光电技术综合设计-光电相位探测传感器设计

1、光电技术综合设计光电相位探测传感器设计班级姓名：学号：指导老师：张翔（副教授）光电技术系成都信息工程学院一、设计目的与意义：本设计目的在了解其基本工作原理基础上，完成光电相位探测传观器系统的简易或原理性设计，实现该系统结构简单、使用方便、抗干扰能力强、实时性好、并且能够获得光波波 前相位信息等特点。 受设计时间限制， 本课程设计主要是对前端的光电探测模块。光电相位探测传感器主要由光学匹配系统、为透镜阵列、光电探测器、图像采集卡、数据处理计算机和光波相位模式复原软件等构成。二、光电探测器原理示意图如下：匹配系统数据处理微透镜阵列光电探测器1、将入射光速的口径缩小（放大）到与微透镜阵列相匹配尺寸。

2、2、微透镜阵列将入射光瞳分割，对分割后的入射波前成像。3、 光电探测器用于接受光电信号，目前多用CCD探测器。4、微透镜阵列和光电探测器之间加入匹配透镜。5、进一步计算得到波前相位分布。三、激光器：（一）、激光器由三大基本系统组成：谐振腔、增益介质、抽运系统。谐振腔作用：激光谐振腔是激光器的三个主要组成部分之一。在简单情况下，它是在激活物质两端适当地放置两个反射镜组成。作用之一是提供正反馈，使激活介质中产生的辐射能多次通过介质，当受激辐射所提供的增益超过损耗时在腔内得到放大、建立并维持自激振荡。增益介质作用：增益介质（即激光工作物质），是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射 放大作用的物质体

3、系， 有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽 可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。抽运系统作用：谐振腔分为：开放式光腔和封闭腔。其中开放式光腔通常可分为稳定腔、非 稳腔、临界腔三类。气体激光器是采用开腔的典型例子。（二）激光器种类：1、固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量

4、激活离子， 除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（ YAG晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射106Onm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达 109W2、气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长 时间较稳定地连续工作的有点。 这也是目前品种最多、 应用广泛的一类激光器， 占有市场达 60左右。其中，氦氖激光器是最常用的一种。3、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。

5、这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船 上用。在 70 年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。4、液体激光器常用的是染料激光器， 采用有机染料为工作介质。 大多数情况是把有机染料溶于溶剂中 （乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光 （在可见光范围） 。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液 体激光器工作原理比较复杂。 输出波长连续可调， 且覆盖面宽是它的优点， 使它也得到广泛 应用。5、自由电子激光器 ：这是一种特殊类型的新型激光器， 工作物质为在空间周期变化

6、磁场中高速运动的定向自 由电子束， 只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从 X 射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。（三）光腔的构成和分类 在激活物质的两端恰当地放置两个反射镜片，就构成一个最简单的光学谐振腔。在激光技术发展历史上最早提出的是所谓平行平面腔，它由两块平行平面反射镜组成。 这种装置在光学上称为法布里 -珀罗干涉仪，简记为 F-P 腔。随着激光技术的发展，以后又广泛 采用由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔，称为共轴球面腔；其中一个反射镜为（ 或两个都为 ）平面的腔是这类腔的特例。由两个以上的反射镜构成谐振腔的情况也是常见的， 折叠

7、腔和环形腔就是这类谐振腔。激光器中常见的谐振腔的形式：双凹镜腔： 当R1= R2= L时，两凹面镜焦点在腔中心处重合，称为对称共焦球面镜腔；当R1+R2= L表示两凹面镜曲率中心在腔内重合，称为共心腔。平凹镜腔：当R= 2L时，这种特殊的平凹腔称为半共焦腔特殊腔 : 双凸腔、平凸腔、凹凸腔等模式的概念 激光谐振腔与模式的一般联系只有具有一定的振荡频率和一定的空间分布的特定光束能够在腔内形成 “自再现”振荡。 在激光技术的术语中， 通常将光学谐振腔内可能存在的这种特定光束称为腔的模式。 不同的 谐振腔具有不同的模式，因此选择不同的谐振腔就可以获得不同的输出光束形式。OC.谐振腔示意图由一个平面镜

