第四章 光电检测系统

光电传感与检测技术

第四章非相干检测方法与系统

按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将光电检测系统分为相干检测系统和非相干检测系统。第四章非相干检测方法与系统

被测量被携带于光载波的强度之中或加载于调制光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样的系统称为非相干检测系统。

被测信息加载于光载波（只能是相干光源）的振幅、频率或者相位之中的系统称为相干检测系统。非相干检测系统相干检测系统第四章非相干检测方法与系统主要内容：

一光电信号变换及光电检测系统分类概述

1光电检测系统分类2光电变换方法二直接（光强度调制）检测方法与系统

1直接检测系统的原理2直接检测系统的基本特性

3直接检测系统的距离方程

三随时间变化的光电信号检测方法与系统

1幅值法2频率法3相位法4时间法四随空间分布的光电信号检测方法与系统五直接光电检测系统举例

1莫尔条纹测长仪2激光测距仪

一光电信号变换及光电检测系统分类概述1光电检测系统分类

根据系统中光源来源不同,系统可分为主动系统和被动系统。

如果被测信息通过调制光源的电压或电流，把信息加载到光载波上，而发射调制光，或者用人工光源照射目标再进行光电变换，然后由光电接收系统接收的系统，称为主动光电系统。

如果光电系统所接收的信号完全来自于被测对象的自发辐射,而不用人工光源照明的系统，则称为被动光学系统。（1）根据光源来源分类

①

主动测量系统(a)被测量调制光载波的主动系统(b)反射式的主动系统

②被动测量系统被动式光电检测系统（2）根据光源是否相干分类A若光信息为光强，即被测量被携带于光载波的强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源，这时光电器件只直接接收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息，这种方法组成的系统称为直接光电检测系统。B若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样所组成的系统则称为非相干检测系统。

①非相干检测系统通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法统称为非相干检测。

②

相干检测系统

如果光源是相干光源，但用光调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中，然后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系统。（1）光电变换的目的①将待测信息加载到光载波上进而形成光电接收器件易于接收的光电信号。②改善系统的空间或时间分辨率和动态品质，提高传输效率和检测精度。③改善系统的信噪比，提高工作可靠性。2光电变换方法（2）光电变换的方法变换方法光学原理应用范围几何光学法透射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象或方法光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长、测角、测距等物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现象或方法莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分析、多谱勒测速等光电子学法电光效应、声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等第四章非相干检测方法与系统主要内容：

一光电信号变换及光电检测系统分类概述

1光电检测系统分类2光电变换方法二直接（光强度调制）检测方法与系统

1直接检测系统的原理2直接检测系统的基本特性

3直接检测系统的距离方程

三随时间变化的光电信号检测方法与系统

1幅值法2频率法3相位法4时间法四随空间分布的光电信号检测方法与系统五直接光电检测系统举例

1莫尔条纹测长仪2激光测距仪

二直接（光强度调制）检测系统1、直接检测系统的基本原理

所谓直接检测是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压。

检测系统可经光学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端还可以经过频率滤波和空间滤波处理。接收到的光信号入射到光探测器的光敏面上。同时，光学天线也接收到背景辐射，并与信号光一起入射到探测器光敏面上。

（1）光探测器的平方律特性入射光波的光电场为：入射光的平均光功率为：光电探测器输出的电流为：为光电变换比例常数，即光电灵敏度。2、直接检测系统的基本特性

若光探测器的负载电阻为，则光探测器输出的电功率为：光电探测器的平方律特性包含有两层含意：其一是光电流正比于光场振幅的平方；其二是输出电功率正比于入射光功率的平方。

如果入射光信号为强度调制光，调制信号为d(t)，即调制的入射光信号的强度为P[1+d(t)]，那么光电探测器输出的光电流为：式中，第一项为直流电平，可以用隔直电容隔掉；第二项为所需要的信号，即光载波的包络检测。(2)直接检测系统的信噪比—衡量模拟系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：考虑到信号和噪声的独立性，有：由信噪比定义，输出功率信噪比为：说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。①

若，则有：5-10②

若，则有：在数字式光电检测系统中，噪声对系统的影响常使用“误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比有关，信噪比高，误码率低，由噪声的概率分布规律来衡量。直接检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热噪声之和。输出信噪比为：①当热噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：②当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限制，信噪比为：③当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受背景噪声限制，信噪比为：假定光波长λ=0.7µm，检测器的量子效率η=1，测量带宽Δf=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为④当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：该式为直流检测系统在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度。若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：

