第6章光电系统设计b

1、第六章 光电系统设计光电系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密机械及计算机相结合，构成光、电、机、计算机相结合的现代仪器，它具有许多 重要的特点1精度高 光电式仪器是各种测量仪器中精度最高的一种，如激光干涉仪可达到(0.03+L/500)m的测长精度(其中L是测量长度，单位为mm)，光外差干涉测量是纳米精度测量的主要手段。 2非接触测量 光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，也没有摩擦，同时也不会改变被测物体的性质，因此它可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。 3。测量范围大 光是最便于远距离传播的介质，尤其适合于远距离测距、遥控、遥测、光电跟踪等。如用光电方法可以测出

2、地球与月球间的距离，分辨力达到1m。 4信息处理能力强光电子测量可以提供被测对象信息含量最多的信息；光电系统还具有电子系统的运算、控制、存储极其方便的特点，尤其适于与计算机联机，构成自动化、智能化的测控系统。 本章从光电系统总体设计角度出发对光电系统的精度、设计原则和设计方法进行介绍和讨论，最后通过对激光干涉的设计分析，达到对光电系统设计有一个整体的理解。 第一节 测控仪器光电系统的组成和类型 一、光电系统的组成 光电系统是测控仪器的重要组成部分。测控仪器中的光电系统的组成框图如图61所示。光源是传递信息的媒介，是光电系统的源头。光源发出的光经过光学系统后成为汇聚光束、发散光束、平行光束，或其

3、他形式的结构光束，作为载波作用于被测对象。光学变换可通过各种光学元器件，如透镜、平面镜、棱镜、光栅、码盘、波片、偏振器、调制器、狭缝、滤波器等来实现。经光学变换后的光载波中含有被测对象的信息，称为光信息。光信息被光电检测器接收，并转换为易于处理的电信号，再经电路和逻辑变换等处理，最后显示被测量，或用于探测。 由组成框图可以看出，光电系统的设计主要是研究光信息的检测、传输和变换中的核心技术的设计问题。图6-l 光电系统的组成 二、光电系统的类型 光电系统的类型是很多的，为了突出同类系统的特点和共性，以便掌握其规律性的内容，常把光电系统分为主动系统与被动系统，模拟系统与数字系统，直接检测系统与相干

4、检测系统等。 1.主动系统与被动系统 主动系统与被动系统是指携带信息的光源(光煤介)是人为制造的还是自然辐射的。若光电系统的照明是人工光源，如白炽灯、发光管、半导体激光器、He-Ne激光器等，被测信息通过调制的方法加载到光载波上去，然后用光电接收系统进行检测，这种光电系统称为主动光电系统。如果光电系统的照明光源是自然光(如太阳光)或者用不是为光电系统特殊设计的光源来携带光信息，这种光电系统称为被动光电系统。主动光电系统与被动光电系统相比增加了光源、光源光学系统，有时还需要光源调制器。它比被动系统要复杂一些，但信息的对比度好、信噪比高，一般用于精密测量中。被动系统的照明一般来自于目标或者环境的自

5、发辐射，如被测目标是星体、飞机、导弹、大地、车辆、人体等，用这些目标的自发辐射来携带信息。这时目标的辐射功率和背景辐射功率同时进入光学系统，然后都被汇聚到光电检测器件上转换为电信号，因而信噪比往往不高，信息常被淹没，需要一些特殊技术来剔除噪声，提高信噪比。 2模拟系统与数字系统 按照传输和接收的光信息是模拟量还是数字量，分为模拟系统和数字系统。模拟光信息与数字光信息一般是用调制的方法将被测信息加载到光载波上来获得的。如果光载波是直流或者是连续的光通量，将被测信息加载到这类光载波上，然后进行传输或变换，则是模拟光电系统。如果光载波是脉冲量，而将被测信息加载到脉冲光载波的辐度、频率、脉宽或相位之中

6、，则得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调制光波进行传输或变换称为数字式光电系统。数字式光电系统具有比模拟式光电系统更好的传输效率和更好的抗干扰性，尤其适合于光通信。 3直接检测系统与相干检测系统 按照光电系统中光电检测是直接检测光功率还是检测光的振幅、频率和相位则分为直接检测系统和相干检测系统。不论是用相干光源还是非相干光源来携带光信息，而检测器件只直接检测光强度，这种光电系统称为直接检测系统。如果采用相干光源利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，光电检测不是直接检测光强而是检测干涉条纹的振幅、频率或相位则称为相干检测系统。直接检测系统简单、应用范围广，而相干检测具有更高的检测能力和更高的

