02(直接检测系统)1

1、1第二章非相干光信号变换方法第二章非相干光信号变换方法 。这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范。这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范围，它的特征参量只随时间缓慢地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的围，它的特征参量只随时间缓慢地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的一维函数而与空间坐标无关，可用函数一维函数而与空间坐标无关，可用函数F(t)表示。表示。 。这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光。这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光信号的参量随空间位置而改变。因此是二维或三维空间的函数，用函数信号的参量随空间位置而改变。因此是二维或三维空间的函数，用函数F(x,y,z)表示，其中随时间变

2、化的信号称作时空变化的光电信号，用函数表示，其中随时间变化的信号称作时空变化的光电信号，用函数F(x,y,z,t)表示。表示。2直直接接检检测测调调制制和和解解调调幅值法幅值法频率法频率法相位法相位法时间法时间法单通道单通道双通道双通道波数测量波数测量频率测量频率测量连续波调制连续波调制脉冲调制脉冲调制调幅调幅调频调频直读法直读法指零法指零法差动法差动法比较法比较法3简单光学目简单光学目标空间定位标空间定位光学图像的光学图像的扫描扫描亮度中心检亮度中心检测法测法几何中心检几何中心检测法测法图像扫描图像扫描实体扫描实体扫描光度变换光度变换空间编码空间编码象分析象分析扫描调制扫描调制光学象分析光学

3、象分析象限监测器象限监测器几何参量的几何参量的检测检测线值测量线值测量轴向测距轴向测距机械式机械式光束式光束式电子式电子式运动物体运动物体静止物体静止物体空间搜索空间搜索42.1、时变光信号的直接检测、时变光信号的直接检测 光学信号有各种不同的变化形式，光学信号有各种不同的变化形式，。因此，。因此，所以了解和掌握光通量的一般测量方法，所以了解和掌握光通量的一般测量方法，对于光电系统的分析和设计是最基本知识。对于光电系统的分析和设计是最基本知识。5 光通量可以是不随时间变化的量值，可以是随时间缓慢变光通量可以是不随时间变化的量值，可以是随时间缓慢变化的，也可以是随时间周期性变化的。周期性变化的光

4、信号可化的，也可以是随时间周期性变化的。周期性变化的光信号可以用信号的振幅、频率和相位来表征。以用信号的振幅、频率和相位来表征。 根据这一特点，光信号的测量可以分为根据这一特点，光信号的测量可以分为的，的，的和的和的，的，。6 各种类型的测量方法的测量误差有明显的不同，在通常条各种类型的测量方法的测量误差有明显的不同，在通常条件下件下，而一般，而一般。这是由于频率的基准可以。这是由于频率的基准可以达到很高的精度。例如，利用专门的稳频装置的激光器的频率达到很高的精度。例如，利用专门的稳频装置的激光器的频率稳定度可达稳定度可达1014，谱线的宽度只有几个赫兹，显然其测量精谱线的宽度只有几个赫兹，显

5、然其测量精度还可提高。时间脉冲的测量具有类似频率测量的精度，因为度还可提高。时间脉冲的测量具有类似频率测量的精度，因为频率和时间测量之间是有确定关系的，即频率和时间测量之间是有确定关系的，即f1T。7 8 为了测量样品的为了测量样品的，可以在光路中轮流放置透过率已，可以在光路中轮流放置透过率已知的标准样品，每次对电表值标定。经过这样的处理后，再将知的标准样品，每次对电表值标定。经过这样的处理后，再将被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测的透过被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测的透过率值。率值。9 设照明样品的光通量为设照明样品的光通量为0，样品透过率为，样品透过率为，透

6、过样品并为光电检测器透过样品并为光电检测器接收的光通量为接收的光通量为，检测器电流灵敏度为检测器电流灵敏度为S1，放大器增益为放大器增益为K，电表的传递电表的传递系数为系数为M，转角示值为转角示值为，则直读系统的测量值可表示为：则直读系统的测量值可表示为：010001KMSKKKMS其其中中 10 当当K0保持恒定不变时，被测值保持恒定不变时，被测值和电表示值和电表示值之间存在着之间存在着一一对应的关系，可借以确定被测的一一对应的关系，可借以确定被测的值。值。 010001KMSKKKMS其其中中11 指零测量法指零测量法，图中表示了采用指零法测量，图中表示了采用指零法测量偏振物质偏振面转角偏

7、振物质偏振面转角的光电装置及系统方框图，在光路中布的光电装置及系统方框图，在光路中布置有起偏器和检偏器。置有起偏器和检偏器。12 起偏器：起偏器：能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器。能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器。 检偏器：检偏器：用于检验偏振光的器件称为检偏器。用于检验偏振光的器件称为检偏器。 从起偏器出射的光经过一检偏器，则透过两个偏振器后的从起偏器出射的光经过一检偏器，则透过两个偏振器后的光强光强I随两器件透光轴的夹角随两器件透光轴的夹角而变化。即：而变化。即：I = I0 cos2 1314 事先使检偏器的偏振面相对起偏器转成事先使检偏器的偏振面相对起偏器转成90，此时检测

8、器光敏面上，此时检测器光敏面上的光通量为零的光通量为零。 在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品，它引起偏振面的旋转在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品，它引起偏振面的旋转增大了透过光的数值，借助于指示电表可以观察到相对于零位的偏差。增大了透过光的数值，借助于指示电表可以观察到相对于零位的偏差。 若转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由被测样品若转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由被测样品引起的偏振面的转角。引起的偏振面的转角。 用高精度的角度基准对检偏器转角逐点标定后，只要测量出检偏器用高精度的角度基准对检偏器转角逐点标定后，只要测量出检偏器相对零位的转角即可得到所需

