第10章典型光电测试系统讲解

放大器
电表

SI
直接检测的基本特性
• 光探测器的平方律特性
– 光电流正比于光电场振幅的平方
Ip

SP

q h
E2 (t)

q 2h
A2
– 输出的电功率正比于入射光功率的平方
Sp

I
2 p
RL


q h
2
P
2
RL
• 信噪比：表征检测系统的灵敏度
• 视场角: 表征系统能“观察”到的空间范围
10.3.1 莫尔条纹测长仪
• 莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(节距分别为P1和 P2)叠加在一起,并且两者的栅 线成很小的角度θ ,透过光栅能 看到如图所示的明暗相间的莫 尔条纹.这就是莫尔条纹的光强 调制作用．
• 长光栅莫尔条纹的形式
– 横向条纹:P1=P2, θ 很小; – 纵向条纹: P1~P2, θ =0; –斜条纹: P1~P2, θ 很小.
第十章 光电检测系统
• 光电检测系统的类型 • 直接检测 • 光外差检测(相干检测) • 典型的光电检测系统
光电检测系统分类
• 主动系统/被动系统(按信息光源分) • 红外系统/可见光系统(按光源波长分) • 点探测/面探测系统？(按接受系统分) • 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理
方式分)
• 直接检测？/光外差检测系统？(按光
f2 f2 f1±Δf
偏振分光镜
v
f1
可动角
隅棱镜
f1±Δf
数据处理
f2－（f1±Δf）
双频激光器外差干涉测长原理图
10.2 激光外差干涉测试技术
方使测解二量石光棱激束镜的及光1光/4外路波既片差作的发干作射用涉光是测试技术应用
路e光，在又②方作解激接石收光中光光外路路。差的通不过干同o，光涉起和测量微振f 动f0 fs ( f0 f D ) fs f D
• 因为θ 很小，放大倍数Ｋ很 大．例如: θ =20’,K=172
斜向条纹
KB1
P
莫尔条纹测长仪
• 两块光栅：一块为指示光栅与 工作台固定．一块为长光 栅．工作台前后移动的距离由 两块光栅形成的莫尔条纹进行 计数得到．指示光栅相对移动 一个节距，莫尔条纹变化一 周．指示光栅移动的距离为：
x NP
到发“射1 光与学接定收向的2 耦光合无”损f0作失用地， 通使 过
3
方解石棱镜(不考虑光吸收损失)。
f0＋fs 4
1/2波片 5
f0±fD
频率fs信号由声光调制器 的信号源直接输入混频 10 器与拍频信号混频，把
1/4波片 7
多普勒频移fD解调出来。
6
8
9
振动体
图4-34 双频激光测量振动光路示意图
• 测量准确度的外部影响因素主要有: –被测表面倾斜; –被测表面光泽、粗糙度、表面颜色等。
• 在使用之前必须通过实验进行标定。
10.2 激光外差干涉测试技术
引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电 信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因， 信号处理及细分都比较困难。
为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯 的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外 差干涉技术。