7、信噪比，因而系统精度更高、稳定性也更好。按照光电系统的功能还分为光电信息检测系统、光电跟踪系统、光电搜索系统、光电通信系统等。 补充内容： 第二章 光的基础知识 第一节 光 的 本 质 一、光的两重性 几个世纪以来，关于光的本质一直是物理学中争论的一个主题。1860年麦克斯韦电磁理论建立后才认识到光是一种电磁波，利用麦克斯韦理论能很好地说明光在传播过程中的反射、折射，干涉、衍射、偏振以及光在各向异性介质中的传播等现象。但在光与物质的互相作用方面，如物质对光的吸收、色散和散射等，上述理论仍不能给出令人满意的解释。1900年普朗克在研究黑体辐射的能量按波长分布这一问题时认为，谐振子辐射是不连续的，

8、提出了辐射的量子论。1905年爱因斯坦在解释光电发射现象时提出了光量子的概念，从而使人们对光的本质有了进一步的认识。认识到光具有波粒两重性，设想光由分离的能团光量子(简称光子)组成。在光电发射效应中，实验发现光激发电子的初始动能只与入射光的波长(或频率)有关，而与入射光的强度无关，单位时间内激发的光电子数与入射光的强度成正比。这些现象难以用波动理论给予解释，而用粒子理论能得到圆满的解释。 二、电磁波谱 麦克斯韦理论指出，光是一种电磁波，但它在整个电磁波谱中，只占有很狭的范围。电磁波也称电磁辐射，其重要的特征参数是波长(或频率)，整个电磁波谱按波长排列。波长从0.011000m，或频率从3

9、15;10123×107Hz范围属于光学波段，它包括紫外辐射，可见光和红外辐射三部分(见图21)。通常，波长短于038m的是紫外辐射，波长从0.380.78m的是可见光，波长从0781000m的是红外辐射。人眼能感觉出光有不同的颜色，实质上是波长不同的光在人眼中所引起的不同感觉。图2-2表示一个所谓标准观察者的眼睛对各种波长辐射的相对灵敏度。从图中看，人眼对波长为055m的黄绿光反映最敏感。 三、光子 按照光的粒子性，光由具有一定能量的光子组成。光子的能量与光的频率成正比，即 式中， h为普朗克常数每个光予以速度c传播，可以把光看作一个波群，并想象它为一个频率为f的振荡，相邻两峰间的

10、振荡距离等于波长又，于是波长 此时式(2-1)可写成 (2-2)由式(2-2)可知，光子的能量与波长有关，如绿光光子比红光光子具有更多的能量。根据这个道理可知，紫外辐射的能量比任何一种可见光的能量都大，而红外辐射的能量比任何一种可见光的能量都小。 光在不同介质中的传播速度不等，但总是低于光在真空中的传播速度。光在真空中的传播速度与在介质中的传播速度之比n称为该介质的折射率，即 (23)式中， n为物质的特征参数。 光不论在什么介质中传播，其频率总是不变。因此，在不同介质中，光的波长不等。设分别表示频率为的光波在真空中和在折射率为n的介质中的波长，则可得 (24) 但是，除非特别注明，凡提到光的

11、波长，通常均指真空中的波长。 在很多情况下，由于光子数巨大，故致使光的波动性占统治地位。例如1mW的氦氖激光器每秒约发射1015光子，使发射光束的大部分特征可用平面波理论解释。二、辐射度系统和光度系统的参量 为了定量分析光与物质的相互作用，需要计量光能的大小。对于整个电磁波谱能量的计量，在物理学方面已经有一套计量单位，如焦耳、瓦等，是辐射度系统的参量单位。然而人眼的视觉细胞对波长不同的辐射有不同的响应，用辐射度单位描述的辐射能并不能反映人的亮暗感觉，为此，对可见光能量的计量除了用辐射度系统的参量外，还必须另有一套从生理上评价正常人眼对辐射感觉程度的参量，这就是光度系统参量。因此，对于同样一种辐

12、射，既有一套计量其客观物理实质的辐射度系统参量，又有一套计量对人眼生理作用的光度系统参量。这两套参量的名称和单位尽管回然不同，但它们的定义应当是完全平行的，或者说是完全一一对应的，如表2-2所示为了区别辐射度参量和光度参量，在参量符号的右下角标以脚标“e”表明辐射度系统参量，标以“v”的则表明光度系统参量。在光度系统参量中，与辐射功率相对应的参量叫光通量，它是按照正常人眼的视觉特性来评价的辐射功率。它的单位是流明(1m)，是一个最常用的单位。但由于历史原因，被选作基本参量的不是光通量，而是发光强度。现在，发光强度的单位坎德拉(cd)不仅是光度系统参量的基本单位，而且是国际单位制(sI)的7个基

