第七章_光电信息变换教材

1、第第7 7章章 光电信息变换光电信息变换n光敏电阻，光生伏特器件，光电发射器件光敏电阻，光生伏特器件，光电发射器件nCCD,CMOS，摄像管，变像管，像增强管，摄像管，变像管，像增强管检测光强信息，光探测器检测光强信息，光探测器可以测量位移，速度，加速度，温度，可以测量位移，速度，加速度，温度，磁场，电场，浓度，压力，压强等么？磁场，电场，浓度，压力，压强等么？可以！可以！先把先把待测量的变化（信息）待测量的变化（信息）光的变化光的变化，再用光电探测器检测再用光电探测器检测7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 光电信息变换的分类：光电信息变换的分类： 一方面根据一方面根据信息载

2、入光学信息的方式分：信息载入光学信息的方式分：信息载荷于光源的信息载荷于光源的方式；信息载荷于透明体的方式；信息载荷于反射光的方式；信方式；信息载荷于透明体的方式；信息载荷于反射光的方式；信息载荷于遮挡光的方式；信息载荷于光学量化器的方式；光通信息载荷于遮挡光的方式；信息载荷于光学量化器的方式；光通信方式的信息变换。方式的信息变换。 另一方面根据另一方面根据光电变换电路输出信号与信息的函数关系分光电变换电路输出信号与信息的函数关系分为为模拟光电变换与模模拟光电变换与模- -数光电变换两类。数光电变换两类。 一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光

3、电信息变换的分类 1. 1. 信息载荷于光源的方式信息载荷于光源的方式 信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身），如信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身），如光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的强度信息等。光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的强度信息等。 应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器制导、夜视观察等。制导、夜视观察等。 举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。在全辐射测温应用中，温度信息存在于光源的辐在全辐射测温应用中，温度信息存在于光源的辐射出射度射出射度Me, 中，

4、中，由斯忒藩玻尔兹曼定律可知物体的全辐射出射度由斯忒藩玻尔兹曼定律可知物体的全辐射出射度Me与与物体温度的关系为物体温度的关系为 例：全辐射测温例：全辐射测温4,TMMsee 式中式中Me, s为同温度黑体的辐射出射度，为同温度黑体的辐射出射度，为物体的发射系数，为物体的发射系数，与物体的性质、温度及表面状况有关。与物体的性质、温度及表面状况有关。T为被测体的温度，即为被测体的温度，即测量的信息量。测量的信息量。 在近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感器在近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感器的变换电路输出的电压信号为的变换电路输出的电压信号为eesMSGKMmU式中，式中，m为光学系

5、统的调制度，为光学系统的调制度，为光学系统的透过滤，为光学系统的透过滤，S为光电器为光电器件的灵敏度，件的灵敏度，G为变换电路的变换系数，为变换电路的变换系数，K为放大器的放大倍数，为放大器的放大倍数，= mSGK称为系统的光电变换系数。称为系统的光电变换系数。4TUs通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体的温度。的温度。 物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感器获得的电信号为缓变的信号或直流信光电传感器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。号。为克服直流放大器的零点漂移、环境温度影响和为克服

6、直流放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，常采用光学背景噪声的干扰，常采用光学调制调制技术或电子斩技术或电子斩波调制的方法将其变为交流信号，然后再解调出波调制的方法将其变为交流信号，然后再解调出被测信息。被测信息。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 2. 2. 信息载荷于透明体的方式信息载荷于透明体的方式 利用透明体的透明度、透明密度分布、厚度、介质材料对利用透明体的透明度、透明密度分布、厚度、介质材料对光的吸收系数等信息测量。光的吸收系数等信息测量。 应用范围：液体或气体的透明度（或混浊度）、透明薄膜应用范围：液

7、体或气体的透明度（或混浊度）、透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等。的厚度、均匀度及杂质含量等。 举例：测量液体浓度或介质厚度。举例：测量液体浓度或介质厚度。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 3. 3. 信息载荷于反射光的方式信息载荷于反射光的方式 利用镜面反射或漫反射信息进行测量。利用镜面反射或漫反射信息进行测量。 应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信息，如光应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信息，如光电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运动、转动的速度、电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运动、转动的速度、相

8、位等。漫反射主要是测量物体表面性质的信息，如反射系数相位等。漫反射主要是测量物体表面性质的信息，如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵病。载荷表面粗糙度及表面疵病。 举例：检测产品外观疵病。举例：检测产品外观疵病。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 4. 4. 信息载荷于遮挡光的方式信息载荷于遮挡光的方式 利用物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过利用物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电器件的视场进行测量。光电器件的视场进行测量。 应用范围：光电测微仪、光电投影显微测量仪、光电计数、应用范围：光电测微仪、光电

