光电1.2光学基础

§1.2光学基础§1.2.1光的度量与单位光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量p与能量e，式中h为普朗克常数；v为光的振动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度。光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。光学辐射是指波长为1nm到1mm范围的电磁辐射，它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。辐射度学就是对光学辐射进行定量评价的一门实验科学。可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉，是一种生理效应，它与辐射的组成、强弱及人的视觉器官的生理特性和人的心理活动都有关系；光度学就是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。辐射度学起源于物理学上对物体热辐射特性的研究。在辐射度技术中，借用了光度学的表达方法来描述辐射源和辐照场的各种辐射度特性，建立起与光度学相似的理论体系。光度学和辐射度学这两门学科之间有着紧密的联系。红外紫外可见光10156182191210101010101010324f/Hz图1.2.1-1电磁辐射光谱的分布X射线Γ射线近红外远红外电磁波图1.2.1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，称这部分光为可见光。一、基本概念1．与辐射（光）源有关的辐射度参数与光度参数（1）辐（射）能和光能以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe

表示，其计量单位为焦耳（J）。光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv

表示，其计量单位为流明秒（lm·s）。（2）辐（射）通量和光通量辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，以符号Φe表示，其计量单位为瓦（W），即(1.2.1-1)(1.2.1-2)对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔

dt

来除，其商定义为光通量Φv，即若在

t

时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则式（1-3）简化为Φv的计量单位为流（明）（lm）。(1.2.1-3)(1.2.1-4)显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通量对时间的积分称为光能。（3）辐（射）出（射）度和光出（射）度对有限大小面积A的面辐射源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐（射）出（射）度Me，即Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。(1.2.1-5)(1.2.1-6)面辐射源A向半球面空间内发射的总辐通量为其计量单位为勒（克司）［lx］或［lm/m2］。对均匀发射辐射的面光源有由式（1.2.1-7），面光源向半球面空间发射的总光通量为对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dΦv与面元面积dA之比称为光出（射）度Mv，即

(1.2.1-9)(1.2.1-8)(1.2.1-7)（4）辐（射）强度和发光强度

对点辐射源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即辐（射）强度的计量单位为瓦（特）每球面度[

W／sr

]。点辐射源在有限立体角Ω内发射的辐通量为各向同性的点辐射源向所有方向发射的总辐通量为(1.2.1-10)(1.2.1-11)(1.2.1-12)对可见光，与式（1.2.1-9）类似，定义发光强度为对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为

一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎［cd］。由式（1-13），对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度（sr）内发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566lm。(1.2.1-13)(1.2.1-14)（5）辐（射）亮度和亮度辐射源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即式中，θ为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦（特）每球面度平方米[W／(sr

·

m2)]。(1.2.1-15)若Le，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式（1.2.1-15）、（1.2.1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即

Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。(1.2.1-16)由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为(1.2.1-17)(1.2.1-18)余弦辐射体表面某面元dS处向半球面空间发射的通量为式中，。对上式在半球面空间内积分的结果为辐射源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给辐射源的功率P之比称为辐射源的辐（射）效率ηe

；光源发射的总光通量Φv与提供的功率P之比称为发光效率ηv。它们分别为（6）辐（射）效率与发光效率

辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。(1.2.1-19)(1.2.1-20)对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率式中Φeλ称为辐射源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。(1.2.1-21)2．与接收器有关的辐射度参数与光度参数

从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数与光度参数。接收辐射源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下两种。辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe与该面元面积dA的比值，即（1）辐照度与照度Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。(1.2.1-22)若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1.2.1-22）简化为(1.2.1-23)注意，不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面辐射源表面发射辐射的角度来定义的。本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（λ）（r

代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（λ）的关系为式中,ρe（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（1.2.1-24）的波长积分，得到反射体的辐出度(1.2.1-24)(1.2.1-25)对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv与该面元面积dA的比值称为光照度Ev，即Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。

式中，ρv（λ）为光度光谱反射比，是波长的函数。

(1.2.1-26)对接收光的反射体，同样有(1.2.1-27)(1.2.1-28)（2）辐照量和曝光量

辐照量He的计量单位是焦尔每平方米[J/m2]。

辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间

t

内的积分称为辐照量He，即(1.2.1-29)(1.2.1-30)如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式(1.2.1-29)可简化为与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即Hv的计量单位是勒（克司）秒[lx.s]。

