1、 光电光电系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密机械及计算机构成了光、电、机、计算机相结合的现代测控仪器，机械及计算机构成了光、电、机、计算机相结合的现代测控仪器，它具有许多重要的它具有许多重要的特点特点:1精度高精度高 光电式光电式仪器是各种测量仪器中精度很高的一种仪器是各种测量仪器中精度很高的一种，如如激光干涉激光干涉仪可达到仪可达到（0.03+L/500）m的的测长精度（其中测长精度（其中 L是是测量长度，单测量长度，单位为位为 mm），），光外差干涉测量是纳米精度测量的主要手段。光外差干涉测量是纳米精度测量的主要手段。2非接触测
2、量非接触测量 光照光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，也没有摩擦到被测物体上可以认为是没有测量力的，也没有摩擦，因此因此它可以实现动态测量。是各种测量方法中效率最高的一种。它可以实现动态测量。是各种测量方法中效率最高的一种。3测量范围大测量范围大 光是光是最便于远距离传播的介质，尤其适合于远距离测距、遥最便于远距离传播的介质，尤其适合于远距离测距、遥控、遥测、光电跟踪控、遥测、光电跟踪等等 4信息处理能力信息处理能力强强 本章本章从光电系统总体设计角度出发对光电系统的精度、设计从光电系统总体设计角度出发对光电系统的精度、设计原则和设计方法进行介绍和讨论，最后通过对激光干涉的设计分原则和设计
3、方法进行介绍和讨论，最后通过对激光干涉的设计分析，达到对光电系统设计有一个整体的理解。析，达到对光电系统设计有一个整体的理解。第一节第一节 测控仪器光电系统的组成和测控仪器光电系统的组成和类型类型 一、光电系统的组成 光电光电系统是测控仪器的重要组成部分。测控仪器中的光电系统的组系统是测控仪器的重要组成部分。测控仪器中的光电系统的组成框图成框图如图如图6-1所所示。光源是传递信息的媒介，是光电系统的源头。光示。光源是传递信息的媒介，是光电系统的源头。光源发出的光经过光学系统后成为会聚光束、发散光束、平行光束，或其源发出的光经过光学系统后成为会聚光束、发散光束、平行光束，或其他形式的结构光束，作
4、为载波作用于被测对象。光学变换可通过各种光他形式的结构光束，作为载波作用于被测对象。光学变换可通过各种光学元器件，如透镜、平面镜、棱镜、光栅、码盘、波片、偏振器、调制学元器件，如透镜、平面镜、棱镜、光栅、码盘、波片、偏振器、调制器、狭缝、滤波器等来实现。经光学变换后的光载波中含有被测对象的器、狭缝、滤波器等来实现。经光学变换后的光载波中含有被测对象的信息，称为光信息。光信息被光电检测器接收，并转换为易于处理的电信息，称为光信息。光信息被光电检测器接收，并转换为易于处理的电信号，再经电路和逻辑变换等处理，最后显示被测量，或用于探测。信号，再经电路和逻辑变换等处理，最后显示被测量，或用于探测。由由
5、组成框图可以看出光电系统的设计主要是研究光信息的检组成框图可以看出光电系统的设计主要是研究光信息的检测、传输和变换中的核心技术的设计问题测、传输和变换中的核心技术的设计问题图6-1 测控仪器光电系统组成框图二、光电系统的类型 光电光电系统的类型是很多的，为了突出同类系统的特点和共性，系统的类型是很多的，为了突出同类系统的特点和共性，以便掌握其规律性的内容以便掌握其规律性的内容，把，把光电系统分为主动系统与被动系统，光电系统分为主动系统与被动系统，模拟系统与数字系统，直接探测系统与相干探测系统等模拟系统与数字系统，直接探测系统与相干探测系统等 1主动系统与被动系统主动系统与被动系统 主动主动系统
6、与被动系统是指携带信息的光源（光煤介）是人为制造系统与被动系统是指携带信息的光源（光煤介）是人为制造的还是自然辐射的的还是自然辐射的。若若光电系统的照明是人工光源，如白炽灯、发光管、半导体激光器、光电系统的照明是人工光源，如白炽灯、发光管、半导体激光器、激光器等，被测信息通过调制的方法加载到光载波上去，然后用光电接激光器等，被测信息通过调制的方法加载到光载波上去，然后用光电接收系统进行检测，这种光电系统称为主动光电收系统进行检测，这种光电系统称为主动光电系统系统 如果如果光电系统的照明光源是自然光（如太阳光）或者用不是为光电光电系统的照明光源是自然光（如太阳光）或者用不是为光电系统特殊设计的光
7、源来携带光信息，这种光电系统称为被动光电系统系统特殊设计的光源来携带光信息，这种光电系统称为被动光电系统。主动主动光电系统与被动光电系统相比增加了光源、光源光学系统，有光电系统与被动光电系统相比增加了光源、光源光学系统，有时还需要光源调制器。它比被动系统要复杂一些，但信息的对比度好、时还需要光源调制器。它比被动系统要复杂一些，但信息的对比度好、信噪比高，一般用于精密测量信噪比高，一般用于精密测量中中。2模拟系统与数字系统模拟系统与数字系统 按照按照传输和接收的光信息是模拟量还是数字量，分为模拟系统和传输和接收的光信息是模拟量还是数字量，分为模拟系统和数字系统。模拟光信息与数字光信息一般是用调制
