光電系統(tǒng)設(shè)計PPT課件

1、本章分為七節(jié)：第一節(jié) 測控儀器光電系統(tǒng)的組成和類型第二節(jié) 光電系統(tǒng)的特性第三節(jié) 光電系統(tǒng)的設(shè)計原則第四節(jié) 光電測量系統(tǒng)中光源及照明系統(tǒng)第五節(jié) 直接檢測系統(tǒng)的設(shè)計第六節(jié) 相干變換與檢測系統(tǒng)設(shè)計第七節(jié) 光電系統(tǒng)設(shè)計舉例激光干涉儀的設(shè)計 復(fù)習(xí)題第1頁/共132頁第一節(jié) 測控儀器光電系統(tǒng)的組成和類型 一、光電系統(tǒng)的組成 光電系統(tǒng)是測控儀器的重要組成部分，測控儀器中的光電系統(tǒng)的組成框圖如圖6-1所示。圖6-1光電系統(tǒng)組成框圖第2頁/共132頁光源-傳遞信息的媒介，是光電系統(tǒng)的源頭。光學(xué)系統(tǒng)將光源發(fā)出的光變換為會聚光束、發(fā)散光束、平行光束，或其他形式的結(jié)構(gòu)光束，作為載波作用于被測對象。信息的光學(xué)變換-通過

2、各種光學(xué)元器件，如透鏡、平面鏡、棱鏡、光柵、碼盤、波片、偏振器、調(diào)制器、狹縫、濾波器等來實現(xiàn)在光載波中含有被測對象的光信息。光電轉(zhuǎn)換-光信息被光電檢測器接收，并轉(zhuǎn)換為易于處理的電信號，再經(jīng)電路和邏輯變換等處理，顯示-被測量控制-用于探測等 由組成框圖可以看出光電系統(tǒng)的設(shè)計主要是研究光信息的檢測、傳輸和變換中的核心技術(shù)的設(shè)計問題。 第3頁/共132頁二、光電系統(tǒng)的類型 光電系統(tǒng)分為主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)，直接探測系統(tǒng)與相干探測系統(tǒng)等。 1主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng) 主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)是指攜帶信息的光源（光煤介）是人為制造的還是自然輻射的。 主動光電系統(tǒng)： 光電系統(tǒng)的照明是人工光源，如白熾

3、燈、激光器等，被測信息通過調(diào)制的方法加載到光載波上去，然后用光電接收系統(tǒng)進行檢測。被動光電系統(tǒng) : 光電系統(tǒng)的照明光源是自然光（如太陽光）或者用不是為光電系統(tǒng)特殊設(shè)計的光源來攜帶光信息。第4頁/共132頁2模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng) 按照傳輸和接收的光信息是模擬量還是數(shù)字量，分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)。模擬光信息與數(shù)字光信息一般是用調(diào)制的方法將被測信息加載到光載波上來獲得的。 模擬系統(tǒng)： 光載波是直流或者是連續(xù)的光通量，將被測信息加載到這類光載波上，然后進行傳輸或變換。數(shù)字系統(tǒng)： 光載波是脈沖量，而將被測信息加載到脈沖光載波的輻度、頻率、脈寬或相位之中，則得到脈沖調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)寬波，然后對脈沖調(diào)制光波進行

4、傳輸或變換。 數(shù)字式光電系統(tǒng)具有比模擬式光電系統(tǒng)更好的傳輸效率和更好的抗干擾性，尤其適合于光通信。 第5頁/共132頁3直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng) 按照光電系統(tǒng)中光電檢測是直接檢測光功率還是檢測光的振幅、頻率和相位則分為直接檢測系統(tǒng)和相干檢測系統(tǒng)。 直接檢測系統(tǒng)： 不論是用相干光源還是非相干光源來攜帶光信息，檢測器件只直接檢測光強度。 相干檢測系統(tǒng)： 采用相干光源利用光波的振幅、頻率、相位來攜帶信息，光電檢測不是直接檢測光強而是檢測干涉條紋的振幅、頻率或相位。 直接檢測系統(tǒng)簡單、應(yīng)用范圍廣，而相干檢測具有更高的檢測能力和更高的信噪比，因而系統(tǒng)精度更高、穩(wěn)定性也更好。 按照光電系統(tǒng)的功能還分為光

