第六章 光电探测器

1、第第6章章 光电信号的变换光电信号的变换 及检测技术及检测技术 2 本章的主要内容本章的主要内容 6.1 光电信号检测电路的噪声光电信号检测电路的噪声 6.2 前置放大器前置放大器 6.3 常用电路介绍常用电路介绍 6.4 光电技术中的调制技术光电技术中的调制技术 3 光电检测系统组成光电检测系统组成 光电检测系统组成 第第6章章 光电信号的光电信号的 变换及检测技术变换及检测技术 4 探测器接 测量 处理后 信号处理的重要性！信号处理的重要性！ 理想白光干涉信号 5 6.1光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声 6.1.1 6.1.1 噪声的分类及性质噪声的分类及性质 6.1.2 6.1.2

2、主要的噪声类型主要的噪声类型 6.1.3 6.1.3 噪声等效参量噪声等效参量 6.1.4 6.1.4 前置放大器的噪声前置放大器的噪声 本节包括以下几部分内容： 6 为什么要研究噪声？为什么要研究噪声？ 任何虚假的和不需要的信号称为噪声。任何虚假的和不需要的信号称为噪声。 噪声总是伴随着测量信号存在噪声总是伴随着测量信号存在 测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的 过程过程 7 6.1.1 噪声的分类及性质噪声的分类及性质 外部干扰噪声:人为造成的和自然造成的干扰。 内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。 噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值 、 表示，

3、 有时简化为 、 。而噪声电压或噪声电流的均方根值则可用 和 表示。 2 n E 2 n I 2 n E 2 n I n E n I 固有噪声是随机过程，噪声电压的瞬时值可取不同值E1， E2， Ei，而对应出现的概率P(E1)，P(E2)，P(Ei)，其 分布规律符合高斯分布。n次采样的算术平均值E为 nEEEEE ni / 21 (6-1) 8 均方值为 概率分布函数P(E)为 (6-2) nEEEEEE n / )()()( 22 2 2 1 2 2 2 2 )( exp 2 1 )( EE EP (6-3) 9 6.1.2 主要的噪声类型主要的噪声类型 1. 1. 电阻热噪声（电阻热噪

4、声（Thermal noise） 当电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，自由电子的热运 动形成起伏变化的噪声电流。大小与极性随机变化，且长时间的平 均值等于零。常用噪声电流的均方值 表示 2 nT I R fkT InT 4 22/1 ) 4 ( R fkT InT 式中 R所讨论元件的电阻值； k玻尔兹曼常数，k=1.380650510-23 J/K ； T 电阻所处环境的绝对温度； f所用测量系统的频带宽度。 (6-4)(6-5) 10 图6-1 电阻热噪声 图6-2 电阻热噪声的等效电路 11 2. 2. 散弹噪声（散弹噪声（Shot noise） 又称散粒噪声。元器件中有直流电流通过

5、时，直流电流值只表 征其平均值，而微观的随机起伏形成散弹噪声，并叠加在直流电平 上。 散弹噪声的电流均方值为 fqII DCnsh 2 2 式中：q为电子电荷；IDC为流过 电流的直流分量。 散弹噪声与电路频率无关，因此它也是一种白噪声。 (6-8) (6-9) 图6-3 散弹噪声的顺势变化 12 又称闪烁噪声，它也是元器件中的一种基本噪声，通常是由元 器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。在探测器、电阻、晶 体管及电子管中均有这类噪声。 3. 3. 噪声（噪声（Flicker noise） f 1 噪声有以下经验公式： f 1 f fIk In 1 2 式中：k1与元件有关的参数； 与流过

6、元器件电流有关的常数，通常取2 与元器件材料性质有关的系数，约在0.81.3之间，常取 1。 噪声的电流均方值与电路频率f成反比，所以称之为 噪声，它不为 白噪声，噪声功率谱集中在低频，有时又称其为低频噪声。 (6-10) f 1 f 1 13 光电导探测器因光(或热)激发产生载流子和载流子复合(或 寿命)这两个随机性过程，引起电流的随机起伏形成产生复合 噪声。该噪声的电流均方值为 4. . 产生产生复合噪声复合噪声(gr噪声，噪声，Generation- Recombination noise ) 2 2 22 4( /) 14 c n qIf I f 式中I流过光电导器件的平均电流； 载流

