光电检测系统.ppt

光学系统光电探测器电路处理光源光电检测系统光电检测系统.l检测与测量l光电传感器：l基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件l将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。l光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量l光电检测系统l光学变换l光电变换l电路处理光电检测技术光电检测技术.定义：定义：被测信息：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：全部操作：检测过程检测过程确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）检测器具检测器具化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、）检测的基本概念检测的基本概念.例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温空气空气被测对象被测对象：被测信息被测信息：检测器具检测器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器-热电阻、热电偶热电阻、热电偶热敏电阻热敏电阻电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机返回.l直接直接测量：测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：例如：l长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺l电压：万用表电压：万用表l质量：天平质量：天平l间接测量：间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如：算出被测量。例如：l电功率：电功率：P=I*V（电流（电流/电压）电压）l重力加速度：单摆测量（重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，：摆的线长，T：摆动的周：摆动的周期）期）返回测量测量.l光电传感器：光电传感器：l基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件l将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。l光电检测技术：光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量l光电检测系统光电检测系统l光学变换光学变换l光电变换光电变换l电路处理电路处理光电检测技术光电检测技术.变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测系统光电检测系统.类类 型型实实 例例PNPN结结PNPN光电二极管（光电二极管（Si,Ge,GaAs)Si,Ge,GaAs)PINPIN光电二极管（光电二极管（Si Si）雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Si,Ge)(Si,Ge)光电晶体管光电晶体管(Si)(Si)集成光电传感器和光电晶闸管集成光电传感器和光电晶闸管(Si)(Si)非非PNPN结结光敏元件光敏元件(CdS,CdSe,Se,PbS)(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO(PZT,LiTaO3,PbTiO3 3)电子管类电子管类光电管，摄像管，光电倍增管光电管，摄像管，光电倍增管其他类其他类色敏传感器色敏传感器固体图象传感器（固体图象传感器（SI SI，CCD/MOS/CPDCCD/MOS/CPD型）型）位置检测用元件（位置检测用元件（PSDPSD）光电探测器的种类光电探测器的种类.l光学变换l时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽l空域变换：光学扫描l光学参量调制：光强、波长、相位、偏振l形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。l光电变换l光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大l将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。l电路处理l放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测系统光电检测系统.