9、投影显微测量仪、光电计数、光控开关和主动式防盗报警。光控开关和主动式防盗报警。 举例：检测物体宽度、速度、位移、加速度等。举例：检测物体宽度、速度、位移、加速度等。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 5. 5. 信息载荷于光学量化器的方式信息载荷于光学量化器的方式 光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有限个离散量的方法。光学量化器主要包括光栅摩尔条纹量化器、限个离散量的方法。光学量化器主要包括光栅摩尔条纹量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。各种干涉量化器和光

10、学码盘量化器等。 应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加工的自应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加工的自动控制方面。动控制方面。 举例：长度测量。举例：长度测量。例如，将长度信息量例如，将长度信息量L L经光学量化后形成经光学量化后形成n n个条纹信号，量化个条纹信号，量化后的长度信息后的长度信息L L为为 L L=q=qn n 式中，式中，q q称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有关，称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有关，量化器确定后它是常数。例如，采用光栅摩尔条纹变换器时，量化器确定后它是常数。例如，采用光栅摩尔条纹变换器时，量化单位量化单位q q等于光栅的节距

11、，在微米量级；而采用激光干涉量等于光栅的节距，在微米量级；而采用激光干涉量化器时，化器时，q q为激光波长的为激光波长的1/41/4或或1/81/8，视具体的光学结构而定。，视具体的光学结构而定。目前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角度测目前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。量和精密机床加工量的自动控制等方面。 一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 6. 6. 光通信方式的信息变换光通信方式的信息变换 信息首先对光源进行调制，发出载有各种信息的光信号，信息首先对光源进

12、行调制，发出载有各种信息的光信号，通过光纤传送到目的地，再通过解调器还原信息。广泛用于声通过光纤传送到目的地，再通过解调器还原信息。广泛用于声音和视频图像等信息通信中。音和视频图像等信息通信中。二、光电信息变换的类型二、光电信息变换的类型 7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 光电信息变换和信息处理方法可分为光电信息变换和信息处理方法可分为2 2类：一类称为模拟量的类：一类称为模拟量的光电信息变换；另一类称为数字量的光电信息变换，例如后光电信息变换；另一类称为数字量的光电信息变换，例如后2 2种变种变换方式。换方式。 1. 1. 模拟光电变换模拟光电变换 被测的非电量信息（如温

13、度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、被测的非电量信息（如温度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，常为光度量（通量、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照度和出射度等）的方式送给光电器件，光电器件则以模拟电流照度和出射度等）的方式送给光电器件，光电器件则以模拟电流IpIp或电压或电压UpUp信号的形式输出。即输出信号量是被测信号量信号的形式输出。即输出信号量是被测信号量Q Q的函数，的函数，或称输出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函数关系。可表或称输出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函数关系。可表示为示为 Ip=f(Q)二、光电信息变换的类型二

14、、光电信息变换的类型 7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 2. 2. 模模- -数光电变换数光电变换 在这类光电变换中，被测信息量在这类光电变换中，被测信息量Q Q通过光学变换量化为数字信通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。输出。 模模- -数光电变换中的光电变换电路只要输出数光电变换中的光电变换电路只要输出“0 0”和和“1 1”（高、（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。

15、因此，这类光电变换电路的输出信号不再是等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量电流或电压，而是数字信息量F F。它与被测信息量。它与被测信息量Q Q的函数关系为的函数关系为 F = f(Q)F = f(Q)探探测测器器放放大大器器示波器示波器背景背景目标目标信信 号号处处 理理模拟系统与数字系统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。 模拟系统：模拟系统： 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

16、换。数字系统：数字系统： 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，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。 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。 其它分类方法其它分类方法 1主动系统与被动系统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。 主动光电系统：主动光电系统： 光电系统的照明是人工光源，如白炽灯、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。被动光电系统被动光电系统 : 光电系统的照明光源是自然光（如太

17、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。2直接检测系统与相干检测系统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。 直接检测系统：直接检测系统： 不论是用相干光源还是非相干光源来携带光信息，检测器件只直接检测光强度。 相干检测系统：相干检测系统： 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。 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信噪比，因而系统精度更高、稳定性也更好。3可见光检测系统与红外光检测系统可见光