8、和一个凹面镜组成的共轴球面腔简称平凹腔。以R表示平凹腔凹面镜的曲率半径，L表示平凹腔的腔长，则对于平凹腔来说Ri；, R2= R代入共轴球面腔的稳定性条件，可得出 RL，即当平凹腔凹面镜的曲率半径大于腔长时，平凹腔 为稳定腔。由任意一满足0：(1 L)(1_-L)：1的球面腔唯一等价与一共焦腔的结论R1 R2共焦腔面与稳定球面的等价性Ri = R(zJ = (Zi +)zi2f(1)* R2 = R(z2)=十(z2 + )Z2L = z2 乙得zi=0, Z2=L, f二、L(R _ L)。该式表明平凹腔的等价共焦腔的中心在平面镜上。如把f = i L(R - L)代入共焦腔的基模光斑解:

9、(z)二Z 21(一)=f(2)得出平凹腔中的基模光斑半径公式为：(z)=L(R-L)2Z+ L(R _ L)如Z1=O,Z2=L带入上式得出平凹腔上的基模光斑半径分别为)14兀时厂(3)要求：一个He-Ne激光器谐振腔(入=632.8nm ),输出端为平面镜，束腰直径:二二3,谐振腔长：1111.，输出光为平面光束，求第二块反射镜半径-:,并指出束腰位置（Xi，1，2 ），其中1为第一块镜子的光斑尺寸，血2为第二块镜子的光斑尺寸。解：设一般球面谐振腔的腔镜曲率半径为R1、R2，两腔镜距离束腰的位置分别为乙，z2，谐振腔长度为d，光波波长为，已知He-Ne激光器的光波长=0.6328，gig2

10、o 二 0.2RiD=1 -R2=Z Z =0 mm，谐振腔长度:由于高斯光束在Dg = 1 ，腔的g因子：R，应有_f二，_ 倍L(R L R L 讯 +R2 L ) 丿(R1 +R1 2L )Z = 0处的光斑半径最小，故称之为束腰。当Z = 0时，有lim RZ工心和：Z =0，因此束腰波面是零位相等相面。束腰尺寸是束腰振幅下降至中心振Z0幅Amax的%处时光束的半径。）。把L=D=500m代入以上式子中，解得R1 =504 -92mm，束腰位置在反射镜R2面上。由此可得942=(1-丄)=(1 -0)=0.0097(xf+=x丄xR x 二R1504.92与腔的轴线相交于任意一点z的等

11、相位的曲率半径为:R1=R(x1) = X1X1R2=R(x2) = x所以对放置在。、01处的反射镜，应有:2丄2X2504.92zZt =4.96 mmZ2 = 499 .51 mm所以其光斑半径（z） =*：0 . 1 -故可得：厂=4.96mm 时(Z) =0.1005mmF2=499.51mm 时.2 (Z) =1.0125mm篙=几=4.96mm,工 2 =500 4.96=495.04mm* = X2=499.51mm,匕=500499.5 仁0.49mm从以上的计算中可得，从显微镜里出射的光束没有达到理想的要求，因此我们还要进行扩束系统的设计，在此过程中我们用显微物镜及望远系统

12、进行实现。本设计中因为要求采用.-：；门厂；沂.芒的氦氖激光，氦氖激光器谐振腔参数设计如下：由于氦氖激光器增益较小，所以选用稳定腔。为了得到较大的模体积和调整腔的方便， 采用平凹稳定腔结构。平面镜作输出镜，凹面镜作全反镜。四、高斯光束的匹配：相位匹配条件及原理当.*=0时，相位因子等于1，称为相位匹配条件；而当.*=0时，相位因子小于1,称 为相位失配。只有在相位匹配条件下，才能获得最高的转换效率。在实际光学倍频和混频应用中，为了获得较高的转换效率，要考虑相位匹配条件。实现相位匹配的方法有利用晶体的双折射性质的角度相位匹配和晶体的折射率随温度变化的温度相位匹配。若使一个稳定腔所产生的高斯光束与

13、另一个稳定腔产生的高斯相匹配，需在合适的位置放置一个焦距适当的透镜，使两束高斯光束互为物象共轭光束。该透镜称为模匹配透镜。当一个谐振呛产生的单模高斯光束入射到另一个光学系统，侧如干涉仪、多程反时室等，由于该光学系统都有自己的本征模式，而且一般来说，与入射光波的模式是不匹配的，这样第一个腔发出的单模光束将与第二个往中的各个不同模式相耦合，从而发生模的交叉激发作用而使损耗增加，激发起系统的多模，在很多情况下这是需要避免的。而在模式匹配的情况下， 一个入射的单模高斯光束只会激发起系统一个相对应的单模现分析下图所示的匹配系统。F设在I腔中产生腰斑的基模高斯光柬，在 II腔中亦要产生腰斑-0的基模高斯光

