光电检测技术 第七章

图6-5 非相干光电信号的变换与检测方法
一、幅值法 这种变换的特点是利用光的透射、反射、 折射、遮光或者成像的方法将被测信号直接 加载到光通量的变化之中，再用光电器件检 测光通量的幅值变化。它广泛用于光开关与 光电转速计、激光测距、准直、辐射测温、 测表面粗糙度、测气体或液体浓度、测透过 率、反射率等。
• 它的工作原理及过程为：光源发出的光经过干涉 滤光片后成为单色光，由分光器分成两路，分别 通过4和5 达到光电探测器PD1和PD2。 • A、检测前，先在待测试样及参考试样比色 皿中均放入参考溶液（如蒸馏水），将参考通道 中的光阑打到透光量最大，调节信号通道中的光 阑，使电路的输出为零，即使到达PD1和PD2的信 号光及参考光强度相等。 • B、测量开始时，在信号通道中放入待测溶 液试样，由于待测溶液对工作波长的光要产生吸 收，因此，到达PD1的信号光强度将减小，差动输 出将不为零，调节参考通道中的光阑，使参考光 强亦减小，直到与信号光强相等，即输出重新为 零为止。此时，根据连接在参考通道中光阑上的 刻度盘的读数，即可读出待测溶液的浓度值。
（二）直接检测系统的信噪比 直接检测的输出信噪比为：
PS SNRd PS 2qf 2qf 2hf
2 2
PS
PS
则输出功率信噪比为
Sp Ps 2 ( Ps / Pn ) 2 S ( )功率 2 N N p 2 Ps Pn Pn 1 2( Ps / Pn )
第7章 非相干检测方法与系统
掌握内容 光电检测系统的分类，光电信号变换方法，直接 接测系统， 非相干检测系统，相干检测系统 理解内容 形成各光电检测系统的方法 了解内容 各光电系统的运用
第7章 非相干检测方法与系统
§7.1光电信号变换及光电检测系统分类概述 §7.2直接（光强度调制）检测方法与系统 §7.3随时间变化的光电信号检测方法与系统 §7.4空间分布的光电信号检测方法与系统
小尺寸测量
大尺寸测量
二、频率法 频率法应用于被测信息呈周期性变化的情况， 这时被测信息载荷于光通量的变化次数或频率的 快慢之中，用测量光通量的波数和频率的方法测 出被测值。 使光通量的波数和频率随被测信息变化的方 法有许多种，如用几何光学的透光和反光的方法， 使光通过旋转的多孔圆盘或反光的多面体，用光 栅的莫尔条纹技术或光干涉的干涉条纹技术等。
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。
' ' ' ' U 0 ( I p I 0 I L )A U0 [ 0 f (Q)S I 0 I L ]A U 0
2、指零法 指零法是利用标定好的读数装置来补偿光 通量的不稳定影响，使测量系统在输出光通量为 零的状态下读数。下面以测量磁光物质在磁场下 的偏振角为例来进行说明。下图所示是测量磁光 物质在磁场下的偏振角的原理图
• 如果入射光信号为强度调制光，调制信号 为d(t)，即调制的入射光信号的强度为 P[1+d(t)]，那么光电探测器输出的光电流 为：
e I P P[1 d (t )] P[1 d (t )] h
• 式中，第一项为直流电平，可以用隔直电 容隔掉；第二项为所需要的信号，即光载 波的包络检测。
7.4空间分布的光电信号检测方法与系统
光学目标就是不考虑被测对象的物理本质， 只把它们看作是与背景间有一定光学反差的几 何形体或图形景物 .
信号处理的目的是确定目标相对基准坐标 的角度或位置偏差，称作空间定位。
一 几何中心检测法
xG 0
1 ( x1 x 2 ) 2
1.像分析和像分析器 像分析器的基本工作原理是：将被测物体的光学像 相对于假面基准的几何坐标，变换为通过该基准某 一取样窗口的光通量，通过检测该光通量的变化来 解调出物体的坐标位置。
Ps / Pn 1
Ps / Pn 1
Ps 2 S （ ） （ ） 功率 N Pn S 1 Ps （ ） 功率 N 2 Pn
（三）直接检测系统的视场角
视场角是直接检测系统的性能指标之一。它表示系 统能“观察”到的空间范围。对于检测系统，被测物看 作是在无穷远处，且物方与象方两侧的介质相同。在此 条件下，探测器位于焦平面上时，其半视场角（如下图 所示）为：
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。
差动检测系统测位移的结构3
1 2 ( ) ( ) 1 2 ( ) ( )
例：溶液浓度的测量
原理和工作过程：光源1发出的光经单 色器2后成为单色光，该单色光的波长应 选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线 用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液 S2和参比溶液S1，并用两个性能一致的光 电探测器接收。由于参比溶液对工作波长 的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的 光有较强的吸收，因此，探测器PD1接收 到的光强度I1即为入射光强度I0，而探测 器PD2接收到的光强度I2取决于待测溶液 的浓度。
R2 1 R2 I1 U 0 C0 lg C lg R1 2 R1 I 2 由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I2,故
可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映 了溶液的浓度。
Hale Waihona Puke Baidu
I0 U 0 K lg I2
4、补偿法
例：用补偿法对溶液的浓度进行检测
补偿式光电比色法检测溶液浓度的原理框图
7.2
直接（光强度调制）检测系统
一、直接检测系统的基本原理
所谓直接检测是将携带有待测两量的光信号直 接入射到探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强 度而输出相应的电流或电压。
二、直接检测系统的基本特性 （一）光探测器的平方律特性 入射光波的光电场为 ： E (t ) As cos( wt ) 入射光的平均光功率为：