18、检测系统与红外光检测系统 按照光谱范围分。 4点检测系统与面探测系统点检测系统与面探测系统 按接收系统分。 5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。 通知：通知：CCD微机测径微机测径太阳能电池与液晶的电光效应太阳能电池与液晶的电光效应光电器件特性参数光电器件特性参数12.6下午下午3.00补做第补做第25次试验次试验12.6晚上晚上6.15补做第补做第13次试验次试验星期五不补了，过期不候星期五不补了，过期不候一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换1. 1. 投

19、影放大法投影放大法 将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的方法有将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的方法有投影放大法，激光三角测量法，光学灵敏杠杆测量法，激光扫描投影放大法，激光三角测量法，光学灵敏杠杆测量法，激光扫描测量法和差动测量法等。测量法和差动测量法等。 投影仪是一种光学放大成像仪器。所以，特别适合用于对形投影仪是一种光学放大成像仪器。所以，特别适合用于对形状复杂的工件和较小型工件的测量。状复杂的工件和较小型工件的测量。光源光源聚光镜聚光镜保护玻璃保护玻璃待测物体待测物体物镜物镜反射镜反射镜投影屏投影屏一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3

20、7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换2. 2. 激光三角法激光三角法单点式激光三角法常采用直射和斜射两种结构。单点式激光三角法常采用直射和斜射两种结构。 激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等特点，在长度、距离及三维形貌等的测试强、使用灵活方便等特点，在长度、距离及三维形貌等的测试中应用广泛。中应用广泛。 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换sincosaxxbx11212cossin()cos()axxbxsincosaxxbx一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸

21、信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换2. 2. 激光三角法激光三角法 利用直射式方法还可利用直射式方法还可测量被测面的位移量。测量被测面的位移量。tanzbtanfxfzbx 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换3.3.光学灵敏杠杆法光学灵敏杠杆法 用来测量微小长度用来测量微小长度（或长度改变量）。（或长度改变量）。一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换4.4.激光扫描法激光扫描法 这种方法是利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体这种方法

22、是利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布，通过测量边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布，通过测量通光与遮光的时间差进行测长。通光与遮光的时间差进行测长。一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 在成像系统中，物像之间在成像系统中，物像之间有严格的几何关系，被测物体有严格的几何关系，被测物体离开理想物面时就会引起像面离开理想物面时就会引起像面上的光照度分布的变化，利用上的光照度分布的变化，利用这种现象可以测量轴向位移。这种现象可以测量轴向位移。二、位移信息的光电变换

23、二、位移信息的光电变换 光焦点法：以聚焦光斑光密光焦点法：以聚焦光斑光密度分布的集中程度来判断物体度分布的集中程度来判断物体轴向位移的方法。轴向位移的方法。1.1.像点轴上偏移检测的光焦点法像点轴上偏移检测的光焦点法 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 像偏移法又叫光切法。它是一种三角测量方式的轴向位移测像偏移法又叫光切法。它是一种三角测量方式的轴向位移测量方法。量方法。二、位移信息的光电变换二、位移信息的光电变换2.2.像点轴外偏移检测的像偏移法像点轴外偏移检测的像偏移法Az 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 利用光电开关可以实现

24、速度信息的光电转换。同时，光电开利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。三、速度信息的光电变换三、速度信息的光电变换1.1.光电耦合器件（光电开关）测速光电耦合器件（光电开关）测速 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。三、速度信息的光电变换三、速度信息的

25、光电变换2.2.光电耦合器件（光电开关）测速光电耦合器件（光电开关）测速 使用范围：自动售货机中硬币检测；反射型光电开关用于传使用范围：自动售货机中硬币检测；反射型光电开关用于传真、复印；透射式光电开关可用于圆盘光栅式读数装置（如电子真、复印；透射式光电开关可用于圆盘光栅式读数装置（如电子秤）。秤）。 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换n干涉方法的光电信息变换干涉方法的光电信息变换n衍射方法的光电信息变换衍射方法的光电信息变换 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换 利用光电方法对光波的各利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，种

26、干涉现象进行检测和处理，最后解算出被测几何和物理参最后解算出被测几何和物理参量的技术，统称为光电干涉测量的技术，统称为光电干涉测量技术。量技术。一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换1.1.光电干涉测量技术光电干涉测量技术00( ,)rIA f00( ,)rIA f( )x( )v x00( ,)rIA ff干涉仪中用激光为相干光载波，它的振幅为A，频率为f ，初相位为的载波信号，用 表示。载波信号分为二路引入干涉仪。在测量臂中 受到待测位移信号 的相位调制。形成 的调相信号。待测信息为运动速度 。产生的调频信号为 这样测量臂起到信号调制器的作用。 ro00,rfAI00,rfA

