光电检测技术概述PPT课件

干 性
高
亮
度
R S 光
SR应 用 测 量 光谱测量 物理性质测量 表面、界面测量
应
用
太 屋 大 太 宇
阳 顶 规 阳 宙
能 发 模 能 发
发电 电 集中发电 汽车 电
功 能 器 件
纤
通
信
系
高清晰度图像系统 壁挂式大型电视 立体显示器 高清晰度摄像机
光电子计算机 超 高 速 运 算 (ps~fs) 2维 并 行 处 理 光互连
理学院物理科学与技术系 School of Science, Physical Science and Technology Department 杨应平
理学院物理科学与技术系
School of Science, Physical Science and Technology Department
杨应平
功 激 光 太 光 光 液 集 量
能 光 接 阳 开 调 晶 成 子
ห้องสมุดไป่ตู้
器 、 收 能 关 制 器 光 效
件 发 光 器 件 器 件 电 池 器 件 路 应 器 件
新
量 容 大 超
信息高速公路 光纤传输 相干光传输 量子光传输 光交换
功
多媒体 传真、电话、可视电话 广播、有线电势 光盘、CD 激光打印机
“光”和“电”彼此间渗透和结合==〉 光电混合系统
------（简称）光电系统
理学院物理科学与技术系 School of Science, Physical Science and Technology Department 杨应平
1.2 光电系统
研究大功率光辐射的产生、控制、 利用和转换--光电能量系统 以光辐射和电子流为(光电子)信息 载体，通过光电或电光相互变换方 法，进行相关的信息处理--光电信 息系统

激光驱动
激光扫描发射系统
基准
激光扫描接收系统
光电变换
扫描驱动
分度执行机构
工件 进给执行机构
激光控制
扫描控制
信号采集与数据处理
89C51
串行通信接口
主控制器
进给驱动
回转驱动
伺服控制器
线位移控制
角位移控制
计算机 显示器
键盘
激光圆度测量系统总体结构
扫描转镜 发射光学系统
刀口基准
h
H
激光器
工件
Ri Hhi i 1 ,2 ,3 , ,m
在相机安装架上集成激光测距点 稳定的系统标定 减少系统标定的频率 具有更高的精度
24
二、光电尺寸检测现状
扫描大型零件
25
二、光电尺寸检测现状
扫描复杂零件
26
二、光电尺寸检测现状
石膏模型
原件 - 2005
扫描模型
差别显示 石膏 1911 / 原型 2005
27
绝对激光跟踪仪
二、光电尺寸检测现状
41
四、综合检测方面的应用
综合检测系统
自动测量控制系统
工件
激光扫 描发射器
测量工作台
光栅 位移 检测 系统
光栅位移传感器
计
步
闭环
算
进
伺服
机
电
控制
系
精密机械系统
机
系统
统
激光扫 描接收器
激光 扫描 检测 系统
二维光电综合测量机总体结构图
42
四、综合检测方面的应用
原理框图
探头结构 实 物 图 片
管道内部疵病检测系统
三坐标测量机
龙门式测量机

1
⒈ 宽度测量原理 如图10-2所示为宽度测量的原理方框图。稳定的远
心照明光源1与2发出的光使被测钢板的边沿能够被成像 物镜清楚地成像在两个线阵CCD的像敏面上。
2
CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出如图103所示的信号U1与U2。
输出信号经二值化处理或A/D转换在提取边界(软件 二值化处理)，得到如图10-3所示的二值化信号D1与D2。 D1的下降沿对应于CCD1的第N1个像敏单元，D2的上升 沿对应于CCD2的第N2个像敏单元，它们又分别表示钢 板边缘的像在CCD1与CCD2像敏面上的位置。
L
S0
1
N1
S0
2
N 2
(10-2)
显然，测量精度与CCD的像元长度S0、光学系统的
放大倍率β等参数有关。
5
3. 测量速度
线阵CCD测量周期为其转移脉冲SH的周期T，它由 所选线阵CCD的像元数N及驱动频率f决定，
T (N Nd) f
(10-3)
式中，Nd为大于线阵CCD虚设单元的任意数(由设计驱 动器者决定)。显然，N与Nd值越大，SH的周期T越长， 而提高驱动频率f将缩短SH的周期T，提高测量速度。
设光电系统的中心安装在距裁剪剪刀口l0远处。当 被裁板材沿箭头所示方向运动到光电探测系统的视场内， 被裁板材边缘的像成在光电器件的光敏面上，使光电器 件输出的光电流减小，输出电压降低。而且，随着板材 的运动输出电压将越来越小。当它减小到一定程度，判 别电路将输出电压跳变，使板材的运动停止，裁剪系统 启动，剪刀下落将板材剪掉。
一般驱动频率f为数MHz，N与Nd之和为几千单元, 为此，测量周期常为ms量级。
6
10.1.2 板材定长剪切系统
在板材的生产、加工过程中，经常遇到定长度的剪 切的工作。采用光电非接触测量系统可以使板材定长加 工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的效果。