7、子的平均寿命； e载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间； F测量电路的带宽。 产生复合噪声与频率f有关，属于非白噪声。但在相对低频的条件 下，即 时，公式可简化为 14 222 f fqII cn )/(4 2 该式与散弹噪声表达式相类似，可认为是近似的白噪声。 (6-12) (6-13) 14 这是热敏器件因其温度起伏所引起的噪声，该噪声用温度 起伏的均方值表示 式中 k一波尔兹曼常数； T热敏器件的绝对温度； GQ器件的热导。 5. . 温度噪声温度噪声 )1 ( 4 22 2 2 wG fkT T Q n (6-14) 6. 背景辐射的光子噪声背景辐射的光子噪声 探测器在接收目标辐射

8、的同时，也接收到目标以外其它物 体的辐射，这些辐射也是一种不连续的起伏过程。这种因背景 辐射起伏引起探测器产生的噪声叫做背景辐射的光子噪声。 15 6.1.3 噪声等效参量噪声等效参量 1. 1. 等效噪声带宽等效噪声带宽 电网络的等效噪声带宽是噪声量的一种等效表示形式， 可定义为 带通型网络中等效带 宽的物理意义 0 )()( 1 dffDfA A f P P AP(f) :放大器或网络的相对功率 增益 AP为放大器或网络功率增益的 最大值； D(f)为等效于网络输入端的归一 化噪声功率谱。 (6-15) 16 系统的等效噪声带宽还可以用调制传递函数He(f)来表示 0 2 )()(dffH

9、fDf e 对于白噪声来说D(f)1，所以有 0 2 )(dffHf e 对于一个电压放大电路有 VVe AfAfH/ )()( 式中，AV(f)电路电压放大倍数的频率响应；AV:中心频率或零频时的 电压放大倍数。 于是有 0 2 2 0 2 )( 1 / )( dffA A dfAfAf V V VV (6-18) (6-19) 17 设有一低通型电压放大器如图，它由电压放大倍数AV=50的放大器 与RC低通滤波器组成，其放大倍数的频率响应为 该复数的模AV(f)为 图6-5 低频放大器 ( )/(1) VV AfAj CR 2 ( ) 1() V V A Af CR 所以 2 22 00

10、22 00 112500 ( ) 25001 () 1() 1 ()21 () 1 222 V V H fAfdf AwCR dfd wCR wCRCRwCR f CR 式中，fH= 为低通放大器的三分贝频率。 (6-20) CR2 1 18 各种噪声可能不属于同一起因与类型，但是 为了计算和分析的方便，可以用一个电阻的热噪 声来等效，称为等效噪声电阻。 图示的典型放大器，其噪声可由三部分组成， 即输入电阻Ri的热噪声；放大器噪声和负载电阻 RL的噪声。 2. 2. 等效噪声电阻等效噪声电阻 图6-6 放大器等效噪声电阻 19 2. 2. 等效噪声电阻等效噪声电阻 用电阻的热噪声 来等效放大器

11、的噪声，负载电阻 RL的热噪声为 fkTRE LnL 4 2 0fARkTE VnL )/(4 2 1 2 0 2 1 / V AR 2 / VLeqieq ARRRR eq R 图6-6 放大器等效噪声电阻 (6-21) 对应总输入噪声为 fARRRkTfkTRE VLeqieqni )/(44 22 对应等效电阻为 。 等效到输入端 总等效电阻: 20 这是一种将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效 升温而附加热噪声的方法。Ri为源电阻，用Ri的热噪声 表示输入源的噪声 3. 3. 等效噪声温度等效噪声温度 fRkTE snT 0 2 4 式中,T0为参考温度(工作室温)。 图6-7 放大器