27、I x00,rfAI x00,ffAIr图样（在测位移情况下）或确定光拍频率（在测速情况下）的输出信号。 已调制光频波在干涉物上和来自参考臂的参考光波相干涉，呈现出具有稳定的干涉 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换 使用窄光束单频光的干涉测量系统，检测对象是干涉条纹波使用窄光束单频光的干涉测量系统，检测对象是干涉条纹波数或相位随时间的变化，为一维空间单频光的相位调制，适数或相位随时间的变化，为一维空间单频光的相位调制，适用于被测对象为物体的整体位移或运动。用于被测对象为物体的整体位移或运动。一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条

28、纹检测单频光相干的条纹检测 当激光束扩束成为平行光照射到被测物体时，会形成由干涉当激光束扩束成为平行光照射到被测物体时，会形成由干涉条纹组成的平面干涉图像。它反映了被测物面微观面形的几条纹组成的平面干涉图像。它反映了被测物面微观面形的几何参量的变化，是二维空间单频光的相位调制。何参量的变化，是二维空间单频光的相位调制。 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测干涉条纹时序变换的检测可采用下列光电方法：干涉条纹时序变换的检测可采用下列光电方法：干涉条纹光强检测法、干涉条纹比

29、较法和干涉条纹跟踪法等干涉条纹光强检测法、干涉条纹比较法和干涉条纹跟踪法等窄光束或平行的单频光窄光束或平行的单频光位移、运动或面形位移、运动或面形光电系统光电系统干涉图样相位随时干涉图样相位随时间的变换间的变换 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测 利用光学干涉仪的双光利用光学干涉仪的双光束或多光束干涉作用，以光束或多光束干涉作用，以光电器件直接检测条形或同心电器件直接检测条形或同心圆环形干涉条纹的光强变化圆环形干涉条纹的光强变化来实现干涉条纹时序变化检来实现干涉条纹

30、时序变化检测的。测的。（1 1）干涉条纹光强检测法）干涉条纹光强检测法光源光源检测检测2 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测 利用两束不同频率的相干光作为光源，其中一束频率利用两束不同频率的相干光作为光源，其中一束频率已知，另一束未知，对应同一位移，通过比较波长不同的已知，另一束未知，对应同一位移，通过比较波长不同的两束光干涉条纹频率变化得到待测量的方法称为干涉条纹两束光干涉条纹频率变化得到待测量的方法称为干涉条纹比较法。比较法。（2 2）干涉条纹比较法）干涉条纹比

31、较法 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换rx 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测干涉条纹跟踪法为干涉条纹跟踪法为平衡平衡测量测量的方法。的方法。（3 3）干涉条纹跟踪法）干涉条纹跟踪法为保证干涉条纹的稳定，为保证干涉条纹的稳定，使参考镜根据测量镜的位使参考镜根据测量镜的位移做相应的位移变化移做相应的位移变化 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的

32、光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换3.3.双频光相干的差频检测双频光相干的差频检测 双频光的差频检测是将包含有被测信息的相干光调制波和基双频光的差频检测是将包含有被测信息的相干光调制波和基准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进行光学混频，光电探测器的输出为两光波的差频电信号。行光学混频，光电探测器的输出为两光波的差频电信号。 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换3.3.双频光相干的差频检测双频光相干的差频检测作为基准的本作为基准的本机振荡

33、光波机振荡光波包含被测信息包含被测信息的相干光调制的相干光调制光电检测光电检测系统系统差频信号（拍频）差频信号（拍频）光学混频光学混频 差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度高、探测目标的作用距离远等。高、探测目标的作用距离远等。 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换3.3.双频光相干的差频检测双频光相干的差频检测作为基准的本作为基准的本机振荡光波机振荡光波包含被测信息包含被测信息的相干光调制的相干光调制光电检测光电检测系统系统差频信号（拍频）差频信号（拍频）光学混

34、频光学混频 差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度高、探测目标的作用距离远等。高、探测目标的作用距离远等。n7.4.2 衍射方法的光电信息变换衍射方法的光电信息变换 1、夫琅和费单缝衍射夫琅和费单缝衍射 氦氖激光器发出的单色平行光垂直照射在宽为b的狭缝AB上，经透镜在其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射图样。若衍射角为 的一束平行光经透镜聚焦在屏幕上的P点，如图7-43所示， 图中AC垂直BC，因此衍射角为的光线从狭缝A、B两边到达P点的光程差，即它们的两条边缘光线之间的光程差为 sinbBC （7-72） P点干涉条纹的亮暗由BC值决定，用数学

