1、 光電探測(cè)方式與探測(cè)系統(tǒng) 5.1 雙元探測(cè)方式雙元探測(cè)方式5.2 四象限探測(cè)方式（四象限探測(cè)方式（原子力顯微鏡原子力顯微鏡）5.4 線陣器件的探測(cè)方式線陣器件的探測(cè)方式5.3 光機(jī)掃描探測(cè)方式光機(jī)掃描探測(cè)方式（3D激光顯微鏡）激光顯微鏡） 5.5 光學(xué)視覺(jué)傳感器光學(xué)視覺(jué)傳感器 5.6 直接探測(cè)系統(tǒng)直接探測(cè)系統(tǒng)5.7 相干探測(cè)方法相干探測(cè)方法5.1 雙元探測(cè)方式雙元探測(cè)方式8.1.1 雙元探測(cè)方式雙元探測(cè)方式 雙元探測(cè)方式是采用兩個(gè)光電探測(cè)器與光學(xué)系統(tǒng)頭，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通常把兩個(gè)探測(cè)器接成電橋方式或差動(dòng)方式以自動(dòng)減去背景光能作用下光電探測(cè)器輸出的光電流。 上圖為雙元探測(cè)的簡(jiǎn)單原理圖。兩個(gè)相

2、同性能的光電探測(cè)器對(duì)稱地放在光學(xué)系統(tǒng)的像面上組成探測(cè)，兩探測(cè)器與電阻連成電橋方式，如圖(a)所示。圖(b)為兩個(gè)硅光電池與可調(diào)電阻連成電橋形式。當(dāng)平衡時(shí)，輸出端兩端電壓為零，能消除均勻背景的影響。當(dāng)目標(biāo)光能量落在某一器件上時(shí)，輸出端就有信號(hào)電壓輸出。兩個(gè)探測(cè)器分別受照時(shí)，輸出信號(hào)極性相反。圖(c)為用光敏電阻接成電橋形式外加偏壓E，其結(jié)果與(b)一樣。這一方案適用于系統(tǒng)接收到的光功率不很弱的場(chǎng)合，例如做成位置敏感器。 2雙元探測(cè)測(cè)速器雙元探測(cè)測(cè)速器 2雙元探測(cè)測(cè)速器雙元探測(cè)測(cè)速器 測(cè)速裝置。它可實(shí)測(cè)車輛行駛速度。尤其是車輛輪胎變形、道路崎嶇和車輛打滑程度不同時(shí)車輛的行駛速度。 裝置由兩個(gè)梳形光

3、電池組成，兩個(gè)相對(duì)形成一個(gè)較大的光敏面。光敏面放在光學(xué)系統(tǒng)像面上接收地面對(duì)陽(yáng)光的反射光（或另外加照明燈）。當(dāng)車輛靜止時(shí)，兩探測(cè)器接收到相同的平均光強(qiáng)，有相同直流輸出。這時(shí)后面差動(dòng)放大器有共模抑制作用，因而沒(méi)有信號(hào)輸出。當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果地面如同一面反射鏡，那么探測(cè)器仍得到均勻照明，仍是輸出直流。而事實(shí)上，地面上各點(diǎn)的反射率是極不均勻的，突出的點(diǎn)所成的像在探測(cè)器上將形成交變的調(diào)制信號(hào)。差動(dòng)放大器對(duì)兩探測(cè)器的輸出信號(hào)VA、VB是相加的，形成交流信號(hào)。此信號(hào)可經(jīng)過(guò)整形、計(jì)數(shù)電路讀出所對(duì)應(yīng)的車輛的平均速度。也可送入微機(jī)算出瞬時(shí)速度的變化，對(duì)車輛行駛速度進(jìn)行研究。 3. 雙通道測(cè)量方式雙通道測(cè)量方式 :