光学变换光学变换l在光电系统中，通常要借助在光电系统中，通常要借助几何光学几何光学、物理物理光学光学和和光电子学光电子学的方法对信号进行变换，包的方法对信号进行变换，包括将一种光量转换成另一种光量，括将一种光量转换成另一种光量，将非光将非光量转换成光量或将连续光量转换成脉冲光量量转换成光量或将连续光量转换成脉冲光量l目的：目的：l将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号l改善系统的时间和空间分辨力和动态品质，改善系统的时间和空间分辨力和动态品质，提提高传输效率和检测精度高传输效率和检测精度l改善系统的检测信噪比，改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性提高工作可靠性.l主动系统主动系统/被动系统被动系统(按有无人工光源分按有无人工光源分)l红外系统红外系统/可见光系统可见光系统(按光源波长分按光源波长分)l红外系统多用于军事红外系统多用于军事,有大气窗口有大气窗口,需要特种探测器需要特种探测器l可见光系统多用于民用可见光系统多用于民用l点探测点探测/面探测系统面探测系统(按接受系统分按接受系统分)l用单元探测器接受目标的总辐射功率用单元探测器接受目标的总辐射功率l用面接受元件测量目标的光强分布用面接受元件测量目标的光强分布l模拟系统模拟系统/数字系统数字系统(按调制和信号处理方式按调制和信号处理方式分分)l直接检测直接检测/相干检测系统相干检测系统(按光波对信号的携按光波对信号的携带方式分带方式分)光电检测系统分类光电检测系统分类.光电信号检测种类光电信号检测种类l光强度型信号检测光强度型信号检测l光相位型信号检测光相位型信号检测l光偏振型信号检测光偏振型信号检测l光频率型信号检测光频率型信号检测l光谱型信号检测光谱型信号检测.光电信号检测种类光电信号检测种类l光强度型信号检测光强度型信号检测-被测参量作用在光强信号上被测参量作用在光强信号上-直接检测和调制检测直接检测和调制检测光强度型光电信号直接检测光强度型光电信号直接检测光强调制检测光强调制检测.光强度型光电信号直接检测光强度型光电信号直接检测辐射式直接检测辐射式直接检测探测器直接测量被测目标的探测器直接测量被测目标的辐射光强，根据这些信息可辐射光强，根据这些信息可以进行温度监测、红外侦察、以进行温度监测、红外侦察、武器制导、武器制导、光谱分析光谱分析、火灾、火灾报警、武器制导、夜视观察、报警、武器制导、夜视观察、地形地貌普查和成像测量等地形地貌普查和成像测量等的应用。的应用。.光强度型光电信号直接检测光强度型光电信号直接检测透射式直接检测透射式直接检测.光强度型光电信号直接检测光强度型光电信号直接检测遮挡式直接检测遮挡式直接检测.光强度型光电信号直接检测光强度型光电信号直接检测反射式直接检测反射式直接检测疵病信号电压被测表面的照度正品表面的反射率疵病表面的反射率光电接收器件有效视场内疵病所占地面积.光电测速2 31231(a)(b)光电数字式转速表工作原理图在待测转速的轴上固定一个在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。换为电脉冲信号。是在待测转速轴上固定一带是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。率决定。.l被动光学系统主动光学系统光电系统所接收的信号完全来自光电系统所接收的信号完全来自被测对象的自发辐射而不用人工被测对象的自发辐射而不用人工光源光源信息源通过调制信息源通过调制光源的电源电压光源的电源电压或电流，把信息或电流，把信息加载到光载波上，加载到光载波上，而发射调制光；而发射调制光；或者用光电系统或者用光电系统照射目标再进行照射目标再进行光电变化，被接光电变化，被接收系统接收收系统接收.光强调制检测光强调制检测（将信号加载到光波上）l光强直接检测方法容易受到外部干扰和光强波光强直接检测方法容易受到外部干扰和光强波动的影响动的影响l对光信号进行光强调制，提高系统检测精度对光信号进行光强调制，提高系统检测精度l光调制的优点光调制的优点:1.1.容量大容量大2.2.易加载易加载3.3.距离远距离远4.4.易保密易保密5.5.抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强.l主动系统/被动系统(按信息光源分)l红外系统/可见光系统(按光源波长分)l红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器l可见光系统多用于民用l点探测/面探测系统(按接受系统分)l用单元探测器接受目标的总辐射功率l用面接受元件测量目标的光强分布l模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)l直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)光电检测系统分类.1.模拟光电变换 被测的非电量信息（如温度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照度和出射度等）的方式送给光电器件，光电器件则以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出。即输出信号量是被测信号量Q的函数，或称输出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函数关系。可表示为 Ip=f(Q)模拟变换系统.或 Up=f(Q)光电变换电路输出的电流Ip或电压Up不仅与被测信息量Q值有关而且与载体光度量有关。因此，为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系，载体光度量必须稳定。