《测控仪器设计》2011上课(第六章)

第六章 测控仪器的光电系统设计
信息技术是获取信息、传递信息、处理信息 和再生信息的技术。
信息技术
电子信息技术
它是以电子学方法来实现对信息获取、变 换、处理、传输、存储及显示的技术。
它是用纯光学的方法来实现对信息获取、 加工、处理和显示的技术。 它是将电子学与光学融合为一体的技术， 是光与电转换及其应用的技术。
Z
P P1
s in
Z
2 tan / 2
P P1 co s

•
1三角法测距的输入输出特性都 是非线性特性，因此在量程较大时应 采用非线性补偿法来减小非线性误差。 2对于主动三角法测距，光源的 稳定性是影响测量精度的重要方面， 可以采用高稳定性直流电源供电或者 采用自适应光强控制方法保持照明的 稳定，若能采用差动测量法则可有效 地减小光源波动的影响。 3主动三角法测距时对被测对象 的表面形态、加工工艺和被测对象表 面光学特性比较敏感，在设计时应考 虑仪器的适应性，采用差动法和补偿 法是解决这一问题的重要途径。 4光学系统的分辨力、像差、光 电接收器件的位置及其光电特性、光 谱特性、频率特性都对测距精度有影 响，应加以注意。 20
两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布
I ( x , y ) a1 a 2 2 a1 a 2 cos[ t ( x , y )] A ( x , y ){1 ( x , y ) cos[ t ( x , y )]}
2 2
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第六节相干变换与检测系统设计
光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。
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下面用激光外径扫描仪原理说明 光电测试系统的组成
处理显示 物镜
f(θ)镜
电机驱动
主振
门控
放大
边缘检测
旋 转 多 面 体
被测工件
光电器件
激光器为光源
多面体和f(θ) 镜为产生平行 的光学系统， 形成光载波
激光器
被测工件和物 镜构成光学变 换，形成变化 的光通量
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应用 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 光调制、光偏转、光开关、 光通信、光记录、光存 储、光显示等
几何光学法
光电子学法
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二、光功率直接检测
例：直接检测样品透过率
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三、距离检测的光电系统设计
三角法测距
三角法测距设计要点 •
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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 ： 在给定的波长范围内，某一光源所
发出的光通量与产生该光通量所需要的功率之比， 称为该光源的发光效率
2.光谱功率谱分布
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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 3.空间光强分布特征
2nl
0