4、光譜光度計(jì)原理圖3. 雙通道測(cè)量方式雙通道測(cè)量方式 :光譜光度計(jì)原理圖。儀器用兩個(gè)性能完全相同的光電倍增管或紅外光敏電阻與電路組成兩個(gè)測(cè)量通道，對(duì)樣品進(jìn)行光譜透過(guò)率測(cè)量。上面通道為參考通道，它作為相對(duì)測(cè)量的基準(zhǔn)，下面通道為測(cè)量通道，對(duì)樣品光譜透過(guò)率進(jìn)行實(shí)測(cè)。圖中用碘鎢燈作光源，光源發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡后經(jīng)狹縫S投射到分光棱鏡上。分光棱鏡射出為色散的光譜。由出射狹縫對(duì)色散的光譜選擇只射出單色光。當(dāng)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，狹縫出射光譜波長(zhǎng)改變，射出的單色光經(jīng)調(diào)制盤調(diào)制成交變能量。 當(dāng)信號(hào)高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，差放輸出信號(hào)控制光電倍增管高壓下降，反之就升高。相當(dāng)于入射光能量大時(shí)，信號(hào)經(jīng)電路后自動(dòng)控制高壓下降，使倍增管高

5、壓下降，反之升高。這樣就自動(dòng)消除了光源出射光譜量度不均勻的影響。下面一個(gè)測(cè)量通道輸出的信號(hào)強(qiáng)弱就直接代表了樣品的光譜透過(guò)率特性。當(dāng)光電探測(cè)器是采用光敏電阻時(shí)，差動(dòng)輸出信號(hào)就不再控制光電倍增管的高壓，而去控制電機(jī)帶動(dòng)光楔垂直于光束作進(jìn)退運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光源光譜亮度高時(shí)，光楔前伸使光楔因厚度增加而多吸收一部分，反之就后退。這樣可以自動(dòng)保持入射在測(cè)量通道的樣品上的光能量在整個(gè)光譜范圍內(nèi)都不變。這種雙通道比較探測(cè)方式不限于光譜測(cè)量，也可用于其它場(chǎng)合。 5.2 四象限探測(cè)方式四象限探測(cè)方式把四個(gè)性能完全相同的探測(cè)器按照直角坐標(biāo)要求排列成四個(gè)象限做在同一芯片上，中間有十字形溝道隔開(kāi)。在可見(jiàn)光和近紅外波段，較為廣泛

6、應(yīng)用的是硅光電池和硅光電二極管。 四象限探測(cè)方式是用四象限管和光學(xué)系統(tǒng)組成測(cè)量頭，在位置測(cè)量中四象限光管相當(dāng)于直角坐標(biāo)系中的四個(gè)象限。四象限探測(cè)器象限之間的間隔稱為“死區(qū)”，一般要求“死區(qū)”做得很窄。若“死區(qū)”太寬，而入射光斑較小時(shí)，就無(wú)法判別光斑的位置；“死區(qū)”做得過(guò)分狹窄，可能引起信號(hào)之間的相互串?dāng)_，同時(shí)工藝上也不易達(dá)到，所以實(shí)際制作時(shí)，必須要兼顧這兩個(gè)方面。 四象限探測(cè)器主要被用于激光準(zhǔn)直、二維方向上目標(biāo)的方位定向、位置探測(cè)等領(lǐng)域。激光準(zhǔn)直原理圖光電池AC、BD兩兩接成電橋，當(dāng)光束準(zhǔn)直時(shí)，亮斑中心與四象限管十字溝道重合，此時(shí)電橋輸出信號(hào)為零。若亮斑沿上下左右有偏移時(shí)，兩對(duì)電橋就相應(yīng)于光斑