如果面元上的光照度Ev与时间无关，式（1.2.1-31）可简化为(1.2.1-31)(1.2.1-32)表：常用的光度量和辐射度量辐射功率辐射通量以辐射的形式发射、传播或接收的功率瓦光通量根据辐射作用于人眼所产生的视觉效应来评价的辐射功率流明辐射强度（点辐射源在给定方向的）dΩ为包含dФe的立体角元瓦/球面度发光强度（点光源在给定方向的）dΩ为包含dФv的立体角元坎德拉名称符号定义单位表：常用的光度量和辐射度量（续1）名称符号定义单位辐射亮度（辐射源表面一点在给定方向的）dS为发出辐射的面元，θ为dS法线与给定方向间的夹角瓦球面度·米2光亮度（光源表面一点在给定方向的）dS为发光面元，θ为dS法线与给定方向间的夹角坎德拉/米2表：常用的光度量和辐射度量（续2）辐射出射度dS为dФe离开处的面元瓦/米2名称符号定义单位光出射度dS为dФv离开处的面元流明/米2辐射照度dS为dФe所照射的面元瓦/米2光照度dS为dФv所照射的面元流明/米2，勒克斯对于具有连续光谱的辐射，某种辐射度量Χe（如辐射强度、辐射亮度等）的光谱密集度定义为：在包含给定波长λ的无限小波长间隔内，相应的辐射度量与该波长间隔的比值，Χe,λ=dΧe/dλ。辐射度量的光谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射度量的光谱分布。对于光度量也可给出类似的定义。光度量和辐射度量之间的关系可以表示为：式中

和

分别为与

相对应的明视觉光度量和暗视觉光度量，K

m

＝683流明／瓦，K

’m≈1700流明／瓦，分别为明视觉和暗视觉的最大光谱光视效能。二、基本原理光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学定律。1、距离平方反比法则和照度的余弦法则：点辐射（光）源在处于某方向的面元上建立的照度与点源朝该方向的辐射（发光）强度I成正比，与点源和面元之间距离d的平方成反比，与面元法线和入射光线夹角的余弦成正比（见图1.2.1-2）图1.2.1-2距离平方反比法则和照度的余弦法则2、叠加原理若干辐射（光）源在一面元上建立的照度等于各辐射（光）源单独建立的照度之和。3、均匀漫射面及其特性