35、式表示如下： 2) 12(sin22sinsinkbkbb（7-73） 式中的号表示亮暗条纹分布于零级亮条纹的两侧；相应为第一级，第二级，等亮（或暗）条纹。中央零级亮条纹最亮最宽，为其它亮条纹宽度的二倍。两侧亮条纹的亮度随级数增大而逐渐减小，它们的位置可近似地认为是等距分布的，暗点等距分布在中心两点的两侧。 当狭缝宽度b变小时，衍射条纹将对称于中心亮点向两边扩展，条纹间距增大。激光衍射图样明亮清晰，衍射级次可以很高。 若屏幕离开狭缝的距离L远大于狭缝宽度b时，将透镜取掉，仍可以在屏幕上得到垂直于缝宽方向的亮暗相间的夫琅和费衍射图样。由于 角很小。因此由图7-43和式（7-73）可得 式中，为从

36、 0算起的暗点数， 为第K级暗点到中心亮纹之间的间距，为激光的波长，SLxkLbk（7-74）kxkxSk/为相邻两点的间隔。图7-44所示为距离屏幕的距离L为1m处，不同狭缝宽度b所形成的衍射图样。由于b值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化，因此可以用目测或照相记录或光电的方法测量出条纹间距，从而求得b值或其变化量。利用物体的微小间隔、位移或振动等代替狭缝或狭缝的一边，则可测量物体的微小间隔、位移或振动等。 n2 夫琅和费细丝衍射 夫琅和费单缝激光衍射传感器的误差由L、的测量精度决定。被测狭缝宽度b一般为0.010.5mm。 如图7-45所示，由氦氖激光器发出的激光束照射细丝（被测物）

37、时，其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为f的透镜的焦平面处）上形成夫琅和费衍射图样。与上同理，相邻两暗点或亮点间隔S与细丝直径d的关系为 Sfd（7-75） 当d变化时，各条纹位置和间距随之变化。因此可根据亮点或暗点间的距测出细丝的直径。 若在屏幕位置放置线阵CCD传感器件，可以直接读出亮、暗条纹的间距，即可测出细丝的直径。测量范围约为0.010.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm，也可高达0.05mm。 3 . 应用举例应用举例 利用激光衍射传感器可以测量微小间隔（如薄膜材料表面涂层厚度），微小直径（如漆包线，棒料直径变化量），薄带宽度（如钟表游丝），狭缝宽度，微孔孔径

38、，微小位移以及能转换成位移的物理量如重量、温度、振动、加速度、压力等。 （2）激光衍射振幅测量仪）激光衍射振幅测量仪 如图7-47所示，为激光衍射测量振动幅度的原理。激光射入基准棱和被测物组成的狭缝，在p处产生衍射图样。 设狭缝的初始宽度为b、光电器件置于第k（一般取2或3）级条纹的暗点处，距零级中心线为xk，xk=kL/b。当被测物作简谐振动时，振动方程为x=XMsint，则狭缝宽度变为b=XMsint，衍射条纹位置和间隔相应变化，根据式（7-75）可得 tXbkLxksinM(7-76) 因此， 为 的函数。由于光电器件的位置固定，即 为定值， 的变化使光电器件所接收的光强随之变化。若满足

39、 条件，便可以直接测出物体振动的幅度。 kxMXkxkx2/bXM7.5 时变光电信息的调制n调制的基本原理与类型调制的基本原理与类型n信号的调制信号的调制n调制信号的解调调制信号的解调n调制调制是光电系统中的一个重要环节。是光电系统中的一个重要环节。n光辐射调制光辐射调制是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数使之携带信息的过程。等参数使之携带信息的过程。n调制的目的调制的目的是对所需处理的信号或被传输的信息做某种形是对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式的变换，式的变换， 使之便于处理、传输和检测。使之便于处理、传输和检测。 调制的基本原理调

40、制的基本原理n抑制背景光的干扰：抑制背景光的干扰：n抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场的干扰：场的干扰：因而采用调制的光电系统具有更高的探测能力因而采用调制的光电系统具有更高的探测能力光调制的优点n无线电通信应用无线电通信应用调制和解调调制和解调技术。技术。n调制：调制：直流信号进行放大时，为克服直直流信号进行放大时，为克服直流放大器的零点漂移，通常采用将直流流放大器的零点漂移，通常采用将直流信号信号调制调制成交流信号，先进行交流放大，成交流信号，先进行交流放大，再分离出直流信号的方法。再分离出直流信号的方法。n解调：解调：从已调制信号中恢复原始信号的从

