光电探测方式与探测系统.ppt
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1、 光电探测方式与探测系统 8.1 双元探测方式双元探测方式8.2 四象限探测方式四象限探测方式8.4 线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式8.3 光机扫描探测方式光机扫描探测方式 8.5 光学视觉传感器光学视觉传感器 8.6 直接探测系统直接探测系统8.7 相干探测方法相干探测方法随着经济建设、科学研究以及军事等的发展,对光电探测方法和探测系统的技术提出了越来越高的要求。如在光学遥感和军事探测等方面,为了提高光电探测系统的效率,需尽可能提高系统的作用距离、响应速度、视场等。另外,军事上光电对抗技术的发展以及目标的多种信息提取的需求,传统的单一强度、单一波长信息的光电探测技术和方法已经远远不能满
2、足现代军事上的搜索、跟踪、制导以及民用上的地球资源勘探、环境监测、产量评估、工业产品质量检验等需求,需发展多波长(双色和多色)、相位和频率信息的光电探测技术和系统。本章将对这些探测方法和系统介绍。8.1 双元探测方式双元探测方式8.1.1 双元探测方式双元探测方式1.双元探测原理双元探测原理 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。图81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81(a)所示。图81(b)为两
3、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81(c)为用光敏电阻接成电桥形式外加偏压E,其结果与81(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。图81 双元探测原理2双元探测测速器双元探测测速器 图82为简单的测速装置。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)
4、。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。图82 双元探测器测速原理图3.双通道测量方式双通道测量方式 图83为双通道测量方式,这种方式在一些工业用的光谱光度计中应用最多,此图即为光谱光
5、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
6、。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。图83 光谱光度计原理图8.2 四象限探测方式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,其结构示意图如84所示。在可见光和近红外波段,较为广泛应用的是硅光电池
7、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。图85为简单的激光准直原理图。用单模激光器(或者单模半导体激光器)作光源。因为它有很小的光束发散角,又有圆对称界面的光强分布(高斯分布),很有利于作准直用。图中激光射出的光束用倒
8、置望远系统L进行扩束,倒置望远系统角放大率小,于是光束发散角进一步压缩,射出接近平行的光束投向四象限管,形成一圆形亮斑。图85 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。图86为脉冲激光定向原理图。图中用脉冲激光器作光源(如固体脉冲激光器),它发出脉冲极窄(ns量级脉冲)而峰值功率很高的激光脉冲,用它照射远处军事目标(坦克、车辆等)。被照射的目标对光脉冲发生漫反射,反
9、射回来的光由光电接收系统接收。接收系统由光学系统和四象限管组成。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。经过后面的处理电路以后,没有误差信号输出。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。四个探测器分别与图87所示的运算电路相
10、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方向的偏移量所对应的电压。可表示为式中A、B、C、D代表四个探测器的输出。k为电路的放大系数。图 87 四象限管探测电路方块图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。其输出电压为假如光斑是光强均匀分布的圆斑,光斑的半径是各象限探测器上得到扇形光斑面积是光斑总面积的一部分,并且A
11、、B、C、D探测器的输出与相应象限扇形光斑面积成正比,由求扇形面积公式可推得输出信号与光斑偏移量的关系为输出信号与光斑位移之间的关系如图88所示,在一定范围内是呈线性关系的。在实用系统中通常还需要再加入脉冲展宽电路,把信号脉冲展宽到能够控制后续部件。图88 输出误差信号与光斑位移量的关系 如果采用其它形式的光学系统与四象限组合使用,四象限探测也不限于测量方位,也可测其它物理量。图89为测量物体微位移的原理图。首先分析图中光学系统的成像关系。图中光学系统由物镜和柱面镜组成。如果物点S0在B位置上,经物镜成像后物的理想像面位置在Q点,在物镜后面加一柱面镜后成像面位置在P点,那么当接收面(探测器)在