7、偏離方向而輸出、的信號(hào)。那個(gè)探測(cè)器被照亮斑的面積大，輸出信號(hào)也大。這種準(zhǔn)直儀可用于各種建筑施工場(chǎng)合作為測(cè)量基準(zhǔn)線。 脈沖激光定向脈沖激光器作光源照射遠(yuǎn)處軍事目標(biāo)，被照射的目標(biāo)對(duì)光脈沖發(fā)生漫反射，反射回來(lái)的光由光電接收系統(tǒng)接收。四象限管放在光學(xué)系統(tǒng)后焦面附近，光軸通過(guò)四象限管十字溝道中心。遠(yuǎn)處目標(biāo)反射光近似于平行光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)成像于物鏡的后焦面上，四象限管的位置因略有離焦，于是接收到目標(biāo)的像為一圓形光斑。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，圓形光斑中心與四象限管中心重合。四個(gè)器件因受照的光斑面積相同，輸出相等的脈沖電壓。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)光軸在x、y方向上有任何偏移時(shí)目標(biāo)像的圓形光斑的位置就在四象限管上相應(yīng)地有偏

8、移，四個(gè)探測(cè)器因受照光斑面積不同而得到不同的光能量，從而輸出脈沖電壓的幅度也不同。四象限管探測(cè)電路方塊圖四個(gè)探測(cè)器分別與運(yùn)算電路相連。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)光軸在x、y方向上有任何偏移時(shí)目標(biāo)像的圓形光斑的位置就在四象限管上相應(yīng)地有偏移，四個(gè)探測(cè)器因受照光斑面積不同而得到不同的光能量，從而輸出脈沖電壓的幅度也不同。四個(gè)探測(cè)器的輸出脈沖電壓經(jīng)四個(gè)放大器A、B、C、D放大后進(jìn)入和差電路進(jìn)行運(yùn)算，得到代表光斑沿x或y方向的偏移量所對(duì)應(yīng)的電壓?？杀硎緸槭街蠥、B、C、D代表四個(gè)探測(cè)器的輸出。k為電路的放大系數(shù)。 () ()xVk A BC D() ()yVk A DB C通常為了消除光斑自身功率變化（例如：運(yùn)動(dòng)目標(biāo)

9、遠(yuǎn)近變化而引起光斑總能量變化）采用和差比幅電路。其輸出電壓為假如光斑是光強(qiáng)均勻分布的圓斑，光斑的半徑是各象限探測(cè)器上得到扇形光斑面積是光斑總面積的一部分，并且A、B、C、D探測(cè)器的輸出與相應(yīng)象限扇形光斑面積成正比，由求扇形面積公式可推得輸出信號(hào)與光斑偏移量的關(guān)系為()()xABCDVkABCD()()yADBCVkABCD22221)arcsinxxxVkrxrrr22221)arcsinyyyVkryrrr輸出信號(hào)與光斑位移之間的關(guān)系 在一定范圍內(nèi)是呈線性關(guān)系的。在實(shí)用系統(tǒng)中通常還需要再加入脈沖展寬電路，把信號(hào)脈沖展寬到能夠控制后續(xù)部件。 測(cè)量物體微位移原理圖 如果采用其它形式的光學(xué)系統(tǒng)與四

10、象限組合使用，四象限探測(cè)也不限于測(cè)量方位，也可測(cè)其它物理量。如果物點(diǎn)S0在B位置上，經(jīng)物鏡成像后物的理想像面位置在Q點(diǎn)，在物鏡后面加一柱面鏡后成像面位置在P點(diǎn)，那么當(dāng)接收面（探測(cè)器）在PQ這段距離內(nèi)由左向右移動(dòng)時(shí)，所接收到的光斑將由長(zhǎng)軸為垂直方向的橢圓形逐漸變成長(zhǎng)軸為水平方向的橢圓形。而在M點(diǎn)位置處光斑是圓形的。反過(guò)來(lái)把四象限管放在M點(diǎn)位置上，當(dāng)物點(diǎn)在B點(diǎn)附近有微位移時(shí)，四象限管上所得到的光斑形狀也將發(fā)生改變。當(dāng)物點(diǎn) 由B移到A位置時(shí)，四象限管得到長(zhǎng)軸是垂直方向的橢圓光斑。物點(diǎn)處于C位置時(shí)得到長(zhǎng)軸處于水平方向的橢圓光斑。 這時(shí)四象限管的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)和差電路和除法電路后輸出信號(hào)為式中A、B、C、