13、本单位之一。表22 辐射度系统参量和光度系统参量注，-立体角， A-面积， t-时间， -光源表面面积元与给定方向垂直面的夹角 但是，辐射度系统的参量对整个电磁波谱都有意义，可以计量可见光谱的能量。而光度系统的参量不能用来计量可见光谱外的电磁波谱的辐射能，两者在概念上是不一样的，应用场合也往往不一样。例如，在一些产品手册上可以发现，各种激光器的光输出以辐射功率单位(W)表示，而发光二极管通常用发光强度单位(cd)表示。激光器和发光二极管之所以采用两种不同的单位制，原因是激光器用于通信或其它领域，它客观真实的输出功率很重要而发光二极管常用于面板指示灯或数字显示器，即利用它的视觉效能，并且不同的发

14、光二极管，发射光的角锥范围不同，小的角锥仅几度，大的可达90°或更大。因此，对于发光功率相同的发光二极管，由于发射光束的角锥范围不同，其发光强度是不同的，发射光束窄的发光二极管比发射光束宽的发光强度高。 在表22列出的参量中，有些是与光源有关的参量，有些则与光接收器有关。注意，不要把辐照度Ee与辐射出射度Me混淆起来，虽然两者单位相同，但意义不相同。后者是描述从单位面积发射出来的辐射功率，前者是描述单位面积所接受的辐射功率，因此两者的单位都是通常光源发射的辐射能含有各种波长，按波长分布在辐射光谱范围内。可用通用符号分别表示辐射度系统参量和光度系统参量是波长的函数，即 本节先简单介绍光

15、辐射的基础知识 一、光辐射基础 图像传感器的使用离不开光辐射技术，只有在特定的光源与光照下才能讨论其特性与使用。光辐射的度量方法有两种，一种是物理(客观)的计量方法，称为辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，是对辐射量进行物理意义的计量；另一种是生理(主观)的计量方法，称为光度参数，光度参数只适用于可见光谱区，超过这个谱区，光度参数没有意义。下面简单介绍电磁波频谱及光的度量。 (一)光和光谱 光是能引起视觉的辐射能，它以电磁波的形式在空间传播。人眼所能感觉到的光仅是电磁波中很小的一部分，称为可见光。可见光的波长约在370760nm范围之间。不同波长的光给人的颜色感觉也不同。波长从760nm向3

16、80nm减小时，光的颜色从紫色开始，按红、橙、黄、绿、青、蓝的顺序逐渐变化。两种颜色之间没有明显的分界，而是一种颜色逐渐减少，另一种颜色逐渐增多，逐渐过渡，全部可见光波混合在一起就形成白色光。 可见光以外的电磁辐射称为不可见光。波长小于360nm的电磁波中，最为一般人了解的是紫外线，其他还有X射线、射线、宇宙射线；大于760nm的电磁辐射则有红外线及微波等。把光线中不同强度的单色光按波长长短依次排列，称为光谱，如图12-51所示。太阳所辐射的电磁波中，波长大于1400nm的，被低空大气层中的水蒸气和二氧化碳所吸收；波长小于290nm的被高空大气层中的臭氧所吸收。能到达地球表面的电磁波的波长基本

17、与可见光的波长相吻合，这说明眼睛对光的视觉反应是动物和人类在进化过程中，对地球大气层透光效果相适应的结果。 (二)光的度量 1。光通量 能够发光的物体称为光源，从光源发出的光具有一定的能量，这种能量称为光能。光源照明的效果最终须由人眼来评定，因此仅用能量参数来描述各类光源及图像传感器的光学特性是不够的，还必须引入基于人眼视觉的光度参数来衡量。 光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量，称为光通量，用符号表示，单位为流明(lm)。一个100W白炽灯约可产生1700 lm的光通量，而一支40W白色日光灯管则可产生约3000lm的光通量。 光通量不但与光源辐射能量的强弱有关，而且与辐射的波长有

18、关。人眼对不同波长的光灵敏度是不一样的。比如在白天或光线较强的地方，人对黄光、绿光最灵敏。波长向红或蓝偏离越多，灵敏度越低，感觉到的光通量就越小。 实验证明，当波长为555nm(相当于黄绿光)的辐射功率为lW时，人眼感觉到的光通为683lm，可见1lm就相当于波长为555nm的单色辐射功率为1683W时的光通量。 2。发光强度 光源在空间某一特定方向上的单位立体角内辐射的光通量(光通量的密度)，如图12-52所示，称为光源在该方向上的发光强度(简称光强)，用符号I表示，单位为坎德拉(cd)，其计算公式为： (125)式中在立体角内所辐射的总的光通量(lm)；球面所对应的立体角(sr)。最早在英