9、的偏振面旋转值。相对零位的转角即可得到所需的偏振面旋转值。 15 设设，0 ，偏振器组合的相对转角，偏振器组合的相对转角x0 对于透光率对于透光率的转换因子为的转换因子为M，则对偏振器组合和测量电表输出转角则对偏振器组合和测量电表输出转角分别分别表示为：表示为：00IxSKM0000 xxIKMSK求解以上二式有求解以上二式有式中，式中，0为入射照明光通量；为入射照明光通量；SI为光电器为光电器件灵敏度；件灵敏度；K为放大器增益。为放大器增益。16 在无试样的标准状态下，即在无试样的标准状态下，即x0 0时，调整时，调整0 ，使，使0 0。随后加入试样则随后加入试样则x00 ，因而因而00 ，

10、重新调整重新调整0使使再次为零，再次为零，此时由此时由=K0(x- 0) 有有 x=0上式表明：上式表明：0000 xxIKMSK17 在上述系统中，电路部分没有直接用于读数，而只是用作电表的指零，在上述系统中，电路部分没有直接用于读数，而只是用作电表的指零，指零的效果是由于被测量和已知量相互平衡造成的，这种通过指零将被测量指零的效果是由于被测量和已知量相互平衡造成的，这种通过指零将被测量和已知量进行比较测量的方法称作指零法或零示法。和已知量进行比较测量的方法称作指零法或零示法。 因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的。因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的。18入射光通量的波动会直接影响

11、测量结果，为了克服这入射光通量的波动会直接影响测量结果，为了克服这一缺点，采用具有两个光学通道的测量方法。一缺点，采用具有两个光学通道的测量方法。19反射镜反射镜透镜透镜标准样品标准样品被测样品被测样品光电探测器光电探测器放大比较器放大比较器光源光源20 用作测量透过率的双通道测量系统示意图如图所示。图中，光辐射源用作测量透过率的双通道测量系统示意图如图所示。图中，光辐射源1 1借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道和测量通道和测量通道并行传送。在基准并行传送。在基准通道通道的光路中放置具有固定透过率的标准样品的光路中放置具有固定透过率的标准样品2 2，通过光检测

12、器，通过光检测器5 5监视入监视入射光通量射光通量0的变化。在测量通道的变化。在测量通道中放置被测样品中放置被测样品4 4，透过被测样品的光通，透过被测样品的光通量量经光检测器经光检测器6 6后在放大器后在放大器7 7中和基准通道的参考信号相比较，通过不同中和基准通道的参考信号相比较，通过不同形式的比较处理最终得到测量结果。形式的比较处理最终得到测量结果。 双通道系统的信号处理方法常采用双通道系统的信号处理方法常采用。21 在它的测量通道中装置有可变透过率的光屏在它的测量通道中装置有可变透过率的光屏3 3。它是一块破璃平板，沿。它是一块破璃平板，沿着各截面镀有吸收率不同的膜层。着各截面镀有吸收

13、率不同的膜层。 反射镜反射镜透镜透镜标准样品标准样品被测样品被测样品光电探测器光电探测器放大比较器放大比较器光源光源222.补偿法补偿法23在装上被测样品在装上被测样品4 4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。等，处于平衡状态。光屏的移动由与之相连的指针机构光屏的移动由与之相连的指针机构9 9显示，指针的位置和不同被测样品的透过显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。率相对应。当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。此时若移动光屏改变透过率值当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。此时若移动光屏改变

14、透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平衡。衡。这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。相等时读出。24 二个通道的光通量分别由检测器接收，由差动放大器二个通道的光通量分别由检测器接收，由差动放大器7 7得到增益。放大得到增益。放大器输出电压接到伺服电机器输出电压接到伺服电机8 8的控制绕组上。当两个通道的光通量不相等时，的控制绕组上。当两个通道的光通量不相等时，放大器的输出端产生

15、控制电压使电机轴转动带动光屏移动，一直到输出电压放大器的输出端产生控制电压使电机轴转动带动光屏移动，一直到输出电压为零停止。控制电机的转动方向是根据光通量的关系为零停止。控制电机的转动方向是根据光通量的关系，还是还是 ，按照负反馈的连接方法确定。按照负反馈的连接方法确定。2526差动放大器的失调信号为：差动放大器的失调信号为：xrSSI00201 S1、S2是两通道光电接收器的灵敏度；是两通道光电接收器的灵敏度；0为输入光通量；为输入光通量；r是基准通道标准是基准通道标准样品的透过率；样品的透过率；x 是被测透过率；是被测透过率；0 是可变透过率，它是指针是可变透过率，它是指针转角转角的函数，

16、的函数，并有关系式并有关系式10M27上式表示了在两通道平衡时被测透过率与指针位置的对应关系。可以看出比例因上式表示了在两通道平衡时被测透过率与指针位置的对应关系。可以看出比例因子子K0与入射光通量无关。从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的影响。与入射光通量无关。从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的影响。当两个通道平衡时，当两个通道平衡时，I0，则则02100201002010SSSSSSIrrxxr10MMSSKKMSSSSrrrx210021021其中比例因子其中比例因子28 例如带有光孔的不透明转盘或者带缺口的反射镜等。当转盘的不透明例如带有光孔的不透明转盘或者带缺口的反射镜等。当转