8、的方法将被测信息加数字系统。模拟光信息与数字光信息一般是用调制的方法将被测信息加载到光载波上来获得的载到光载波上来获得的。如果如果光载波是直流或者是连续的光通量，将被测信息加载到这类光光载波是直流或者是连续的光通量，将被测信息加载到这类光载波上，然后进行传输或变换，则是模拟光电系统载波上，然后进行传输或变换，则是模拟光电系统。如果如果光载波是脉冲量，而将被测信息加载到脉冲光载波的辐度、频光载波是脉冲量，而将被测信息加载到脉冲光载波的辐度、频率、脉宽或相位之中，则得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调率、脉宽或相位之中，则得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调制光波进行传输或变换称为数字式光
9、电系统制光波进行传输或变换称为数字式光电系统。数字式数字式光电系统具有比模拟式光电系统更好的传输效率和更好的抗光电系统具有比模拟式光电系统更好的传输效率和更好的抗干扰性，尤其适合于光通信。干扰性，尤其适合于光通信。3直接检测系统（非相干）与相干检测系统直接检测系统（非相干）与相干检测系统 按照光电系统中光电检测是直接检测光功率还是检测光的振按照光电系统中光电检测是直接检测光功率还是检测光的振幅、频率和相位则分为直接检测系统和相干检测系统幅、频率和相位则分为直接检测系统和相干检测系统。不论不论是用相干光源还是非相干光源来携带光信息，而检测器是用相干光源还是非相干光源来携带光信息，而检测器件只直接
10、检测光强度，这种光电系统称为直接检测系统件只直接检测光强度，这种光电系统称为直接检测系统。如果如果采用相干光源利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，采用相干光源利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，光电检测不是直接检测光强而是检测干涉条纹的振幅、频率或相光电检测不是直接检测光强而是检测干涉条纹的振幅、频率或相位则称为相干检测系统位则称为相干检测系统。直接直接检测系统简单、应用范围广，而相干检测具有更高的检检测系统简单、应用范围广，而相干检测具有更高的检测能力和更高的信噪比，因而系统精度更高、稳定性也更好。测能力和更高的信噪比，因而系统精度更高、稳定性也更好。第二节第二节 光电系统的光电系统的特
11、性特性 光电光电系统由实现光学变换的光学或光电子学系统与实现系统由实现光学变换的光学或光电子学系统与实现光电变换的光电探测器组成。光电系统的被测量是光信息而光电变换的光电探测器组成。光电系统的被测量是光信息而输出量是经过光电变换的电信息，不同原理的输出量是经过光电变换的电信息，不同原理的光电光电系统其性系统其性能指标是不同的，本节只归纳其共性能指标是不同的，本节只归纳其共性特性特性 一、光电特性一、光电特性 光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性又称为静光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性又称为静特性，其输入量一般是光通量特性，其输入量一般是光通量 或光照度或光照度E，输出量一般是电，输
12、出量一般是电压或电流。若输入量是光通量压或电流。若输入量是光通量，输出量是电压，则其光电特，输出量是电压，则其光电特性即为性即为 曲线。若光电系统的光学变换是线性的，则系统的光曲线。若光电系统的光学变换是线性的，则系统的光电特性主要取决于光电探测器的光电特性。电特性主要取决于光电探测器的光电特性。任何任何一个光电测量系统希望其静特性线性范围大，以获一个光电测量系统希望其静特性线性范围大，以获得较大的测量范围，也希望其特性曲线的斜率大，以获得较得较大的测量范围，也希望其特性曲线的斜率大，以获得较高的灵敏度高的灵敏度二、光谱特性及光谱匹配二、光谱特性及光谱匹配 光电光电系统中光载波信号的能量来源是
13、光源或辐射源，辐射能系统中光载波信号的能量来源是光源或辐射源，辐射能量由光源经测试目标、光学系统和传输介质被光电检测器接收量由光源经测试目标、光学系统和传输介质被光电检测器接收。为了为了提高光能的利用效率，要求检测器件的光谱灵敏度分布提高光能的利用效率，要求检测器件的光谱灵敏度分布和辐射源的辐射度分布及各传输环节的透过率分布相覆盖和辐射源的辐射度分布及各传输环节的透过率分布相覆盖。在在含有多光谱的复合光通量含有多光谱的复合光通量 作用作用下，传输介质、光学系下，传输介质、光学系统的透过率光谱分布分别统的透过率光谱分布分别是是 和和 ，光电检测器的光电灵敏光电检测器的光电灵敏度系数为度系数为 时