否则，载体光度量的变化直接影响被测信息量。另外，电路参数的变化，尤其是电源电压的波动，放大电路的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。而光度量的稳定又与光源、光学系统及机械结构等的性能有关。因此，实现稳定的高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多其他技术方面的困难。必须采用各种措施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。模拟变换系统.在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为 F=f(Q)显然，数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。因此，这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。模数变换系统.光电检测系统分类l主动系统/被动系统(按信息光源分)l红外系统/可见光系统(按光源波长分)l红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器l可见光系统多用于民用l点探测/面探测系统(按接受系统分)l用单元探测器接受目标的总辐射功率l用面接受元件测量目标的光强分布l模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)l直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分).l直接检测和相干检测系统光电检测方法光电检测方法l若光信息为光强，即被测信号加载到光载波的强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源直接检测光电系统，也是一种非相干检测；l若光信息加载于相干光源载波的振幅、频率或相位变化之中相干检测系统；l若光源是非相干光，使光信息加载于非相干光源载波的振幅、频率或相位变化之中非相干检测系统。.直接探测系统的性能分析直接探测系统的性能分析l光电探测器的基本功能是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流l光电流是光电探测器对入射光功率的响应，如果传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的直接光电转换功能就能实现信息的直接解调.光电探测器的平方律特性光电探测器的平方律特性l假定入射光的电场为 是等幅余弦变化l光电探测器的光电转换定律l若探测器的负载电阻为RL，那么光电探测器的输出功率电输出功率正比于入射光功电输出功率正比于入射光功率的平方；率的平方；光电流正比于光电场振幅的光电流正比于光电场振幅的平方平方.直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比l设入射光电探测器的信号功率为Pi，噪声功率为ni，光电探测器的输出电功率为Po，输出噪声功率为no，则总的输入功率为Pini，总的输出功率为Ponol由光电探测器的平方律特性l信号和噪声的独立性，有.l根据信噪比的定义，输出信噪比为u 若（Pi/ni）1，则有 输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比损失不大，适宜于强光探测.直接探测系统的噪声直接探测系统的噪声l 信号光功率的散粒噪声l 背景光功率的散粒噪声 l 光电器件热噪声l 光电器件暗电流引起的散粒噪声直接检测属于非相干检测，噪声有：直接检测属于非相干检测，噪声有：.非相干信号的光电变换与检测非相干信号的光电变换与检测直接检测系统-随时间变化的光电信号变换与检测方法 这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范围，它的特征参量只随时这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范围，它的特征参量只随时间缓慢地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的一维函数而与空间坐间缓慢地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的一维函数而与空间坐标无关，可用函数标无关，可用函数F F(t(t)表示。表示。-随空间变化的光电信号变换与检测方法 这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光信号的参量随空间位置而改这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光信号的参量随空间位置而改变。因此是二维或三维空间的函数，用函数变。因此是二维或三维空间的函数，用函数F(x,y,zF(x,y,z)表示，其中随时间变表示，其中随时间变化的信号称作时空变化的光电信号，用函数化的信号称作时空变化的光电信号，用函数F(x,y,z,tF(x,y,z,t)表示。表示。.