17、盘的不透明部分遮断测量通道的光通量时，基准通道的光通量通过光孔传送到接收器上。部分遮断测量通道的光通量时，基准通道的光通量通过光孔传送到接收器上。反之，基准光通量被遮断，则测量通道的光被接收。两路信号的转换频率通反之，基准光通量被遮断，则测量通道的光被接收。两路信号的转换频率通常是几百赫兹，因此，常是几百赫兹，因此，。 在这种系统中，两个通道的光通量在这种系统中，两个通道的光通量为此可采为此可采用各种不同的交替装置。用各种不同的交替装置。29对于相等的两路光通量，对于相等的两路光通量，光电流和负载电阻上的信号光电流和负载电阻上的信号电压是等幅的电压是等幅的，如图如图( (a)a)所示，所示，此

18、时交流放大器没有输出电此时交流放大器没有输出电压。压。如果光通量不相等，则接收器的电流将按转换频率交替变如果光通量不相等，则接收器的电流将按转换频率交替变化，相邻半周期的幅度差取决于两通道的不平衡状态。输出化，相邻半周期的幅度差取决于两通道的不平衡状态。输出信号波形如图信号波形如图( (b)b)所示所示, ,根据光通量根据光通量或或的不同，的不同，信号的相位改变信号的相位改变180，借以控制伺服电机，借以控制伺服电机8 8的转动方向。的转动方向。30(二)双通道测量系统 2.比较法01rrSR002xxSRxrRRRR.1221021RRSSxr.1221RRMSSrx31 光通量的幅度测量方

19、法适合于检测光通量的幅度测量方法适合于检测的光信号，在光度测量中有广泛的应用。的光信号，在光度测量中有广泛的应用。 对于复杂的高精度的测量，多采用单个接收器对于复杂的高精度的测量，多采用单个接收器的双通道系统。而在要求一般的场合常采用两个接的双通道系统。而在要求一般的场合常采用两个接收器的双通道系统或指零法单通道系统。收器的双通道系统或指零法单通道系统。32 设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除光源的不稳定性因素的影响。除光源的不稳定性因素的影响。 绘出工作原理图。绘出原理框图。说明工作原理。绘出工作原理图。绘出原理框图。说明工作原

20、理。33 某些光电系统所处理的光通量是某些光电系统所处理的光通量是，这种变化可以是正弦的，也可以是方波的。不论哪，这种变化可以是正弦的，也可以是方波的。不论哪种形式，信息是载荷在光通量变化的次数多少和频率快慢之中。种形式，信息是载荷在光通量变化的次数多少和频率快慢之中。经过相应的光电转换，采用常规信号的波数和频率测量方法就经过相应的光电转换，采用常规信号的波数和频率测量方法就可以检测出所需要的信息。可以检测出所需要的信息。34 和光通量的幅度测量相比较，和光通量的幅度测量相比较，。这是由。这是由于频率测量的基准可以达到很高的水平。于频率测量的基准可以达到很高的水平。 此外频率测量是数字式的，此

21、外频率测量是数字式的，使用较为，使用较为方便。因此在现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法。方便。因此在现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法。 。例如用几何光学方法实。例如用几何光学方法实现的斩光盘和工业制品的计数检测；用物理光学方法实现的光栅及干涉条现的斩光盘和工业制品的计数检测；用物理光学方法实现的光栅及干涉条纹测量以及用光电子学方法实现的光束调制等。下面以干涉测量为例介绍纹测量以及用光电子学方法实现的光束调制等。下面以干涉测量为例介绍一些典型测量方法的基本原理和特点。一些典型测量方法的基本原理和特点。35 测量臂的位移测量臂的位移x引起于涉场上光强分布引起于涉场上光强分布的变化的变化,

22、 ,干涉条纹光强干涉条纹光强随位移随位移x的变化可的变化可用下式表示用下式表示迈克尔逊干涉仪示意图迈克尔逊干涉仪示意图Txx221200coscos式中：式中：/2/2是光强变化的周期。是光强变化的周期。是干涉仪所用光波波长；是干涉仪所用光波波长；0是光强变化的幅度。是光强变化的幅度。36 干涉条纹光强干涉条纹光强以以/2/2为周期变化，也就是为周期变化，也就是当当x移动移动/2/2长度时引起长度时引起一个周期的变化。将一个周期的变化。将变化的周期数用波数变化的周期数用波数N表示，可以得到位移表示，可以得到位移x和和波数波数N的关系为：的关系为：Nx237 通过测量光通量随时间变化的周期数来检

23、测被测值的方通过测量光通量随时间变化的周期数来检测被测值的方法称作法称作。 在一般情况下波数测量的作法是将由被测量在一般情况下波数测量的作法是将由被测量x引起的周期引起的周期变化的光通量光电转换为电脉冲，再用电子计数器来计数波变化的光通量光电转换为电脉冲，再用电子计数器来计数波数的变化数的变化N，最后根据下列公式计算出测量结果最后根据下列公式计算出测量结果x 。 xm0N式中式中m0称脉冲当量，表示单位波数变化对应的被测值。脉冲称脉冲当量，表示单位波数变化对应的被测值。脉冲当量可通过计算和实验标定得到。当量可通过计算和实验标定得到。38频率测量频率测量 干涉仪系统还可以用来测量物体的运动速干涉