14、时，那么检测器件的，那么检测器件的输出输出 可可表示为表示为：上上式表示式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系关系 由于由于光电系统中光源的辐射波长有一定的范围，并存在有峰光电系统中光源的辐射波长有一定的范围，并存在有峰值波长，而光电子检测器件对波长有选择性，即存在一个最灵敏值波长，而光电子检测器件对波长有选择性，即存在一个最灵敏的波长，因此为充分利用光能，要求光电器件与辐射源在光谱特的波长，因此为充分利用光能，要求光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配性上相匹配三、光电灵敏度特性（光谱响应率三、光电灵敏度特性（光谱响应率）光谱光谱响应率又称光电灵敏
15、度，它是光电系统的光电检测器件响应率又称光电灵敏度，它是光电系统的光电检测器件的输出（电压的输出（电压V或电流或电流I）与入射光通量之比，）与入射光通量之比，即即 、分别称为电压灵敏度和电流量敏度分别称为电压灵敏度和电流量敏度，其单位分别是其单位分别是V/W 和和 A/W。若入射光参量用照度表示，若入射光参量用照度表示，则光照灵敏度的单位分别则光照灵敏度的单位分别为为V/lm 和和A/lm 若若入射光的波长入射光的波长 为为单色光，这时输出电压单色光，这时输出电压 U()或电流或电流I()与入射单色辐射通量与入射单色辐射通量()之之比称为光谱灵敏度或光谱响应比称为光谱灵敏度或光谱响应率率 或或
16、 随波长的变化关系随波长的变化关系，称为光谱响应函数，称为光谱响应函数VVSIIS，/VSV /ISI 四、频率响应特性四、频率响应特性 当入射光照是以一定频率变动的交换光信息时，光照频率的变化将会引起光电器件响应率的变化。一般地，响应率随光照频率升高而降低。它如同一个低通滤波器的频率特性，即式中，是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f是光信息的频率，为时间常数。当频率增加时响应率 要降低，当 降到 的 时所对应的频率 ，称为上限载止频率。五、光电系统的五、光电系统的探测率探测率D 和比和比探测率探测率D*光电系统的探测率表征光电系统的探测能力，D 越大表征探测能力越强。D可表示为：式中
17、，为用电压表示的光电灵敏度，为噪声电压。上式表明 越高而噪声越小则探测能力越强。光电检测系统的探测率除了与 和 有关外还与光电检测器件光敏面面积A和光电检测系统的带宽 f 有关，为在同一条件下对光电系统性能加以比较，引入比探测率D*的概念。第三节第三节 光电系统的设计光电系统的设计原则原则 在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点以及仪器的设计要求，必须遵守一些重要的设计原则。一一、匹配、匹配原则原则 光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和阻抗匹配。在光电系统中，光电器件是光学系统的输出口，它同时又是电子部
18、分的输入口，因此匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。1光谱匹配 光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特性相匹配。正如前节光电系统光谱特性内容所述，要求光电检测器件对光谱的灵敏响应范围与光学系统光谱透过率相覆盖。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光电检测器件2功率匹配 光电系统的能源是光功率，功率匹配是指尽量最佳的使用光功率，它包含如下三个方面的内容：光电器件与入射辐射能量在空间上对准，即入射光应与光电检测器件光敏面相垂直，同时又尽量使
19、入射光照射到全部光敏面上，以充分利用光能，实现入射光与光电检测器件的空间匹配。入射光辐射应与光电检测器件的光电特性相匹配，即要求入射光通量的变化中心处于光电检测器件的线性测量范围的中心处，以确保进行良好的线性检测。满足光谱匹配。3阻抗匹配 由于光电检测器件是光电检测电路的信号源，因此两者之间应具有良好的阻抗匹配，以获得最佳的电信号输出，在进行光电检测电路设计时应根据光电检测器件的伏安特性选择最佳工作点，还应根据光电检测器件和光信息的频率特性进行光电检测电路的动态设计，以保证光电系统达到最佳的信号检测能力。二、干扰光最小原则二、干扰光最小原则 光电系统中光干扰是造成系统工作不稳定的重要因素。光电