时时时时间间间间变变变变化化化化光光光光信信信信号号号号直直接接检检测测相相干干检检测测幅值法幅值法频率法频率法相位法相位法时间法时间法单通道单通道双通道双通道波数测量波数测量频率测量频率测量连续波调制连续波调制脉冲调制脉冲调制调幅调幅调频调频直读法直读法指零法指零法差动法差动法比较法比较法.空空空空间间间间变变变变化化化化光光光光信信信信号号号号简单光学目简单光学目标空间定位标空间定位光学图像的光学图像的扫描扫描亮度中心检亮度中心检测法测法几何中心检几何中心检测法测法图像扫描图像扫描实体扫描实体扫描光度变换光度变换空间编码空间编码象分析象分析扫描调制扫描调制光学象分析光学象分析象限监测器象限监测器几何参量的几何参量的检测检测线值测量线值测量轴向测距轴向测距机械式机械式光束式光束式电子式电子式运动物体运动物体静止物体静止物体空间搜索空间搜索.l测距原理：由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离。l测距仪原理：由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。脉冲激光测距仪的原理框图一、脉冲激光测距仪.脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调（调Q/锁模）锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片.l激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回波信号。l回波脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后，将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时；当回波脉冲（负与门）到来时，关闭电子们。l在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距离。l时钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激光脉冲的上升时间。脉冲测距波形.若调制光角频率为，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为，则对应时间t 可表示为：t=/距离L可表示为 式中：信号往返测线一次产生的总的相位延迟。调制信号的角频率，=2f。.N：测线所包含调制波长个数。N：测线所包含不足波长的小数部分。：称为测尺长，又称“光尺”。相位延迟：被测距离：距离的测量变成了测线所包含波长个数和不足一个波长的小数部分的测量。.l测量信号相位的方法都不能确定出相位的整周期数N，只能测定不足2的尾数N。由于N值不确定，距离L就成为多值解。l测程长，精度低；反之，精度高，则测程短l l解决方法：解决方法：解决方法：解决方法：l用两个频率的波（两个不同的光尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。l就可以既扩大测程又保证精度。l如果需要还可以用更多的频率测量。.差频相位检测原理 调制频率越高,测量精度越高.但是,一般相位计工作在低频区.差频后两信号都工作在低频区,但相位差仍保持高频信号的相位差s.差频后差频后:.相位激光测距仪的原理l精主振f1(高频)和粗主振f2(低频)，由开关控制依次对发光管供电进行两次测相l检相器只能工作于较低频率，故设立精本振频率f1-fc，粗本振频率f2-fcl基准混频器对本振电压和主振电压进行混频外差，进行外差，输出低频fc的基准电压l信号混频器对本振电压和输出信号进行混频外差，输出低频fc的信号电压l信号与基准电压的有相同的频率,但相位差仍保持高频信号的相位差.由相检计检出相位差.两次测相的结果输入计算电路计算得到测量结果。相位激光测距仪的原理图.长度量光电测量的应用实例长度量光电测量的应用实例l 应用光电信息变换技术测量长度量的实例，以便系统掌握测量长度的基本方法。10.1.1钢板宽度的非接触自动测量钢板宽度的非接触自动测量 如图10-1所示为采用两个线阵CCD图像传感器对钢板宽度进行非接触自动测量系统原理图。探测器1与探测器2分别安装在同一个支撑架的两端，它们的中心距（如图所示）为l0。.l 宽度测量原理宽度测量原理 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，CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出如图10-3所示的信号U1与U2。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.l2.测量范围与测量精度测量范围与测量精度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。因此，可以推导出钢板的宽度的计算公式，为（10-1）式中，1与2分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍率，S0为CCD像敏单元长，式中的正负号要根据CCD的安装方向确定。（1 1）测量范围）测量范围 钢板宽度的测量测量范围与两探测器的中心距l0有关，.即与探测器安装架的调整与锁定方式有关。