1在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。2背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。3系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加。4在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，NEP较大。说明：直接检测系统视场角检测器物镜视场角表示检测系统能检测到的空间范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：或视场角立体角Ω为：从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即增大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响：①增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。②减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。结论：因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。(3)直接检测系统的视场角(4)系统的通频带宽度频带宽度Δf是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求Δf应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。等效矩形带宽：频谱曲线下降3dB的带宽包含90%能量的带宽频带宽度Δf越宽，通过的信号能量越大，但系统的噪声功率也增大，为保证系统有足够的信噪比，Δf取值不能太宽，如果要求复现信号的波形，则必须加宽频带宽度。当输入信号为矩形波时，通过对不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽Δf：小结：（1）当输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频率的2倍。（2）如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。

3直接检测系统的距离方程光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用“检测距离”来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息

(1)被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图大气传播接收光学系统信号处理接收机接收信息光电检测被测目标

(1)被动检测系统的距离方程设被测目标的光谱辐射强度为经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度为：入射到检测器上的光谱功率为：根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的λ1―λ2的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：(1)

①取τ1λ为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率τ1。②光学系统的透过率τ0λ对光谱响应范围内平均值。③把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内λ1<λ<λ2为常数RV，在其它区域为零。④根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，

再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。令检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：将上述值代入VS/Vn表达式，可得：ò=210120lllllllttdRILAVVes都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：(2)(3)即：(4)又因为：(5)将上式代入(4)，可得：(6)式中Ad为检测器面积；Δf为系统的带宽；D*为检测器的归一化检测度；AoIe=P0是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功率为：S(ω)为调制信号的功率谱

为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数km，则上式改写为：(7)第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。接收光学系统信号处理接收机回收信息光电检测强度调制器发射光学系统光源信号发射机反射目标主动检测过程示意图(2)主动检测距离方程大气传播激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为k(λ)，经传播距离L后光斑面积为SL=ΩL2，光斑SL的辐射照度Ee为：设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度Ie(λ)为：主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为Ps(λ)；发射束发散立体角为Ω；发射光学系统透过率为τ01(λ)，经调制的光能利用率为km，则发射机发射的功率PT(λ)为：假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为k(λ)，则接收功率为：式中，D0为光学系统接收口径；Ω’=πD02/4L2为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为τ02(λ)，则检测器上接收到的总功率为：式中:检测器上的输出电压为：也用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火控制式中：RV(λ)为检测器相对光谱响应度，将(5)式代入上式得距离L为：如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积ΩL2，则上式可化为：可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。

4、直接检测系统应用举例（1）光电开关与光电转速计

①

透射分离型主动开关也用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火控制

②

反射型主动开关

汽油液面探测

③

光电耦合可实现用低压电路控制高压电路

④

编码计数型主动开关可用于工业自动线上产品计数或医用液粒计数

⑤

光电转速计转速n（单位r/min）与光电探测器的输出脉冲频率之间的关系为：n=60f/m,m为孔数或齿数。（2）激光准直仪利用四个象限的光强是否相等来进行准直

利用激光的相干性，采用方形菲涅尔波带片来提高激光准直仪的对准精度，如下图，这就是所谓的衍射准直仪。第四章非相干检测方法与系统主要内容：

一光电信号变换及光电检测系统分类概述

1光电检测系统分类2光电变换方法二直接（光强度调制）检测方法与系统

1直接检测系统的原理2直接检测系统的基本特性

3直接检测系统的距离方程

三随时间变化的光电信号检测方法与系统

1幅值法2频率法3相位法4时间法四随空间分布的光电信号检测方法与系统五直接光电检测系统举例

1莫尔条纹测长仪2激光测距仪

非相干光电信号按其时空特点分为随时间变化的光电信号和随空间变化的光电信号。前者的特征是信号随时间缓慢变化或周期性以及瞬时变化，发生于有限空间内，与时间有关而与空间无关，信号可表示为F(t)。随空间变化的光电信号发生在一定空间之内，光电信号随空间位置而改变，表示为F(x，y，z)，有的还同时随时间改变，表示为F(x，y，z，t)。非相干光电信号的变换与检测方法如下图所示。三随时间变化的光电信号检测方法与系统

非相干光电信号的变换与检测方法1幅值法

这种变换的特点是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法，将被测信号直接加载到光通量的变化之中，再用光电器件检测光通量的幅值变化。它广泛用于光开关与光电转速计、激光测距、准直、辐射测温、测表面粗糙度、测气体或液体浓度、测透过率、反射率等。（1）直读法