19、国定义的发光强度单位为“烛光”，1979年第16届国际计量大会将坎德拉定义为：能发射(相当于波长为555nm)的单色辐射源，若在给定方向上的辐射强度为时，其发光强度为1cd。 发光强度的单位是国际单位制中七个基本单位之一，540×1012Hz的单色光是对人眼最敏感的黄绿色光。按此规定，40W和.60W的白炽灯在标准条件下的发光强度约为28cd和50cd，并不与瓦数成正比。 当用仪表测得理想点光源的光强为1cd时，在整个球空间，其发出的总光通量为=4I=126lm，所以只要测得点光源的光强，就可以求得其总光通量的理论值。 3照度 照度是用来表示被照面(点)上光的强弱。受照物体表面每单位

20、面积(1m2)上接收到的光通量称为照度，符号为E，单位为勒克司(lx)。被光均匀并垂直照射平面的照度E=A。上式中，为物体表面单位面积上接收到的总光通量，A为被照面积，所以1lx等效千1lm/m2。 用点光源照明时，与光源垂直的物体表面上的照度与光源的光强I成正比，与距离r的平方成反比，物体表面上的照度又与光线入射角的余弦cos成正比，可用以下公式来表示 为了使读者对光照度值有感性认识，现举几个实际情况下的照度值供参考。20cm远处的烛光约为1015lx；在40W荧光灯正下方13米处的照度约为90lx；距40W白炽灯下1米处的照度约为30lx，加一塑料灯罩后将增加到300lx；晴天中午室外的照

21、度可达10000800000lx；晴天中午室内窗口桌面的照度约为20004000lx；阴天中午室外的照度约为6000lx；黄昏室内为10lx；满月时地面上的照度仅为0.2lx；一般办公室要求的照度100200lx；一般学习的照度应不少于75lx，教育部门规定，所有教室课桌面的照度必须大于150lx。由于瞳孔的存在，人眼睛对光线强弱的感觉类似于对数关系，所以在太阳光及昏暗的灯光下看书时的照度将相差几百倍。 4亮度 在房间内同一位置上，并排放着一个黑色和一个白色的物体，虽然它们的照度一样，但在人眼看起来，白色物体要亮得多。这说明被照物体表面的照度并不能直接表达人眼对它的视觉感觉。这是因为人眼的视觉

22、感觉是由被照物体的反射光在眼睛视网膜上形成的照度而产生的。视网膜上由反射光形成的照度愈高，人眼就感到愈亮。白色物体的反光要比黑色物体强得多，所以人就感到白色物体比黑色物体亮得多。也可以这样理解：若把被视物体当作一个发光体，则视网膜上的照度是被视物体在沿视线方向上的发光强度造成的。 发光体在视线方向单位投影面(1m2)上的发光强度称为该物体表面的亮度，也称为辉度，用符号L来表示，单位为坎德拉每平方米(Cdm2)。 5。小结 以上介绍的是常用的光度符号和单位，它们从不同角度表达了物体的光学特性。光通量说明发光体发出的光线数量；发光强度是发光体在某个方向上发出的光通量密度，它表明了光通量在空间的分布

23、情况；光照度表示被照表面接受的光通量密度，用来鉴定被照面的照明情况；光亮度则表示反光体单位表面积上的发光强度，它表明一个物体的明亮程度。它们的名称、符号、单位及说明见表12-1。 表12-1 常用光度学的名称、符号、单位及说明 第二节 光电系统的特性 光电系统由实现光学变换的光学或光电子学系统与实现光电变换的光电探测器组成。光电系统的被测量是光信息，而输出量是经过光电变换的电信息，不同原理的光电系统其性能指标是不同的，本节只归纳其共性特性。 一、光电特性 光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性又称为静特性，其输入量一般是光通量或光照度E，输出量一般是电压或电流。若输入量是光通量，输出量是电压

24、，则其光电特性即为V()曲线。若光电系统的光学变换是线性的，则系统的光电特性主要取决于光电探测器的光电特性。 任何一个光电测量系统希望其静特性线性范围大，以获得较大的测量范围，也希望其特性曲线的斜率大，以获得较高的灵敏度。 二、光谱特性及光谱匹配 光电系统中光载波信号的能量来源是光源或辐射源，辐射能量由光源经测试目标、光学系统和传输介质被光电检测器接收。为了提高光能的利用效率，要求检测器件的光谱灵敏度分布和辐射源的辐射度分布及各传输环节的透射率分布相覆盖。在含有多光谱的复合光通量作用下，传输介质、光学系统的透射率光谱分布分别是光电检测器的光电灵敏度系数为时，那么检测器件的输出可表示为 (6-1

