07(光电检测系统)解析
第七章 光电衍射检测技术与系统
）。
图7-2 衍射光强分布的记录方法
为选择上述测量方法的一种作为仪器的最完善方案，必须从测量要求的度，尺寸变化的动态范围，线性，被测物体可能的空间位置变化等方面
矩形孔的衍射
）
不同焦距时的L-w特性
图7-3 间隙计量法的应用
图7-4 间隙计量法的基本装置
图7-5 线胀系数测量原理图
图7-7 衍射试件平台示意图
图7-7是测定薄膜厚度的一个例子，图7-7a)中，轧辊处于静止状态，
图7-8 反射衍射法(7-15）
图7-11 分离间隙法原理现衍射条纹光强呈不对称的分布。
图7-14巴俾涅原理
为获得明亮的远场条纹，一般用透镜在
所
则计算公式为：。
光电检测系统
人眼视觉系统
机器视觉系统
• 机器视觉系统最重要的一个局部是图像处 理与决策模块，从逻辑上可分为三阶段： 图像的预处理、特征提取、模式识别和理 解。图像的预处理是将由成像设备获得的 低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经 过噪声过滤、 平滑处理、 图像增强等处理
变成易于进展特征提取等后续操作的过程。 图像特征提取就是从经过底层处理的图像 中提取有利于图像识别和理解的主要特征 量，用有限的特征来描述原始图像中的目
机器视觉技术与无损检测
• 机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量 和判断，它在半导体生产、汽车制造、医 药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。 在机器视觉系统中，机器视觉产品将被摄 取目标转换成图像信号，传输给图像处理 系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息， 转变成数字化信号，图像系统对这些信号 进展各种运算来抽取目标特征，从而得到 感兴趣的目标信息。
• 工业,农业
应用领域
• 军事,航天
• 家庭
• 医学
设计原理
• 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统 和信息处理与技术的提高，光电检测技术 作为一门研究光与物质相互作用开展起来 的新兴学科，已成为现代信息科学的一个 极为重要的组成局部。光电检测作为光电 信息技术的主要技术之一，它是以激光、 红外、光纤等现代光电子器件作为根底， 通过对被检测物体的光辐射，经光电检测 器承受光辐射并转换为电信号，由输入电 路、放大滤波等检测电路提取有用信息，
• X射线检测技术主要是获取部件的内部缺陷，
• 〔3〕远距离、大量程：光是最便于远距离 测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如
根据不同的应用对象和用户场 合可采用不同的无损光电检 测技术和相应的检测装置来 实现。
分类
• 红外光谱检测技术 • 拉曼光谱检测技术 • 机器视觉检测技术 • 超声波检测技术 • X射线检测技术 • 电子鼻和电子舌检测技术
光电检测系统课件
光电检测系统在物联网与人工智能领域的应用前景
要点一
总结词
要点二
详细描述
随着物联网和人工智能技术的快速发展，光电检测系统的 应用前景十分广阔。
在物联网领域，光电检测系统可以用于各种传感器的数据 采集，实现远程监控和实时反馈。在人工智能领域，光电 检测系统可以作为机器视觉和图像识别的重要组件，为人 工智能提供更准确、更可靠的数据支持。同时，光电检测 系统还可以与其他技术相结合，如光通信、激光雷达等， 拓展其在物联网和人工智能领域的应用范围。
特点
高精度、高灵敏度、非接触、实时性 等。
光电检测系统的应用领域
工业自动化
用于生产线上的质量检测、测量 和控制。
通信与信息处理
用于光纤通信、光信号处理、光 计算等领域。
医学诊断
用于光谱分析、荧光检测、内窥 镜等医疗设备。
环境监测
用于水质、气体成分、污染物等 的检测和分析。
光电检测系统的发展趋势
高速化
Part
05
光电检测系统的未来展望
新型光电材料与器件的研究与应用
总结词
随着科技的不断进步，新型光电材料与器件的研究与应用成为了光电检测系统发展的重 要方向。
详细描述
新型光电材料如钙钛矿、二维材料等具有优异的光电性能，为光电检测系统的性能提升 提供了新的可能。同时，新型光电器件如光电晶体管、光电传感器等在灵敏度、响应速
02 03
光电效应分类
光电效应分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应是指光子能量 足够大时，将电子从物质表面打出，内光电效应则是光子能量使物质内 部电子跃迁至激发态。
光电效应应用
光电效应在光电检测、光电器件、光电子技术等领域有广泛应用。