24、仪系统还可以用来测量物体的运动速度。此时将被测物体安装在测量臂上，并以速度。度。此时将被测物体安装在测量臂上，并以速度。移动。则它移动了移动。则它移动了/2/2距离的时间为距离的时间为这个时间便是光通量的变化周期。相应的光通量的变化频率这个时间便是光通量的变化周期。相应的光通量的变化频率f可表示成可表示成22 T式中式中C为光速；为光速；为干涉仪光源的光频率。为干涉仪光源的光频率。fCfCTf22221或或39实际上，实际上， 可以直接对可以直接对x求求微分得到：微分得到：式中：式中：f=dN/dt是波数的时间变化率是波数的时间变化率。/2/2是常数，运动速度是常数，运动速度与光通量的变化频率

25、成正比，只要测得光通量的变化频率即与光通量的变化频率成正比，只要测得光通量的变化频率即可计算出所需的运动速度。可计算出所需的运动速度。fdtdNdtdxNx22240激光波长为激光波长为0.55m的干涉仪，测得的光通量变化的干涉仪，测得的光通量变化频率为频率为4105Hz。求物体的运动速度应求物体的运动速度应。fdtdNdtdx22smf/.11010421055025641 频率测量广泛应用于各种物理量的频率测量广泛应用于各种物理量的，例如激光测速仪、光，例如激光测速仪、光电转速测量等。电转速测量等。式中，式中，是线速度，角速度或其它变量的时间变化率，脉冲当量是线速度，角速度或其它变量的时间

26、变化率，脉冲当量m0可通过可通过计算和实验标定。计算和实验标定。fm042 波形计数和频率测量法能得到波形计数和频率测量法能得到5 510107 7以上的相对精度。以上的相对精度。这主要是由于采用这主要是由于采用，此外数，此外数字测频的电测法有十几位的读数能力和示值精度。至于光电接字测频的电测法有十几位的读数能力和示值精度。至于光电接收器和供电系统的不稳定性，实际上对测量结果影响不大，因收器和供电系统的不稳定性，实际上对测量结果影响不大，因为信号幅度的改变，将不影响到计数和测频的准确性。为信号幅度的改变，将不影响到计数和测频的准确性。43 在光电检测系统中辐射光通量随被测信息或时间周期变化，若

27、在某一在光电检测系统中辐射光通量随被测信息或时间周期变化，若在某一瞬间信号的变化相位代表了被测信息的瞬时值，那么检测到这个相位值即瞬间信号的变化相位代表了被测信息的瞬时值，那么检测到这个相位值即能确定被测的信息值。能确定被测的信息值。 如在波数测量中介绍的利用干涉条纹波形计数测量位移的应用中，若如在波数测量中介绍的利用干涉条纹波形计数测量位移的应用中，若打算进一步确定打算进一步确定，就需要进行相位测量，就需要进行相位测量，通常称作通常称作条纹的细分技术条纹的细分技术。44 半导体激光半导体激光器作辐射源，若在器作辐射源，若在激光器供电电路中激光器供电电路中外加谐波电压外加谐波电压U0就就能得到

28、接近正弦的能得到接近正弦的辐射光波，其初始辐射光波，其初始相位和激励电压相位和激励电压U0相同。相同。 ,2102222mmmmmBAfnCTnCf可表示为：可表示为：点的相移点的相移点传播到点传播到光波从光波从则波长为则波长为为为设辐射光波的调制频率设辐射光波的调制频率45 mmfnCfnCtnCLLBAtBA 22为为之之间间的的距距离离和和，则则点点所所用用时时间间为为点点传传播播到到若若光光波波从从46 实际上，用一台测距仪直接测量两点光波传播的相移是不可能的。因实际上，用一台测距仪直接测量两点光波传播的相移是不可能的。因此，采用在此，采用在B B点设置一个反射器（即协作靶），使从测距

29、仪发出的光波经靶点设置一个反射器（即协作靶），使从测距仪发出的光波经靶标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。行测量。47 mmLmmLmmLS 22LS作为度量距离的光尺。作为度量距离的光尺。48 相位测量技术只能测量出不足相位测量技术只能测量出不足2的相位尾数的相位尾数，即只能确定余数，即只能确定余数m，因此当，因此当L大于大于LS时，用一把光尺是无法测定距离的。时，用一把光尺是无法测定距离的。 当距离小于当距离小于LS时，即时，即m=0时，可确定距离为：时，可确定距离为： 22SSLmLm

30、mL49 利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时间间隔来测量信息的时间测量法，在光电检测中同样有着广间间隔来测量信息的时间测量法，在光电检测中同样有着广泛应用。时间测量和相位测量有许多相近处。最简单的测时泛应用。时间测量和相位测量有许多相近处。最简单的测时方法是在确定时间起止点间用时钟脉冲填冲计数，这种方法方法是在确定时间起止点间用时钟脉冲填冲计数，这种方法可以得到可以得到11010s以上的测时精度。以上的测时精度。50 时间测量法的原理示意图如图所示时间测量法的原理示意图如图所示。由固体激光器由固体激光器1 1产生产生的能量为几兆瓦、

31、作用时间为几纳秒、发射角为毫弧度的激的能量为几兆瓦、作用时间为几纳秒、发射角为毫弧度的激光脉冲经光学系统射向被测目标光脉冲经光学系统射向被测目标2 2，经目标，经目标2 2漫反射之后返回漫反射之后返回到接收系统到接收系统3 3。通过测量主波脉冲和回波脉冲的时间差即可测。通过测量主波脉冲和回波脉冲的时间差即可测量出被测距离。量出被测距离。51 图图( (b)b)和和( (c)c)给出了脉冲测时的原理框图和波形图。主波脉冲和回波脉冲经给出了脉冲测时的原理框图和波形图。主波脉冲和回波脉冲经光电转换分别形成电脉冲，控制触发器产生确定脉宽光电转换分别形成电脉冲，控制触发器产生确定脉宽t的定时脉冲。在此脉