12、等效噪声温度 21 假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当 于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声,把Teq叫作 等效噪声温度。于是等效在输入端的总噪声为 fRTTk fRkTfRkTE seq seqsni )(4 44 0 0 2 (6-23) 图6-7 放大器等效噪声温度 22 6.1.4 前置放大器的噪声前置放大器的噪声 Rs是信号源内阻；Es是信号源电动势；RL是输出负载；Pi ，P0分别 是输入、输出的信号功率；Ni是加到输入端的噪声功率；No是输 出端的总噪声功率；于是噪声系数可定义为 1. 1. 噪声系数噪声系数( (F , noise factor) ) 输入信噪比与输出信

13、噪比的比值 00 / / NP NP F ii 图6-8 线性四端网络下面对其有关特性进行讨论： (1)对于理想无噪声的网络有P0N0PiNi，即F1。当网络存 在噪声时，P0N0PiNi，即F1。 (6-26) 23 (2)噪声系数常用其分贝数FdB来表示 oo ii dB NP NP FF / / lg10lg10 (3)将网络功率增益AP引入上式，并设Ni经网络后输出噪声 为Nio=APNi，则有 io o iP o io oi N N NA N NP NP F 所以，噪声系数又可定义为有噪声网络与无噪声网络输 出噪声功率之比。 (6-28) (6-29) 如设网络内部产生的噪声功率在输

14、出端为Nn，则 nioo NNN io n N N F1 (6-27) 24 如何选择信号源电阻使半导体 三极管的噪声系数最小？ 半导体三极管的噪声主要包括 散弹噪声、分配噪声、热噪声 和1/f(闪烁)噪声。 图6-9 三极管噪声等效电路 2. . 半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数 恒压等效 噪声源 输入信号 源电阻 恒流等效 噪声源 基区电阻 输入信号 源电压 分配噪声只存在于三极管中，是由于基区载流子分配噪声只存在于三极管中，是由于基区载流子 的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的 分配有起伏，从而使集电极电流产生起伏。分配有起伏，

15、从而使集电极电流产生起伏。 恒压等效噪声源：基区电阻热噪声和分配噪声恒压等效噪声源：基区电阻热噪声和分配噪声 恒流等效噪声源：发射结的散弹噪声和分配噪声恒流等效噪声源：发射结的散弹噪声和分配噪声 25 图6-9 三极管噪声等效电路 2. . 半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数 在所考虑的频带范围内，如果 噪声频谱是均匀的，三极管噪 声系数为： 2 222 )( 1 ns bbsnn E rRIE F 式中， 是Rs热噪声的均方值。 fRkTE snns 4 2 恒压等效 噪声源 输入信号 源电阻 恒流等效 噪声源 基区电阻 输入信号 源电压 26 图6-9 三极管噪声等效电路 (6-

16、32) 2. . 半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数 2 222 )( 1 ns bbsnn E rRIE F 如果忽略电阻 则 ，需要讨论 在什么条件下噪声系数最小，即 求dFdRs0的条件。经微分计 算并整理则有 bb r nncopts IERR/ 2 2 22 )( 1 ns snn E RIE F 要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三 极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！ 27 要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三 极管

17、等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！ 2. . 半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数 OP27运算放大器的性能参数表 28 6.2 前置放大器前置放大器 1.1. 选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号和噪声的大小。选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号和噪声的大小。 2.2. 用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏置电路的输出信号。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏置电路的输出信号。 3.3. 同时用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声同时用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声 4.4. 用最小噪声系

18、数原则设计前置放大器。用最小噪声系数原则设计前置放大器。 fRkTE snns 4 2 图6-16 探测器与偏置电路的等效 29 6.2 前置放大器前置放大器 1.输出信号较强时，前置放大器及后续放大器的设计 主要考虑：增益、带宽、阻抗匹配和稳定性。 2.输出信号弱时，应主要考虑抑制噪声。 图6-16 探测器与偏置电路的等效 30 1. 1. 前置放大器设计的大致步骤前置放大器设计的大致步骤 （2）从）从噪声匹配噪声匹配原则出发，原则出发， 选择前置放大器第一级的管型，选择前置放大器第一级的管型， （3 3）在管型选定后，第一，二级应采用噪声尽可能低的器件，）在管型选定后，第一，二级应采用噪声