5、電信息檢測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、光電搜索系統(tǒng)、光電通信系統(tǒng)等。 第6頁/共132頁第二節(jié) 光電系統(tǒng)的特性 光電系統(tǒng)由實現(xiàn)光學(xué)變換的光學(xué)或光電子學(xué)系統(tǒng)與實現(xiàn)光電變換的光電探測器組成。光電系統(tǒng)的被測量是光信息而輸出量是經(jīng)過光電變換的電信息，不同原理的光電系統(tǒng)其性能指標(biāo)是不同的，本節(jié)只歸納其共性特性。 一、光電特性 光電系統(tǒng)的光電特性即該系統(tǒng)輸入、輸出特性又稱為靜特性，其輸入量一般是光通量 或光照度E，輸出量一般是電壓或電流。若輸入量是光通量 ，輸出量是電壓，則其光電特性即為曲線 。若光電系統(tǒng)的光學(xué)變換是線性的，則系統(tǒng)的光電特性主要取決于光電探測器的光電特性。 任何一個光電測量系統(tǒng)希望其靜特性線性范圍

6、大，以獲得較大的測量范圍，也希望其特性曲線的斜率大，以獲得較高的靈敏度。( )V第7頁/共132頁（61）二、光譜特性及光譜匹配 光電系統(tǒng)中光載波信號的能量來源是光源或輻射源，輻射能量由光源經(jīng)測試目標(biāo)、光學(xué)系統(tǒng)和傳輸介質(zhì)被光電檢測器接收。為了提高光能的利用效率，要求檢測器件的光譜靈敏度分布和輻射源的輻射度分布及各傳輸環(huán)節(jié)的透過率分布相覆蓋。 在含有多光譜的復(fù)合光通量 作用下，傳輸介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)的透過率光譜分布分別是 和 ，光電檢測器的光電靈敏度系數(shù)為 時，那么檢測器件的輸出 可表示為： 上式表示出了光電檢測器件的輸出與光譜波長之間的關(guān)系，式中 和 分別為輻射下限波長和上限波長。 ( ) ( )

7、a( )o( )s( )I 21ao( )Isd 12 光源的輻射波長有一定的范圍，存在有峰值波長，光電子檢測器件對波長有選擇性，存在一個最靈敏的波長，為充分利用光能，要求：光電器件與輻射源在光譜特性上相匹配。 第8頁/共132頁IIS 若入射光的波長 為單色光，這時輸出電壓 或 電流與入射單色輻射通量 之比稱為光譜靈敏度或光譜響應(yīng)率。 ， （63） 或 隨波長的變化關(guān)系，稱為光譜響應(yīng)函數(shù)。 V I /VSV /ISI VS IS 三、光電靈敏度特性（光譜響應(yīng)率） 光譜響應(yīng)率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測器件的輸出（電壓V或電流I）與入射光通量之比，即： ， （62） 、 分別稱為電壓

8、靈敏度和電流量敏度，其單位分別是 和 。若入射光參量用照度表示，則光照靈敏度的單位分別為 和 。VVSVSISV W/A W/1mV/ImAIIS第9頁/共132頁四、頻率響應(yīng)特性 當(dāng)入射光照是以一定頻率變動的交換光信息時，光照頻率的變化將會引起光電器件響應(yīng)率的變化。一般地，響應(yīng)率隨光照頻率升高而降低，如圖6-2所示。 圖6-2頻率響應(yīng)特性第10頁/共132頁 由圖知，它如同一個低通濾波器的頻率特性，即： （64）式中， 是頻率為零（直流）或者頻率很低時的響應(yīng)率， 是光信息的頻率， 為時間常數(shù)。 當(dāng)頻率增加時響應(yīng)率 要降低，當(dāng) 降到 的 時所對應(yīng)的頻率 ，稱為上限載止頻率，這時有 。 1221