20、系统中的干扰光主要是指杂散光、背景光和“回授光”。干扰干扰光最小原则就是指干扰光对光电系统影响最小，以光最小原则就是指干扰光对光电系统影响最小，以使系统稳定性好，抗干扰能力强使系统稳定性好，抗干扰能力强。背景光是指光电系统主动照明的照明光、房屋照明光、自然光等引起的信号背景光，它主要使信号的对比度变差，信噪比降低。在背景光中影响最大的是主动照明光源的光功率波动。背景光会造成光信号中的无用的直流成份增大或缓慢变化。减小背景光影响的办法是采用光遮断、光隔离、光控制和光补偿等方法。三、共光路原则三、共光路原则 在光电系统中为了实现精密测量和减小共模干扰，经常采用差动测量系统，以实现被测量与标准量的比
21、较还应强调的是，光电系统设计是测控仪器设计的一部分，它还应遵守仪器设计的阿贝原则、差动比较原理、精度匹配原则、基面统一原则以及补偿原理、平均读数原理等基本原则和理论第四节 光电测量系统中的光源及照明系统 光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量往往起着关键的作用。根据不同的测量需要，有的要求平行光照明、或点光源照明、或平面光照明、或透射光照明、或反射光照明，这些都由光源的照明系统来提供一、光源的基本参数PdPV21光谱典型分布光谱典型分布 线状光谱线状光谱 连续光谱连续光谱 复合光谱复合光谱 带状光谱带状光谱 低压汞灯低压汞灯 高压汞灯高压汞灯 白炽灯、卤素灯白炽灯、卤素灯
22、荧光灯荧光灯2、光谱功率谱分布 指光源输出的功率与光谱有关，即与波长有关在选择光源的时候，为了最大限度地利用光能，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致；对于目视测量，一般可以选用可见光谱辐射比较丰富的光源；对于目视瞄准，为了减轻人眼的疲劳，宜选用绿光光源 光源发光的各向异性时许多光源的发光强度在各个方向上是不同的 用配光曲线来表示该光源在发光空间的某一截面上的发光强度（见右图所示为某一发光二极管的配光曲线）4、光源的温度和颜色、光源的温度和颜色温度辐射：任何物体其温度在绝对零度以上，就向外发出辐射温度辐射：任何物体其温度在绝对零度以上，就向外发出辐射黑体是完全的温度辐射体，其
23、辐射本领可表示为黑体是完全的温度辐射体，其辐射本领可表示为 为辐射本领，表示辐射体表面在单位面积表面单位波长间为辐射本领，表示辐射体表面在单位面积表面单位波长间隔内所辐射的通量隔内所辐射的通量 为为吸收率，是波长吸收率，是波长 到到 间隔间隔内被物体吸收的通量与入射内被物体吸收的通量与入射通量之比通量之比 当当 时的物体称为绝对黑体时的物体称为绝对黑体bM,TM,T,T M,T,T 1,T edM,Td dA eed,Td d黑体的温度决定了它的光辐射特性黑体的温度决定了它的光辐射特性一般光源的某些特性常用黑体辐射特性表示，而其温度用色温一般光源的某些特性常用黑体辐射特性表示，而其温度用色温或
24、相关色温表示或相关色温表示色色 温温相关色温相关色温二、光电测量中的常用光源热辐射光源热辐射光源气体气体放电光源放电光源半导体半导体发光器件发光器件激光光源激光光源常用光源常用光源 太阳光源是很好的平行光源 发出连续光谱，发光特性稳定、简单、可靠 白炽灯供电电压的大小对灯的参数（电流、功率、寿命及光通量）有很大的影响 灯丝的形状对其发光强度的方向性有影响 光栅测量用直丝形状的专用仪器灯泡，且灯丝长度方向与光栅刻线方向一致3、气体放电光源利用气体放电原理来发光的光源利用气体放电原理来发光的光源 这种气体包括：氢、氦、氘、氙、氪和金属蒸汽（汞、这种气体包括：氢、氦、氘、氙、氪和金属蒸汽（汞、钠、硫
25、等）钠、硫等）其特点：其特点：1、发光效率高、发光效率高 2、结构紧凑，耐震、耐冲击、结构紧凑，耐震、耐冲击 3、寿命长、寿命长 4、光色范围大、光色范围大主要应用在工程照明和光电测量之中主要应用在工程照明和光电测量之中4、半导体发光器件（LED）半导体发光器件半导体发光器件是指在电场作用下使半导体的电子与空穴复合而是指在电场作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件发光的器件半导体发光器件也称为半导体发光器件也称为注入式场致发光光源注入式场致发光光源工作工作原理原理由某些半导体材料做成的二极管，当给由某些半导体材料做成的二极管，当给PNPN结加正向电压时，结加正向电压时，N N区区的电子越过