光电检测器的工作原理
光电检测器的工作原理
光电检测器是一种利用光电效应原理来检测光信号的装置。
它由光电发射器和光电接收器两部分组成。
光电发射器是一个发射光源，常见的有发光二极管（LED）或激光器。
当电流通过发光二极管时，其内部的半导体材料会发出特定波长的光。
光电接收器是一个接收光信号并产生电信号的元件，常见的有光敏二极管（LDR）或光电二极管（photodiode）。
光敏二极管或光电二极管的外围电路会对接收到的光信号进行放大和处理。
光电检测器的工作原理是当光电发射器发出的光照射到光电接收器上时，光能被光电接收器吸收并转化为电能。
这个转化过程是通过光电效应实现的。
光电效应的基本原理是当光束照射到半导体材料上时，光子会激发半导体材料中的电子跃迁到导带上，形成电子空穴对。
而这些电子空穴对可以导致半导体中的电流流动。
当光电接收器中的光电二极管或光敏二极管吸收到光子后，其内部会产生电流。
这个电流大小与光强度成正比。
通过对光电接收器产生的电流进行测量，我们可以间接地获得光的强度或光的存在与否。
光电检测器广泛应用于多个领域，如光通信、光电传感、光电测量等。
在各个领域中，光电检测器都起到了至关重要的作用。
光电检测系统原理
光电检测系统原理光电检测系统是一种常用的传感器，广泛应用于自动化控制领域，例如机械加工、纺织、食品处理、生物化学和医疗卫生等。
其原理是利用光电器件将光信号转换为电信号，通过电路处理后，将电信号转换成机械或其他可控制的信号，实现自动检测和控制。
本文将从光电器件、处理电路、应用领域等方面进行详细介绍。
一、光电器件光电器件是光电检测系统的核心部分，其主要功能是将光信号转化为电信号，其种类包括光敏二极管（PD）、光电二极管（PH）、光励磁二极管（PC）、光电晶体管（PT）、硅光电池（PD）等。
其中，PD是一种光敏半导体器件，应用范围十分广泛。
PD中的光信号通过PN结被掺杂之后，使之成为具有光电特性的二极管，根据入射光信号的强弱，PD产生的电流也随之变化。
PH、PC、PT相比PD更加敏感，其检测范围可以覆盖可见光和红外光谱区域，使用时需要更加谨慎，但其具有相对较高的灵敏度和更快的响应速度，可以满足更高的应用需求。
硅光电池具有较高的光电转换效率，但其使用条件较为苛刻，易受温度变化等环境因素影响。
二、处理电路处理电路是光电检测系统中的第二个核心部分，主要功能是对从光电器件收集的电信号进行处理和放大，以满足后续电路的工作需要。
处理电路一般分为前端电路和后端电路两大部分。
（一）前端电路前端电路是光电检测系统中的第一级信号处理电路，主要由前放电路、驱动电路、滤波电路和保护电路组成。
前放电路的作用是放大从光电器件获得的弱电信号；驱动电路是用于对光电器件进行驱动的电路，使其在有效频率范围内工作；滤波电路则可以用来滤除杂乱的高频或低频信号；最后，保护电路则可以将前端电路和后端电路隔离，防止过高电压或过电流对后续模块造成损害。
（二）后端电路后端电路是对前端电路处理后的信号进行进一步处理和放大的电路，主要由比较电路、微处理器、放大电路、输出电路、计时电路和显示电路组成。
后端处理电路可以根据应用需要设置不同的模块，例如可通过比较电路可以实现对输入信号的阈值比较，以触发输出信号；在微处理器中可以设置一定的软件算法，用于对信号进行更加复杂的处理。
光电检测系统的概述
光电检测系统的概述光电检测系统是在人类探索和研究光电效应的进程中产生和发展起来的。
人类从1873年最早发现光电导现象导1929年制造出第一个使用的光接收器件，共用了56年时间。
把光能和光波（可见光或不见光）的各种参数变化转化为电量（电阻、电流和电压等）变化的器件叫光电探测器或光探测器，如光电倍增管等。
光电检测系统就是利用光电探测器把目标携带的光信息转变成电信号，从而实现目标参数的测量、显示和记录。
光电检测技术就是研究与此过程相关的被测信号的采集、调制、解调、变换、传输、处理的理论和技术，以及研究检测仪器和检测系统以及设计的基本原理和技术。
光电检测主要由光电传感器进行测量。
光源（或辐射源）产生的光和辐射的参数（如辐射能流的横截面积、光谱成分及光强度、光波的频率和相位等）受被测对象控制，光和辐射参量（包括辐射源自身）变化有光电器件接收后转变成电参数变化来进行测量。
光源可采用白炽灯、气体放电灯、激光、发光二极管及其能发源可见光谱、紫外光谱、红外光谱的器件，此外还可采用X射线及同位素放射源。
有时被测对象就是辐射源，例如需要测温的发热体。
用于检测系统的光电器件有光电二极管、光电三极管、光敏电阻、摄像管等。
选用何种器件，是有光电器件的性能、光源特性及其仪器的运用环境和条件等决定的。
在光电检测系统中，信息的变换是以光为媒介，光子是信息的载体，被测信息与光的光子数，光的波长和相位、光的速度等参数联系在一起。