32、冲的定时脉冲。在此脉冲持续时间内由频率为持续时间内由频率为f=1T的时钟脉冲填充计数，若计数值为的时钟脉冲填充计数，若计数值为N，则脉宽则脉宽持续时间为持续时间为fNTNtNKNfCtCD22152 在利用脉冲计数完成时间测量后可根据实际计数值在利用脉冲计数完成时间测量后可根据实际计数值N和脉冲当量和脉冲当量K得到得到被测距离。被测距离。 f愈高，愈高，Dmin愈小。愈小。通常通常f可达可达300MHz，对应的对应的Dmin值为值为0.5m。NKNfCtCD22153 设计一台有合作目标的光电测距装置。说明工作原理、设计一台有合作目标的光电测距装置。说明工作原理、画出原理框图。画出原理框图。5

33、42.2、时变光信号的调制检测、时变光信号的调制检测载波和调制载波和调制 在光电系统中，在光电系统中，光通量光通量“载荷载荷”信息的方法有信息的方法有多种形式。更多的情况是通过人工的变换方法把被测信息多种形式。更多的情况是通过人工的变换方法把被测信息“裁荷裁荷”到光通到光通量上。这里，量上。这里，55 调制技术给辐射参数以确定的时间或空间变换，初看起来似乎增加了调制技术给辐射参数以确定的时间或空间变换，初看起来似乎增加了信号的复杂性，但是信号的复杂性，但是 它可以改善光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，它可以改善光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，。 能更好地从背景噪声干扰

34、中分离出有用信号，能更好地从背景噪声干扰中分离出有用信号， 调制信号可以调制信号可以简化检测系统的结构简化检测系统的结构，改善工作条件改善工作条件。有时利用调制。有时利用调制还可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围。还可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围。 因此调制技术是光电位测系统中常用的方法。因此调制技术是光电位测系统中常用的方法。56光学调制的分类光学调制的分类 光学调制按时空状态和载波性质可分作以下几种类型。光学调制按时空状态和载波性质可分作以下几种类型。1.1.按时空状态分类按时空状态分类(1)(1)载波随时间和信息变化。载波随时间和信息变化。(2)(2)载波随空间位置变化后再按信息规

35、律调制载波随空间位置变化后再按信息规律调制(3)(3)载波随时间、空间和信息同时变化。载波随时间、空间和信息同时变化。2.2.按载波波形和调制方式分类按载波波形和调制方式分类(1)(1)直流载波：载波不随时间而只随信息变化，直流载波：载波不随时间而只随信息变化，(2)(2)交变载波：载波随时间周期变化。交变载波：载波随时间周期变化。57连续载波连续载波调幅波调幅波、调频波、调相波。调频波、调相波。脉冲载波脉冲载波脉冲调宽、调幅、调频等。脉冲调宽、调幅、调频等。 能实现能实现调制作用的装置称作调制作用的装置称作调制器调制器。从已调制信号中分离提取有用。从已调制信号中分离提取有用信息的过程称作信息

36、的过程称作解调解调。58二、调制器二、调制器 可以实现单色光波或复合光通量调制作用的装置称作可以实现单色光波或复合光通量调制作用的装置称作，调制器包括，调制器包括机电调制器，电光调制器，辐射源调机电调制器，电光调制器，辐射源调制器和电子调制器制器和电子调制器。59机电调制器机电调制器 常用的机电调制器包括常用的机电调制器包括机电振子、旋转光闸机电振子、旋转光闸以及利用以及利用电致伸缩的电致伸缩的压电型调制器压电型调制器。利用遮光或改变透过率方式的。利用遮光或改变透过率方式的调制器主要用作光通量的幅度调制和二次调制。改变光束调制器主要用作光通量的幅度调制和二次调制。改变光束反射、折射方向的调制器

37、有时兼有扫描和搜索的扩大视场反射、折射方向的调制器有时兼有扫描和搜索的扩大视场作用。作用。 60 在金属或玻璃圆盘上在金属或玻璃圆盘上用光学或机械方法用光学或机械方法加工成不同形状的通光加工成不同形状的通光孔，用电机带动圆盘旋转，组成旋转调制盘。投向圆盘的光束被调孔，用电机带动圆盘旋转，组成旋转调制盘。投向圆盘的光束被调制盘交替遮断，相当于光路中的光闸，给光束加入调制信号。典型制盘交替遮断，相当于光路中的光闸，给光束加入调制信号。典型的旋转光闸如图所示。的旋转光闸如图所示。61 旋转光闸的第一个应用是旋转光闸的第一个应用是。基本的光路布置如图所示。基本的光路布置如图所示。图中，图中，1 1为辐

38、射光源，为辐射光源，2 2为聚光镜，为聚光镜，3 3为调制盘，为调制盘，4 4为调制盘电机。根为调制盘电机。根据调制盘通光孔的形状和调制盘据调制盘通光孔的形状和调制盘面上照明光斑的形状不同，可以面上照明光斑的形状不同，可以得到谐波形式、方波脉冲形式或得到谐波形式、方波脉冲形式或锯形波等各种波形的调制光通量。锯形波等各种波形的调制光通量。62 旋转光闸的第二个用法是旋转光闸的第二个用法是，如图所示。图中旋转圆盘，如图所示。图中旋转圆盘l l半周透光，半周全反射。随调制盘的旋半周透光，半周全反射。随调制盘的旋转，两个通道的照明光束转，两个通道的照明光束2 2和和3 3被交替反被交替反射、透射到光电