在采用直读法的光电检测系统中，光源发出的光经待测量调制后直接由光电探测器接收。根据光电探测器输出信号的大小来反映出待测量的变化。

IP为由信号光产生的光电流，I0为光电探测器的暗电流，IL/为由背景光产生的光电流，Φ0为光源辐射功率，f(Q)为待测量变化对光源功率的调制函数，Q为待测量，S为光电探测器的积分灵敏度，A为放大电路的增益，U0/为放大电路的零漂。

可见，采用直读法时，其输出不仅与待测量有关，而且与其它诸多因素有关，即影响直读法系统精度的因素是很多的，当诸如环境因素、背景光、电路参数等因素变化时，都将引起光源功率、暗电流、光电探测器增益、放大电路增益等参数的变化，从而给测量带来误差。因此，简单采用直读法的光电检测系统通常只能用于开关控制或粗略的定量计算。输出U0与光源出射的光通量Φ0有关，Φ0不稳定将直接带来测量误差，因此，直读法虽然简单，但精度不高。若要用此法进行精密定量检测，则必须对上述误差进行消除或补偿。常见的解决方案：ⅰ对光源进行稳定化处理，ⅱ采用锁相放大器对背景光、暗电流及放大电路零漂等因素消除。

指零法是利用标定好的读数装置来补偿光通量的不稳定影响，使测量系统在输出光通量为零的状态下读数。下面以测量磁光物质在磁场下的偏振角为例来进行说明。下图所示是测量磁光物质在磁场下的偏振角的原理图。（2）指零法被测物质（3）差动法

在直读法和指零法的光电检测系统中，光路只有一个通道。为了减小单通道法入射光通量波动对测量的影响，可以采用双通道差动法和双通道差动补偿法。

差动检测系统基本结构1

在差动法的光电检测系统中，需要将光源发出的光分为两路，一路经待测量调制后到达光电探测器，称为信号光路；另一路不受待测量变化的影响，称为参考光路。将这两路光检测出来后取出它们的差值作为输出，用来显示或控制。为了更好的消除光源波动的影响，上图两路输出可以不采用差动的方法，而是取比值作为输出，这样可以完全补偿光源波动的影响。设到达两个光电二极管的信号光通量和参考光通量分别为Φ1和Φ2，若Φ2/Φ1=n，由光源波动引起的变化量为ΔΦ1和ΔΦ2，则ΔΦ2/ΔΦ1=n，光源波动后两通道的光通量记为Φ1／和Φ２／，则它们的比值为：

可见，尽管光源的光通量发生了波动，但两通道的光通量之比保持不变，由于Φ2是固定的，故系统输出只与待测量有关，而不受光源光通量的影响。注意：以上分析建立在两个通道的光电探测器性能完全一致，即灵敏度、暗电流及温度系数等都完全一致，但实际中很难做到，因此可采用一个光电探测器实现差动检测。差动检测系统结构2

注意：以上分析建立在两个通道的光电探测器性能完全一致，即灵敏度、暗电流及温度系数等都完全一致，但实际中很难做到，因此可采用一个光电探测器实现差动检测。光源发出的光由一个旋转的调制圆盘分解成两束相位差为π的脉冲调制光，经过信号光路和参考光路后交替照射到光电二极管上。

差动检测系统测位移的结构3差动系统还可以采用如下结构，使得当待测信号为某一值时，两路光信号光通量相等，即Φ１＝Φ２＝Φ。当待测信号变化时，引起其中一路光信号的光通量增加，而另一路光的光通量减小，即用探测器分别将Φ１、Φ２检测出以后进行如下处理：由于ΔΦ为待测量的函数，故输出反映了待测量的变化。而当光源光通量变化时，引起Φ和ΔΦ同时以相同的比例变化，因此对它们的比值将不起作用。例：溶液浓度的测量光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液S2和参比溶液S1，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PD1接收到的光强度I1即为入射光强度I0，而探测器PD2接收到的光强度I2取决于待测溶液的浓度。系统输出电压为：

式中，C0为比例常数;IΦ1为PD1上产生的光电流;IΦ２为PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1和PD2的灵敏度，、为到达PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致，则K1＝K2，故上式可变为：

