测控仪器光电系统设计

(三)干涉信号的辨向与计数
通过辨向计数电路把计数脉冲分为加减两种脉冲， 当测量镜正向移动时产生的脉冲为加脉冲，而测量镜 反向移动时引起的脉冲为减脉冲。把这两种脉冲送入 可逆计数器，就可以得出测量镜的真正位移量。
（四）干涉信号的移相技术
（1）机械移相技术 将干涉参考臂上的固定反射镜 倾斜一定角度，产生位相偏移。 容易引起误差 可采用狭缝移相法
分析思考题
1. 简要说明光电测量系统的特点。 2. 选用光电探测器时要考虑哪些因素。 3. 画出电光振幅调制的工作原理图，其中/4波片的 作用是什么。 4. 简述声光调制中产生布拉格衍射的条件。应用布 拉格衍射进行声光调制的工作原理。 5. 用线阵CCD测量直径为400mm的钢管，将工作视 场设计为500mm，则应选取象元数为多少线阵 CCD。满足测量精度0.5mm，假定系统工作物距 为10m，CCD象元尺寸为7μm时试确定光学系统的 焦距f，孔径D
n1l1 n2 l 2
3.干涉仪的分类 （1）按用途分类 （2）按对波前分割的方式不同分类 （3）按接受处理的方式不同分类
4.干涉仪设计原则 （1）共路原则 （2）等光强原则 （3）光电匹配原则 （4）非期望光最小原则
二、激光干涉测长仪设计
（一）激光干涉测长的基本原理
组成： （1）激光光源 （2）干涉系统 （3）干涉信号处理 （4）瞄准系统 干涉信号明暗变化次数与测量镜位移的关系：
1.避免反射光束反馈回激光器 对光源产生的影响。 2.保证出射光与入射光平行
干涉系统的光路布局
（1）整体式
反射镜、分光镜、激光器 密封于一体
（2）最短程差式 使在最大测量行程时， 两相干光束具有最短 的相干长度
（3）齐端式：参考镜与测量镜在开始测量时齐端 使零点漂移误差为零
(4)光学倍程式：使测量光束在测量镜内多次往返
㈡照明的种类
1.直接照明 2.临界照明 3.远心柯拉照明 4.光纤照明 5.同轴反 射照明
四、光源及照明系统的选择
1.光源的光谱能量分布特性 2.光度特性
3.发光面的形状、尺寸及光源的结构
4.满足光电系统的功能要求 基于目视方式的光学系统参数的确定 基于光电探测方式的光学系统参数的确定
第五节 激光干涉仪的设计
二、光谱特性及光谱匹配 三、光电灵敏度特性 四、频率响应特性 五、光电系统的探测率D和比探测率D*
第三节
光电系统的设计原则
一、匹配原则
1.光谱匹配 2.功率匹配 3.阻抗匹配
二、干扰光最小原则 三、共光路原则
第四节 光电测量系统中的光源及照明系统





一、光源的基本参数 1.发光效率 2.光源功率谱分布 3.空间光强分布特性 4.光源的温度和颜色 二、光电测量中的常用光源 1.自然光
第四节 光电测量系统中的光源及照明系统
2.白炽灯 卤素灯 3.气体放电光源 4.固体发光光源 LED
5．激光光源
激光特点：方向性好，单色性好，相干性好，亮度高 激光器分类：固体、气体、染料、半导体激光器
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三、照明系统 ㈠照明系统的设计原则
1.光孔转接原则；2.照明系统拉赫不变量不小于物镜的拉赫不 变量。
干涉测量特点：具有很高的灵敏度和精度。 干涉：因波的叠加而引起强度的重新分布 产生干涉的必要条件（相干条件）： （1）频率相同 （2）存在相互平行的振动分量 （3）相位差稳定
一、干涉仪的一般特性与设计要点
1.组成：光源及照明系统、干涉系统、观察接收系统、信号 处理系统。 2.光程差：是干涉仪两支光路的几何路程与相应的介质折射 率的乘积积之差。
有关；此外，激光器的输出功率也随腔长的变化呈周期性 变化。因此对于精密测量中选用的激 光器采用稳频措施。
3.空气折射率的修正
空气折射率变化与激光波长值变化之间的关系：
0 n 4.光学退耦：为了消除回绶现象 （1）光束分离法
（2）偏振法
5.非期望光线的抑制和消除
1）减少干涉系统中光学零件的数量 2）采用光楔，用立方棱镜形成分光器
3）放置针孔光阑 4）光学元件清洁，提高光学材料质量 5）用偏振干涉的方法消除非期望光线
6.正确选择光电器件
响应度、线性区、与光源光谱匹配、频响特性。 常用的光电元件有PIN管、光电二极管、光电池、光电倍增 管。
三、双频激光干涉仪概述
目的：提高激光干涉仪抗干扰性 特点：在干涉仪中引入一定频率的载波 分类：调频型交流干涉仪 调相型交流干涉仪 双频激光干涉仪原理：
激光干涉仪设计时要解决的几个主要问题：
（1）干涉仪布局合理 （2）采取稳频措施 （3）空气折射率修正方法 （4）选择合适的分辨力和提高细分精度
采用简单麦克尔逊干涉结构存在的问题
（1）对光源输出产生影响 （2）干涉信号的变化 （3）方位的鉴别
（二）实际激光干涉测长仪的光路设置
采用角锥棱镜作为反射镜
第六章测控仪器光电系统设计
光电系统的特点： （1）精度高 （2）非接触测量 （3）测量范围大 （4）信息处理能力强
第一节 测控仪器广电系统的组成和类型
一、光电系统的组成
二、光电系统的类型
1.主动系统与被动系统 2.模拟系统与数字系统 3.直接检测系统与相干检测系统
第二节 一、光电特性
光电系统的特性
LN

2
N
0
2n
干涉仪处于起始位置，干涉条纹数：
K1 2n( Lm L c )
0
测量时干涉条纹数变为：
K K 2 K1
2nL
0

2n( Lm Lc )
0
干涉条纹经m倍细分后，用计数器所计数N为：
2m nL 2m n( Lm Lc ) N Km
0
0
激光干涉测长仪基本公式
N 0 L 2 mn
用微分法求激光干涉测长的主要误差
N0 N 0 n ( Lm Lc ) 2 2m n 2m n 2m n N 0 n L( ) ( Lm Lc ) N 0 n L N
0
1.计数误差 2.波长不稳带来的测量误差 3.空气折射率改变带来误差 4.环境变化造成初始光程差变化而产生的误差
（2）翼形板移相
（3）镀移相膜法 获得稳定的信号移相
（4）利用偏振光的移相法
（五）提高精度的措施
1.遵守共路原则：尽量使测量光束与参考光束走近 乎同一路径。在结构上把测量镜与参考镜安放在 同一基座上。 2.光波长的稳定和修正
波长不稳定所引起的被测长度的相对误差为：
L L 激光频率的稳定度与激光器的腔长以及介质折射率的稳定度