39、接收器射、透射到光电接收器4 4上，完成转接上，完成转接光束的作用。光束交替调制器用于双光光束的作用。光束交替调制器用于双光束分光测量中，此外，调制盘还可以用束分光测量中，此外，调制盘还可以用作光斑二维坐标探测器，在活动目标跟作光斑二维坐标探测器，在活动目标跟踪定位等军事应用中广泛使用。踪定位等军事应用中广泛使用。63光控调制器光控调制器 对于对于，常发生一束入射光分解为两，常发生一束入射光分解为两束折射光的现象，称作束折射光的现象，称作，相应的介质称，相应的介质称。由于它们。由于它们两个方向折射率不同，这种材料具有两个方向折射率不同，这种材料具有，可以改变入射偏振光的偏，可以改变入射偏振光的

40、偏振方向。材料折射率各向异性的性质能在电场、磁场和机械力等外力作振方向。材料折射率各向异性的性质能在电场、磁场和机械力等外力作用下形成和改变。利用这些光控效应可以进行光波振幅、频率、相位、用下形成和改变。利用这些光控效应可以进行光波振幅、频率、相位、偏振面等光学参数的调制。偏振面等光学参数的调制。 根据引起光控效应外因形式的不同，光控效应可以分作根据引起光控效应外因形式的不同，光控效应可以分作。64 晶体有双折射现象，光进入晶体后，晶体中的折射光分成两支。晶体有双折射现象，光进入晶体后，晶体中的折射光分成两支。 一条的折射行为遵循折射定律，即不论入射光线方位如何，折射光一条的折射行为遵循折射定

41、律，即不论入射光线方位如何，折射光线总在入射面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比位常数，因此称线总在入射面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比位常数，因此称这条折射光线为这条折射光线为寻常光或寻常光或o光线光线； 另一条折射光线则不同，一般情况下，入射角的正弦与折射角的正另一条折射光线则不同，一般情况下，入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数，且折射光线往往不在入射面内，即不遵循折射定律，弦之比不是常数，且折射光线往往不在入射面内，即不遵循折射定律，称它为称它为非常光线或非常光线或e光线光线。 当光在晶体中沿光轴方向传播时不产生双折射现象。当光在晶体中沿光轴方向传播时不产生双折射现象。65泡

42、克耳斯效应是一种泡克耳斯效应是一种最常使用的泡克耳斯器件是磷酸最常使用的泡克耳斯器件是磷酸二氢钾二氢钾KDP(KH2PO4)和磷酸氘钾和磷酸氘钾KD*P(KD2P04)。后者的外后者的外加电压比前者要低一半。加电压比前者要低一半。 66晶体放在起偏器晶体放在起偏器1 1和检偏器和检偏器2 2之间，它们的偏振面彼此垂直，当晶体未加之间，它们的偏振面彼此垂直，当晶体未加外加电压时，外加电压时，通过起偏器的线偏振光全部被检偏器遮挡通过起偏器的线偏振光全部被检偏器遮挡。在电场影响下晶体折射率改变在电场影响下晶体折射率改变，产生旋光作用，透过晶体传播的线偏振，产生旋光作用，透过晶体传播的线偏振光变成椭圆

43、偏振，并在检偏器的偏振方向产生光束分量，因此光束部分透光变成椭圆偏振，并在检偏器的偏振方向产生光束分量，因此光束部分透过检偏器形成了受外电压调制的输出光束。过检偏器形成了受外电压调制的输出光束。在某一确定的外加电压作用下，晶体的输出光束会由椭圆偏振伸直为线在某一确定的外加电压作用下，晶体的输出光束会由椭圆偏振伸直为线偏振，并和偏振，并和检偏器偏振方向重合检偏器偏振方向重合，这时调制器处于全开状态，有最大光通，这时调制器处于全开状态，有最大光通量透过检偏器输出。量透过检偏器输出。 利用泡克耳斯盒调制光通量示意图如利用泡克耳斯盒调制光通量示意图如图所示。在晶体图所示。在晶体3 3上加有电极，外加电

44、压上加有电极，外加电压沿光束的传播方向建立电场。沿光束的传播方向建立电场。67 克尔调制器的工作示意图如图所示。充有硝基苯的透明槽克尔调制器的工作示意图如图所示。充有硝基苯的透明槽3 3里面装有两个平里面装有两个平面电极，并放置在两个偏振器面电极，并放置在两个偏振器1 1和和2 2之间。两个偏振面正交，偏振取向与外电场成之间。两个偏振面正交，偏振取向与外电场成4545。电场电力线与光束传播方向垂直。在外电场作用下，和。电场电力线与光束传播方向垂直。在外电场作用下，和KDPKDP调制器相类调制器相类似，会形成光束的调制，克尔盒调制器透过系数约为似，会形成光束的调制，克尔盒调制器透过系数约为252