由式（10-1）可见，钢板的宽度L直接与l0有关，若l0可以大范围的调整与锁定，系统的测量范围将会很大。另外，宽度的测量范围还与两探测器成像物镜的横向放大倍率1与2有关，与所选用的CCD像敏单元长及像元数N等参数有关。（2）测量精度测量精度 对式（10-1）取微分，由于系统确定后除像元数N1与N2外的其他参数均为常数，因此(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等参数有关。.3.3.测量速度测量速度 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，（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。若驱动频率为数MHz，测量周期常为ms量级。.板材定长剪切系统板材定长剪切系统l1.定长裁剪系统的结构定长裁剪系统的结构 在板材（钢带、铝带、玻璃板、塑料板等板材）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。裁剪系统的结构如图10-4所示。被裁板材经传动轮和从动导轮展开，并以一定的速度v经裁减装置(剪刀)输送到光电检测系统。光电检测系统由光源、光学成像系统(图中未画)和光电器件构成。.2.2.定长裁剪原理定长裁剪原理 当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光电器件输出的信号经处理系统（图中省略）后，发出执行命令信号。剪刀在裁剪控制系统接受执行命令操作裁剪系统执行裁剪动作。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。.板材被剪掉后，光电器件又被光完全照亮，光电流又恢复到最大值，它使剪刀抬起，启动传动系统使板材继续沿箭头方向运动。实现传动与裁剪的自动控制。3.定长裁剪系统精度分析定长裁剪系统精度分析 若裁剪系统的光电传感器采用面积为S的硅光电池（或硅光电二极管），在光敏面全被入射光照射时，光电流IL很大，变换电路的输出为低电位，用做整形的非门电路输出为高电平。当光敏面部分被遮挡时，光电流IL减少，变换电路的输出电位增高，当它高于阈值电位Uth值时，非门电路输出将由高变低。输出控制传输系统和剪刀动作的命令。.设光源所发出的光经光学系统后均匀地投射到光电器件上，光敏面上的照度为E。当光电器件为矩形硅光电池时，它输出的光电流IL与入射光照度E的关系为 IL=SEA （10-4）其中，S矩形硅光电池的灵敏度，A为光电器件的受光面积，显然，在被裁板材没进入视场时为整个光电器件的光敏面。当被裁板材进入视场后，受光面积A将减少，必将引起光电流IL的下降。考虑硅光电池的灵敏度S为常数，光源所发出的光是稳定的，故也是常数，则，光电流IL的变化只与受光面积A有关，对于矩形硅光电池，面积为光电池的宽度b与长度L的乘积，即 IL=SEbL （10-5）被裁板材进入视场后，设光电池被遮挡的长度为l，光电流变为 IL=SEb（L-l）（10-6）.显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度l有关，对式（10-6）取微分得 IL=SEbl （10-7）式中的负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。可以推出图10-5中U随遮挡量的变化关系为 U=SEbRLl （10-8）表明，控制精度与反向电路的电压鉴别量有关，采用电压比较器模块可以获得微伏级的鉴别精度，由式（10-8）推倒出的理论控制精度可以达到微米量级。但是，由于光源的稳定度，和生产环境（灰尘），震动，背景光等因素的影响可能带来远远超过计算的误差。选用PSD、线阵列光电二极管器件或线阵CCD等传感器为光电探测器，可以克服上述因素带来的误差，使实际控制精度得到提高。.简单光学目标的形位检测 光学目标光学目标光学目标光学目标:不考虑被测对象的物理本质，只把它们看作是不考虑被测对象的物理本质，只把它们看作是与与与与背景间有一定光学反差背景间有一定光学反差背景间有一定光学反差背景间有一定光学反差的几何形体或图形景物。的几何形体或图形景物。根据光强空间分布的复杂程度和测量目的，光学目标可以根据光强空间分布的复杂程度和测量目的，光学目标可以分成分成简单光学目标简单光学目标简单光学目标简单光学目标和和复杂图形景物复杂图形景物复杂图形景物复杂图形景物。.简单光学目标简单光学目标简单光学目标简单光学目标通常由点、线、平面等简单规则图形组成。包通常由点、线、平面等简单规则图形组成。包括刻线、狭缝、十字线、光斑、成像系统得到的远处物体的弥括刻线、狭缝、十字线、光斑、成像系统得到的远处物体的弥散圆及工业规则图形等。散圆及工业规则图形等。测量的目的是确定目标相对基准坐标测量的目的是确定目标相对基准坐标测量的目的是确定目标相对基准坐标测量的目的是确定目标相对基准坐标的角度或位置偏差的角度或位置偏差的角度或位置偏差的角度或位置偏差。复杂图形景物复杂图形景物复杂图形景物复杂图形景物的图形分布复杂，空间频率高，密度等级丰富，的图形分布复杂，空间频率高，密度等级丰富，测量的目的在于确定图形的细节和层次、分析图形的内容测量的目的在于确定图形的细节和层次、分析图形的内容测量的目的在于确定图形的细节和层次、分析图形的内容测量的目的在于确定图形的细节和层次、分析图形的内容等；等；.