19、尽可能低的器件， 按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率，按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率， 带宽等参量的计算及选择。带宽等参量的计算及选择。 （1 1）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs； 图6-17 选用第一级放大器件的准则 31 （1）根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典型噪 声谱，确定工作(调制)频率。 2. 2. 放大器设计中频率及带宽的确定放大器设计中频率及带宽的确定 典型探测器的噪声谱 （2）光电检测系统中按照白噪声的特点，工作频率选定后，应 尽可能减小电路的频带宽度。 32 （3）当

20、信号频率在一定范围内变化，不能选用固定频率的窄带滤 波方式工作时，除确定必要的窄带外，可采用设计选通积分器的方法 来抑制噪声。 图6-19 带宽对矩形脉冲波形和复制的影响 （4）在某些系统如脉冲系统中，为保持信号的波形，必须采用 频带宽度较宽的处理电路，适当牺牲高频。下图说明了所需保持波 形和电路3dB带宽f之间的关系。 积分具有平均的作用 33 3. 放大器设计中的其它考虑放大器设计中的其它考虑 （1）按）按最小噪声系数原则最小噪声系数原则设计前置放大器时，为减少后面各设计前置放大器时，为减少后面各 放大级噪声对总噪声的影响，其电压放入倍数放大级噪声对总噪声的影响，其电压放入倍数AV1不应小

21、于不应小于10倍，倍， 从而使从而使F F1。 （2）采用多级级联放大器时，总放大倍数）采用多级级联放大器时，总放大倍数AV可分配到各级可分配到各级 中，中， 。 （3）级间加入不同形式的负反馈电路，可以起到提高电路的）级间加入不同形式的负反馈电路，可以起到提高电路的 稳定性，调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用。稳定性，调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用。 （4）大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范围，）大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范围， 在电路设计中应予考虑。在电路设计中应予考虑。 （5）完成电路设计前应验证设计是否满足）完成电路设计前应验证设计是否

22、满足噪声系数、电压放噪声系数、电压放 大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围等大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围等要要 求。如不满足则应反复修正。求。如不满足则应反复修正。 VnVVV AAAA 21 34 4. 前置放大器的实例前置放大器的实例 图示为光电导探测器电路中的前置放大器电路图。它具有良好 的线性度，电路是由A 702A和A716两个集成器件构成。 图6-20 前置放大器电路实例 35 6.3 常用电路介绍常用电路介绍 6.3.1 选频放大器选频放大器 6.3.2 相敏检波器相敏检波器( (相敏整流器、相敏解调器相敏整流器、相敏解调器) ) 6.3.

23、3 相位检测器（鉴相器）相位检测器（鉴相器） 6.3.4 鉴频器鉴频器 6.3.5 脉冲宽度鉴别器脉冲宽度鉴别器 6.3.6 积分微分运算器积分微分运算器 6.3.7 锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器 本节包括以下几部分内容： 36 6.3.1 选频放大器选频放大器 为突出信号和抑制噪声，常采用选频放大器。为突出信号和抑制噪声，常采用选频放大器。 将放大器的选放频率与光电信号的调制频率保持一致，同时将放大器的选放频率与光电信号的调制频率保持一致，同时 限制带宽，使所选频率间隔外的噪声尽可能滤除，达到提高限制带宽，使所选频率间隔外的噪声尽可能滤除，达到提高 信噪比的目的。信噪比的目的。 一类

24、选频放大器是利用一类选频放大器是利用LC振荡电路，通过谐振的方式对所需振荡电路，通过谐振的方式对所需 频率的信号直接进行放大输出。放大电路中接有频率的信号直接进行放大输出。放大电路中接有LC并联的谐并联的谐 振回路，最后用变压器输出。振回路，最后用变压器输出。 图6-23 LC振荡选频放大电路 37 6.3.2 相敏检波器相敏检波器(相敏整流器、相敏解调器相敏整流器、相敏解调器) 图中 为振幅调制信号，即待测的振幅缓慢变化 的信号。乘法器另一输入 是本机振荡或参考振 荡信号，乘法器的输出信号为 )cos()(tutu LL 由模拟乘法器和低通滤波器构成 ttutuicos)()( )2cos(