由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I0,故

结论：最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。(4)补偿法

差动系统能够消除背景光、暗电流、前置放大器零漂等因素的影响，但对光源光通量不稳定、探测器老化等因素不能完全补偿，只有当Φ2/Φ1=n＝１时，才能完全消除这些因素的影响。因此，若能在检测过程中始终保持Φ2＝Φ1，则能起到完全补偿的作用，补偿法即源于此思想。它的工作原理及过程为：光源发出的光经过干涉滤光片后成为单色光，由分光器分成两路，分别通过4和5达到光电探测器PD1和PD2。

A、检测前，先在待测试样及参考试样比色皿中均放入参考溶液（如蒸馏水），将参考通道中的光阑打到透光量最大，调节信号通道中的光阑，使电路的输出为零，即使到达PD1和PD2的信号光及参考光强度相等。

B、测量开始时，在信号通道中放入待测溶液试样，由于待测溶液对工作波长的光要产生吸收，因此，到达PD1的信号光强度将减小，差动输出将不为零，调节参考通道中的光阑，使参考光强亦减小，直到与信号光强相等，即输出重新为零为止。此时，根据连接在参考通道中光阑上的刻度盘的读数，即可读出待测溶液的浓度值。(5)开关法

前面介绍的几种检测方法都是基于由待测量对光源光通量进行调制，然后用光电探测器检测出调制光的光通量的大小，属于模拟变换。而开光式光电检测系统是通过检测光的有无来检测出待测量，属于数字变换，它是最简单的光强度调制检测系统。开关法最典型的光电检测系统的例子是光电转速计。转速n（单位r/min）与光电探测器的输出脉冲频率之间的关系为：n=60f/m,m为孔数或齿数。

频率法应用于被测信息呈周期性变化的情况，这时被测信息载荷于光通量的变化次数或频率的变化快慢之中，通过测量光通量的波数和频率的方法测出被测值。使光通量的波数和频率随被测信息变化的方法有许多种，如用几何光学的透光和反光的方法，使光通过旋转的多孔圆盘或反光的多面体，用光栅的莫尔条纹技术或光干涉的干涉条纹技术等。2频率法

频率法与前面介绍的幅值测量法相比具有更高的测量精度，这是因为频率的稳定度高于幅值的稳定度，大约高出两个数量级以上。另外，频率测量是数字式的，易于与计算机连接，使用方便。

频率法分为：（１）波数测量法（２）频率测量法（１）波数测量法

波数测量法通常用测量光通量随被测信息变化的周期数来检测被测值，如光栅莫尔条纹测量技术。下图所示是用光栅测量位移的例子。

光栅莫尔条纹测量原理图

莫尔条纹变化一周，光通量变化为当光栅位移为b时，引起光通量变化一周，当光通量变化周期数（波数）为Ｎ时，位移Ｘ＝Ｎb，该光通量变化被光电器件转换为电信号，再经过放大、整形、判向和细分获得电脉冲，由计数器记录下来。（2）频率测量法

在前述例子中，若要测量光栅尺的运动速度，只需要将光栅尺的位移对时间微分，即：式中，dN/dt为波数的时间变化率即频率；而dx/dt为速度，即运动速度与光通量变化频率成正比。这种通过测量光通量变化的频率来测量被测参数的方法称作频率测量法。波数测量法与频率测量法对光通量的幅度变化不敏感，因而对光源系统的稳定性要求比幅值法低。3相位法

图激光相位测距仪原理图设正弦调制光波往返后相位延迟φ，又令激光调制频率为ω，则光波在被测距离上往返一次所需时间φ=ωt.若被测距离为Ｄ，从发射到接收到返回光的时间为t，光的传播速度为c，则t=2D/c,由上两式计算出待测距离为:其中，n为空气折射率，如果光载波的光通量被调制成随时间呈周期性变化，而被测信息加载于光通量的相位之中，检测到这个相位值即能确定被测值，这种方法称为光通量的相位测量法。典型的光通量相位测量实例是相位激光测距仪，如图所示。

对上式进行微分，得到最小可测量距离表明：测距仪可测的最小距离与相位测量分辨率成正比，与光源激励频率成反比。４时间法

若光源发出的光通量是脉冲式辐射，这时可用单个脉冲的时间延迟来测距离，称为时间法。脉冲式激光测距仪和激光雷达都是时间法测距的典型应用。下面两图是脉冲激光测距仪的原理方框图和各级波形图。在参考脉冲及回波脉冲之间，计数器接收到的时钟脉冲个数代表了被测距离。假设计数器在参考脉冲和回波脉冲之间接收到了n个时钟控制脉冲，时钟脉冲的重复周期为τ，则被测距离为其中，i是测距的脉冲当量，即单位脉冲对应的被测距离。四空间分布的光电信号检测方法与系统

