光电直接检测系统 莫尔条纹 2013

3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随 着指示光栅与主光栅刻线夹角θ而改变。θ越小，B越大，相 当于把微小的栅距P扩大了 1/ sinq 倍。由此可见，计量光栅起 到光学放大器的作用。
例，对25线/mm的长光栅而言，P＝0.04mm，若 θ=0.016rad，则B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔， 但无法分辨0.04mm的间隔。 计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的 安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸， 否则光敏元件无法分辨光强的变化。 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例 如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x mm（也就是移过 了100×x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也 是100×x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元 件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道 移动的实际距离了。
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直接探测系统
将正弦变化的入射信号光场 es(t)=Escosωst 代入，则：
1 2 is Es Ps 2
式中Ps是入射信号光的平均功率。若探测器的负载电 阻是RL，那么，光电探测器的电输出功率：
P0 i RL P RL
2 s 2 2 s
该式说明，探测器的电输出功率正比于入射光功率的平 方。所以，我们应该建立这样的观念：光电探测器的平 方律特性包含着两层含义：
若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第 二项，即直接探测的基本物理过程。 注意：探测器响应的是光场的包络，目前尚无直接响应 光频率的探测器。
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直接探测系统
信噪比性能分析
设输入光电探测器的信号光功率为 si ，噪声功率为ni ， 光电探测器的输出电功率为 so ， 输出噪声功率为no，则 总的输入功率为(si+ni)，总的输出功率为(so+no)。由光电 探测器的平方律特性
光电直接检测系统
非相干检测，
光 电 检 测 系 统
直 接 检 测
光源：非相干或相干光源
原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为 电信号，解调电路检出信息。 调制方法：光强度调制、偏振调制。
直接检测是一种简单实用的方法。
相干检测， 光源：相干光源
光 外 差 检 测
原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，
so+no=k(si+ni)2 =k(s2i+2sini+n2i)
考虑到信号和噪声的独立性， 应用
so ksi2
no k (2si ni n )
2 i
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直接探测系统
输出功率信噪比为：
so si2 ( si / ni ) 2 ( SNR)o 2 si 2 si ni ni 1 2( si / ni )
检测时需要用光波相干原理。 调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
6.1 光电直接检测系统的基本工作原理
光源
强度 调制器 光学天线 光学通道 接收天线及光 电检测器 光电信号 处理器 电路噪声 接收机
信号
发射机
回收的 信息
背来自百度文库噪声场
强度调制直接检测模型 光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏 面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和 电压。 检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还 可经过频率滤波和空间滤波等处理。
直接探测系统
光电探测器的平方律特性
假定入射信号光的电场 es(t)=Escosωst 是等幅正弦变化， 这里ωs是光频率。 因为光功率 Ps(t)∝e2(t)， 所以由光 电探测器的光电转换定律：
时间平均
is (t ) es2 (t )
e hv
对e2s(t)的时间平均是因为光电探测器的响应时间远远 大于光频变化周期， 所以光电转换过程实际上是对光 场变化的时间积分响应。
从上式可以得出如下结论： 若 si/ni<<1, 则
so si no ni
2
输出信噪比近似等于输入信噪比的平方。
这说明直接探测方式不适宜于输入信噪比小于1或者微弱 信号的探测。实际上，要想对弱光信号实施直接探测，还 必须在探测体制上进行改革。
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直接探测系统
q
主光栅
计量光栅
指示光栅
这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹 方向与刻线方向近似垂直(?)。通常在光栅的适当位置安装 光敏元件，即可检测到亮暗变化。 当指示光栅沿x轴（例如水平方 向）自左向右移动时，莫尔条 纹的亮带和暗带将顺序自下而 上不断地掠过光敏元件（在演 示中就是我们的眼睛）。光敏 元件“观察”到莫尔条纹的光 强变化近似于正弦波变化。光 栅移动一个栅距P，光强变化一 个周期。 由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅 距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距 时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式：
B P sinq
莫尔条纹演示
莫尔条纹有如下特征：
1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的， 对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光 栅刻线不均匀引起的误差。 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动 时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互 垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中， 当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。
若 si /ni >>1, 则
so 1 si no 2 ni
输出信噪比近似等于输入信噪比的一半，即经光电转 换后信噪比损失了3dB，适于实际应用； 直接探测方式不能改善输入信噪比，但适宜于较强光 信号的探测，且探测方法简单、易于实现、可靠性高， 成本较低，因此应用广泛。
黑白光栅
莫尔条纹光栅原理
构成： 主光栅---标尺光栅，定光栅； 指示光栅---动光栅
计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺 光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与 标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或 0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装 在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。 在透射式直线光栅中， 把主光栅与指示光栅的刻线面 相对叠和在一起，中间留有很 小的间隙，并使两者的栅线保 持很小的夹角θ，光栅节距为 P。在两光栅的刻线重合处， 光从缝隙透过，形成亮带；在 两光栅刻线的错开处，由于相 互挡光作用而形成暗带。莫尔 条纹是周期性函数。
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直接检测系统的举例
莫尔条纹测长仪
在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光 的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优 于0.1m。 计量光栅可分为透射式光栅 和反射式光栅两大类，均由光源、 光栅副、光敏元件三大部分组成。 光敏元件可以是光敏二极管，也 可以是光电池。透射式光栅一般 是用光学玻璃或不锈钢做基体， 在其上均匀地刻划出间距、宽度 相等的条纹，形成连续的透光区 和不透光区。
其一是光电流正比于光电场振幅的平方； 其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。
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直接探测系统
如果入射光场是调幅波:
es (t ) Es [1 KV (t )]cos st
1 is (t ) Es2 Es2 KV (t ) 2
直流项
交流成份中 包含调制信 号信息