41、已调制信号中恢复原始信号的过程，即通常所说的信息检测。过程，即通常所说的信息检测。 调制的基本原理调制的基本原理 由激光由激光“携带携带”的信息的信息(包括语言、文字、图像、符号等包括语言、文字、图像、符号等)通通过一定的传输通道过一定的传输通道(大气、光纤等大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称之这种将信息加载于激光的过程称之为光的调制为光的调制。 完成这一过程的装置称为完成这一过程的装置称为调制器调制器(Modulator）。其中激光。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。称为

42、载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。 调制的基本原理调制的基本原理 激光激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。的载波。7.5.1 调制的基本原理与类型n1. 载波与调制载波与调制载波：在光电信息系统中，光通量为信息的载波：在光电信息系统中，光通量为信息的载体，称为载波。载体，称为载波。调制：使光载波信号的一个或几个特征参数调制：使光载波信号的一个或几个特征参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检按被传送信息的特征变化，

43、以实现信息检测传送目的的方法称为调制。测传送目的的方法称为调制。解调：从已调制信号中分离并提取出有用的解调：从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程称为解调。信息，即恢复原始信息的过程称为解调。7.5.1 调制的基本原理与类型n1. 光电信息调制的分类光电信息调制的分类（1）按时空状态分：）按时空状态分：时间调制：载波随时间和信息变化。时间调制：载波随时间和信息变化。空间调制：载波随空间位置变化后再按信空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。息规律调制。时空混合调制：载波随时间、空间和信息时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。同时变化。2按按调制器和激光器的相

44、对关系调制器和激光器的相对关系分：分：内调制和外调制内调制和外调制)cos()(cccctAtE振幅cA角频率c相位角c例如：光发调制（内调制）激光光波的电场强度是：激光光波的电场强度是：内调制内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制性以实现调制。内调制主要用在光通信的注入式半导体光源内调制主要用在光通信的注入式半导体光源中。中。n强度调制强度调制n对半导体激光器的驱动电源用调制信号直对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控

45、制，从而实现对所发射激光的强度进接控制，从而实现对所发射激光的强度进行调制的目的。行调制的目的。n对发光二极管，半导体激光器等常规光源，对发光二极管，半导体激光器等常规光源，其发光强度与其中通过的电流成正比。其发光强度与其中通过的电流成正比。 改变电流改变电流实现强度调制实现强度调制内调制的方法一n频率调制频率调制n把调制元件放在激光器的谐振腔内，用欲把调制元件放在激光器的谐振腔内，用欲传输的信号控制调制元件物理性质的变化，传输的信号控制调制元件物理性质的变化，从而改变光腔参数，以达到调制激光输出从而改变光腔参数，以达到调制激光输出的目的。的目的。n如在可调腔长式激光器中，输出激光波长如在可调

46、腔长式激光器中，输出激光波长与腔长有关。与腔长有关。 在一端的反射镜后装一压电陶瓷片，就可在一端的反射镜后装一压电陶瓷片，就可以外加偏压来调整激光器的腔长。以外加偏压来调整激光器的腔长。内调制的方法二 外调制外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制制器时，就会使光波的某参量受到调制。外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。

47、调制带宽要宽得多，故倍受重视。（3）按载波波形和调制方式分类：）按载波波形和调制方式分类：直流载波调制：不随时间而只随信息变化的调制。直流载波调制：不随时间而只随信息变化的调制。交变载波调制：载波随时间周期变化的调制。交变载波调制：载波随时间周期变化的调制。交变载波又分为连续载波和脉冲载波方式：交变载波又分为连续载波和脉冲载波方式：连续载波调制方式包括调辐波、调频波、调相波；连续载波调制方式包括调辐波、调频波、调相波；脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频。脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频。光通量的调制可以在辐射源或光路系统中进行，能实现调制作用的装置称作调制器。从己调制信号中分离或

48、提取有用信息的过程称作解调。 (a) (a) 调制信号调制信号(b) (b) 脉冲幅度调制脉冲幅度调制(c) (c) 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(d) (d) 脉冲频率调制脉冲频率调制(e) (e) 脉冲位置调制脉冲位置调制 脉冲调制形式脉冲调制形式不连续调制属于两次调制：不连续调制属于两次调制：(脉冲位置调制脉冲位置调制) )1 1、用调制信号改变电脉冲序列中每一个脉冲产生的时间。、用调制信号改变电脉冲序列中每一个脉冲产生的时间。2 2、对光载波进行调制。、对光载波进行调制。ttmsin)(0式中0为光通量的直流分量，一般不载荷任何信息；m和为载波交变分量的振幅和频率。 )()()(sin()