9、2s os ff ( )s of s f s f s o120f01 2f 由圖知，它如同一個低通濾波器的頻率特性，即： （64）式中， 是頻率為零（直流）或者頻率很低時的響應(yīng)率， 是光信息的頻率， 為時間常數(shù)。 當(dāng)頻率增加時響應(yīng)率 要降低，當(dāng) 降到 的 時所對應(yīng)的頻率 ，稱為上限載止頻率，這時有 。 12212s os ff ( )s of s f s f s o120f01 2f第11頁/共132頁五、光電系統(tǒng)的探測率D和比探測率D* 光電系統(tǒng)的探測率表征光電系統(tǒng)的探測能力，D越大表征探測能力越強。D可表示為： 上式表明光電靈敏度 越高而噪聲越小則探測能力越強。Vn/DSVVS（65） 光

10、電檢測系統(tǒng)的探測率還與光電檢測器件光敏面面積A和光電檢測系統(tǒng)的帶寬 有關(guān)，為在同一條件下對光電系統(tǒng)性能加以比較，引入比探測率 的概念。 f*D2*V2n/()SDDAfVAf（66） 噪聲等效功率的概念：光電器件輸出信號電壓有效值等于噪聲方均根電壓值時的入射光功率，用公式表示為snnsnNEP/VSV V（67）即噪聲等效功率是探測率的倒數(shù)，亦即 。同樣， 的倒數(shù)稱為歸一化噪聲等效功率，用 表示。1NEPD*D*NEP第12頁/共132頁第三節(jié) 光電系統(tǒng)的設(shè)計原則 在光電系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)針對所設(shè)計的光電系統(tǒng)的特點，遵守一些重要的設(shè)計原則。 一、匹配原則 光電系統(tǒng)的核心是光學(xué)變換與光電變換，因而光

11、電系統(tǒng)的光學(xué)部分與電子部分的匹配是十分重要的。這些匹配包括光譜匹配、功率匹配和阻抗匹配。匹配的核心是如何正常選擇光電檢測器件。 1光譜匹配 光譜匹配是指光學(xué)系統(tǒng)的光譜特性與光電檢測器件的光譜靈敏度特性相匹配。在光電系統(tǒng)設(shè)計中，光譜匹配的核心是光源的光譜峰值波長應(yīng)與光電檢測器件對光譜的靈敏波長相一致。通常是先根據(jù)光電系統(tǒng)的功能要求確定光源，然后再根據(jù)光源的峰值波長選用與之光譜匹配的光電檢測器件。 第13頁/共132頁2功率匹配 功率匹配是指盡量最佳的使用光功率，它包含如下三個方面的內(nèi)容：1.光電器件與入射輻射能量在空間上對準(zhǔn)，同時又盡量使入射光照射到全部光敏面上以充分利用光能，實現(xiàn)入射光與光電檢

12、測器件的空間匹配。2.入射光輻射應(yīng)與光電檢測器件的光電特性相匹配。3.滿足光譜匹配。3阻抗匹配 由于光電檢測器件是光電檢測電路的信號源，因此兩者之間應(yīng)具有良好的阻抗匹配，以獲得最佳的電信號輸出，在進行光電檢測電路設(shè)計時應(yīng)根據(jù)光電檢測器件的伏安特性選擇最佳工作點，還應(yīng)根據(jù)光電檢測器件和光信息的頻率特性進行光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計，以保證光電系統(tǒng)達(dá)到最佳的信號檢測能力。第14頁/共132頁 二、干擾光最小原則 光電系統(tǒng)中的干擾光主要指雜散光、背景光和“回授光”。干擾光最小原則指干擾光對光電系統(tǒng)影響最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。雜散光：由于光輻射經(jīng)過各種光學(xué)元件產(chǎn)生的散射光、衍射光、透射光、雙