课程结构
分为多个模块，每个模块讲 解一个光电信息技术的重要 内容，逐步深入。
光电信息技术，以及光电效应在信息技术中的应用。
半导体器件
介绍半导体器件的基本原理和主要类型，如二极管、三极管等。
光纤通信
讲解光纤通信的原理和应用，包括光纤传输的优势和技术。
光电传感器
光电传感器应用
介绍光电传感器在自动控制、物体检测和测量等方面的应用。
光电传感器原理
讲解光电传感器的工作原理和分类，如光电开关、光电编码器等。
光电测量技
介绍光电测量技术的原理和应用，如光电测距、光电测速等。
光电二极管
介绍光电二极管的结构、原理和应用，如光电探测、光电转换等。
光敏电阻
讲解光敏电阻的工作原理和特性，以及在光电传感方面的应用。
光电三极管
介绍光电三极管的基本结构和工作原理，以及它在光电传感器中的应用。
光电显示技术
LED技术
讲解LED的工作原理和种类， 以及在显示技术中的应用。
LCD技术
介绍液晶显示技术的原理和 应用，如液晶屏幕、平板电 视等。
《光电信息物理基础》 PPT课件
这是一份《光电信息物理基础》的PPT课件，旨在向大家介绍光电信息技术的 基本概念和应用。通过本课程，您将了解该领域的主要内容和结构。
课程介绍
课程目标
通过本课程，培养学生对光 电信息技术的兴趣，并掌握 相关基本概念和原理。
课程内容
介绍光电信息技术的基本原 理、器件和应用，包括光电 效应、半导体器件和光纤通 信等。
OLED技术
介绍OLED的结构和特性，以 及其在显示技术中的优势和 应用。
光电存储器件
光盘技术
介绍光盘的结构和工作原理，以及在数据存储和传输中的应用。

2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为

图6-2频率响应特性
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。

光线传播速度
光在不同物质中传播速度一般不同，在真空中最快。
光线直线传播的应用
可应用于光学测量、定位、光学仪器等。
光学成像原理
01
02
03
成像原理
基于透镜或反射面的折射 或反射原理，将物体成像 于视网膜或探测器上。
成像公式
1/f = 1/u + 1/v，其中f 为透镜焦距，u为物距，v 为像距。
成像质量
光学测量通常采用非接触式测量方式 ，具有高精度、高分辨率、非破坏性 等优点。
光学测量特点
高精度
实时性
光学测量利用光的干涉、衍射等效应，可 以实现高精度的测量，达到纳米级甚至更 高级别的测量精度。
光学测量可以实现实时在线测量，可以在 生产过程中快速获取测量数据，及时调整 生产工艺，提高产品质量。
非接触性
环境监测
光学测量可以用于环境监测，如空气质量、水质、噪声等 环境参数的测量。
医学诊断
光学测量在医学领域也有广泛应用，如医学影像、光学显 微镜、激光治疗等。
科研领域
光学测量在科研领域也有重要应用，如物理实验、化学分 析、生物研究等。
02
光学测量基本原理
光线传播定律
光线传播方向
光线在均匀介质中沿直线传播，当通过不同介质时，会发生折射 和反射现象。
利用光谱和偏振等光学技术实现对大气污染物的监测，如 二氧化硫、氮氧化物等。
水质监测
利用光学技术实现对水体中的污染物、悬浮物、叶绿素等 物质的监测。
气象观测
利用光学技术实现对云层、风向、风速等气象参数的观测 。
光学测量在安全防范中的应用
光学防盗系统
利用红外、微波等光学技术实现 防盗报警，具有高灵敏度和高分 辨率等优势。

能源与动力工程学院
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
能源与动力工程学院
Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V

1 发展概述
新的光学现象的发现及无线电电子学向着光频方向 的发展, 的发展,为传统的光学技术的进步提供了动力 现代技术的进步超越了传统的学科界限,形成了彼 现代技术的进步超越了传统的学科界限, 此间的渗透和结合: 此间的渗透和结合: 1.利用光电传感器 利用光电传感器, 1.利用光电传感器,电子技术和微处理机技术是 光学仪器实现自动化的常用手段; 光学仪器实现自动化的常用手段; 2.电子学中 如高精度远距离测量, 电子学中, 2.电子学中,如高精度远距离测量,图像处理及应 集成电路中10 用,集成电路中10-5_10-7m数量级的超精细加工和检 都用到光学技术; 测,都用到频波段扩展,开拓出新一代的光电子器件, 光频波段扩展,开拓出新一代的光电子器件,促进 了电子技术与光学技术的渗透和结合-光电技术. 了电子技术与光学技术的渗透和结合-光电技术.
主要应用
光纤通信 光计算 光存贮与显示 光传感 危险环境测量 在线检测 精密计量 时,空,谱测量 遥感测量 激光医学 激光加工 军事应用
从星体温度探测,人造卫星监测到生物细胞的显 从星体温度探测, 微测量,微循环检查;从视觉工业机器人, 微测量,微循环检查;从视觉工业机器人,光学计算 机到全自动照相机,光电开关,等等. 机到全自动照相机,光电开关,等等.光电技术已成 为现代科学技术和人民生活不可缺少的环节. 为现代科学技术和人民生活不可缺少的环节.其应用 已遍及军事,科学研究,工业,农业, 已遍及军事,科学研究,工业,农业,宇宙和环境科 医疗卫生和民用等各个领域. 学,医疗卫生和民用等各个领域.
处理对象:光学量,电学量,其他非光学量. 处理对象:光学量,电学量,其他非光学量.
所有被研究的信息都将通过各种效应( 所有被研究的信息都将通过各种效应(机,热, 磁等)调制到光载波上, 声,电,磁等)调制到光载波上,并且对光载波的 处理可以是光学的或电子学的. 处理可以是光学的或电子学的.

6. 光学视场
7. 背景温度（红外）
二、有关响应方面的性能参数
1．响应率（响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比，并分 别用RV 和RI 表示，即
hc w (逸出功)

hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段：可见光和近红外（<1.25μm） • 特点：响应快、灵敏度高
热探测器的特点： 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2－2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。只有这样，光电探测器才能互换 使用。
1．辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的 函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化， 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。