所以光电检测的精确度高、灵敏度高可以检测变化速度极快的现象。
例如LG-PR型带放大模拟光接收模块集成了告诉pin探测器和低噪声放大器，单模光纤或自由空间耦合，SMA连接器输出，具有高增益、高灵敏度、增益平坦等特点。
光电检测系统原理
光电检测系统原理
光电检测系统是一种常用的检测技术，其原理基于光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被电子吸收，使电子获得足够的能量从而跳出原子的束缚，产生自由电子。
在光电检测系统中，一般采用光敏元件作为光电转换器件。
光敏元件根据其工作原理的不同可以分为光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。
当光照射到光敏元件上时，会产生光生电流或改变电阻值，这种电信号可以被测量、放大并进一步处理。
光电检测系统的光源也是至关重要的组成部分。
光源的选择要根据被检测物体的特性来确定，可以使用白光、激光、红外线等不同种类的光源。
在某些应用中，还需要使用滤光片来选择特定波长的光源。
此外，光电检测系统中还包含光电信号的处理与分析。
光电信号一般较弱，需要经过放大、滤波、调整等处理，以提高信号质量和准确性。
处理之后的信号可以用于后续的数据分析、控制指令等。
总的来说，光电检测系统通过利用光电效应将光信号转化为电信号，进而实现对被检测物体的非接触式检测。
这种检测方式具有灵敏度高、响应速度快、精度较高等特点，广泛应用于工业制造、生命科学、环境监测等领域。
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大，如温度、湿度、光照等，可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵，对于一些小型企业和实验室而言，购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能，操作和维护需要专业人员，限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大，对数据的解读和分析需要较高的专业水平，增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数，在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用，能够实现高精度的测量，尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料，降低环境因素对检测结果的影响，提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产，降低光电检测设备的成本，促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛，例如在自动控制系统中用于检测光束的通断，在测量领域用于检测物体的位置和尺寸，在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成，其中光电器件是核心部分，其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术，具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数，在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
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L
2
m m LS m LS 2
14
七.时间测量
（测量距离为例）
由固体激光器1产生的能量为几兆瓦、作用时间为几纳秒、
发射角为毫弧度的激光脉冲经光学系统射向被测目标2，经目
标2漫反射之后返回到接收系统3。通过测量主波脉冲和回波 脉冲的时间差即可测量出被测距离。
16
设计一台有合作目标的光电测距装置。说明工作原理、画
出原理框图。
17
八.调制测量
⑴它可以改善光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，提
高传输能力。 ⑵能更好地从背景噪声干扰中分离出有用信号，提高信噪比和测量灵 敏度。 ⑶调制信号可以简化检测系统的结构，改善工作条件。有时利用调制
还可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围。
7
五.波数测量
（测量压电陶瓷堆的伸长量为例）
x
2
N
迈克尔逊干涉仪示意图
8
激光波长为λ＝0.55μm的干涉仪，测得的光通量变化 频率为4×105Hz。求物体的运动速度应υ。