12、PQ这段距离内由左向右移动时,所接收到的光斑将由长轴为垂直方向的椭圆形逐渐变成长轴为水平方向的椭圆形。而在M点位置处光斑是圆形的。反过来把四象限管放在M点位置上,当物点在B点附近有微位移时,四象限管上所得到的光斑形状也将发生改变。当物点由B移到A位置时,四象限管得到长轴是垂直方向的椭圆光斑。物点处于C位置时得到长轴处于水平方向的椭圆光斑,如图89所示。图89 测量物体微位移原理图这时四象限管的输出信号经过如图810所示的和差电路和除法电路后输出信号为式中A、B、C、D代表图示位置四个探测器的输出信号。由最后输出电压的正负可测得物点是远离了还是靠近了,其幅值大小反映微位移量的大小。图 810 微
13、位移测量的电路原理图这种微位移测量方法用于照相系统自动调焦、激光唱盘跳动量测量等。图811为用于集成电路芯片制造中的芯片自动调焦。图812为测量激光唱盘的跳动量的原理图。图811中加入1/4波片是为了减小芯片中表面由于粗糙、尖角引入的衍射影响。图811 自动调焦原理图图812 测量激光唱盘跳动量原理图尽管目前使用的四象限管多为硅光电池和硅光二极管,若用其它类型探测器需作四象限探测时,可选用四个性能参数相同的器件配合四棱(或圆形)反射光锥接收,如图813所示。8.3 光机扫描探测方式光机扫描探测方式用一个或多个探测器作接收器,用光学系统或光学零件作机械扫描运动,对目标进行瞬间取样,最终获得所需的
14、目标信息。这种方式称为光机扫描探测方式。这种探测方式的主要特点是可获得较大的视场范围和动态范围。图814为红外扫描热成像原理图。红外扫描热成像系统用或等红外探测器作接收器与光机扫描系统组合在一起,可接收目标自发辐射,对目标成像。图中光学系统由球面反射镜M1、平面反射镜M2、旋转折射棱镜l1、场镜l2、反射镜M3和会聚镜l3组成。入射光束经球面反射镜M1会聚后,经平面反射镜M2反射,再通过折射棱镜l1会聚于场镜l2上,透过场镜的光经反射镜M3再有会聚镜l3把光会聚于红外探测器上,平面反射镜M2由电机和机械装置(凸轮)传动而发生摆动(摆动的轴垂直于图面)形成垂直方向的扫描。图814 红外扫描热成像
15、原理图当平面反射镜倾斜时,光电探测器接收到的是倾斜方向来的光束,如图815(a)所示。一个平行多面体折射棱镜由电机带着转动形成水平扫描,当它处于不同位置时,水平方向上各物点所成的像落在探测器上,如图815(b)所示。如果水平扫描速度块,而垂直扫描速度慢,就得到如图815(c)所示的扫描轨迹。光电探测器依次获得物方大面积范围内各点所辐射的光能量,能量强弱不同,可在显示器上显示出物方的热辐射分布图。扫描热成像系统当采用InSb探测器(响应波长35um)时,可对高温目标(450C20000C)进行显像;当采用HgCdTe探测器(响应波长814um)时,可对常温目标(200C左右)进行显像这两种探测器
16、都需要液氮致冷。光学系统材料都必须是对红外光透过率高的材料,棱镜和透镜一般用锗,用HgCdTe接收时也可采用硅。扫描热成像在军事上能进行夜间观察,极有价值。在其它方面用途也很广。在医学上可观察人体各点温度变化,进而研究心脏活动、血液循环的影响;在冶金方面可测炉温分布;在电力传输上可监视电网的正常运行,作故障自动诊断;还可用于森林火灾报警等。图816为激光飞点扫描系统,用于材料(如硅片)疵病检测。图中激光器发出的激光束经l1、l2两透镜组成的倒置望远镜后使光束的束散角进一步压缩,形成极细(微米量级)直径的光束。在l1和l2透镜的焦点上放小孔,作空间滤波用,可保证光束很细,光束经固定反射镜M1、可
17、调反射镜M2和谐镇反射镜M3射向材料表面。由于振动反射镜的摆动(也可采用旋转棱镜)使光束在材料表面扫描。材料两端由两个光电探测器发出扫描起始与终了的位置信号,控制扫描电机换向,也供显示器作基准。同时,材料在垂直方向移动,这样两种运动配合起来完成材料全面积的检测。由于疵病的表面较粗糙,它对入射光形成散射,散射光强比光滑表面定向反射光强为弱,所以,用积分球将光能会聚于光电倍增管上,见图817,光电倍增管获得平均光强。光电倍增管对入射光功率变化有较宽的动态范围,对疵病检测很敏感。光机扫描探测方式在光电系统中除了完成对目标扫描成像功能外,还可在系统中起到其它作用。比如对军用目标进行被动的二维空间测量系
18、统,如图818所示。探测器做成十字形,互相垂直布置,此外另一种四象限探测器形式,探测器准确地放在被测物体的像面上,十字中心与光轴重合,如图818所示。当物镜光轴对准目标时,像点扫描圆的圆心与十字探测器的交点重合。像点扫描运动一周,探测器分别输出脉冲。四个脉冲的间隔是相同的,如图819(a)所示。如果目标在x方向偏离了光轴时,像点扫描圆中心也发生相应的偏离,偏移量x可表示为 式中r为像点扫描半径,S对应于扫描圆在十字探测器上扫描时,探测器响应脉冲信号对应的圆弧位置变化量。此时四个探测器输出的脉冲信号不再有相同的间隔,如图819(b)所示。相对于图819(a)的波形,B、D两个探测器输出脉冲位移了