14、束，如 果在其适当位置(物距 z，像距z ) 上插入一个适当焦距 f的簿透镜，使由I腔发出的光 柬与II腔发出的光束为物像共轭，则该透镜称为二腔的模匹配透镜。高斯光束的模匹配公 式如下：22z00(5)22z00o00IIID值2a高斯模的匹配原理示意图式中f称为特征匹配长度。五、光束质量的评定:1、聚焦光斑尺寸:设聚焦光学系统等效焦距为f、衍射孔径为2a，在理想情况下，焦斑尺寸为一：值一般大于1，值越接近1，光束质量越好。3、斯特列尔比Sr实际焦斑处峰值功率Sr 一理想焦斑处峰值功率焦斑尺寸越小，光束的发散角越大，准直距离越短。2、远场发散角 zFz:_实际光束的远场发散角 理想光束的远场发

15、散角Sr越大，则光束质量越高。在小波像差近似下,式中，AL为激光波前起伏的光程差。4、M 2因子2 实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积M理想光束的腰斑半径与远场发散角的乘积M 2因子定义中，基模（TEM 00 ）咼斯光束具有最好的光束质量。六、用光学传递函数评价光学系统像质：1、用MTF曲线评价成像质量：用光学传递函数评价系统成像质量，目前最常用方式是给出若干视场用子午和弧矢振幅传递函数MTFt和MTFs曲线来代表成像质量。因为MTF表示多种不同频率 w0正弦强度分布函数经光学系统成像后其对比度的衰减程度，当某一频率对比度下降到 0时，说明该频率光强分布已经无亮度变化，即该频率被截止。这时利

16、用光学传递函数来评价光学系统像质主 要方法。2、用特征频率传递函数值评价光学系统像质：这时一种最简单，直观的像质评价方法。对一定用途的光学系统，为了简化有时也采用若干指定空间频率的 MTF值来代表它的成像质量，特征频率。特征频率的选取，随仪器用 途的不同而异。3、用MTF曲线的积分值来评价成像质量：从理论上可以证明，像差中心点亮度值等于MTF曲线所围成的面积。MTF所围的面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，光学系统成像质量越好，图像越清晰。因此，在光 学系统接受器截止频率范围内利用MTF曲线所围面积的大小来评价光学系统成像质量是非常有效的。六、微透镜阵列及 CCD探测系统透镜阵列小透績对

17、应的CCD单元微透镜阵列及CCD探测系统CCDlight微透镜阵列wave微透镜阵列与CCD探测系统示意图微透镜阵列是由若千个等焦距的小凸透镜排列成的，通常是用二元光学技术制造的，这些微透镜的成像质量将直接影响波前探侧精度。微透镜阵列将待探侧波面划分为若干个小单元区域，每一个小透镜，也被称为子孔径，对自己接收的局部光波聚焦成像因此，子孔径的大小，决定了披前探测的空间分辨率。必须指出的是，对于用于实时校正波前畸变的自适应光学系统的波前探测系统，波前探测的空间分辨率是要和系统的响应带宽和变形镜的校正 能力综合考虑的，这就是意味着激光发射系统并不是一味的追求高的空间分辨率。波长为，= 0.6328

18、um的He-Ne激光器发出的激光束经准直后通过微透镜阵列在其焦面上形成光斑阵列，被测光学元件或光学系统放在微透镜阵列前的平行光路中，聚焦光斑强度分布由CCD探测器接收，量化后，数据存入计算机中， 根据光斑数目，输入图像被分成多个子坐标系，并由标准的平面波来标定，在各个坐标系中，由下式决定聚焦光斑的中心位置N 2N 2xlX, yx -_N 2y-_N2c 一 N 2 N 2二I X, yx -_N 2 y -_N 02N 2N 27 yI x, yx -_N 2 y _N 2Y =c _ N 2 N f27I x, yx -_N 2 y -_N 2各聚焦光斑位置对应的局部波前横向像差为yij