三、相位法 如果光载波的光通量被调制成随时间呈周 期性变化，而被测信息加载于光通量的相位之中， 检测到这个相位值即能确定被测值，这种方法称 为光通量的相位测量法。 典型的光通量相位测量实例是相位激光测 距仪，如图所示。
图
激光相位测距仪原理图
四、时间法 若光源发出的光通量是脉冲式辐射，这时 可用单个脉冲的时间延迟来测距离，称为时间法。 脉冲式激光测距仪和激光雷达都是时间法测距的 典型应用。 下面两图是脉冲激光测距仪的原理方框图和 各级波形图。
5、开关法 前面介绍的几种检测方法都是基于由待测量 对光源光通量进行调制，然后用光电探测器检测 出调制光的光通量的大小，属于模拟变换。而开 光式光电检测系统是通过检测光的有无来检测出 待测量，属于数字变换，它是最简单的光强度调 制检测系统。 开关法最典型的光电检测系统的例子是光电 转速计。
6、举例： 物体尺寸的检测 投影法
1 2 P E (t ) As [cos( wt )] As 2
2 2 2
光电探测器输出的电流为：
1 2 I P P As 2
若光探测器的负载电阻为 RL ，则光探测 器输出的电功率为 ：
S P I P
2
e 2 2 RL ( ) P RL h
光电探测器的平方律特性包含有两层含意： 其一是光电流正比于光场振幅的平方； 其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。
7.3 随时间变化的光电信号检测方法与系统
非相干光电信号按其时空特点分为随 时间变化的光电信号和随空间变化的光电信 号。前者的特征是信号随时间缓慢变化或周 期性以及瞬时变化，发生于有限空间内，与 时间有关而与空间无关，信号可表示为F(t)。 随空间变化的光电信号发生在一定空间之内， 光电信号随空间位置而改变，表示为F(x，y， z)，有的还同时随时间改变，表示为F(x，y， z，t)。非相干光电信号的变换与检测方法如 图6-5所示。
（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 射、遮光、光学成像等 非相干光学现象或方法
光开关、光学编码、光扫描、 瞄准定位、光准直、外观质 量检测、测长测角、测距等
物理光学法 干涉、衍射、散斑、全 莫尔条纹、干涉计量、全息 息、波长变换、光学拍 计量、散斑计量、外差干涉、 频、偏振等相干光学现 外差通信、光谱分析、多谱 象或方法 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
2、相干检测系统 如果光源是相干光源，但用光调制的方法使 被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中， 然后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或 相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系 统。
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。
1、波数测量法 波数测量法通常用测量光通量随被测信息变 化的周期数来检测被测值，如光栅莫尔条纹测量 技术。如图所示是用光栅测量位移的例子。
图
光栅莫尔条纹测量原理图
2、频率测量法 在前述例子中，若要测量光栅尺的运动速 度，只需要将光栅尺的位移对时间微分，即：
dx dN b bf dt dt
式中，dN/dt为波数的时间变化率即频率； 而dx/dt为速度，即运动速度与光通量变化频率 成正比。这种通过测量光通量变化的频率来测量 被测参数的方法称作频率测量法。 波数测量法与频率测量法对光通量的幅度 变化不敏感，因而对光源系统的稳定性要求比幅 值法低。
系统输出电压为：
R2 K11 U 0 C0 (lg I1 lg I 2 ) R2 / R1 C0 lg R1 K 22 式中，C0为比例常数; I 1为PD1上产生的光电流; I 2 为 PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1和PD2的灵敏 度， 1 、2 为到达PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2 性能一致，则K1＝K2，故上式可变为：
3、差动法 在直读法和指零法的光电检测系统中，光 路只有一个通道。为了减小单通道法入射光通量 波动对测量的影响，可以采用双通道差动法和双 通道差动补偿法。
差动检测系统基本结构1
差动检测系统结构2
'2 2 2 2 2 2 n ' 1 1 1 1 2 2 n n
W d /2f
或视场立体角为： Ad f 2 式中，d是探测器直径； Ad 为探测器面积；f 为焦距。
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；
7.1 光电检测系统及光电信号变换概述
一、光电检测系统分类 （一）根据光源来源分类 1、主动测量系统
a) 被测量调制光载波的主动系统
b)反射式的主动系统
2、被动测量系统
图7－1 采用锁相放大的被动式光电检测系统
（二）光源是否相干分类 1、非相干检测系统 (1)若光信息为光强，即被测量被携带于光载波的 强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源， 这时光电器件只直接接收光强度变化，最后用解 调的方法检出被测信息，这种方法组成的系统称 为直接检测光电系统。 (2)若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、 频率或者相位变化之中，这样所组成的系统则称 为非相干检测系统。 通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率） 以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法 统称为非相干检测。