26、的电子越过PNPN结而进入结而进入P P区与空穴相复合。区与空穴相复合。由于高能电子与空穴复合将释放出一定能量，即场致激发使载流由于高能电子与空穴复合将释放出一定能量，即场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级，而高能级的电子总要回到稳定的低能子由低能级跃迁到高能级，而高能级的电子总要回到稳定的低能级，这样当电子从高能级回到低能级时放出光子，即半导体发光。级，这样当电子从高能级回到低能级时放出光子，即半导体发光。由于不同材料的禁带宽度Eg不同，所制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外有些材料由于成分和搀杂不同，有各种各样的发光二极管。发光二极管即是半导体器件也是发光器件，因此其参数就包括电学和光
27、学参数这些参数可请查阅在相关光电器件手册了解半导体发光二极管的特性，对于正确选择和使用具有重要意义材料光色峰值波长/nm光谱光视效能/lm.W-1GaAs0.6P0.4红65070GaAs0.15P0.85黄589450GaP:N绿565610GaAs红外910GaAs:Si红外9405、激光光源激光又称为受激发射光，它的单色性好，相干能力强，在光电测量中常用作相干光源 能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件称为激光器。激光器的组成组成激光器组成激光器的三大要素的三大要素激光工作物质激励能源光学谐振腔固体激光器固体激光器 工作物质为固体，工作物质为固体，如红宝石、如红宝石、钕钇铝石榴石、钕钇
28、铝石榴石、钛宝石钛宝石 气体激光器气体激光器 工作物质为工作物质为He-Ne、CO2、Ar+等等 半导体激光器半导体激光器 工作物质为工作物质为GaAs、GaSe、CaS、PbS等等 He-Ne 激光在共焦腔中光斑的大小，在不同位置是各不相同的，如左下图所示，其表达式为式中，为与模的级次有关的，归一化比例常数；为与坐标无关的常量；为 处的基模光斑半径；为 处的光斑半径，此处的 为最小，称为束腰半径0 z0f式中，f 为球面镜焦距，对于共焦腔 ，L为谐振腔腔长，为 激光波长。/2fL/2zL02/f43 10rad42 10rad在选择和使用He-Ne激光器时应注意发下几点：（1）要注意激光的模
29、态。在用He-Ne激光器作光电测量的光源时，一般都选用单模激光。激光的模态记作 ，其中 q 为纵模序数，m、n为横模序数。对于单模激光，其模态为 激光的纵模是指在谐振腔内沿光轴方向形成谐振的振荡模式，这种振荡模式是由激光工作物质的光谱特性和谐振腔的频率特性共同决定的 激光的横模 a）TEM00模 b）TEM10模 c）TEM13模 d）TEM11模mnqTEM00TEM（2）功率。光电测量中所用的He-Ne激光光源功率一般在 0.3mW十几 mW之间。如果测量系统需要多次分光，为保证干涉场具有足够的照度和信噪比可用功率略大些的激光器。（3）稳功率和稳频。He-Ne激光器输出的功率变化较大，当它
30、用作非相干探测的光源时，由于光电器件直接检测入射于其光敏面上的平均光功率，这时光源的功率波动对测量影响很大。如果He-Ne激光器用作相干检测的光源时，光源的功率波动将直接影响干涉条纹的幅值检测。因此在精度较高的光电测量中，应对He-Ne激光器稳功率。此外，在相干测量中光的波长是测量基准，因此要求波长很稳定,稳波长实质就是稳光频（4）激光束的漂移。虽然He-Ne激光具有很好的方向性和单色性，但它也是有漂移的，当作用精密尺寸测量和准直测量时尤应注意由于激光器的光学谐振腔受温度和振动的影响，会使谐振腔长变化或使反射镜有倾角变化，从而造成输出激光束产生漂移，一般其角漂移达到 1左右，而光束平行漂移大约
31、十多 m。当这种漂移对精密测量有较大影响时，应设法补偿或减小漂移半导体激光器半导体激光器及其使用要点及其使用要点半导体激光器简称半导体激光器简称LD 激光解理面它是用半导体材料（ZnS、GaAs、PbS、GaSe等）制成的面结型二极管。半导体材料是LD的激活物质。在半导体的二个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。给半导体施以正向外加电场，而产生电激励。在外部电场作用下使半导体的p-n结中n区多数载流子即电子向p区运动，而p区的多数载流子空穴向n区运动。高能电子与空穴相遇产生复合，同时可将多余的能量以光的形式放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。使用时应注意