均匀漫射面（包括漫反射、漫透射及自身发光的漫射面）在任何方向都具有相等的亮度，因而在与面的法线成θ角的方向上的辐射强度或发光强度Iθ

=

I

0

cosθ，I

0为漫射面在法线方向的辐射强度或发光强度。三、标准与测量＊1、辐射度标准与辐射测量辐射度的原始标准有两种类型：标准辐射源和绝对辐射计。前者主要是工作在不同温度下的黑体炉。根据斯忒藩－玻耳兹曼定律，黑体的辐射亮度σ=5.67032×10-8W/(m2·K4)叫斯忒藩-玻耳兹曼常数，T为黑体的绝对温度。因此只要测得T，就能算得Le。对于实际的人工黑体，还必须根据黑体的腔型、尺寸和所用材料的发射率确定黑体的发射率（即黑度系数）ε，εLe为人工黑体的辐射亮度。在黑体前面加光阑即可作为标定辐射计的标准。辐射计入射光阑面上的辐射照度为g为几何因子，由d、r1和r2确定（见图1.2.1-3）。图1.2.1-3人工黑体标定辐射计示意图黑体炉光阑(开口半径r1)入射光阑(开口半径r2)d体现一个光源向空间发出的总光通量之值的标准光源称为光通量标准灯。图1.2.1-4黑体炉标定光谱辐射亮度标准灯示意图根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度的光谱密度式中c1和c2分别是第一和第二普朗克辐射常数。因而黑体可作为光谱辐射亮度标准，通过光谱测量系统标定标准灯的光谱辐射亮度作为次级标准（见图1.2.1-4）。为了消除光路不对称的影响，必须使用比较灯。图1.2.1-5黑体炉标定光谱辐射照度标准灯示意图在黑体前面适当位置加一开口面积已知的光阑，就可计算一定距离处的漫射板上辐射照度的光谱密集度值。通过光谱测量系统，可以作为光谱辐射照度标准标定光谱辐射照度标准灯在漫射板上产生的辐射照度的光谱密度值，作为次级标准（见图1.2.1-5）。一定温度的黑体仅在有限的波长范围才能发出足够强的辐射。因此，为要建立不同波长范围的积分辐射度标准和光谱辐射度标准，就需要有不同温度的黑体炉。在目前技术条件下，由高温黑体炉所建立的光谱辐射度标准在短波方向只能达到250纳米。近十几年来,发展了同步加速器辐射技术，可以作为从软X射线、真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射、一直到近红外辐射的原始标准。标准照明体A代表绝对温度为2856K黑体辐射的光，由充气螺旋钨丝灯承担。由于钨丝灯的辐射近似于黑体，稳定性也好，使用方便，因此普遍被采用作光度标准灯。我国的光强标准灯采用圆球形玻璃壳，灯丝平面正好处在球心上，这样，从灯丝后面泡壳反射的像正好落在灯丝的位置上，它与本身构成一个发光体，这个发光体所在平面中心的法线方向即为光强灯的使用方向。标准照明体B代表色温4874K的直射阳光，相当于中午的阳光。标准照明体D75代表色温7500K的直射阳光，主要采用荧光灯和带滤器的白炽灯组成的混合光源，主要用于原棉评价等精细辨色工作中。图1.2.1-6我国光强度标准灯系列型号色温(K)电压参考值(V)电流参考值(A)光强(cd)灯泡性质BDQ-1265040.51.8充气BDQ-2265071.015充气BDQ-32856361.690充气BDQ-42356113.630真空BDQ-52042115.315真空BDQ-62353275.2100真空BDQ-72856922.9450充气BDQ-828561006.31100充气表1.2.1-1我国光强度标准灯参数各种电校准绝对辐射计能测量辐射束的功率值，也是一种重要的辐射度原始标准。其基本原理如图1.2.1-7所示。接收面吸收入射辐射，并把它转化成热能，使吸收体温度升高而引起某种物理效应（如温差电动势）。然后遮断辐射，向附着在吸收体上的加热丝通电流，使吸收体受热升温引起同等的物理效应。

图1.2.1-7吉勒姆(Gilham)型绝对辐射计原理图被测辐射接受面，上涂黑色涂料电校准加热丝基底热电堆上述两种类型的原始标准各有其一定的适应范围，在实际工作中，两者互为补充。辐射测量可分为相对测量和绝对测量两类。前者测量两同名辐射度量之间的比值，因此测量系统不用定标，但必须有良好的线性。在某些情况下，如测量选择性光学材料的积分反射比或透射比，还要求测量系统的接收器在所考虑的波长范围内是中性的。绝对测量要求测量辐射量的量值，因此测量系统必须由辐射度标准定标。2、光度标准与光度测量

目前技术上最成熟的方法是在绝对辐射计前加V(λ)滤光器，使它具有标准光度观察者的光谱响应特性（见图1.2.1-8）。由公式即可得到光源在辐射计入射光阑面上建立的光照度值Ev

。式中，是经过V(λ)滤光器后为辐射计实际测得的辐射照度,τm

是滤光器在波长555纳米处的透射比。图1.2.1-8绝对辐射计-V(λ)滤光器构成光度基准标定发光强度副基准灯V(λ)滤光片光阑绝对辐射计发光强度副基准灯由一组辐射计-V(λ)滤光器系统组成光度基准，用以标定一组色温度为2856K的标准灯的发光强度值，作为次级标准，即发光强度副基准，且作保持发光强度单位──坎德拉。实际工作中，往往需要测量光源发出的总光通量，因此要建立相应的计量标准。用相对法（如球形光度计）测量副基准，副基准标定相应的工作基准，工作基准将副基准所保持的单位量值传递给各级标准，供实际工作中使用。发光强度标准灯同时也是光照度标准灯。它在一定距离处的面上所建立的光照度可以根据距离平方反比法则计算得出，用来标定光照度计。图1.2.1-8标定亮度计示意图标准漫反射板光强标准灯亮度计当光照射均匀漫反射面时，若漫反射面的反射比为ρ，面上的照度为E,则它的亮度为L