25、)式(6-1)表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系。式中分别为辐射下限波长和上限波长。 由于光电系统中光源的辐射波长有一定的范围，并存在有峰值波长，而光电子检测器件对波长有选择性，即存在一个最灵敏的波长，因此为充分利用光能，要求光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。 三、光电灵敏度特性(光谱响应率) 光谱响应率又称光电灵敏度，它是光电系统的光电检测器件的输出(电压U或电流 I)与入射光通量之比，即 (6-2)式中，分别称为电压灵敏度和电流灵敏度，其单位分别为若入射光参量用照度表示，则光照灵敏度的单位分别为若入射光的波长为单色光，这时输出电压与入射单色辐射通且里之比称为光谱灵敏度或光谱响

26、应率 (63)随波长的变化关系，称为光谱响应函数。四、频率响应特性 当入射光照是以一定频率变动的交换光信息时，光照频率的变化将会引起光电器件响应率的变化。一般地，响应率随光照频率升高而降低，如图6-2所示。它如同一个低通滤波器的频率特性，即图6-2频率响应特性 (6-4)式中，是频率为零(直流)或者频率很低时的响应率；f是光信息的频率；为时间常数。当频率增加时响应率要降低，当的时所对应的频率称为上限载止频率，这时有 五、光电系统的探测率D和比探测率D* 光电系统的探测率表征光电系统的探测能力，D越大，表征探测能力越强。D可表示为 (6-5)式中，为用电压表示的光电灵敏度；为噪声电压。式(6-5

27、)表明，越高而噪声越小，则探测能力越强。光电检测系统的探测率除了与有关外还与光电检测器件光敏面面积A和光电检测系统的带宽为在同一条件下对光电系统性能加以比较，引入比探测率D*的概念。 (6-6) 在光电检测系统设计中，还经常用到噪声等效功率的概念，它定义为光电器件输出信号电压有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率，用公式表示为 (6-7)即噪声等效功率是探测率的倒数，亦即NEP=1D。同样，D*的倒数称为归一化噪声等效功率，用NEP*表示。 第三节 光电系统的设计原则 在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要的设计原则。 一、匹配原则 光电系统的核心是光学变换与光电变换，

28、因而光电系统的光学部分与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和阻抗匹配。在光电系统中，光电器件是光学系统的输出口，它同时又是电子部分的输人口，因此匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。 1光谱匹配 光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特性相匹配。正如前节光电系统光谱特性内容所述，要求光电检测器件对光谱的灵敏响应范围与光学系统光谱透射率相覆盖。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光电检测器件。 2功率匹配 光电系统的能

29、源是光功率，功率匹配是指尽量最佳的使用光功率，它包含如下3个方面的内容： 1)光电器件与入射辐射能量在空间上对准，即入射光应与光电检测器件光敏面相垂直，同时又尽量使入射光照射到全部光敏面上，以充分利用光能，实现入射光与光电检测器件的空间匹配； 2)入射光辐射应与光电检测器件的光电特性相匹配，即要求人射光通量的变化中心处于光电检测器件的线性测量范围的中心处，以确保进行良好的线性检測； 3)满足光谱匹配。 3阻抗匹配 由于光电检测器件是光电检测电路的信号源，因此两者之间应具有良好的阻抗匹配，以获得最佳的电信号输出，在进行光电检测电路设计时应根据光电检测器件的伏安特性选择最佳工作点，还应根据光电检测

30、器件和光信息的频率特性进行光电检测电路的动态设计，以保证光电系统达到最佳的信号检测能力。 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。 光电系统中的杂散光是指由于光辐射经过各种光学元件(如平面镜、光楔、分光镜、透镜、平行平板、分划板、光栏、镜筒、障碍物等)产生的散射光、衍射光、透射光、双折射光等非期望的杂乱光线对信号光产生杂散干扰，减小杂光干扰可采用光学滤波、光 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

31、统，以实现被测量与标准量的比较，如图6-4所示，图6-4a是光通量差动测量的例子，图6-4b是用光干涉法进行表面形貌测量的例子。图6-4 光电差动比较测量 a)光通量差动比较测量原理图 b)干涉仪表面粗糙度测量原理图它们的共同特点都是将光分成两路，一路是标准量通路而另一路是被测量测量通路，所不同的是图6-4a是光通量比较，而图6-4b是用光干涉法进行光的光程差比较。它们都是用差动比较法减小了光源波动等共模干扰的影响，但是由于测量路与标准路处于两种不同的环境中，温度变化和机械变形及振动的影响使两路产生不同的变化，即由于两路环境条件不同而带来误差。如果使测量路与标准路同处同一环境中，则可减小该项误

32、差。如图6-5所示是斐索平面干涉仪原理图。激光束1被聚光图6.5 斐索干涉仪原理图1-激光束2-反射镜3-聚光镜4、6-光栏5-分光镜7-准直物镜镜3汇聚于小孔光栏4处，光栏4位于准直物镜7的焦面处，光束透过分光镜5向下通过准直物镜7以平行光束出射，并垂直入射到参考镜M1上。M1为半反半透镜，一部分光线被M1反射作为标准(参考)光束，另一部分光透过参考镜M、入射到被测表面M2上由被测表面反射形成测量光束，两束光在光栏6处会合而产生干涉。在光栏6处放置CCD摄像机便可记录下与被测表面相对应的干涉图。由上述原理可以看出该系统的测量光束与参考光束基本上处于同一环境中，温度变化和外界振动的影响对两束光