32、的要点使用时应注意的要点1、LD发出的光束不是高斯光束，光束截面近似矩形，发散角又发出的光束不是高斯光束，光束截面近似矩形，发散角又较大，因此用较大，因此用LD作为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，作为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直。再用准直镜准直。2、频率稳定性。、频率稳定性。LD光的单色性远逊于光的单色性远逊于He-Ne激光，因而其相干性也较差激光，因而其相干性也较差，因，因此用此用LD作相干光源且测量距离又较大时，必须对作相干光源且测量距离又较大时，必须对LD稳频。稳频。LD的稳频法主要有吸收法和电控法的稳频法主要有吸收法和电控法 3、调频、调频 改变改变LD的注入
33、电流的注入电流i会使会使LD的输出频率产生的输出频率产生v的变化。的变化。如果如果注入电流是按某一频率变化规律来变化，那么输出的激注入电流是按某一频率变化规律来变化，那么输出的激光将被调频。这种调频是在光将被调频。这种调频是在LD内部实现的，故称为内调制。由此内部实现的，故称为内调制。由此原理制成的半导体激光器可用于外差测量。原理制成的半导体激光器可用于外差测量。应应注意，在调频的同时伴随着注意，在调频的同时伴随着LD输出功率的改变，因此应注输出功率的改变，因此应注意功率变化对测量的影响意功率变化对测量的影响。三、照明三、照明系统系统照明对光学系统的成像质量起着非常重要的作用，照明的种类繁多，
34、用途也非常广泛。本节只介绍光电系统中常用的照明方式。（一）照明系统的设计原则 照明系统的设计应满足下列要求：1）保证足够的光能。2）有足够的照明范围，照明均匀。3）照明光束应充满物镜的入瞳。4）应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。5）合理安排布局，避免光源高温的有害影响。根据这些要求，照明系统设计应满足两个原则：2）照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量。拉赫不变量是表征光学系统性能的一个重要参数。1）光孔转接原则。即照明系统的出瞳应该与物镜的入瞳重合，否则照明光束不能充分利用。由于光瞳不重合，成像光束仅为照明光束的一部分，光束的阴影部分被物镜的入瞳遮挡，不能参与成像。Jny
35、un y u 拉赫不变量表示光学系统在近轴区成像时，在物像共轭面上，物体的大小、成像光束的孔径角、物空间介质的折射率 的乘积为一常数。在显微光学系统的照明系统设计中，按照要求2），可得 由于显微镜的放大倍率很高，成像光束的像方孔径很小，并且被观察的物体通常是不发光的，为了获得清晰的图像，必须保证充足的照明。000n y unuyn y u （二）照明的种类 1直接照明 直接照明按照明方法分为透射光亮视场照明，反射光亮视场照明，透射光暗视场照明，反射光暗视场照明，分别如下图 a、b、c、d所示，图中阴影部分为照明光场。按光源类型分为白炽灯照明、光纤照明等。a）透射光亮视场照明 b）反射光亮视场照
36、明 c）透射光暗视场照明 d）反射光暗视场照明 1）透射光亮视场照明 照明光源和物镜在物的两侧，物平面上各部分的透射率不同而调制照明光。当物体为无缺陷的玻璃板时，得到均匀的亮场。2）反射光亮视场照明 照明光源和物镜在物的同侧，物平面上各部分的反射率不同而调制照明光。当物体为无缺陷的漫反射表面时，得到均匀的亮视场。3）透射光暗视场照明 照明光源和物镜在物的两侧，倾斜入射的照明光束在物镜侧向通过，当物体为无缺陷的玻璃板时，无光线进入物镜成像，因此得到均匀的暗视场。物体有缺陷时，光束通过物体内部结构的衍射、折射和反射射向物镜而形成物体缺陷的像。4）反射光暗视场照明 照明光源和物镜在物体的同侧，从物镜
37、旁侧入射到物体的照明光束经反射后在物镜侧向通过，当物体为无缺陷的反射镜面时，无光线进入物镜成像，得到均匀的暗视场。物体有缺陷时，光束通过衍射和反射射向物镜而形成物体缺陷的像。2临界照明如右图所示，光源所出的光通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为临界照明。在图中，照明光源灯丝成像到物平面上，这种照明在视场范围内有最大的亮度，而且没有杂光。缺点是光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上，并且不满足光孔转接原则。临界照明3远心柯勒照明 如右图所示，集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上。该照明系统消除了临界照明中物平面照