在实际的光电工程中很多对象可以制作或简化成简单的光学目标在实际的光电工程中很多对象可以制作或简化成简单的光学目标在实际的光电工程中很多对象可以制作或简化成简单的光学目标在实际的光电工程中很多对象可以制作或简化成简单的光学目标。例如，许多几何量的形位测量就常常利用被测物体与其背景间的光学反例如，许多几何量的形位测量就常常利用被测物体与其背景间的光学反差来确定物体边缘轮廓。而大多数的物体轮廓，特别是工业图形都是相对差来确定物体边缘轮廓。而大多数的物体轮廓，特别是工业图形都是相对简单和规则的。简单和规则的。此外，在对星体、飞行物等远处活动目标的跟踪测量中，也需要将它们此外，在对星体、飞行物等远处活动目标的跟踪测量中，也需要将它们看作是在广阔背景上的一个或多个独立的辐射光斑来确定该点源的空间坐看作是在广阔背景上的一个或多个独立的辐射光斑来确定该点源的空间坐标。因此，简单光学目标的测量是物体空间状态检测的重要方面。标。因此，简单光学目标的测量是物体空间状态检测的重要方面。.测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军事中有广泛的应用。事中有广泛的应用。事中有广泛的应用。事中有广泛的应用。例如大尺寸工件的安装与加工、高速公路和钢轨的自动铺设、例如大尺寸工件的安装与加工、高速公路和钢轨的自动铺设、地下隧道的自动掘进等工程中采用的自动准直测量；精密小尺地下隧道的自动掘进等工程中采用的自动准直测量；精密小尺寸测量中的目标对准和位置偏移测量；现代天文望远镜中的光寸测量中的目标对准和位置偏移测量；现代天文望远镜中的光电导星；军事应用中的激光制导和激光定向等都是这些方面的电导星；军事应用中的激光制导和激光定向等都是这些方面的典型应用。典型应用。.1 1、结构、结构 通常是由四个光电池排列形成直角坐标，制作在共同的衬底通常是由四个光电池排列形成直角坐标，制作在共同的衬底上，彼此电绝缘，有单独的信号输出端。象限之间的间隔称为上，彼此电绝缘，有单独的信号输出端。象限之间的间隔称为“死区死区”，要求死区作的很窄。若，要求死区作的很窄。若“死区死区”太宽，而入射光斑太宽，而入射光斑较小时，就无法判别光斑的位置；较小时，就无法判别光斑的位置；“死区死区”过分狭窄，可能引过分狭窄，可能引起信号之间的相互串扰，对工艺的要求也高。起信号之间的相互串扰，对工艺的要求也高。.2 2、工作原理及应用、工作原理及应用 有光斑投射表面时，各象限光电池的输出信号与所接收的有光斑投射表面时，各象限光电池的输出信号与所接收的光能量成正比，因此能用以测出光斑的光亮度中心。光能量成正比，因此能用以测出光斑的光亮度中心。若光斑形状是有规则的，并已知时，则可借以确定它的几若光斑形状是有规则的，并已知时，则可借以确定它的几何位置。何位置。根据四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间安装角根据四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间安装角度的不同，可将它的应用方法分作度的不同，可将它的应用方法分作和差电路和直差电路和差电路和直差电路和差电路和直差电路和差电路和直差电路两种。两种。.和差电路和差电路和差电路和差电路 四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成水平安装水平安装水平安装水平安装。电路的连接是先计算相邻象限的和，再计算和信号的差。电路的连接是先计算相邻象限的和，再计算和信号的差。.设光斑形状为弥散圆，在探测设光斑形状为弥散圆，在探测器四象限器四象限、上所占的上所占的面积分别为面积分别为S S1 1、S S2 2、S S3 3、S S4 4，光斑，光斑半径为半径为r r，光斑中心为，光斑中心为 。光斑的光密度均匀，光斑相对探测器中心光斑的光密度均匀，光斑相对探测器中心OO的偏移的偏移 ,测量范围测量范围 。.测量灵敏度较高，非线性影响较小，对目标光斑的不均匀测量灵敏度较高，非线性影响较小，对目标光斑的不均匀性适应性较强，适用于高精度的定位测量。性适应性较强，适用于高精度的定位测量。但信号处理电路复杂，需要进行多次和差运算。各环节性但信号处理电路复杂，需要进行多次和差运算。各环节性能的差异会引起测量误差。能的差异会引起测量误差。.直差电路直差电路直差电路直差电路 四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成45454545角安角安角安角安装装装装。各象限间的连接按对角线方向相减。各象限间的连接按对角线方向相减。.电路简单。电路简单。非线性和灵敏度相对较低。非线性和灵敏度相对较低。.PSD PSD（Position Sensitive DetectorsPosition Sensitive Detectors）是一种能测量光点在）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。探测器表面上连续位置的光学探测器。PSDPSD由由P P衬底、衬底、PINPIN光电光电二极管及表面电阻组成。二极管及表面电阻组成。光电位置传感器的积分灵敏度是与光光电位置传感器的积分灵敏度是与光光电位置传感器的积分灵敏度是与光光电位置传感器的积分灵敏度是与光敏层上受光斑点相对光敏面中心的偏移位置有关。