=

ρE/π。因此可用发光强度标准灯照射已知漫反射比的标准漫反射板来标定亮度计（见图1.2.1-8）。光度测量方法分目视法和客观法。目视法是人眼直接参与测量过程,多用于作人眼的视觉试验，而光度测量则用客观法，或称物理接收器法。客观法所用接收器必须带有V(λ)修正滤光器（见图1.2.1-9），它的响应与所接收的光通量或照度直接相关。因而一切使用客观法的光度测量都归结为光通量或照度的测量。图1.2.1-9客观法光度测量示意图示数仪器V(λ)修正滤光片物理接受器光源

§1.2.2光学元器件一、透镜元器件（成像）1、正透镜和负透镜正透镜：具有正的光焦度，能对光束起会聚作用，又称会聚透镜。负透镜：具有负的光焦度，对光束起发散作用，又称发散透镜。透镜可分成正透镜和负透镜两类。以两个折射曲面为边界的透明体称为透镜，通常多以光学玻璃为原材料，磨制成形后将折射面抛光而成。两个折射面中可以有一个平面，但两个折射面都是平面者不能称为透镜。具有相对独立功能的组合体称透镜组，根据用途的不同，它们又被赋予物镜、目镜等专门名称。按形状不同，正透镜可分双凸、平凸和月凸（或正弯月形）透镜三种形式，共同特征是中心厚度比边缘厚度厚；负透镜也可分双凹、平凹和月凹（或负弯月形）透镜三种形式，共同特征是中心厚度比边缘厚度薄。图1.2.2-1各种形式的透镜(a)正透镜(a)负透镜2、柱面透镜凡由两个母线互相平行的柱面，一个柱面和一个平面或一个柱面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜。3、放大镜辅助眼睛观察细小物体的透镜组称为放大镜。单片正透镜是一个最简单的放大镜。使用放大镜时，被观察物体位于物方焦点上或焦点以内与之很靠近的地方，眼睛看到的是物体的虚像。图1.2.2-2眼瞳F’A’B’FABω’AωB-

l

=250图1.2.2-2放大镜的放大作用4、目镜在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的透镜组称为目镜。目镜的作用与放大镜相当，但作为仪器的组成部分，它所能接受的光束已被物镜的像方光束所限定，因此眼睛瞳孔的位置也随之限定，一定要置于仪器出射光瞳处，才能看到全部视场。(1)显微镜物镜：显微镜中对微细物体成首次放大像的透镜组5、物镜(2)望远镜物镜：望远镜系统中把无限远物体成像于其焦平面上的一个透镜组(3)摄影和投影物镜：将空间物体成像于感光胶片或其他接收器上的透镜组显微镜的分辨本领：总放大率M与物镜数值孔径NA间的关系：1-物镜；2-视场光阑；3-场镜；4-探测器图1.2.2-6场镜的放置6、场镜工作在物镜面附近的透镜称为场镜（见图1.2.2-6），它是在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束位置。场镜经常被应用在红外光学系统中。⑴提高边缘光束入射到探测器的能力；⑵在相同的主光学系统中，附加场镜将减少探测器的面积。如果使用同样探测器的面积，可扩大视场，增加入射的通量；⑶可让出像面位置放置调制盘，以解决无处放置调制器的问题；⑷使探测器光敏面上非均匀光照得均匀化；场镜的主要作用：浸没透镜也是二次聚光元件。它是由球面和平面组成的球冠体，如图1.2.2-7所示。7、浸没透镜图1.2.2-7浸没透镜浸没透镜胶合剂探测器探测器与浸没透镜平面间或胶合或光胶，使像面浸没在折射率较高的介质中。它的主要作用是显著地减小探测器的光敏面积，提高信噪比。浸没透镜的设计和使用，按物像共轭关系处理。