25、cos)( 2 1 )cos(cos)()( 1 tutKM tuttKmtu Lu Lu 低通滤波器滤去高频2 的分量，其输出量为 图6-27 相敏检波器方框图 cos)( 2 1 )( 0LM utuKKtu 式中，K为低通滤波器的传输系数。 38 图示的相位检测器的相位范围为 ，且输出电压与相位差成线性 关系。 6.3.3 相位检测器（鉴相器）相位检测器（鉴相器） 图6-30 相位检测器框图 180 39 图6-31 相位检测器各环节的波形 uAuB同相同相 uA领先领先uB90 uA落后落后uB90 40 6.3.4 鉴频器鉴频器 鉴频器的种类很多，这里介绍时间平均值鉴频器。 其工作波

26、形如图所示,图中给出了两个不同频率调频波的有关波形， 以便比较。 图6-33 鉴频器原理框图 41 尖脉冲数目与频率有关，频率越高，尖脉冲数目与频率有关，频率越高， 尖脉冲越多，输出越高尖脉冲越多，输出越高 图6-34 鉴频器各环节波形 42 6.3.5 脉冲宽度鉴别器脉冲宽度鉴别器 在光电检测技术中，有时需要在不同宽度的脉冲中，选出 脉宽在某个特定值T附近的控制脉冲，即TTPTP。TP为特 定的持续期，TP为允许偏差。实现该功能的方案之一如图所 示。相应的工作波形如下页图所示。 图6-36 脉宽鉴别器 43 图6-37 脉宽鉴别器各环节的波形 或非 （全零则1） 输入信号输入信号 电平检测电

27、平检测1 1 积分积分 电平检测电平检测2 2 或非或非 单稳单稳2 2 单稳单稳1 1 44 6.3.6 积分微分运算器积分微分运算器 1. 1. 积分运算器积分运算器 积分运算器的电路如图所示, 。这时输出信号u0与输入信号ui的 关系为 dttu CR tu i ff )( 1 )( 0 (6-48) (6-49) 这时输出电压正比于输入电压对时间的积分，比例常数与反馈 电路的时间常数有关而与运算放大器的参数无关。 fff CR 图6-39 积分运算器 45 2. 微分运算器微分运算器 基本微分运算器的电路。待微分 信号输入反相端，输出信号u0与输入 信号ui间的关系为 图6-42 基本

28、微分运算器 dttduCRtu iff / )()( 0 在运算放大器的反相端和同相端 接成平衡对称的RC微分电路，可构成 差动微分运算器，其输出与输入间的 关系为： dttutudCRtu iiff /)()()( 210 图6-43 差动微分运算器 (6-52) (6-53) 46 6.3.7 锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器 使一个简谐波自激振荡的相位受基准振荡的控自激振荡的相位受基准振荡的控 制制，保持特定的关系，叫作“相位锁定”，简 称“锁相” 图6-44 锁相环方框图 47 6.3.7 锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器 输入与输出信号频率不同会导致产生不断变化的相位差输入与

29、输出信号频率不同会导致产生不断变化的相位差 ！ 鉴相器：将压控振荡器输出的信号和输入信号之间的 相位差转换为误差电压。 )()(tKtu n d d 式中,Kd鉴相器灵敏度，n(t) 相位差。 低通滤波器：常叫环路滤波器,滤除高频成分。 压控振荡器：电压频率变换的作用。 (6-54) 48 6.4 光电技术中的调制技术光电技术中的调制技术 6.4.1 一般光电信号的调制一般光电信号的调制 6.4.2 专用调制盘专用调制盘 6.4.3 利用物理光学原理实现的光调制技术利用物理光学原理实现的光调制技术 本节包括以下几部分内容： 49 6.4.1 一般光电信号的调制一般光电信号的调制 1 1调制检测

30、光信号的优点调制检测光信号的优点 (1)减少自然光或杂散光对检测结果的影响。减少自然光或杂散光对检测结果的影响。 -噪声多以直流量和低频量出现噪声多以直流量和低频量出现 (2)消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。 (3)交流信号处理方便、稳定，没有直流放大交流信号处理方便、稳定，没有直流放大 器零点漂移问题。器零点漂移问题。 (4)提供多种调制方案，如调幅、调频和调相提供多种调制方案，如调幅、调频和调相 等，从而扩大了应用范围。等，从而扩大了应用范围。 50 2. 光电信号调制的途径光电信号调制的途径 （1）对）对光源发光光源发光进行调制进行调制 （2）