dx dN f dt 2 dt 2
0.55106 f 4 105 0.11m / s 2 2
若光波从A点传播到B点所用时间为 t，则A和B之间的距离L为 C C C L t m m n n 2f n f 2
11
⑵实际上，用一台测距仪直接测量两点光波传播的相移是不可 能的。因此，采用在B点设置一个反射器（即协作靶），使从测 距仪发出的光波经靶标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相 系统对光波往返一次的相位变化进行测量。
因此调制技术是光电位测系统中常用的方法。
18
可以实现单色光波或复合光通量调制作用的装置称作调 制器，调制器包括机电调制器，电光调制器，辐射源调制 器和电子调制器。
19
⑴机电调制器
20
⑵光控调制器
对于光学性质随方向而异的一些介质，常发生一束入射光分解为两束
折射光的现象，称作双折射，相应的介质称各向异性材料。由于它们两 个方向折射率不同，这种材料具有旋光性，可以改变入射偏振光的偏振
方式更为简单和有效。
22
例题：黑白激光打印机的工作原理
从功能结构上区分，激光打印机可分为打印控制器和打印引擎两大部分。
打印控制器就是打印机的控制电路，负责接收来自计算机终端或网络的
打印命令及相关数据，并指挥打印引擎进行相关动作，属于常规性部件。 打印引擎则根据来自打印控制器的命令进行实际的图像打印工作，激光 打印机的实际性能更多取决于打印引擎。
23
1、打印控制器
虽然它属于常规的功能型部件，但其设计优劣对打印机的性能和质量都
会有些影响。
我们可以看到，市面上许多采用相同打印引擎的激光打印机产品，却存
在较大的性能差异，其原因就在于不同的打印机厂商采用了不同的控制器 设计方案。
24
从功能上说，打印控制器实际上是一台功能完善的专用计算机，它包括
5
光通量的幅度测量方法的应用场合
光通量的幅度测量方法适合于检测直流或缓慢变化的光信 号，在光度测量中有广泛的应用。
对于复杂的高精度的测量，多采用交替法。而在要求一般
的场合常采用差动法或指零法系统。
6
设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除 光源的不稳定性因素的影响。 ⑴绘出原理框图。 ⑵ 说明工作原理。
方向。材料折射率各向异性的性质能在电场、磁场和机械力等外力作用
下形成和改变。利用这些光控效应可以进行光波振幅、频率、相位、偏 振面等光学参数的调制。
根据引起光控效应外因形式的不同，光控效应可以分作电光效应、磁
光效应和声光效应。
21
⑶辐射源调制器
在光辐射源供电源上施加交变或脉冲的激励电压，实现
电源调制的方法在许多情况下比起在电路中加入调制器的
第七章、典型的光电系统
一.直接读法
（测量样品的透过率为例）
S1KM0 K0
其中K0 ＝S1KM0
1
二.指零法（测量偏振物质偏振面转角为例）
M x 0 K S I 0
K SI 0 M x 0 K0 x 0
15
图(b)和(c)给出了脉冲测时的原理框图和波形图。主波脉冲和回波脉冲经光 电转换分别形成电脉冲，控制触发器产生确定脉宽t的定时脉冲。在此脉冲持 续时间内由频率为f=1／△T的时钟脉冲填充计数，若计数值为N，则脉宽持续 时间为
t N T N f
1 C D C t N KN 2 2f
I/O接口、处理器、内存和控制接口四大模块，少数高端机型甚至还配置了
9
六.相位测量
（测量距离为例）
设辐射光波的调制频率 为f , 则波长为
＝ T
C n
C n f
光波从A点传播到B点的相移可表示为：
⑴半导体激光器 作辐射源，若在激 光器供电电路中外 加谐波电压U0就能 得到接近正弦的辐 射光波，其初始相 位和激励电压U0相 同。
10
＝2 m 2 m 2 m m 2 m 0,1,2,
12
2 L m m L
2
m m LS m m
LS作为度量距离的光尺。
13
⑶相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数△φ ，即只能确
定余数△m，因此当L大于LS时，用一把光尺是无法测定距离的。 当距离小于LS时，即m=0时，可确定距离为：
2
三.差动法
（测量样品的透过率为例）
在它的测量通 道中装置有可变 透过率的光屏3。 它是一块破璃平 板，沿着各截面
镀有吸收率不同
的膜层。
3
四.交替法
（测量样品的透过率为例）
4
⑴对于相等的两路光通量，光电流 和负载电阻上的信号电压是等幅的， 如图(a)所示，此时交流放大器没有 输出电压。
⑵如果光通量不相等，则接收器的电流将按转换频率交替变化，相邻半周 期的幅度差取决于两通道的不平衡状态。输出信号波形如图(b)所示,根据 光通量φⅠ>φⅡ或φⅡ>φⅠ的不同，信号的相位改变180°，借以控制伺服电机 8的转动方向。