11、D代表圖示位置四個(gè)探測(cè)器的輸出信號(hào)。由最后輸出電壓的正負(fù)可測(cè)得物點(diǎn)是遠(yuǎn)離了還是靠近了，其幅值大小反映微位移量的大小。()()ACBDVABCD原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式Cantilever is a beam supported on only one end.Cantilever can be scaled down to micro and nano range.Bridge under constructionbalcony原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式Evolution of interaction force between tip and sample as

12、 a function of distance 原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式Piezo mmfff, f: frequency change and final frequencym,m: mass change and initial mass of cantileverThe mass change of cantilever:原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式Contact mode (up) and non-contact mode (down) Tapping mode 原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式ImagingM

13、easurementNanofabricationOperations of single cell原子力顯微鏡探測(cè)方式原子力顯微鏡探測(cè)方式8.3 光機(jī)掃描探測(cè)方式光機(jī)掃描探測(cè)方式 用一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器作接收器，用光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)零件作機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞬間取樣，最終獲得所需的目標(biāo)信息。這種方式稱為光機(jī)掃描探測(cè)方式。這種探測(cè)方式的主要特點(diǎn)是可獲得較大的視場(chǎng)范圍和動(dòng)態(tài)范圍。 3D激光顯微鏡激光顯微鏡 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)?？赏ㄟ^(guò)極小針孔，完全排除焦點(diǎn)位置外產(chǎn)生的反射光、環(huán)境光，并將反射光量最多的位置識(shí)別為正確高度。不僅可通過(guò)高精度定位實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，還可對(duì)排除了散焦部分的圖像進(jìn)行累積，從而實(shí)

14、現(xiàn)高精細(xì)/ 高倍率觀察。3D激光顯微鏡激光顯微鏡原理原理透過(guò)玻璃觀察短路缺陷 TFT，大面積拼接TFT，放大、3D觀察樣品：導(dǎo)光板樣品：導(dǎo)光板256256256um256um體積測(cè)量線粗糙度顆粒分析邊緣自動(dòng)識(shí)別高度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量面粗糙度膜厚測(cè)量面積測(cè)量3D激光顯微鏡可以做到激光顯微鏡可以做到3D3D顯微鏡顯微鏡 VSVS光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡3D3D顯微鏡顯微鏡 VS SEMVS SEM共焦共焦3D3D顯微鏡顯微鏡 VS VS 粗糙度儀粗糙度儀8.4 線陣器件的探測(cè)方式線陣器件的探測(cè)方式把多個(gè)光電探測(cè)器組成一個(gè)線陣列稱為線陣列探測(cè)器。目前，在線陣器件中使用較為廣泛、而且使用正在增多的器件是線陣光電

15、二級(jí)管和線陣CCD。因?yàn)樗鼈儗?duì)輸入光強(qiáng)線性響應(yīng)好，串行輸出、電路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)精細(xì)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。這里以CCD為例，說(shuō)明其探測(cè)方式。 線陣CCD器件的應(yīng)用方式可歸結(jié)為兩類：一類是利用其象元尺寸的精確性，對(duì)目標(biāo)獲得二進(jìn)象信號(hào)。機(jī)信號(hào)振幅為0或1二值，從0、1信號(hào)中檢測(cè)出所需信息。另一類是利用它對(duì)光強(qiáng)的線性響應(yīng)特性，能輸出有不同等級(jí)的模擬信號(hào)，去檢測(cè)所需的信息。8.4.1 輸出二進(jìn)象信號(hào)的工作方式輸出二進(jìn)象信號(hào)的工作方式物體通過(guò)物鏡成像在CCD器件上，CCD器件在驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，獲得與物向光強(qiáng)呈正比例的電荷圖。并能逐個(gè)輸出脈沖信號(hào)。每個(gè)信號(hào)脈沖就是CCD相應(yīng)象素所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)。CCD的