敏层上受光斑点相对光敏面中心的偏移位置有关。敏层上受光斑点相对光敏面中心的偏移位置有关。敏层上受光斑点相对光敏面中心的偏移位置有关。1、结构、结构.位置分辨率高、光谱响应宽、位置分辨率高、光谱响应宽、响应速度快、位置和光强同时测响应速度快、位置和光强同时测量、不受光斑的约束、可靠性高。量、不受光斑的约束、可靠性高。光学位置和角度的探测、光学遥测系统、位移和振动测量、光学位置和角度的探测、光学遥测系统、位移和振动测量、激光对中和准直、距离测试、人类运动姿态分析。激光对中和准直、距离测试、人类运动姿态分析。2、特点、特点3、应用范围、应用范围.4、工作原理、工作原理 当一束光落在当一束光落在PSDPSD上，相应于光能量的电荷在入射点产生，上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过电荷通过P P型电阻层被电极收集。型电阻层被电极收集。P P型层是均匀一体的电阻层，型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的被电极收集到的光电流与入射点和电极间距成反比光电流与入射点和电极间距成反比光电流与入射点和电极间距成反比光电流与入射点和电极间距成反比。由此可得出如下公式：由此可得出如下公式：I I1 1和和I I2 2是电极的光电流，是电极的光电流，L L和和I I0 0分别代分别代表电极间距和总光电流。表电极间距和总光电流。.当当PSDPSD几何中心设定为坐标原点几何中心设定为坐标原点:.当当PSDPSD一端设定为坐标原点：一端设定为坐标原点：.5、分类及转换公式、分类及转换公式 PSD PSD可分一维可分一维PSDPSD和二维和二维PSDPSD。PSDPSD光光敏敏面面上上光光点点位位置置可可由由如如下下公公式式得得出出：这这里里 X X1 1和和X X2 2代代表表每一电极输出信号（光电流），每一电极输出信号（光电流），x x是光点位置坐标。是光点位置坐标。.复杂光学图像的扫描检测 光学目标通常是复杂的二维或三维的图形或景物，有着更为光学目标通常是复杂的二维或三维的图形或景物，有着更为复杂的光强分布形式复杂的光强分布形式复杂的光强分布形式复杂的光强分布形式。被测量对象的发光强度不仅随时间改变，。被测量对象的发光强度不仅随时间改变，而且与坐标位置有关。这些目标的而且与坐标位置有关。这些目标的光强分布结构细密、空间频光强分布结构细密、空间频率分布广、灰度层次丰富、动态范围宽。率分布广、灰度层次丰富、动态范围宽。是应用范围最广的光是应用范围最广的光学信息来源。学信息来源。.为了对复杂目标进行传真、录放、检测、处理和显示、存为了对复杂目标进行传真、录放、检测、处理和显示、存贮，最基本的变换方法是贮，最基本的变换方法是图像数据的采集和再现图像数据的采集和再现图像数据的采集和再现图像数据的采集和再现。也就是在。也就是在光信号采集的情况下如何将物体在空间域内的光强分布变换光信号采集的情况下如何将物体在空间域内的光强分布变换成时域内的电信号的变化，或者在图形再现的情况下如何将成时域内的电信号的变化，或者在图形再现的情况下如何将时序电信号变换成空间光强的分布。时序电信号变换成空间光强的分布。.在观察和测量复杂图像时，常常希望光电系统具有在在观察和测量复杂图像时，常常希望光电系统具有在大视场大视场大视场大视场范围内范围内范围内范围内精确分辨图形细节能力。精确分辨图形细节能力。虽然可采用有大视场光学系统和多通道并行检测光电器件的虽然可采用有大视场光学系统和多通道并行检测光电器件的组合装置，但这种方法存在着许多困难。例如，像质好、视场组合装置，但这种方法存在着许多困难。例如，像质好、视场大的光路系统本身是复杂的，而从大视场的背景辐射干扰中检大的光路系统本身是复杂的，而从大视场的背景辐射干扰中检测出小尺寸目标物体可能得到的信噪比较低。特别是并行检测测出小尺寸目标物体可能得到的信噪比较低。特别是并行检测需要有一个大面积、高分辨率、有并行输入能力的多像素光电需要有一个大面积、高分辨率、有并行输入能力的多像素光电检测器件，这在目前尚难以实现。检测器件，这在目前尚难以实现。.能够同时实现目标信号的空时能够同时实现目标信号的空时(或时空或时空)变换和光电变换和光电(或电光或电光)变变换的最常用的技术就是换的最常用的技术就是图像扫描图像扫描图像扫描图像扫描。它们在不同类型的图像仪器。它们在不同类型的图像仪器中是不可缺少的重要环节。中是不可缺少的重要环节。工程上真正得到应用的图像采集的方法是工程上真正得到应用的图像采集的方法是光电扫描技术。光电扫描技术。光电扫描技术。光电扫描技术。在在这种方法中只用了一个窄视场的光学系统和一个光电检测通道。这种方法中只用了一个窄视场的光学系统和一个光电检测通道。.二、黑白激光打印机 从功能结构上区分，激光打印机可分为从功能结构上区分，激光打印机可分为打印控制器打印控制器和和打印引擎打印引擎两大部分。两大部分。打印控制器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。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。印机的实际性能更多取决于打印引擎。.目前，具备打印引擎设计制造能力的只有目前，具备打印引擎设计制造能力的只有CANONCANON（佳能）、（佳能）、MinoltaMinolta（美能达）、（美能达）