大，适宜于强光探测
直接探测ห้องสมุดไป่ตู้统的噪声
直接检测属于非相干检测，噪声有：
▪ 信号光功率的散粒噪声 is2n SPs 2qf ▪ 背景光功率的散粒噪声 ib2n SPb 2qf ▪ 光电器件热噪声 in2T 4kTf / R ▪ 光电器件暗电流引起的散粒噪声id2 2qId f
非相干信号的光电变换与检测
➢ 直接检测系统 --- 随时间变化的光电信号变换与检测方法
这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范围，它的特征参量只随时 间缓慢地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的一维函数而与空间坐 标无关，可用函数F(t)表示。
--- 随空间变化的光电信号变换与检测方法
这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光信号的参量随空间位置而改 变。因此是二维或三维空间的函数，用函数F(x,y,z)表示，其中随时间变 化的信号称作时空变化的光电信号，用函数F(x,y,z,t)表示。
“0”和“1”两个状态即可。
光电检测系统分类
▪ 主动系统/被动系统(按信息光源分) ▪ 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
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）
光电检测系统
▪ 光学变换 ➢ 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 ➢ 空域变换：光学扫描 ➢ 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 ➢ 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学 信息。
▪ 光电变换 ➢ 光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 ➢ 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号 的放大和处理）。
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
例：空调机测量控制室温 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
返回
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：
▪ 光电检测系统
➢ 光学变换 ➢ 光电变换 ➢ 电路处理
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
模数变换系统
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