16、輸出信號(hào)通常與一個(gè)固定的閾值電壓通過(guò)比較器進(jìn)行比較。當(dāng)信號(hào)脈沖高于閾值電壓時(shí)，比較器輸出為1。當(dāng)?shù)陀陂撝惦妷簳r(shí)，比較器輸出為0。于是得到一行0、1型信號(hào)，對(duì)應(yīng)于被測(cè)物而進(jìn)象輸出 。位移測(cè)量器原理圖位移測(cè)量器原理圖用白熾燈作光源，光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡了l1后會(huì)聚于小孔上。小孔處于物鏡l2的焦面上，透過(guò)小孔的光束經(jīng)分束器反射折向物鏡l2。由l2透射以后出射的光為平行光，它投向平面反射鏡M。若平面鏡 M垂直于物鏡光軸，則有平面鏡反射回去的光透過(guò)分束器后會(huì)聚于CCD中心位置某一象束上，形成小亮點(diǎn)。此亮點(diǎn)使CCD輸出中只有這一象束有一較高的脈沖電壓輸出，其它位置只有暗電流產(chǎn)生的低電壓。如果平面鏡 M有傾

17、斜，則成像在CCD上的小亮點(diǎn)將發(fā)生轉(zhuǎn)移?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)數(shù)輸出信號(hào)脈沖位移了多少個(gè)象素去求出平面鏡的傾斜角 yftg式中 y是小亮點(diǎn)的位移量， f是物鏡的焦距。當(dāng) f足夠大時(shí) ，y=K,K為比例系數(shù)，角度的分辨率取決于f和y，而CCD每個(gè)象素尺寸僅為幾微米到十幾微米，所以角分辨率可達(dá)秒級(jí)。這種輕便型位移測(cè)量器可方便的測(cè)量大工件的直線度和垂直度。 8.6 直接探測(cè)系統(tǒng)直接探測(cè)系統(tǒng) 8.6.1 系統(tǒng)類型系統(tǒng)類型 8.6.2 光電探測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)光電探測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo) 8.6.3 直接探測(cè)系統(tǒng)直接探測(cè)系統(tǒng) 8.6.4 直接探測(cè)系統(tǒng)的作用距離直接探測(cè)系統(tǒng)的作用距離 8.6.5 直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)

18、8.6.1 系統(tǒng)類型（系統(tǒng)類型（P358）光電探測(cè)系統(tǒng)的類型是很多的，我們可以從不同角光電探測(cè)系統(tǒng)的類型是很多的，我們可以從不同角度出發(fā)把系統(tǒng)進(jìn)行分類。度出發(fā)把系統(tǒng)進(jìn)行分類。1、按攜帶信息的光源：可分為、按攜帶信息的光源：可分為主動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)系統(tǒng)和和被動(dòng)系統(tǒng)被動(dòng)系統(tǒng) 被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)所接收到的光信號(hào)來(lái)自目標(biāo)的自發(fā)目標(biāo)的自發(fā)輻射輻射。 目標(biāo)輻射功率和背景輻射功率同時(shí)進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，然后會(huì)聚到探測(cè)器上光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電信號(hào)由處理電路處理以后輸出所需信息。系統(tǒng)有加調(diào)制也有不加調(diào)制的。目 標(biāo) 大氣光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測(cè)器電子電路 接受系統(tǒng) 被動(dòng)光電系統(tǒng)方塊圖被動(dòng)光電系統(tǒng)方塊圖信息源調(diào)制器光源光學(xué)系統(tǒng)傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器電子電路光源調(diào)制器光學(xué)系統(tǒng)信息源 接收系統(tǒng)主動(dòng)光電系統(tǒng)方塊圖主動(dòng)光電系統(tǒng)方塊圖主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)是發(fā)射和接收系統(tǒng)共同配合進(jìn)行工作的。光源光源采用人工光源，如激光器、發(fā)光管、氣體放電燈等。信息源可以通過(guò)調(diào)制光源的電源電壓（或電流），把信息載到光波上去，通過(guò)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射調(diào)制光?；蛘?， 光源出射的光（經(jīng)過(guò)或者不經(jīng)過(guò)光學(xué)調(diào)制器）照射目標(biāo)，利用目標(biāo)的反射、