45、5，光频范围，光频范围0.42.1m，调制度调制度9090，最高调制频率，最高调制频率10101010HzHz。 克尔效应是一种克尔效应是一种常常用的克尔盒材料是硝基苯用的克尔盒材料是硝基苯( (C6H 5N02) )和钛酸钡和钛酸钡( (BaTi07) )。68 声光调制器由声光介质和声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当驱动源压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换的某种特定载波频率驱动换能器时能器时, ,换能器即产生同一频换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质率的超声波并传入声光介质, ,在介质内形成折射率变化，在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互光束通过介质时

46、即发生相互作用而改变光的传播方向即作用而改变光的传播方向即产生衍射，如右图所示。产生衍射，如右图所示。 目前目前主要有两种声光调制器：自主要有两种声光调制器：自由空间声光调制器和光纤耦合声光调由空间声光调制器和光纤耦合声光调制器。主要用在彩色印刷、激光成像制器。主要用在彩色印刷、激光成像和显示、光纤通讯开关、仪器及科研和显示、光纤通讯开关、仪器及科研中。中。69 ，加在玻璃棒上，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被称的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。促进为法拉第效应。

47、法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。促进了对光本性的研究。之后费尔德对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现了对光本性的研究。之后费尔德对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的YIG等晶体的费尔德常等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。数较大，从而大大提高了实用价值。70辐射源调制器辐射源调制器 在许多情况下比起在电路中加入调制器的方式更为简单和在许多情况下比起在电

48、路中加入调制器的方式更为简单和有效。有效。 常用的光源例如白炽灯或气体放电灯都具有较大的发光惰常用的光源例如白炽灯或气体放电灯都具有较大的发光惰性。因此，实现电源调制的性。因此，实现电源调制的利用效率和调制频率较低利用效率和调制频率较低。 利用气体放电光源可以得到几千赫兹的调制频率和利用气体放电光源可以得到几千赫兹的调制频率和8080的的调制度。但大功率的气体放电灯调制器是调制度。但大功率的气体放电灯调制器是比较笨重的设备比较笨重的设备。71 半导体发光二极管可以得到很高的调制频率，其上限频半导体发光二极管可以得到很高的调制频率，其上限频率可达到上百兆赫兹，且驱动设备简单，发光效率较高，率可达

49、到上百兆赫兹，且驱动设备简单，发光效率较高，是目是目前应用最广泛的光通量调制器。前应用最广泛的光通量调制器。 此外对于半导体激光器等许多激光器也有许多利用激励此外对于半导体激光器等许多激光器也有许多利用激励电源调制光强度的应用实例。电源调制光强度的应用实例。 722.3、简单光学目标的形位检测、简单光学目标的形位检测 : :不考虑被测对象的物理本质，只把它们看作不考虑被测对象的物理本质，只把它们看作是是的几何形体或图形景物。的几何形体或图形景物。 根据光强空间分布的复杂程度和测量目的，光学目标可根据光强空间分布的复杂程度和测量目的，光学目标可以分成以分成和和。73通常由点、线、平面等简单规则图

50、形组成。通常由点、线、平面等简单规则图形组成。包括刻线、狭缝、十字线、光斑、成像系统得到的远处物体的包括刻线、狭缝、十字线、光斑、成像系统得到的远处物体的弥散圆及工业规则图形等。弥散圆及工业规则图形等。的图形分布复杂，空间频率高，密度等级丰的图形分布复杂，空间频率高，密度等级丰富，富，等；等；74 。 例如，许多几何量的形位测量就常常利用被测物体与其背景间的光学例如，许多几何量的形位测量就常常利用被测物体与其背景间的光学反差来确定物体边缘轮廓。而大多数的物体轮廓，特别是工业图形都是相反差来确定物体边缘轮廓。而大多数的物体轮廓，特别是工业图形都是相对简单和规则的。对简单和规则的。 此外，在对星体

51、、飞行物等远处活动目标的跟踪测量中，也需要将此外，在对星体、飞行物等远处活动目标的跟踪测量中，也需要将它们看作是在广阔背景上的一个或多个独立的辐射光斑来确定该点源的空它们看作是在广阔背景上的一个或多个独立的辐射光斑来确定该点源的空间坐标。因此，简单光学目标的测量是物体空间状态检测的重要方面。间坐标。因此，简单光学目标的测量是物体空间状态检测的重要方面。75 例如大尺寸工件的安装与加工、高速公路和钢轨的自动铺例如大尺寸工件的安装与加工、高速公路和钢轨的自动铺设、地下隧道的自动掘进等工程中采用的自动准直测量；精密设、地下隧道的自动掘进等工程中采用的自动准直测量；精密小尺寸测量中的目标对准和位置偏移

52、测量；现代天文望远镜中小尺寸测量中的目标对准和位置偏移测量；现代天文望远镜中的光电导星；军事应用中的激光制导和激光定向等都是这些方的光电导星；军事应用中的激光制导和激光定向等都是这些方面的典型应用。面的典型应用。76 通常是由四个光电池排列形成直角坐标，制作在共同的衬底通常是由四个光电池排列形成直角坐标，制作在共同的衬底上，彼此电绝缘，有单独的信号输出端。象限之间的间隔称为上，彼此电绝缘，有单独的信号输出端。象限之间的间隔称为“死区死区”，要求死区作的很窄。若，要求死区作的很窄。若“死区死区”太宽，而入射光斑太宽，而入射光斑较小时，就无法判别光斑的位置；较小时，就无法判别光斑的位置；“死区死区