元器件的浸没工艺一般是指将敏感（响应元）通过特殊工艺技术贴在透镜上，形成光学接触，以提高探测器信噪比的光学工艺。

图1.2.2-8浸没透镜的物像关系8、阶梯透镜（菲涅耳透镜、螺纹透镜）阶梯透镜是有“阶梯”形不连续表面的透镜；“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，故又称环带透镜。

优点：厚度小，重量轻，光吸收损失小。（另外，由于各环带的面形在设计过程中可分别调整，互不牵扯，有利于像差的校正）图1.2.2-14阶梯透镜二、反射元器件（改变光的方向）反射系统至少有一个反射面的光学元件。反射面是指按照反射定律使光线有规则反射的光学表面。1、平面反射镜平面镜的主要性质有：对实物成虚像，物和像对称于反射面；以坐标系x,y,z表示实物，它被镜所成的虚像为x’,y’,z’，将x’,y’,z’整体平移或旋转都不能使其各轴与x,y,z的对应轴同时重合，因此称x’,y’,z’为x,y,z的镜像；保持入射光线方向不变，若平面镜偏转θ角，反射光线方向偏转2θ角。2、球面反射镜球面反射镜工作面为精确的球面，是最简单的成像元件之一玻璃球面镜：球面上镀反射膜以提高反射率。金属球面镜：抛光后，金属表面本身就有较高的反射率。设球面曲率半径为R，则球面镜的焦距为R／2，这一数值与光的波长无关，也就是说球面镜不产生色差（与折射率无关）一。3、分束元件分束元件是将入射光通量分割成反射和透射两部分并保证二者有适当比例关系的元件。有时还要求反射部分和透射部分各有其特定的光谱性能，这样的分束元件可称分色元件。图1.2.2-20是两种常见的分束元件示意图。图1.2.2-20两种常见的分束元件示意图除了反射面上镀折光膜（使光部分透射、部分反射的膜层）外，其他方面与平面镜或反射棱镜并无多大差别。分束板在非平行光束中应用时，产生双像以及像散；因此非平行光束中用分束棱镜较适宜。图1.2.2-21彩色电视摄像机的分色棱镜4、光锥光锥是一种圆锥体状的聚光镜。它是一种非成像的聚光元件，与场镜类似可引起增加光照度或减小探测器面积的作用。可制成空心和实心两种类型。光束在光锥内的传播图1.2.2-22光线在光锥内的传播三、其它元器件1、光楔常用作光学测微器或补偿器，利用光楔的移动或转动来测量或补偿微小的角量或线量。2、干涉滤光片——是结构复杂的一类光学薄膜。主要功能是分割光谱带，常见的有：截止滤光片和带通滤光片3、偏振片起偏、检偏图1.2.2-25光楔§1.2.3光调制一、光强度调制光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。几种常用的装置：1、调制盘最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图1.2.3-1a所示，在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期性的变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。如果光源聚焦在盘上成一极小的园，如M点，则通过盘的光脉冲为矩形波。如果光源在盘的像较大，如P点的圆，则盘旋转时，黑的扇形逐步遮盖光斑，通过盘的光强近乎正弦地变化。

图1.2.3-1a调制盘图1.2.3-1b为调制线光源示意图，可把线光源1放于圆筒2的中心轴上，在圆筒的表面上有相隔等距离的狭缝3，圆筒的前面放置缝隙光阑4，仅当圆筒的狭缝与光阑的狭缝对准时，有光通过光阑，而当圆筒旋转时，可得到线状的调制光。图1.2.3-1b调制线光源图1.2.3-2电磁感应调制器将一永磁铁固定在基座上，中间加入激磁线圈，该线圈中铁芯的一端经簧片后固定在基座上，在铁芯的另一端上固定挡片，即光调制片。在激磁线圈中加入交变电流，则铁芯两端产生交变磁场，在永磁铁作用下挡片产生左右摆动，对光束进行调整，其调制频率是激磁电流交变频率的两倍。而其调制波形应与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。2、利用电磁感应的机械调制图1.2.3-2所示是一种原理图图1.2.3-3受抑全反射调制器将两块直角棱镜的斜面密合在一起，其中一块位置固定称为固定棱镜，另一块下部与压电晶体相连称运动棱镜。压电晶体在外加交变电压的作用下产生形变，从而带动运动棱镜上下振动，使得两棱镜面间产生光学接触或分离两种状态。当两棱镜面间光学接触时，光束通过两棱镜而直线传播；当两棱镜面间分离时，由于入射光在固定棱镜斜面处满足全反射条件，所以光束转向上方。在交变电压作用下，压电晶体周期性的变形，使入射光束分解为两束相互垂直的调制光。3、受抑全反射调制器4．正弦波形调制器图1.2.3-5a旋转叶片正弦调制器叶片旋转时，通过双三角形光阑的通光面积为一正弦函数bα为矩形挡片转过的角度二、光相位调制利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制。光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化，实现相位调制。1、利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制。图1.2.3-6所示是利用迈克尔逊干涉仪附加压电晶体来完成光调制的原理图。图1.2.3-6干涉调制原理1’反射镜1反射镜2会聚镜准直镜d滤光片折光棱镜Δ=2nd，镜1上固定一压电晶体，以周期性地改变d，从而实现对光的调制。2、利用声光效应的光相位调制