49、(0tVttVtVtm式中，V（t）为由被测信息决定的调制函数，根据调制参量的不同可以分为： 振幅调制（AM）：调制参量为；频率调制（FM）：调制参量为； 相位调制（PM）：调制参量为载波的初始相位。 （7-77） (1) 连续波调制连续波调制的光载波通常具有谐波的形式，用下列函数描述 n3. 典型的调制方法 振幅调制 光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例变化，而频率、相位保持不变的调制方法称幅度调制或调幅。此时，若式（7-77）中的 为 )(tVmmmtmVtV)(1 )(（7-78） 则式（7-78）变成 ttmVtmsin)(1 )(0式中V（t）是调制函数，规定；m是调制度或调制深度

50、，表示V（t）对载波幅度的调制能力，并且 1载波幅度化被调制波的最大幅度变mmm（7-79） 以最简单的正弦调制函数为例讨论幅度调制的一般规律，分析调幅波的形成过程和它的频谱分布。 如图7-48（a）所示为按单一谐波规律变化的被传送信息， ，式中， 为被测信息的谐波角频率；F、为相应的频率和初相位。图7-48（b）所示为正弦载波。当被传送信息 的初始相位=0时，被调制的载波信号为 ttVsinF2 ttVsin ttmtmsinsin10（7-80） 相应的波形图如图7-48(c)所示。 将式(7-80)用数学三角公式展开，得到调幅波的频谱 ttmttmmcoscos21sin0（7-81）

51、相应的频谱如图7-48(d)所示。 可见，正弦调制函数的调幅信号除了零频率分量外还包含有三个谐波分量，即以f0为中心频率的基频和基波振幅之半、频率分别为（f0+F0）、（f0-F0）的两个分量。 对于频谱分布在F0F（=2F0）范围内的任意函数V(t) ，所对应的调幅波频谱是由以载波频率f0为中心的一系列边频组成，分别为f0F1；f0F2；f0F。式中F1，F2均为F内的频谱分量；频谱图如图7-48(e)所示。若调制信号具有连续的带宽Fmax，则调幅波的频带是f0Fmax，带宽为Bm=2 Fmax，其中Fmax是调制信号的最高频率（图中虚线）。 调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。如若载波

52、频率为f0=10 kHz，调制信号频率为F0500Hz，则调幅后的载波频谱分布在fL（100.5）kHz9.5kHz和fH（100.5）kHz10.5kHz之间，也就是调幅波的带宽为Bm=1kHz。因此，检测通道的带宽满足Bm的要求，对带宽外的信号进行有选择地滤波，以便减少噪声和干扰，有利于提高信噪比。 频率调制频率调制是指载波的频率按调制信号的幅度改变，使调制后的调频波频率偏离原有的载波频率，而偏离值与调制信号幅度瞬时值成正比，简称为调频。式（7-77）中的调制项为 tVtV0（7-82） 式中V（t）为调制函数，规定 ； 是载波频率相对于中心频率f 的最大频率偏差，简称频偏。 1)(tV2

53、f0当时，载波频率的变化最大，为 。将式（7-82）代入式(7-77)中得 0 tmdttVtt000sin（7-83） 若有余弦调制函数的情况，即 ， ttVcos式中 为调制角频率。F2则式(7-83)可写成 ttmttfmsinsin00式中 为频率调制指数。 为偏频，F为调制频率。 m 表示单位调制频率引起偏频变化的大小。 在设计时确定。 Ffmfffmf当 时称为宽带调频， 时称为窄带调频。调频信号的波形如图7-49所示。图7-49（a）所示为调频信号的波形，图7-49（b）所示为调频信号的频谱。 1fm1fm将式（7-84）展开 tmttmttffmsinsincossincoss

54、in000（7-85） 在窄带调频的情况下，式(7-85)中的 （7-84）1sincostmftmtmffsinsinsin，；则式（7-84）可写成 tmtttfmsincossin000ttmtmfm0000sinsin21sin（7-86） 频谱的基波频率为 ，组合频率为 和 。 000一般情况下，调制信号形式比较复杂时，频谱是以载波频率为中心的一个带宽域，带宽因 而异。窄带调频时的带宽为 ，宽带调频时的带宽为 。例如，对光通量调频，若F=300Hz，则当 fmFBf2FmFfBff122 = 40时= 24.6kHzfmfB= 4时= 3kHz fmfB= 0.4时= 0.86kHz