第四章非相干检测方法与系统主要内容：

一光电信号变换及光电检测系统分类概述

1光电检测系统分类2光电变换方法二直接（光强度调制）检测方法与系统

1直接检测系统的原理2直接检测系统的基本特性

3直接检测系统的距离方程

三随时间变化的光电信号检测方法与系统

1幅值法2频率法3相位法4时间法四空间分布的光电信号检测方法与系统(不讲)五光电直接检测系统举例

1莫尔条纹测长仪2激光测距仪

莫尔条纹的种类：

长光栅的莫尔条纹

圆光栅的莫尔条纹

五光电直接检测系统举例

计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如图所示。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。若划线宽度为a,缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a+b。通常取a=b＝W/2。光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹

若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，如右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。

如果改变θ角，两条莫尔条纹间的距离B也随之变化。由下图可知，条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：

当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。

θ越小，B越大，θ当小于1°以后，可使B>>W，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。莫尔条纹光学放大作用举例

有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m

（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。A长光栅莫尔条纹条纹宽度：

W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b

，a=b=W/2

特例：当=0,w1=w2

→B=→光闸莫尔条纹当=0,w1≠w2

→纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动长光栅莫尔条纹播放动画长光栅光闸莫尔条纹播放动画莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度B圆光栅莫尔条纹光栅---径向光栅、切向光栅、环形光栅径向圆光栅切向圆光栅①径向光栅的圆弧形莫尔条纹两块径向光栅

---栅距角相同/不大偏心量光栅不同区域，栅线交角不同---

圆弧形莫尔条纹（不同曲率半径）条纹宽度---随位置变化偏心垂直位置上---条纹近似垂直于栅线偏心方向上---条纹近似平行于栅线---横向莫尔条纹---纵向莫尔条纹其他位置---斜向莫尔条纹实际应用特例---光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）主光栅（一个栅距角）---透光量（一个周期）莫尔条纹---圆弧形、环形、辐射形②切向光栅的环形莫尔条纹两块切向光栅

---栅距角相同/切线圆半径不同/同心叠合环形莫尔条纹---以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹宽度---随条纹位置变化应用：高精度角度测量和分度---全光栅平均效应优点：③环形光栅的辐射形莫尔条纹两块环形光栅（相同）---栅线相对/不大的偏心量辐射形莫尔条纹---条纹近似直线/呈辐射状特点：条纹数目/位置---偏心量大小/

圆心连线方向光栅旋转---条纹数目/位置（不变）偏心量（一个栅距）---莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）应用：主轴偏移、晃动播放中……圆弧莫尔条纹播放动画光闸莫尔条纹播放动画环形莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示辐射形莫尔条纹播放动画五光电直接检测系统举例

计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。1莫尔条纹测长仪在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于0.1m。黑白光栅

莫尔条纹光栅原理

构成：主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅

计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。

在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ，光栅节距为P。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。莫尔条纹是周期性函数。计量光栅

这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置安装光敏元件，即可检测到亮暗变化。

当指示光栅沿x轴（例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距P，光强变化一个周期。由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式：

莫尔条纹有如下特征：

1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。

2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。

3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角θ而改变。θ越小，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了1/sinθ

倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。

例，对25线/mm的长光栅而言，P＝0.04mm，若θ=0.016rad，则B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨0.04mm的间隔。

计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。

4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（也就是移过了100×x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100×x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。

光电传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：

由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：①辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；②精度低；分辨力只有一个栅距P。

辨向原理：

用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90°空间角，B:2π=B/4:π/2），如图所示，可以解决辨向问题。当条纹上移时，V2落后于V190°。当条纹下移时，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之间的相位关系可以判别运动方向。

细分技术（解决精度问题）

当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。

莫尔条纹的应用莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，通常为25，50，100，250条/mm。被广泛地应用于：光栅数显表光栅传感器在位置控制中的应用轴环式数显表机械测长和数控机床中。

代表性产品：

德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm

分辨力1nm英国Renishaw（雷尼绍）：

量程：任意分辨力：0.1m0.01m中国长春光机所：

量程：1000mm分辨力：0.01m

2激光测距仪(1)脉冲激光测距仪脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了