1.2.3 光电检测系统的基本结构形式

对于不同的光电检测系统，光电变换装置的组成和结构形式有所不同。为了与人们已习惯的几何光学和物理光学的体系相对应，我们把光电变换的结构形式按几何光学变换的光电检测方法和物理光学变换的光电检测方法来分类，基于上述两种工作原理，可归纳出以下基本结构形式。

1.几何光学变换的结构形式

利用几何光学变换的光电检测方法，指将光学现象看做直线光束传输的结果，在几何光学意义上，利用光束传播的直线性、遮光、反射、折射、成像等光学变换方法进行的光电检测和控制。它主要包括光开关、光电编码、准直定向、瞄准测长、成像检查等方面。因此，相对应的结构形式有辐射式、反射式、遮挡式、透射式等。

（1）辐射式

如图1-5所示，待测物1本身就是辐射源，根据辐射出的功率、光谱分布及温度等参数可以确定待测物的存在、所处的方位，根据光谱的分布情况等可以分析待测物的物质成分及性质，如辐射高温计、火警报警器、热成像仪、太阳能利用，侦察、跟踪、武器制导，地形地貌普查分析、光谱分析等。物体的辐射一般为缓慢变化量，所以经光电转换后的电信号也是缓慢变化量。为了克服直流放大器中零点漂移和环境温度的影响，减小背景辐射的噪声干扰，常采用光学调制技术或电子斩波器调制，然后通过滤波器可提高信噪比。

下面以全辐射测温为例说明这种方式的应用情况。

由斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzman）定律可知，物体的全辐射出射度为

式中，ε为比辐射率，对于某一物体ε值为常数；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数；T为绝对温度。在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收作用，则光电探测器输出的电压信号为

Us=Meβ

式中，β为光电变换系数。将式（1-3）代入上式得

式（1-4）表明，光电探测器输出的电压信号Us是温度T的函数，与温度T的4次方成正比。因此，可以通过测量输出电压Us来测量辐射体的温度，也可以再经过对数放大器后，得到与温度T成线性关系的电压信号。

（2）反射式

如图1-6所示，由待测物把光反射到光电接收器。反射面的状态可以呈光滑的镜面，也可以呈粗糙状。相应地，光的反射形式有镜面反射和漫反射两种。它们反射的物理性质不同，在光电检测技术中的应用机理也就不同。镜面反射的光按一定方向反射，它往往用来判断光信号的有无，因此可用于光电准直、电动机等转动物体的转速测量等方面。图1-7所示即为一个测量转速的应用实例，轴转动一周，光电探测器4就获得一个由光源1发出的反射光的脉冲，此脉冲数反映了轴的转速。为了加强光在待检测物上的反射作用，往往在待测物体上另加反射镜，图1-7中小平面镜3的作用就是增强反射性能。所谓漫反射，是指一束平行光照射到某一表面上时，光向各个方向反射出去的现象。因此，在漫反射某一位置上的光电探测器只能接收到部分反射光，接收到的光通量大小与产生漫反射的表面材料的性质、表面粗糙度以及表面缺陷等因素有关，因而采用这种方式可检测物体的外观质量。

在产品外观质量检测时，光电探测器的输出信号可表示为

式中，EV为被检测表面的光照度；r2为无缺陷表面的反射率；r1为缺陷表面的反射率；S为光电探测器有效视场内缺陷所占面积；β为光电变换系数。

由式（1-5）可知，当EV，r2和β为确定值时，Us仅与r1和S有关，而缺陷表面反射率r1与缺陷的性质有关。所以，从Us的大小可以判断出缺陷的大小和面积。

这种光反射式检测原理，除上述应用实例外，还有激光测距、激光制导、主动式夜视、电视摄像、文字判度等方面的应用。

（3）遮挡式

待测物遮挡部分或全部光束，或周期性地遮挡光束，如图1-8所示。根据被遮挡光通量的大小就可确定待测物的大小或待测物的位移量。设待测物体宽度为b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡入射到光电探测器上的光面积的增量ΔS为

ΔS=α2bΔl

式中，α为光学系统的横向放大倍数。光电探测器输出位移量的电信号为

由式（1-6）可知，应用此种方式，可对物体的位移量和物体的尺寸进行检测，光电测微计和光电投影尺寸检测仪等均为此种方式。

如果待测物扫过入射光束，光电探测器接收到的光通量就要发生有、无两种状态的变化，输出的电信号为脉冲形式，根据被遮挡光束的次数就可确定待测物体的个数，或者待测物体的运动速度等，相应地可用于产品计数、光控开光以及防盗报警等。

（4）透射式

光透过待测物体，其中一部分光通量被待测物体吸收或散射，另一部分光通量透过待测物体由光电探测器接收，如图1-9所示。被吸收或散射的光通量的数值决定于待测物的性质。例如，光透过均匀介质时，光被吸收，透过的光强可由朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律表示，即

式中，I0为入射到待测介质表面的光强；α为介质吸收系数；d为介质厚度。

液体或气体介质的吸收系数α与介质的浓度成正比，因此，当介质（待检测物）的厚度d一定时，光电探测器上接收的光通量仅与待测介质的浓度有关。

这种方式可以用于检测液体或气体的浓度、透明度或浑浊度，检测透明薄膜厚度和质量，检测透明容器的缺陷，测量胶片的密度，以及胶片图像的判读等。

2.物理光学变换的结构形式

利用物理变换的光电检测方法指将光学现象看做电磁波振荡传输的结果。在物理光学的意义上，利用光的衍射、干涉、光谱、能量、波长及频率等光学变换的现象和参量进行光电检测，主要包括光度、色度、光栅和干涉度量、衍射和散斑测量、光谱分析等方面。因此，相对应的常见结构形式有以下两种。

（1）干涉式

如图1-10所示，由光源1发出的光线经过透镜2照射到分束器3（可以是半透明半反射的平面镜或棱镜）上，经分光面把光线分成两路，一路光线a射向平面反射镜4作为参考光，另一路光线b射向待测物5，从待测物中得到待测信息。例如，图1-10（a）中的待测信息可以是位移或振动等；图1-10（b）中的待测信息可以是待测物体折射率的变化，即浓度或成分变化的信息。光线a和b经过4和5后又一起射向光电探测器6，在光电探测器上可检测到干涉条纹信号。

因此，干涉法可用于检测位移、振动、液体的浓度、折射率等，它的检测灵敏度和精度很高，动态范围大，但结构和检测电路复杂，成本也很高。

（2）衍射式

图1-11所示为衍射测量的基本原理。准直的平行激光束照射被测物体与固体参考物体之间所形成的间隙，当激光束通过间隙后，在远场接收屏上形成夫琅禾费衍射条纹。设激光波长为λ，激光通过的间隙为一宽度为b的单缝，当观察屏距离L≥b2/λ时，所得到的衍射条纹光强分布为

式中，θ为衍射角；I0为θ=0°时的光强。式（1-8）表示，衍射光强随sinφ的平方而衰减。当φ=±π,±2π,…,±nπ时，I=0，即出现衍射条纹的暗纹位置，且满足

而tgθ=xn/L，xn为第n级暗条纹与零级亮条纹中心的间距，因此由式（1-9）可知

该式即为测量狭缝间距的常用公式。

如果用光电转换元件在衍射场的确定位置监视条纹的移动，就像对干涉条纹计数一样，就可以利用式（1-10）测量尺寸b的变化量或者位移。

因此，应用这种方法可以进行大尺寸的比较测量、工件形状的轮廓测量以及位移应变测量等。