55、 fBfm光辐射调频不但可以对交变的光通量进行，而且可以对光频振荡进行调频。例如可以对激光器进行调频以便得到中心载波频率为f0=51014Hz、调制频率fmax=44MHz的频率调制，相对频偏为910-8。 相位调制 相位调制为载波的相位角随着调制信号的变化而变化的调制。调频和调相两种调制波最终都表现为总相角的变化。 相位调制是式（7-77）中的相位角随调制信号的变化规律而变化，调相波的总相位角为 cmtktttsin则调相波可写为 cmmmtkttVttsinsinsin00（7-87） （7-88） 式中 为相位比例系数，c为相位角。 k(2) 脉冲调制以上几种调制方式所得到的调制波都是连

56、续振荡波称为模拟调制。目前，广泛地采用不连续状态的脉冲调制和数字式调制（编码调制）。 如将直流信号用间歇通断的方法调制，可以得到连续的脉冲载波。若使载波脉冲的幅度、相位、频率、脉宽及其它的组合按调制信号改变就会得到不同的脉冲调制。 脉冲调制有脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲频率调制等。图7-50所示为各种类型的脉冲调制方式的波形图。(3) 脉冲编码调制n实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样抽样量化量化编码编码脉冲编码调制n（1）抽样：抽样：把连续信号波分割成不连续的脉冲波，把连续信号波分割成不连续的脉冲波，且脉冲列的幅度与信号波的幅度相对应。且脉冲列的幅

57、度与信号波的幅度相对应。n按照抽样定理，只要取样频率比所传递信号的按照抽样定理，只要取样频率比所传递信号的最高频率大两倍以上，就能恢复原信号。最高频率大两倍以上，就能恢复原信号。脉幅调制信号脉幅调制信号模拟信号模拟信号脉冲编码调制n（2）量化：量化：把抽样后的脉幅调制波进行分级把抽样后的脉幅调制波进行分级取取“整整”处理，用有限个数的代表值取代抽样处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。值的大小。脉幅调制信号脉幅调制信号模拟信号模拟信号抽样抽样数字信号数字信号量化量化非等幅等宽数字信号非等幅等宽数字信号n（3）编码：编码：把量化后的数字信号变换成相应的把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的

58、过程。二进制码的过程。“有有”脉冲脉冲“无无”脉冲脉冲“1”“0”激光载波的极大值激光载波的极大值激光载波的零值激光载波的零值编码调制器电脉冲信号电脉冲信号光脉冲信号光脉冲信号脉冲编码调制脉冲编码调制在数字激光通信中广泛应用在数字激光通信中广泛应用(4) 其它参量调制 能够表征光波的几何或物理特性的参量除光强、变化频率和相位之外还有许多其他的参量，比如光传输中偏振方向和传播方向等，这些参量也能作为调制的对象，用来传送有用的信息。 如光波在旋光性物质中传播时，偏振面的转动可以用来取得有关该物质性质的信息。例如糖溶液或松节油可使通过该溶液偏振光的偏振面转角，它不仅与通过溶液的路程l有关，而且还正比

59、于溶液的浓度c，即 alc（7-89） 式中，a为溶液的旋光率。由于偏振面的旋转角有方向性，例如葡萄糖为右旋，果糖为左旋，因此，通过测量偏振的旋转角可以获得溶液的浓度和物质的性质。光辐射的调制实现方法光辐射的调制实现方法1 1 电光调制电光调制2 2 声光调制声光调制3 3 磁光调制磁光调制4 4 机械调制机械调制1 电光调制电光调制【基本要求基本要求】1、基本原理；2、电光调制器的结构1、电光强度调制、电光强度调制晶体的双折射l定义: 是指光在各向异性介电晶体中传播时, 分为两束偏振方向不同的光, 向两个方向折射l通常情况下,o光与 e光的传播方向不同各向同性介质各向同性介质双折射现象双折射

60、现象外加强电场外加强电场单色自然光单色自然光 晶体的截面晶体的截面O O光光 e e光光12090 cba三角12090cba六角三斜cba立方90cba正交（斜方）90cba90cba正方90cba单斜光在晶体中的传播特性n光在晶体中的传播实际是光与晶体相互作用的结果：n介质受到光波电场E作用后产生极化, 极化强度用极化强度矢量P来表示, P与E之间的关系用宏观物理量极化率来描述n光辐射场对晶体的极化影响综合效果集中表现为介电常量的变化，从而引起折射率从而引起折射率变化变化： 在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述晶体光在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述晶体光学性质的折射率椭球方程为