33、基本上相同，因而有利于提高测量精度。由原理图还可看出该系统的测量光束与参考光束在参考镜M1到被测物体之间是不共路的。因此在设计时应尽量减小之间距离。 还应强调的是，光电系统设计是测控仪器设计的一部分，它还应遵守仪器设计的阿贝原则、差动比较原则、精度原则、基面统一原则以及补偿原理，平均读数原理等基本原则和理论。 第四节 光电测量系统中的光源及照明系统 光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量往往起着关键的作用。根据不同的测量需要，有的要求平行光照明、有的需要点光源照明、有的需要平面光照明、有的需要透射光照明、有的需要反射光照明、，这些都由光源的照明系统来提供。本节将对光源的特性

34、、光源的种类、照明光学系统及光源选用等问题加以介绍。 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V与该光通量所需要的功率P之比，称为该光源的发光效率，表示为 (6-8)式中，为该光电测量系统的光谱范围。应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。2光谱功率谱分布 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长有关，称为光谱的功率分布。常见的有4种典型的分布，如图66所示。图66 典型光源功率谱分布 a)线状光谱 b)带状光谱 c)连续光谱 d)复合光谱 图a为线状光谱，如低压汞灯光谱；图b为带状光谱，如高压汞灯光谱；图c为连续光谱，如白炽灯、卤素灯光谱；图d为复合光谱，它由

35、连续光谱与线状、带状光谱组合而成，如荧光灯光谱。 在选择光源的时候，为了最大限度地利用光能，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致；对于目视测量，一般可以选用可见光谱辐射比较丰富的光源；对于目视瞄准，为了减轻人眼的疲劳，宜选用绿光光源；对于彩色摄像则应该采用白炽灯、卤素灯作光源。同样对于紫外和红外测量，也宜选用相应的紫外灯(氙灯、紫外汞灯)和红外灯。 3。空间光强分布特征 由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图67所示为HG500型发光二极管的配

36、光曲线。为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦点应位于光源的发光中心。 4。光源的温度和颜色 任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 式中，为辐射本领，它是辐射体表面在单位面积(A)表面单位波长间隔内所辐射的通量；为吸收率，是在波长入到入+d间隔内被物体吸收的通量与入射通量之比，即时的物体称为绝对黑体。 黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般的光源，它的某些特征常用黑体辐射特征近似地表示，其温度常用色温或相关色温表示。色温是辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度

37、下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。相关色温是指光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。 色温表示光源光谱质量最通用的指标。色温是按绝对黑体来定义的，光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称为“暖光”；色温提高后，能量分布中，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。一些常用光源的色温为：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-29

38、00K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为5400K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。色温在讨论彩色摄影用光问题时，摄影家经常提到“色温”的概念。色温究竞是指什么? 我们知道，通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱所组成。但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德·开尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体确定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。 开尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形

39、式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如，当黑体受到的热力相当于500550摄氏度时，就会变成暗红色，达到1050一1150摄氏度时，就变成黄色因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用开尔文(。K)色温单位来表示，而不是用摄氏温度单位。打铁过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时，它就变成白色，通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。色温计算法就是根据以上原理，用。K来表示受热钨丝所放射出光线的色温。根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温

40、度”。颜色实际上是一种心理物理上的作用，所有颜色印象的产生，是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应，所以色温只是用来表示颜色的视觉印象。 光源的颜色与发光波长有关，复色光源如太阳光、白炽灯、卤素灯、镝灯等发光一般为白色，其显色性较好，适合于辨色要求较高的场合，如彩色摄像、彩色印刷等。单色光源，如HeNe激光为红色，氪灯与钠灯发光为黄色，氘光为紫色。光的颜色对人眼的工作效率有影响，绿色光比较柔和而红色光则使人容易疲劳。用颜色来进行测量也是一门专门的技术。 在光电测量中为了减少光源温度对测量的影响，应采用冷光源或者设法减少热辐射的影响。 二、光电测量中的常用光源 物体温度大于绝对零度时就会向外辐射能量