19、 S位置,如果电路能检出 S的大小,就能测得像点的位移量x,从而获得目标方位的变化信息。图820即为S的解调电路方块图和波形图。检出S需要有一个参考电压作为基准与探测器输出信号相比较。基准电压发生器由带动平面反射镜的电机一起带动。基准电压发生器产生两个参考电压Vx、Vy,与平面反射镜法线与x轴相交作为起始点作顺时针扫描一周时,参考信号Vx和Vy为图820所示正弦信号,且两信号有900的相位差,初相位如图所示。四个探测器输出脉冲为A、B、C、D,它们被分成x,y两组,分别进入x、y两路解调信号,并与参考电压 Vx、Vy同时输出采样保持电路。信号脉冲作为采样保持电路的触发脉冲,而基准电压提供采样保
20、持的输出电平。最后,采样保持电路输出直流幅度的大小就直接反映了目标像点的偏移量,由此可知道目标方位角的大小。这种扫描型四象限管接收的定向方式比光学调制器调制法的视场角大,抗干扰能力强。因为这里采用了脉冲调制方式,可以通过削波抑制噪声,还可以用脉冲宽度鉴别电路去区分目标和背景。此外,这种脉冲调制方法电路上还可以采用时间旋通工作方式,即目标脉冲到来之时,电路接通,其余时间电路不接通,以抑制干扰和噪声。于是系统可以得到较远的作用距离。8.4 线阵器件的探测方式线阵器件的探测方式把多个光电探测器组成一个线阵列称为线阵列探测器。目前,在线阵器件中使用较为广泛、而且使用正在增多的器件是线阵光电二级管和线阵
21、CCD。因为它们对输入光强线性响应好,串行输出、电路简单、结构精细、使用方便等优点。这里以CCD为例,说明其探测方式。线阵CCD器件的应用方式可归结为两类:一类是利用其象元尺寸的精确性,对目标获得二进象信号。机信号振幅为0或1二值,从0、1信号中检测出所需信息。另一类是利用它对光强的线性响应特性,能输出有不同等级的模拟信号,去检测所需的信息。8.4.1 输出二进象信号的工作方式输出二进象信号的工作方式 二进象工作方式可归结为图821所示的方块原理图。通常CCD芯片、驱动电路和物镜结合在一起,形成线阵CCD摄像机。物体通过物镜成像在CCD器件上,CCD器件在驱动电路输出的驱动脉冲的作用下,获得与
22、物向光强呈正比例的电荷图。并能逐个输出脉冲信号。每个信号脉冲就是CCD相应象素所对应的光强。CCD的输出信号通常与一个固定的阈值电压通过比较器进行比较。当信号脉冲高于阈值电压时,比较器输出为1。当低于阈值电压时,比较器输出为0。于是得到一行0、1型信号,对应于被测物而进象输出。此二进型的信号通常可以用数字电路,或者用微机进行计算,最后显示出被测结果。而驱动电路中通常给出行扫起始脉冲,提供数字电路或微机作为计算时的同步脉冲。图822为位移测量器原理图,用白炽灯作光源,光源发出的光经聚光镜了l1后会聚于小孔上。小孔处于物镜l2的焦面上,透过小孔的光束经分束器反射折向物镜l2。由l2透射以后出射的光
23、为平行光,它投向平面反射镜M。若平面镜 M垂直于物镜光轴,则有平面镜反射回去的光透过分束器后会聚于CCD中心位置某一象束上,形成小亮点。此亮点使CCD输出中只有这一象束有一较高的脉冲电压输出,其它位置只有暗电流产生的低电压。如果平面镜 M有倾斜,则成像在CCD上的小亮点将发生转移。可以通过计数输出信号脉冲位移了多少个象素去求出平面镜的倾斜角 式中 y是小亮点的位移量,f是物镜的焦距。当 f足够大时,y=K,K为比例系数,角度的分辨率取决于f和y,而CCD每个象素尺寸仅为几微米到十几微米,所以角分辨率可达秒级。这种轻便型位移测量器可方便的测量大工件的直线度和垂直度。图823(a)为直线度测量器。
24、平面镜作为合作目标工件上滑动,测量器即连续显示工件平直度。图8223(b)可测量大工件的垂直度,只是多插入一块直角棱镜使光束折射,其中平面镜作为合作目标。当它沿工件表面移动时测量器即读出工件垂直度情况。图824为自动传动带上工件的自动检测。工件传送带携带工件垂直于图面运动,工件外廓尺寸为x,经物镜l成像在CCD上,尺寸为x,x=Mx,M为物镜的放大率。X在CCD每个象素的尺寸乘以输出脉冲数就是x的大小。这种方法可用于工件外形或通孔等的测量。进行大工件测量时,也可用两套装置分别放在工件两端进行计数,或接微机进行运算。这种测法CCD扫描速度要快(一般每秒可扫数百次)。而传送带的运动速度相对应低些,
25、以保证测量瞬间工件犹如静止状态。图825为类似方法在造纸机中滚轮抖动量的快速测量。当滚轮转动时,滚轮有跳动,就会在CCD像面上挡去部分光,使CCD上输出脉冲数减小。连续记下CCD每扫描一次的脉冲数,就知道了滚轮跳动量。图827为类似方法在自动线上测量薄板厚度变化量。可用LED管或半导体激光管作光源,CCD作接收机。做成两个小型测量头,要装在运动金属薄板的两侧。光束经光学系统后形成细光束投向金属薄板。金属板的反射光经会聚透镜成小亮点,成像于CCD上,当薄板厚度有变化时,成像点在CCD上发生位移,位移量大小由CCD输出脉冲位置作出反映。把两个装置的输出经微机计算,可测得厚度,并且清除了传动过程中薄
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