53、”过分狭窄，可能引过分狭窄，可能引起信号之间的相互串扰，对工艺的要求也高。起信号之间的相互串扰，对工艺的要求也高。77 有光斑投射表面时，各象限光电池的输出信号与所接收的有光斑投射表面时，各象限光电池的输出信号与所接收的光能量成正比，因此能用以测出光斑的光亮度中心。光能量成正比，因此能用以测出光斑的光亮度中心。 若光斑形状是有规则的，并已知时，则可借以确定它的几若光斑形状是有规则的，并已知时，则可借以确定它的几何位置。何位置。 根据四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间安装角根据四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间安装角度的不同，可将它的应用方法分作度的不同，可将它的应用方法分作两种。两

54、种。78 四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成。电路的连接是先计算相邻象限的和，再计算和信号的差。电路的连接是先计算相邻象限的和，再计算和信号的差。79 设光斑形状为弥散圆，在探测设光斑形状为弥散圆，在探测器四象限器四象限、上所占的上所占的面积分别为面积分别为S1、S2、S3、S4，光斑光斑半径为半径为r，光斑中心为光斑中心为 。o 光斑的光密度均匀，光斑相对探测器中心光斑的光密度均匀，光斑相对探测器中心O的偏移的偏移 ,测量范围测量范围 。 OOr max80 有有关关的的变变换换系系数数为为和和光光束束的的直直径径和和功功率率KyKfSSSS

55、KUxKfSSSSKUyx 43213241 ryrryryyfrxrrxrxxf122212221212sinsin81 测量灵敏度较高，非线性影响较小，对目标光斑的不均匀测量灵敏度较高，非线性影响较小，对目标光斑的不均匀性适应性较强，适用于高精度的定位测量。性适应性较强，适用于高精度的定位测量。 但信号处理电路复杂，需要进行多次和差运算。各环节性但信号处理电路复杂，需要进行多次和差运算。各环节性能的差异会引起测量误差。能的差异会引起测量误差。82 四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成。各象限间的连接按对角线方向相减。各象限间的连接按对角线方向

56、相减。83 有关的变换系数有关的变换系数为和光束的直径和功率为和光束的直径和功率KyKfSSKUxKfSSKUyx 423184 电路简单。电路简单。 非线性和灵敏度相对较低。非线性和灵敏度相对较低。85 PSD（Position Sensitive Detectors）是一种能测量光点在是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。探测器表面上连续位置的光学探测器。PSDPSD由由P P衬底、衬底、PINPIN光电光电二极管及表面电阻组成。二极管及表面电阻组成。 蚌埠市集成光电技术研究所产品为例蚌埠市集成光电技术研究所产品为例86 位置分辨率高、光谱响应宽、位置分辨率高、光谱响应宽、响

57、应速度快、位置和光强同时测响应速度快、位置和光强同时测量、不受光斑的约束、可靠性高。量、不受光斑的约束、可靠性高。 光学位置和角度的探测、光学遥测系统、位移和振动测量、光学位置和角度的探测、光学遥测系统、位移和振动测量、激光对中和准直、距离测试、人类运动姿态分析。激光对中和准直、距离测试、人类运动姿态分析。87 当一束光落在当一束光落在PSDPSD上，相应于光能量的电荷在入射点产生，上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过电荷通过P P型电阻层被电极收集。型电阻层被电极收集。P P型层是均匀一体的电阻层，型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的被电极收集到的。 由此可得出如下公式：由此可得出

58、如下公式：I1和和I2是电极的光电流，是电极的光电流，L和和I0分别分别代表电极间距和总光电流。代表电极间距和总光电流。 88当当PSDPSD几何中心设定为坐标原点几何中心设定为坐标原点: :01)21 (21IxLIA02)21 (21IxLIALxIIIIA22112AAxLxLII222189当当PSDPSD一端设定为坐标原点：一端设定为坐标原点： 01ILxLIB02ILxIBLLxIIIIB22112BBxxLII22190 PSD PSD可分一维可分一维PSDPSD和二维和二维PSDPSD。 PSD PSD光敏面上光点位置可由如下公式得出：这里光敏面上光点位置可由如下公式得出：这里

59、 X X1 1和和X X2 2代表代表每一电极输出信号（光电流），每一电极输出信号（光电流），x x是光点位置坐标。是光点位置坐标。LxXXXX2211291LxYYXXYXYX2)()(21212112LyYYXXYXYX2)()(21211122927.4、复杂光学图像的扫描检测、复杂光学图像的扫描检测 光学目标通常是复杂的二维或三维的图形或景物，有着更光学目标通常是复杂的二维或三维的图形或景物，有着更为为。被测量对象的发光强度不仅随时间改。被测量对象的发光强度不仅随时间改变，而且与坐标位置有关。这些目标的变，而且与坐标位置有关。这些目标的光强分布结构细密、空光强分布结构细密、空间频率分布

60、广、灰度层次丰富、动态范围宽。间频率分布广、灰度层次丰富、动态范围宽。是应用范围最广是应用范围最广的光学信息来源。的光学信息来源。93 为了对复杂目标进行传真、录放、检测、处理和显示、为了对复杂目标进行传真、录放、检测、处理和显示、存贮，最基本的变换方法是存贮，最基本的变换方法是。也就是。也就是在光信号采集的情况下如何将物体在空间域内的光强分布变在光信号采集的情况下如何将物体在空间域内的光强分布变换成时域内的电信号的变化，或者在图形再现的情况下如何换成时域内的电信号的变化，或者在图形再现的情况下如何将时序电信号变换成空间光强的分布。将时序电信号变换成空间光强的分布。94 在观察和测量复杂图像时