1 2
Er 21
coΔsω2随(时 间化呈)t余弦12 变Et21
cos2t

φ(x,y)
Er Et cos(2 )t φ(x,y)
Er Et cost-φ(x,y)
i(x, y, t) Er2 / 2 Et2 / 2 Er Et cos[t φ (x, y)]
激
光电探测器
光
x′
器
会
聚
a
透 镜
θ1 θ2
b 接收透镜
x b）斜射式结构
10.1.2 三角法测试技术
• 在上述的三角法测量原理中，要计算被测面的位移量，需
要知道距离a，而在实际应用中，一般很难知道a的具体值，
或者知道其值但准确度也不高，影响系统的测试准确度。 实际应用中可以采用另一种表述方式，如图所示 • 有下列关系:
。v 2 f
垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通 过光栅的第n级衍射光产生的 v nVf 频移，此处f 是光栅 的空间频率，V是光栅移动速度。
4）声光调制器 利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移动光
栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光栅， 其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f，而与 光的波长无关。
• 莫尔条纹演示
横向条纹 纵向条纹
莫尔条纹的特性
• 光栅的节距比光的波长大很多. • 莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅
的节距P(mm)和夹角θ (rad)之 间的关系为：
B P P
2 tan 2
• 当两光栅沿垂直于栅线的方向 相对移动时，莫尔条纹将沿平 行于栅线的方向移动．光栅每 移动一个节距Ｐ，莫尔条纹移 动一个宽度Ｂ．
一 激光外差干涉测试技它以术不式原能中跟含理随有光2ω频的变交化变，项所
①外差干涉技术原理
对探测器的输出响应无贡
设测试光路和参考光路的光波频献率。分别为ω和ω+Δω，则
干涉场的瞬时光强为
干涉场中某点（x，
I (x, y,t) Er cos( y）)处t 光E强t c以os低t频 φ(x, y)2
二者的光学位相差
由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，
就可以测出干涉场各点的位相差。
φ(x, y) φ(x0, y0 ) t 2πt /(1/ v)
10.2 激光外差干涉测试技术
②激光外差干涉仪的光源
外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差
例如：液体样品的光透光率的检测
照明光通量为 0 恒定，样品透光率为 ，透过样品后光强为 ，PIN灵敏度为 SI ，放大器增益为 K ，电表传递系数为 M
则：
MI=MKI MKSI MKSI 0
K0，
K0 MKSI 0
LED/ LD
0

k
M
I
I PIN
10.3.2 激光测距仪
• 激光测距仪的类型
– 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪
• 激光测距仪的特点
– 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大
• 激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、 科学技术。
一、脉冲激光测距仪
• 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。
z b tan
tan f ' / x'
z bf ' / x'
z
β
激光器
f′
b
x′
图7-16 三角法原理示意图
10.1.2 三角法测试技术
• 激光三角法测量技术的测量准确度受传感器自身因素和外 部因素的影响。
• 传感器自身影响因素主要包括: –光学系统的像差; –光点大小和形状; –探测器固有的位置检测不确定度和分辨力; –探测器暗电流和外界杂散光的影响; –探测器检测电路的测量准确度和噪声; –电路和光学系统的温度漂移等等。
波对信号的携带方式分)
10.1 直接检测的基本原理
• 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的 光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为 电信号的变化。
指针显示
单通道测量变化
双通道测量变化 光源
被测对象
光电探测器
放大器
A/D
0 被测
样品
分光
0
样品
标准
PIN
差动
或 比较处输出理源自PINＮ：指示光栅移动距离中包含的 光栅线对数，δ ：小于１个光栅 节距的小数．
简单光栅读数头
１：灯，２：聚光镜，３：指 示光栅，４：长光栅，５：光 电探测器
莫尔条纹测长仪
• 光电探测器接收到的明暗 变化的光信号转换成电信 号；
• 通过对莫尔条纹的直接测 量，可以测的光栅的位移 量；
• 在较宽的莫尔条纹间隔内 安放细分装置进行细分， 可读取位移的分数，提高 测量的灵敏度和精度．
10.3 典型的光电检测系统
• 你所知道的光电检测 系统???
• 你能讲一讲光电检测 系统???
• 你能评一评光电检测 系统???
典型的光电检测系统
• 直接检测系统（光强调 制）
– 莫尔条纹测长仪 – 激光测距仪 – 环境污染检测系统
• 光外差检测系统
– 激光干涉测长仪（相位 调制）
– 多普勒测速（频率调制） – 光外差通信
扫描探测器（xi, yi）
§4-4 激光外差i(x, y, t干) 涉测试技术
4.1 激光外差干涉Δt测试技术原理t
基准探测器（x0, y0）
1/Δν
①外差干涉技术原理
在（图干a）4-涉32场外中差，干放涉入图样两和个电探（信b）测号器，一个放在基准点 (x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号 i(x0, y0, t)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处， 称之为扫描探测器，输出信号为i(xi, yi, t) 。将两 信号相比，测出信号的过零时间差Δt，便可知道
10.2 激光外差干涉测试技术
3）光学机械移频
在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，
如果固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