19、Umd为单个微透镜的孔径， N N为总的子坐标系数目，这样波前的微分便可以通过计算得出。由于光学系统的波前可以用一个二维xy-k级多项式表示k iW x, y 八 BijXyJ ，i -0 j =0B,为xy - k级多项式的系数，对于上式求偏微分得到k 1 i坐g心存十，Xi _0 j _0工L k 1 ii iW x,y 一iDjX yi =0 j =0用上式二维xy - k级多项式对被测波面的微分数据进行拟合,得到两组拟合系数Cij ,Bij 0Djj ,由这两组系数数据的组合即可决定重建的波前多项式系数微透镜阵列是SH波前传感器的关键元件，衍射微透镜阵列具有很多优点：(1)孔径形状可以

20、任意、不丢失信息；(2)子孔径和焦距容易控制、精度高；(3)孔径可做到很小(微米量级)，有利于增加信息量等。当一束标准平行光入射并在CCD面上聚焦时，可获得一组标定光斑，由质心算法，可获得光斑的质心坐标 X。= ( Jl(x, y)xdxdy/ (Jl(x,y)dxdyvy=fI(x,y)ydxdy/ JI(x,y)dxdyJ电*Ls *其中，s为透镜在CCD探测器上对应成像区域，I(x,y)位于(x, y)处的相元的强度输 出。七、夫琅和费衍射仿真：光学信息处理由于具有容量大、 速度快、并行性及装置简单等优点， 在二维图像信息存 储、图像增强、特征识别、现代像质评价等许多方面有着重要的应用。

21、随着计算机的日益普及，计算机仿真技术作为虚拟实验手段已经成为计算机应用的一个重要分支。作为科学计算软件，MATLAB勺特点是使用方便、输入便捷、运算功能齐全，并且有大量的函数可供使用。用它来编写程序，不需要大量繁琐的编程过程，只需以数学方式表达和描述，因此特别适合工程计算和应用软件的编写。基于以上特点，我用MATLAB来仿真夫琅和费衍射。根据夫琅和费衍射原理及实验装置建立仿真实验的数学模型，在此基础上给出编写仿真程序。分别得到矩形孔圆孔的夫琅和费衍射仿真实验结果。1、光学衍射原理衍射是光波在空间传播过程中的一种基本属性。实际上，在光波的传播过程中，只要 光波波面受到了某种限制，如振幅或位相的突

22、变等，就必然伴随着衍射现象的发生。任何光波在光学系统中的传播过程，实际上都是一种在相应光学元件调制下的衍射过程。研究各种形状的衍射屏在不同实验条件下的衍射特性，无论对于经典的物理光学还是现代光学都具有重要意乂。1Ud （x, y）:j人jke11U 0（X0, y。）cos rdXody。r式中：2 2中+（x_xo） +（y_y。）r - d（x -X。）（y - y。）d122d上式取不同的近似，可得到两种不同的衍射现象，即菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。当衍射屏相距光源及观察平面两者或两者之一为有限远时，即当场点尸与子波源点P。同时满足傍轴条件时，表示的复振幅分布为：jkd ejk HEo(X

23、o,yo)ej九d 由此衍射积分得到的光场复振幅分布称为菲涅耳衍射。 距离d增大，观察平面光场的函数分布会发生变化， 替变化的。当衍射屏相距光源及观察平面两者均为无限远时，即当场点2 2(XX 0 ) 亠(y _.y 0 )2 ddx o dy菲涅耳衍射图样的特点是：I 如轴上观察点沿光束传播方向是亮暗交P与子波源点P。随着同时满足远场条件d2)/ -时，由式(4.1.1)表示的复振幅分布为Ed (jkdeje j - d)【_ jk xx 0yy 0! E o ( x o , y o) eddx dy 由此衍射积分得到的光场复振幅分布称为夫琅禾费衍射。夫琅和费衍射图样的特点是， 强度分布单纯

24、与方向有关。当d变化时，仅产生尺度变化。实际上夫琅和费衍射是菲涅耳衍射的一种特殊情况，两者的差异仅在于一个二次相位因子。本设计中，设计的微透镜阵列为 32x32，孔径D=10.7mm焦距f=15mm，入射激光束 波长 =632.8nm,每个子透镜的尺寸为 0.325 0.325mm2可用面阵CCD接收微透镜阵列元 件焦平面上的光强分布，可得到微透镜的聚焦点阵图。2、MATLAB仿真下面分别是矩形孔和圆形孔的夫琅和费衍射MATLAB仿真的代码和图片，最后作的是32*32微透镜阵列的夫琅和费衍射图像：矩形孔的夫琅和费彳汙射离像及光飆分稲圈”-5-4-3-2-1012345-3 ”X 10x 10M