41、，辐射以光子形式进行，我们就会看到光。 1太阳光 太阳向地球辐射热我们称之为阳光。阳光是复色光，太阳光源是很好的平行光源。太阳光的照度值在不同光谱区所占百分比是不同的，紫外区约占6.46；可见光区占46.25；红外光区占47.29。 2白炽灯 白炽灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光，它发出连续光谱。发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，得到广泛的应用。 真空钨丝灯是将玻璃灯泡抽成真空，钨丝被加热到23002800K时发出复色光，发光效率约为10 lmW。 若灯泡内充氩、氮等惰性气体称为充气灯泡，当灯丝蒸发出来的钨原子与惰性气体原子相碰撞时，部分钨原子会返回灯丝表面而延长灯的寿命，工作温度提高到270

42、03000K，发光效率约为17 lmW。 若灯泡内充有卤族元素(氯化碘、溴化硼等)时，称为卤素灯。钨丝被加热后，蒸发出来的钨原子在玻璃壳附近与卤素化合成卤钨化合物，如W12，WBr等，然后卤钨化合物又扩散到温度较高的灯丝周围且又被分解成卤素和钨，而钨原子又沉积到灯丝上，弥补钨原子的蒸发，以此循环而延长灯的寿命，卤钨灯的工作温度达30003200K，发光效率约为30 lmW。 白炽灯的灯压决定了灯丝的长度，供电电流决定了灯丝的直径，100W的钨灯发出的光通量大约200 lm。 白炽灯的供电电压对灯的参数(电流、功率、寿命和光通量)有很大的影响，其关系如下所示： (69)式中，分别为灯泡额定电压、

43、电流、发光效率、光通量和寿命；U、分别为使用值。 对于充气灯泡n=0.0714，对于真空灯泡n=0.0769。例如额定电压为220V的灯泡降压到180V使用，其发光的光通量降低到62，但其寿命延长13.6倍。降压使用对光电测量用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。如光栅莫尔条纹法测量，常用6V、5W的白炽灯照明，若降压至4.5V使用，灯的寿命延长20倍左右。 白炽灯泡的灯丝形状对发光强度的方向性有影响，普通照明常用W形灯丝，使360°发光；而光栅的莫尔条纹测量则用直丝形状仪器灯泡，且灯丝长度方向应与光栅刻线方向一致。 3气体放电光

44、源 利用气体放电原理来发光的光源称为气体放电光源，如将氢、氦、氘、氪或者金属蒸气(汞、钠、硫等)充人灯中，在电场作用下激励出电子和离子。当电子向阳极，离子向阴极运动时，由于其已经从电场中获得能量，当它们再与气体原子或分子碰撞时激励出新的原子和离子，如此碰撞不断进行；使一些原子跃迁到高能级，由于能级的不稳定性，处于高能级的原子就会发出可见辐射(发光)而回到低能级，如此不断地进行，就实现了气体持续放电、发光。 气体放电电源的特点是： 1)发光效率高，比白炽灯高210倍，可节省能源。 2)结构紧凑，耐振、耐冲击。 3)寿命长，大约是白炽灯的210倍，可节省能源。 4)光色范围大，如普通高压汞灯发光波

45、长大约为400500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色(589nm)，氙灯近日光色，而水银荧光灯为复色。由于以上特点气体放电光源经常被用于工程照咀和光电测量之中。 4半导体发光器件 在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为半导体发光器件，又称为注入式场致发光光源，通常称为LED。 图6-8a是半导体发光二极管原理图，图b是其外观图，图c则是其器件符号。图68 半导体发光二极管 a)原理图 b)外观图 c)器件符号常用发光二极管材料及性能如表6-1所示。 表6-1 发光二极管材料及性能 半导体发光二极管既是半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数，如正向电流、正

46、向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等电学参数；辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等光学参数。这些参数可从光电器件手册中查到。发光二极管的寿命很长，在电流密度情况下，可以达到以上。电流密度大时，发光亮度高，但寿命很快缩短。在正常情况下，LED的寿命大约是白炽灯的30倍，间歇使用的LED寿命可达30年。发光二极管动态响应较好，可工作于10100MHz动态场合。 LED在光电测量中除了做光源外，还可用作指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性指示、数码显示等。高亮度的LED广泛地使用，如将它用于汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等，将大量节约能源。 5激光光源激光又称为受激发射光

47、，它的单色性好，相干能力强，方向性好、亮度高在光电测量中常用作相干光源。能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件称为激光器。激光器激光器（laser）能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。激光器1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发

48、展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和

49、核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。 研究发展激光器1、气体激光器在气体激光器中，最常见的是氦氖激光器。世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久，于1960年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。由于氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好，可以连续工作，所以这种激光器是当今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密测量、准直定位上。气体激光器中另一种典型代表是氩离子激光器。它可以发出鲜艳的蓝绿色光，可连续工作，输出功率达100多瓦。这种激光器是在可见