2 n ( Lm Lr )
0
微分法求出影响激光干涉测长的主要误差：
L N 0 N 0 2mn
2
N 0 n n ( Lm Lc ) L ( Lm Lc ) 0 n N
由此可以看出，激光干涉仪设计时应解决的几个主要问题为 1）干涉仪的布局应合理，应尽量遵守阿贝原则和共路原则，同时应尽量使 初始程差为零。 2）应解决干涉测量基准的稳定性问题，即激光波长要稳定，从而使尽量小， 因此应采取稳频措施。 3）测量环境下空气折射率偏离标准状态而产生的不容忽视，由此而产生的测 量误差，可采用空气折射率修正的方法来解决。 4）是计数误差，包括分辨力、计数器的稳定性及细分误差，选择合适的分辨 力和提高细分精度是减小该项误差的主要办法。 27
光电器件将变 化的光通量转 换为电信号
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光电系统的特点
光电测试技术是最具有潜力的信息技术之一 5
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第二节、光电系统特性
（一）光电特性 （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*
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第三节、光电系统设计原则
光 源
光 学 系 统
被 测 对 象
光 学 变 换
光 电 转 换
电 信 息 处 理
存储
显示 控制
光载波与被测对象相互作用并将被测量载荷加到光载波上称为光学变换。 用各种调制方法来实现光学变换的（即将被测量转换为光参量，如振幅、频率、相位、偏振态 等）。变换后光载波含有各种被测信息（光信息）。实现的方式用光学系统和各种光学元件的结合。 光学元件有：平面镜、光狭缝、光楔、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器 等。 光学系统有：成像系统、光干涉系统等。
激 光 测 量
光 纤 测 量
图 像 测 量
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光 电 系 统 的 组 成
用光源 发出的 光来传 递信息 的媒介
与光源结合 来获得测量 所需的光载 波，如平行 光
光信息经过光学器件实现由光向 电的信息转换，称光电转换。 光电转换用各种光电变换器件来 实现的。 光电器件：光电检测器件、光电 摄像器件、光电热敏器件等。
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四、几何中心与几何位置光电检测系统设计
几何中心和几何位置光电检测系统设计应注意以下几点： （1）照明光源应稳定，且照度应均匀。 （2）光学系统像差要小，像的对比度好。 （3）用于对准的标志物或被检测的物的边缘应清晰、陡直、 无毛刺。 （4）像分析器的位置相对测量基准要精确校准；在直接用 光电器件窗口作象分析器时要注意像分析器的坐标、光学系统 坐标和物坐标的统一。 （5）在用扫描调制法进行调制时要求调制中心稳定，调制 幅度恒定。在用差动法检测时，要求二路差动信号具有相同的 特性。
二、干涉条纹光强检测法及其设计 1．光的单色性和测量范围对相干度的 影响 2．光源的光束发散角影响 3．光电检测器的接收孔径光阑的影响 4．合理选择透射与反射比，获得
等光强干涉
5．共光路设计
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第六节相干变换与检测系统设计
三、干涉条纹相位检测法及其设计
对于干涉条纹相位检测系统，要求相位 检测精度高和相位信号稳定。因此对该系统设计时 要注意的是 1参考镜的驱动应重复性好，且驱动稳定。 2参考镜采用阶梯波驱动时，由于阶梯波的特点，驱 动过程是：驱动—静止（采样）—驱动—静止（采 样），因此信息采集是间歇的，在采样过程中应避 免压电陶瓷蠕变影响。当采用正弦波驱动时驱动是 连续的，由于振幅与检测点处波面相位差成正弦关 系，当采用相位锁定法检测相位时有原理误差存在。 而锯齿波法没有原理误差。 3由于参考路与测量路是分置的，因此环境温度和振 动的影响是重要误差因素，因而采用共光路的相位 干涉仪是好方法。 4相位检测精度是关键，参考镜的不同驱动方式，其 相位检测方法是不一样的，采用精度高且方法简便 的相位检测是十分重要的。 24
5）合理安排布局，避免光源高温的有害影响
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第四节、光电测量系统中的光源及照 明系统
三、照明系统需要满足以下两个原则
1）光孔转接原则。
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。
J nyu n y u
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第四节、光电测量系统中的光源及照 明系统
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第六节相干变换与检测系统设计
四、干涉条纹的外差检测系统
U s ( t ) a s sin ( w s t s ) U 0 ( t ) a 0 sin ( w 0 t 0 )
I hs K a s a 0 cos(2 w t )
4.光源的温度和颜色
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第四节、光电测量系统中的光源及照 明系统
二、常用的光源
1.太阳光 2.白炽灯 3.气体放电光源
4.半导体发光器件
5. 激光光源
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第四节、光电测量系统中的光源及照 明系统
三、照明系统设计原则
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。
一、匹配原则
1）光谱匹配 2）功率匹配 3）阻抗匹配 匹配核心是如何正确选择光电检测器件
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第三节、光电系统设计原则
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。光电系统中的干扰光主要是 指杂散光、背景光和“回授光”。干扰光最小 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。
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光学信息技术
光电信息技术
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光电系统是测控仪器的重要组成部分。
光 电 系 统 设 计
利 可用 实光 现电 方 法
光 电 变 换 技 术
与光 测信 量息 技获 术取
光测 电量 处信 理息 技的 术
各 种 物 理 量 测 量
微 光 、 弱 光 测 量
红 外 测 量
光 扫 描 、 光 跟 踪 测 量
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第三节、光电系统设计原则
二、干扰光最小原则
减小杂散光措施： 光学滤波、光学调制和光外差检测。
减小背景光措施： 采用光遮断、光隔离、光控制和光补偿的方法。 减小回授光措施： 光偏离、光遮挡、光偏振片。
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第三节、光电系统设计原则
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较