38、度不均匀的缺点，孔径光阑大小可调，经聚光镜成像于物镜的入瞳位置，满足光孔转接原则，又充分利用了光能。孔径光阑大小决定了照明系统的孔径角，也决定了分辨力和对比度，视场光阑控制照明视场的大小，避免杂光进入物镜。远心柯勒照明4光纤照明光纤照明因照明均匀、亮度高、光源热影响小而得到广泛应用。根据照明光线端部排列形式和光束出射方向，分为环形光纤照明和同轴光纤照明等。右图所示是一环形光纤照明光源，光源发出的光经过聚光镜耦合进入光纤束，光纤束在另一端分束，形成一环形光纤排。光纤照明光能集中，能获得较均匀的高亮度照明区域。并且照明部分远离光源，解决了光源散热对被测物体的影响。光纤照明1-光源 2-聚光镜阑 3
39、-光纤束 4-环形光纤排 5同轴反射照明 如右图所示，光源发出的光经过物镜7投射到物体8上，物镜本身兼做聚光镜。物镜将物面成像到CCD 9的光敏面上。这种照明系统可以检测反射镜面上的缺陷。如果被测表面是镜面，则镜面的反射光线全部进入物镜成像，因此整个图像都是白色。当镜面上有腐蚀斑点或者污渍时，所产生的漫反射光线进入物镜的甚少，因此图像上将产生黑色的斑点。同轴照明1-光源 2-集光镜 3-孔径光阑4-视场光阑 5-聚光镜 6-分光镜7-物镜 8-物面 9-CCD四、光源及照明系统的选择 正确地选用光源是充分而又有效地满足仪器使用要求的必要条件。在选择光源时，一般应考虑以下几方面的问题。1光源的光
40、谱能量分布特性 光源的光谱能量分布首先应满足仪器使用上的要求。例如在干涉仪中，光源的波长是仪器的标准器，因此其单色性应满足测量精度及测量范围的要求。在非相干照明中，光源的光谱分布应与接收器的光谱响应相匹配，这不仅是节省能量问题，还是提高检测信号的信噪比的重要措施。在目视仪器中，视场的背景最好是适宜人眼的黄绿色，而将有害的红外辐射（它可能引起仪器的热变形）用滤色片滤去。若仪器中有几个不同的接收器共用一个光源，则光源的光谱分布要能兼顾各接收器的响应。2光度特性 在精密测量中，被测对象一般都不是发光体，所以必须进行人工照明，使被测物体达到一定的照度。仪器设计者应能保证予以实现。在以光电元件为接收器的
41、仪器中，被测物体光照强度（应）有利于提高信噪比及后继电路的处理。而在目视仪器中，视场应有足够的照度，这在大屏幕投影测量系统中问题较为突出。例如按规定投影屏上的照度应达到1030lx，为此要采用高亮度的光源。当投影屏很大时，甚至要采用1000W的灯泡。此时光源光强的极坐标分布也是一个重要的参数，它决定了灯丝使用的方向及聚光系统的孔径角。总之，应根据使用要求及接收器的性能来考虑对光源的光强要求。3发光面的形状、尺寸及光源的结构 在临界照明系统中是将灯丝（发光体）成像在被测物面上，因此灯丝发光面的形状与被测物相似才能获得均匀而又有效的照明。在柯勒照明中，灯丝的像成在系统的入瞳上，若使灯丝（发光面）的
42、形状与入瞳相似，就能充分利用入瞳的孔径而传递更多的光能。因此设计时应根据被测物面的形状和入瞳形状来选择光源的发光面形状。至于发光面的尺寸及光源的结构尺寸，还与仪器的结构尺寸有关，应按仪器总体要求的尺寸来选用合适的光源结构尺寸。4满足光电系统的功能要求 对于直接检测系统，主要检测的是信息的光功率，这时要求光源稳定性要好，因为光源的功率波动是影响系统精度的主要因素。对于测距系统除了要求光源稳定性外，还对光源的光功率有严格要求，因为测距系统的光功率直接影响（其）作用距离。对于相干检测系统，除了要求用相干光源外还对光源的单色性、稳频性能、平行性及光源尺寸等有要求。在光电仪器的设计中，光源及照明系统有着
43、十分重要的地位。设计者应根据使用要求选择合适的光源和照明系统。新型光源的出现往往使光电仪器产生很大的变化，如激光光源的出现就产生了许多新的光电测量系统。在选用光源时还应考虑光源的供电系统复杂与否、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方便程度以及价格等因素。设计时可采取一定措施来改变光源的某些性能，例如对普通的钨丝灯，改变灯丝电压后，电流、温度、光通量、发光效率以及寿命等均随之变化。第五节 直接检测系统设计 在本章第一节中已经为直接检测系统进行了定义，该系统的特点是直接检测光功率（光能量）。直接检测系统的组成可用下图表示。光源光学变换光功率检测电信号 直接检测系统的光源一般要根据被测对象的特点、光学
44、变换的方法来确定。直接检测光学变换的目的在于将被测信息载荷到光载波上以形成光信息，或者改善系统的时间或空间分辨力和动态品质以提高传输效率、检测精度和改善系统的检测信噪比。常用的直接检测光学变换方法有几何光学和光电子学方法，如下表所示。变换方法变换方法光学原理光学原理应用应用几何光学法几何光学法 直射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象 光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等光电子学法光电子学法 电光效应、声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等 光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等 其中几何光学变换法是利用几何光学意