31、对）对光电器件光电器件产生的光电流进行调制产生的光电流进行调制 （3）在光电器件在光电器件输出至放大器间输出至放大器间进行光电信号的调制进行光电信号的调制 （4）在）在光源与光电器件的途径中光源与光电器件的途径中进行调制进行调制 51 2. 光电信号调制的途径光电信号调制的途径 （1）对光源发光进行调制）对光源发光进行调制 该方法要求光源具有极小的惰性。 常用的光源有激光器、发光二极管、氖灯及氢灯等，通过调制电源来 调制发光。 多谐振荡器及功率放大器组成。 图6-49 发光二极管的脉冲供电 52 （2）对光电器件产生的光电流进行调制）对光电器件产生的光电流进行调制 在光电管中，通过在阴极和阳极

32、间侧向附 加交变的电场或磁场实现。 在光电倍增管中，光电信号的调制可以 在任何一级二次极上通过施加交变电压来完 成，其调制频率可达105107Hz左右。 在光电三极管中，光电信号的调制可以在 基极上加调制电压或电流 53 （2）对光电器件产生的光电流进行调制）对光电器件产生的光电流进行调制 在光敏电阻或光电二极管中，调制可在电 桥电路中采用交变电压供电来完成。 图6-50 光敏电阻的调制电路 54 （3）在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制 对信号电流或电压进行调制，又叫做电路调制。 如晶体管调制器、场效应管调制器等，把直流 电量转换为交变电量。

33、 （4）在光源与光电器件的途径中进行调制）在光源与光电器件的途径中进行调制 在光电检测中应用最多，如机械调制法、干涉 调制法、偏振面旋转调制法、双折射调制法和 声光调制法等。 重点介绍 55 3. 常用的机械调制法常用的机械调制法 （1）调制盘及调制波形）调制盘及调制波形 最简单的调制盘，有时叫做斩波器。 在圆形的板上由透明和不透明相间的扇形区构成。 当以圆盘中心为轴旋转时，就可以对通过它的光束M进行调制。 调制频率f由调制盘中透光扇形的个数N和调制盘的转速n决定，f Nn/60(Hz)。 图6-51 调制盘 56 调制盘实物图调制盘实物图 57 调制光输出波形与光束截面的关系。 u调制盘的图

34、形近似为方形，束截面为宽度不等的矩形 u所形成的调制波形是方波、梯形波和三角波等。 图6-52 光孔及波形 58 （2）调制盘的特点调制盘的特点 优点：优点： 方法简单；方法简单； 造价低廉；造价低廉； 缺点：缺点： 体积大，大部分盘区处在待工作状态体积大，大部分盘区处在待工作状态 机械转动容易带来震动，在某些场合不适合机械转动容易带来震动，在某些场合不适合 59 （3）利用电磁感应的机械调制利用电磁感应的机械调制 激磁线圈中加入交变电流。激磁线圈中加入交变电流。 线圈磁场线圈磁场S S和和N N极交变。极交变。 图6-54 电磁感应调制器 60 （4）受抑全反射调制器受抑全反射调制器 利用全

35、反射条件成立与否可实现光调制。 可将一束入射光分解为两束调制光输出。 图6-56 受抑全反射调制器 61 （5）移动光轴的调制器移动光轴的调制器 移动光轴由固定狭缝和运动反射镜构成。移动光轴由固定狭缝和运动反射镜构成。 图6-57 移动光轴的调制器 旋转旋转 摆动摆动 62 （6）正弦波形调制器正弦波形调制器 旋转叶片与双三角形光阑构成的正弦调制器。三角 形底边长为b，高为h当叶片与光阑平行时， 0， 通光面积S0时作为起始计算点。按三角关系知 ， cos hh cos)/( bhhbb )2cos1 ( 2 1 cos 2 hbhbhbS 图6-58 旋转叶片正弦调制器 通光面积： h b