光波在传播时被超声波衍射的现象叫做声光效应。光束与声束之间的相互作用而导致光束的偏转，以及光束在偏振性、振幅、频率及相位上的变化。在石英晶片或电气石晶片中加频率较高的电压时，可以激发频率很高的机械振动（由于它们有反压电效应，频率可达到每秒108次）把振动着的石英放在某液体中，就可得到在这种液体中产生的超声波。液体中的弹性波是一种压缩与疏松的波（纵波），它以一定的速度传播着。于是，在液体中便形成周期性的一组压缩与疏松的区域。在此区域中折射率不同。因此，可以把声光介质看作一个立体光栅。图1.2.3-7液体中的超声波上的衍射示意图光线经光栅衍射后在物镜的焦平面上形成衍射图像，由于调制器中液体折射率在超声波传播方向上的分布随时间作周期性变化，因此光在衍射图像中的亮度也随之变化，利用光阑分出衍射图像的一部分，就是调制后的光束。衍射示意图：三、光偏振调制利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为式中I0为两偏振器主平面一致时所通过的光强；α为两偏振器主平面间的夹角。1、采用电光效应实现的光偏振调制电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在电光效应方面主要以电致旋光效应、克尔效应和泡克耳效应来获得光偏振调制。（1）利用电致旋光效应的光调制图1.2.3-8利用电致旋光效应进行光调制装置P1与P2垂直时：式中φ为起、检两偏振器主方向P1和P2间的夹角石英晶体上所加电压：晶体使偏振光振动面转过的角度：（2）利用克尔效应的光调制

克尔效应指某些各向同性的介质在电场作用下变成各向异性，光束通过将会产生双折射现象。图1.2.3-9用克尔电光效应调制光通量EI分别为起偏器和检偏器与电场方向的夹角若，则E起偏器检偏器磷酸二氢钾晶体（3）泡克耳斯效应的光调制图1.2.3-9用泡克耳斯效应调制光通量L对应的相位差为泡克耳斯效应：某些晶体在电场作用下会产生一个附加的双折射，这一双折射与外加电场强度成正比。（1893年德国物理学家F.泡克耳斯首先研究了这种效应，由此而得名。）2、采用磁光效应实现的光偏振调制磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在磁光效应方面，主要是利用“法拉第”旋光效应和科登—穆顿效应来获得光偏振调制。图1.2.3-9利用磁光效应实现光调制“法拉第”旋光效应某些物质在磁场作用下，能使通过该物质的偏振光振动面产生旋转的现象。在磁场内偏转面旋转的角度α为当时，图1.2.3-9利用磁光效应实现光调制V为物质的费尔德常数，L为磁场中光经过的距离如果交变电流为则磁感应强度为输出调制光强为

当偏振光束的振动面与磁场方向按一定夹角入射时，光束分解为两束振动相互垂直、传播速度不同但传播方向一致的偏振光，其中一束的振动面与磁场方向平行，另一束光与磁场方向垂直。两束偏振光经过磁场作用下的介质长度为L，产生的光程差为科登—穆顿效应

利用该效应构成的光调制器原理与利用克尔盒的方案类似。C为与介质性质、温度及长度有关的常数。四、频率和波长调制利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长