45、义上的光传播的直线性，光的反射与折射，光的透射与遮光来改变光的传播方向和光通量，从而把被测量载荷到光通量之中；利用光的成像和成像光学系统，如显微镜光学系统、投影光学系统、望远光学系统、摄影光学系统等对被测物进行放大、缩小、转像等进行几何量与光学量变换；利用狭缝、光楔、刀口相对光轴和物像的关系进行几何量与光通量的变换进行几何定位等。也可利用光传播的距离与光速及传播时间之间关系进行测距等。利用光电子学的方法，即用电光效应的电光调制，利用声光效应的声光调制和利用磁光效应的磁光调制来实现光偏转、光隔离和将被测信息载荷到光通量、光振幅、光频率之中而实现光学变换ssss()sinU tat2sss()si
46、n(P tat2s)平均2s12a光电检测器件的输出光电流为式中，S为光电灵敏度，其中q为产生的电荷，h为入射光子的能量。若光电器件的负载电阻为 ，则它的输出功率为上式表明光电检测器件输出的功率正比于入射功率的平方。若入射光信号为强度调制光，调制信号为 ，那么光电检测器件输出的光电流为式中，第一项为直流电平；第二项为有用信号，即光载波的包络线2dsss12ISPSaqShvLR222LdsLsLqPI RP Rhv()d tdSs1()ISPd t 直流电平是无用的背景信号，可用差动相减或高通滤波等方法把它去掉。第二项中的有用信号可用检波或相敏检波等方法提取。由上式可以看出直接检测的光电系统是
47、直接检测入射光功率，而被测信息载荷于光功率之中。系统的光电灵敏度 应该是具有线性特性和好的稳定性二、光功率直接检测光电系统的设计 为了说明直接检测光电系统设计的关键技术，首先来分析一下光通量直接测量的光电系统。下图是样品透射率测量原理及框图。由光源发出的光（光通量为 ）经准直镜以平行光照射被测样件，如纯净水等。由于被测样件纯度不好或者浓度不同而产生光的吸收、散射等使光的透过率不同，若透过率为 ，则通过样品后的光通量变为 。这样，通过光的透射实现了光学变换。光通量经透镜汇聚而被光电器件接收并转换为电信号，再经放大器放大由指示表显示测量结果。若光电检测灵敏度为S，放大增益为 K，读数装置传递系数为
48、M，则指示表的输出可写为：式中系数 在测量过程中应保持 不变，使与 有确定的对应关系，根据便可确定被测样品的透过率。可以看出光通量的直接测量就是利用光学变换的方法，光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法将被测信号直接加载到光通量的变化之中，再用光电器件检测光通量的幅值变化00 00 S K MK 00KS K M 0K 影响光功率直接检测光电系统精度的主要误差因素是照明光源发光强度的不稳定和噪声影响，下面对这两个问题加以分析。（一）光功率直接检测光电系统的稳定性设计（一）光功率直接检测光电系统的稳定性设计 从上式可以看出影响 的因素中 的不稳定影响是最大的。因而对于光通量直接测量来说，稳定的
49、光照是极为重要的。通常可采用如下方法稳定光源：用稳定的直流电压给灯丝供电。由于灯丝有热惯性，用交流供电时会产生频闪现象，用光电器件接收频闪的光照时就会产生交变的背景噪声。将电源的引线焊在灯头上。采用光电反馈的方法来稳光源。用差动测量系统来减少光源的影响。光源调制法。下图是采用差动测量法（双通道法）减少光源光通量波动对测量影响的原理图0K0 为了与单通道光电测量系统相比较，这里仍以透过率测量为例。设标准物质透过率为 ，被测物质透过率为 ，入射光通量为 ，它被分为两路，一路经标准物质透过后由灵敏度为S1的光电器件接收，另一路透过被测物质，由灵敏度为S2的光电器件接收。两路信号经差分放大后，由指示表
50、指示结果。这样指示的转角为若两路光电灵敏度相同，则有 设参考通道的光通量输出为 ，测量通道的光通量输出为 ，若光源光通量发生变化，则测量通道与参考通道光通量同时发生变化，它们的变化量分别为1 和2，则 。0s001 02sK M(S S )00s0K M()S 100 20S 12n 12n 设光源光通量变化后两通道的光通量分别为 和 ，则它们的差为式中，光源光通量未发生变化时的差动输出；光源光通量发生变化时的误差。当n=1时，可以完全消除光源光通量变化带来的误差。而在整个测量范围内只能部分消除光源光通量变化的影响。可见差动法对光通量变化有一定抑制作用，同时对杂光及其它共模干扰也有抑制作用。为