25、ATLAB矩孔截图5夫琅和费圜孔衍射夙理亦苛射图像MATLAB圆孔截图圆孔夫琅和费衍射代码clc close allfigure( positio n,217 266 694 244);axes( position ,0.05,0.08,0.6,0.8);holdon;title(夫琅和费圆孔衍射原理及衍射图像) set(gcf, doublebuffer , on);axis(-4,12,-5,5);FaceColor ,0.1,0.3,0.4);FaceColor ,0.1,0.3,0.4);recta ngle( positio n ,0,1,0.2,3,rectan gle(posit

26、io n ,0,-4,0.2,3,recta ngle( positi on,3.8,-4,0.4,8,FaceColor0.4,0.3,0.4, Curvature ,1,1);FaceColor ,0.1,0.3,0.4);recta ngle(positio n ,11,-5,0.4,10, h1=plot(-4,-4,-0.7,-0.7); h2=plot(-4,-4,0,0); h3=plot(-4,-4,0.7,0.7); for k=-4:.1:0;pause(0.05);set(h1,h2,h3, xdata ，-4,k); end y=-4:.1:4;a=li nspace(

27、-ata n(4/11),ata n(4/11),le ngth(y); a=10*si n(a);ll=abs(si na).人2*6;x=11-II;plot(x,y, r)K=fi nd(diff(sig n(diff(ll)=-2)+1;yyN=y(K);P=zeros(3,5); yN=-0.7,0,0.7;H=P;for m=1:3;for n=1:5;p=polyfit(0,11,yN(m),yyN( n),1);P(m,n)=complex(p(1),p(2);H(m,n)=plot(0,yN(m); end end for Q=0:.1:11;pause(0.05) for

28、w=1:15;m,n=ind2sub(3,5,w); Y=polyval(real(P(w),imag(P(w),Q);set(H(w), xdata ,0,Q, ydata ,yN(m),Y); end endaxes( position ,0.65,0.08,0.3,0.8) a=linspace(-atan(4/11),atan(4/11),300); X,Y=meshgrid(a);r=sqrt(X.A2+Y.A2);R=10*sin(r);II=abs(sinc(R).A2*6; imshow(II);矩孔夫琅和费衍射代码 clc clear allbc=6328e-10; 氦氖激光

29、波长a=325e-6;b=325e-6; 0.325*0.325mm2尺寸透镜f=15e-3; 微透镜焦距ym=0.005xm=0.005 ny=32; nx=32;ys=linspace(-ym,ym,ny); xs=linspace(-xm,xm,nx); for i=1:nysinphi=ys(i)/sqrt(ys(i)A2+fA2); alpha=pi*a*sinphi/bc;B(i,:)=(sin(alpha)A2/(alpha)A2; endfor j=1:nx sinphi=xs(j)/sqrt(xs(j)A2+fA2); alpha=(pi*b*sinphi/bc);C(:,j

30、)=(sin(alpha)A2/(alpha)A2; endK=B*C;N=255;Br=(K./max(max(K)*N*N)矩形孔(a=b)的夫朗和费衍射样圆孔夫郎和费衍射图样subplot(2,1,1)M,S=meshgrid(ym,ys);image(xs,ys,Br);生成衍射图像titie夫琅和费矩形孔衍射图像及光强分布图“colormap(gray(N);subplot(2,1,2)生成光强分布图surf(ys,xs,K)(简化)矩形孔夫朗禾费衍射程序：a=linspace(1.5,1.5,500); % 选择屏上区域为(-1.5.1.5) X,Y=meshgrid(a);kaxR1=5*X;%5X =:2 fR2=5*Y ;% kay = 5Y = 2 fll=50.*(sinc(R1)A2.*(sinc(R2)F2%设定 | 0 =50ll(:,2:3)=0;imshow(ll);(简化)圆孔夫朗禾费衍射程序：a=linspace(-3,3,500);%选定区域(-3，3)X,Y=meshgrid(a);/22 Px + y ，e =一 fR=5.*r;% ：=kav - 5rll=50.*(2*BesselJ(1,R)./R).A2;ll(:,2:3)=0;imshow(ll)