36、63 （6）正弦波形调制器正弦波形调制器 利用半径不同的两内接圆所构成新月形的孔，对线状光束 实现调制。 图6-59 新月形正弦调制器 05101520253035 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 64 6.4.2 专用调制盘专用调制盘 用于跟踪和瞄准的光电系统用于跟踪和瞄准的光电系统 中，利用对目标发出的光辐射中，利用对目标发出的光辐射 进行特别调制可以获取目标偏进行特别调制可以获取目标偏 离轴线的误差信号；离轴线的误差信号； 控制光电系统修正轴线可以控制光电系统修正轴线可以 正确跟踪和瞄准。正确跟踪和瞄准。 此时往往用到此时往往用到专用调制盘专用

37、调制盘。 (6-59) 海基导弹跟踪雷达 65 6.4.2 专用调制盘专用调制盘 1 1调制波及调制的分类调制波及调制的分类 设某交流波的瞬时值 由下式表示)(ta sin)2sin()sin()( 000 aftatata 交流波振幅交流波振幅 圆频率圆频率 频率频率 初相角初相角 相位相位 角角 调制可分为三类，调幅( )、调频( 或 )和调相( )。 0 af (6-59) 66 6.4.3 利用物理光学原理实现的光调制技术利用物理光学原理实现的光调制技术 1利用干涉现象实现光调制利用干涉现象实现光调制 干涉条纹及其变化的是相干光束间在干涉场中产生的相位差 ， 或与其对应的光程差 ，两者

38、间的关系为 /2 式中，为干涉所采用光束的波长。 图6-69 干涉调制原理 (6-63) 67 2利用偏振光振动面旋转进行光调制利用偏振光振动面旋转进行光调制 （1 1）利用电场作用下晶体的旋光产生光调制）利用电场作用下晶体的旋光产生光调制 在石英晶片上施加以 为圆频率的正弦电压， ，偏振光振动面旋转角度也是一个随时间变化 的正弦函数 tUUsin 0 t m sin(6-64) 为在外加电压时对应的最大旋转角； m 68 )sin(cos 2 0 tII m (6- 65)式中， 为起、检两偏振器主方向 和 间的夹角； 图6-71所示是 和 时各量间的关系。实际使用中常采 用 的方式，此时

39、)sin(sin 2 0 tII m 2 0 21 PP (6- 66) 1 P 2 P 图6-70 利用旋光进行光调制装置 图6-71 两种放置方法 69 （2 2）利用）利用“法拉弟法拉弟”旋光效应产生的光调制旋光效应产生的光调制 某些物质在磁场的作用下，能使通过该物质的偏 振光振动面产生旋转，这就是“法拉弟”旋光效应。 这些物质叫做磁偏物质。 该效应使偏振面旋转的角度 为 VHL 式中，V为物质的费尔德常数，它表征磁偏物质的旋光能力；H为 磁场强度；L为在磁场中光经过的长度。 图6-72 利用磁旋光实现光调制 (6-67) 70 磁偏物质中的交变磁场B是由交变电流通过线圈产生，如果 交变

40、电流 ，则B为 tIIsin 0 tBBsin 0 旋光转角 为 tVLBt m sinsin 0 造成输出调制光强为)sin(cos 0 2 0 tVLBII 当 时 2 )sin(sin 2 0 tII m 71 可从三个方面提高该效应可从三个方面提高该效应 的效果。的效果。 (1)选择磁旋系数选择磁旋系数V强的物质强的物质; (2)加大线圈的匝数以增加磁加大线圈的匝数以增加磁 感应强度感应强度B，但这会使结构笨，但这会使结构笨 重，增大电感性的惰性，对工重，增大电感性的惰性，对工 作不利；作不利； (3)增加光在磁场中的路途长增加光在磁场中的路途长 度。如图。度。如图。 图6-73 延长作用 距离的方案 72 3利用双折射进行光调制利用双折射进行光调制 当光束通过非对称晶体时，会产生双折射，即产生 以折射率为n0的寻常光和折射率为ne的非寻常光。 这两束光经过晶体后，形成一定的相位差 2 )( 0e nnd 图6-74 利用晶体双折射实现调制原理