50、光区域内输出功率最高的一种激光器。由于它发出的激光是蓝绿色的，所以在眼科上用得最多，因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏，眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光。因此，用氩离子激光器进行眼科手术时，能迅速形成局部加热，将视网膜上蛋白质变成凝胶状态，它是焊接视网膜的理想光源。氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层，而不被海水吸收，因而可广泛用于水下勘测作业。2、液体、化学和半导体激光器液体激光器也称染料激光器，因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光，一般采用高速闪光灯作激光源，或者由其他激光器发出很短的光脉冲。液体激光器发出的激光对于光谱

51、分析、激光化学和其他科学研究，具有重要的意义。化学激光器是用化学反应来产生激光的。如氟原子和氢原子发生化学反应时，能生成处于激发状态的氟化氢分子。这样，当两种气体迅速混合后，便能产生激光，因此不需要别的能量，就能直接从化学反应中获得很强大的光能。这类激光器比较适合于野外工作，或用于军事目的，令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果。在当今的激光器中，还有一些是用半导体制成的。它们叫砷化镓半导体激光器，体积只有火柴盒大小，这是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0、80、9微米之间。由于这种激光器体积小，结构简单，只要通以适当强度的电流就有激光射出，再加上输出波长在红外线光范围

52、内，所以保密性特别强，很适合用在飞机、军舰和坦克上。3、固体激光器前面所提到的红宝石激光器就是固体激光器的一种。早期的红宝石激光器是采用普通光源作为激发源。现在生产的红宝石激光器已经开发出许多新产品，种类也增多。此外，激励的方式也分为好几种，除了光激励外，还有放电激励、热激励和化学激励等。固体激光器中常用的还有钇铝石榴石激光器，它的工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺有氧化钕。激光是由晶体中的钕离子放出，是人眼看不见的红外光，可以连续工作，也可以脉冲方式工作。由于这种激光器输出功率比较大，不仅在军事上有用，也可广泛用于工业上。此外，钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器，对治疗白内障和

53、青光眼十分有效。激光器4、“隐身”和“变色”激光器另外还有两种较为特殊的激光器。一种是二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10、6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连接方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生的波长10、6微米激光也是最强大的一种激光。人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支长1米左右的放电管。它的一端贴上镀金反射镜片，另一端贴一块能让10、6微米红外光通过的锗平面镜片作为红外激光输出镜。一般的玻璃镜片不让这种红外光通

54、过，所以个能做输出镜。放电管放电时发出粉红色的自发辐射光，它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。做实验时，一不小心就会把自己的衣服烧坏，裸露的皮肤碰到了也要烧伤，所以这种激光器上都贴着“危险”的标记，操作时要特别留神。二氧化碳激光器形式很多。放电管最长的达200多米，要占据很大的场地。科学家想出办法，将笔直的放电管弯成来回转折的形状，或是把放电管叠起来安装，将它们的实际长度压缩到20米左右；为了使激光器的光路不受振动的影响，整个器件安放在地下室粗大的管道内。后来发明的一种称为横向流动的二氧化碳激光器，长度缩到只有一张大办公桌那样长短，能射出几千瓦功率的激光。这样的激光器已

55、被许多汽车拖拉机厂用来加工大型零件。输出功率更大的一种二氧化碳激光器结构像大型喷气发动机，开动起来声音响得吓人，它能产生上百万瓦的连续激光，是连续方式发射激光中的最强者。最初的激光打坦克靶实验，用的就是这种激光器。它是科学家把空气动力学和激光科学相结合而制造出来的。以脉冲方式发射的二氧化碳激光器也有很多种，在科研和工业中用途极广。如果按每一脉冲发出的能量大小作比较，那么，脉冲二氧化碳激光器又是脉冲激光器中的最强者。回到激光先驱者汤斯曾经研究过的问题上来，谈一谈毫米波的产生。随着激光技术的发展，许多科学家对这一难题又发起了进攻：采用放电或利用强大的二氧化碳激光作为激励源去激发氟甲烷、氨等气体分子

56、，一步步地把发射出来的激光波长延长，扩展。开始达几十微米，后来达几百微米，也就是亚毫米波了。本世纪60年代中期到70年代中期，随着微波技术的发展，科学家根据激光的原理和方法产生了毫米波。这样，从光波到微波之间的空白地带便被不断发现的新红外激光填补了。从研究中，科学家发现毫米波很有实用价值：大气对它的吸收率很小、阻碍它传播的影响也小，可以用它来作为新的大气通讯工具。另一种比较特殊、新颖的激光器，可以形象地称它为“变色龙”。它不是龙，但确实能变色；只要转动一个激光器上的旋钮，就可以获得红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种颜色的激光。这种激光器的工作物质确实就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。科学家至今还没有弄清楚这些染料的分子能级和原子结构，只知道它们与气体工作物质的气体原子、离子结构不一样；气体产生的激光有明确的波长，而染料产生的激光，波长范围较广，或者说有多种色彩。染料激光