13、折射光等非期望的雜亂光線對信號光產(chǎn)生雜散干擾。解決方法：減少干擾采用光學(xué)濾波、光學(xué)調(diào)制和光外差檢測等方法。 背景光：指光電系統(tǒng)主動照明的照明光、房屋照明光、自然光等引起的信號背景光，它主要使信號的對比度變差，信噪比降低。背景光會造成光信號中的無用的直流成份增大或緩慢變化。解決方法：采用光遮斷、光隔離、光控制和光補償?shù)确椒?。“回授光”：是指光電系統(tǒng)的照明光經(jīng)光學(xué)元件又返回到光源內(nèi)，破壞光源的穩(wěn)定性，使光功率波動、光頻率波動等，這對于穩(wěn)頻激光光源的穩(wěn)定工作有很大影響。解決辦法：如采用光偏離、光遮擋和光偏振片等方法，如圖6-3所示。第15頁/共132頁圖6-3減小“回授光”的二種方法a）光偏離法 b

14、）偏振片法1-激光器 2- 波片 3-分光鏡4-測量鏡5-工作臺6-光敏二極管 4第16頁/共132頁三、共光路原則 在光電系統(tǒng)中為了實現(xiàn)精密測量和減小共模干擾，經(jīng)常采用差動測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較，如圖6-4所示。 圖6-4 光電差動比較測量a )光通量差動比較測量原理圖 b )干涉儀表面粗糙度測量原理圖 共同點: 光分成兩路，一路是標(biāo)準(zhǔn)量測量，另一路是被測量測量。不同點：圖a )是光通量比較，圖b )是用光干涉法進行光的光程差比較。第17頁/共132頁圖6-5 斐索干涉儀原理圖1-激光束 2-反射鏡 3-聚光鏡 4,6-光欄 5-分光鏡 7-準(zhǔn)直物鏡例：圖6-5所示是斐索平面干

15、涉儀原理圖。 由圖原理可以看出該系統(tǒng)的測量光束與參考光束基本上處于同一環(huán)境中，溫度變化和外界振動的影響對兩束光基本上相同，因而有利于提高測量精度。還可看出該系統(tǒng)的測量光束與參考光束在參考鏡 到被測物體之間是不共路的，因此在設(shè)計時應(yīng)盡量減小 與 之間距離。1M1M2M 還應(yīng)強調(diào)的是，光電系統(tǒng)設(shè)計是測控儀器設(shè)計的一部分，它還應(yīng)遵守儀器設(shè)計的阿貝原則、差動比較原則、精度原則、基面統(tǒng)一原則以及補償原理，平均讀數(shù)原理等基本原則和理論。第18頁/共132頁第四節(jié) 光電測量系統(tǒng)中的光源及照明系統(tǒng) 光電測量中，光是信息的載體，光源及照明系統(tǒng)的質(zhì)量對光電測量往往起著關(guān)鍵的作用。本節(jié)將對光源的特性、光源的種類、照

16、明光學(xué)系統(tǒng)及光源選用等問題加以介紹。 注：應(yīng)用中宜采用發(fā)光效率高的光源以節(jié)省能源。一、光源的基本參數(shù)1發(fā)光效率 在給定的波長范圍內(nèi)，某一光源所發(fā)出的光通量 與產(chǎn)生該光通量所需要的功率 之比，稱為該光源的發(fā)光效率，表示為:VP 21VdPP（68）式中， 為該光電測量系統(tǒng)的光譜范圍。21第19頁/共132頁2光譜功率譜分布 光源輸出的功率與光譜有關(guān)，即與光的波長 有關(guān)，稱為光譜的功率分布。常見的有四種典型的分布，如圖6-6所示。 圖6-6 典型光源功率譜分布a )線狀光譜 b )帶狀光譜 c )連續(xù)光譜 d )復(fù)合光譜a如低壓汞燈光譜；b如高壓汞燈光譜；c 如白熾燈、鹵素?zé)艄庾V；d如熒光燈光譜。

17、 注： 在選擇光源的時候，應(yīng)選擇光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致；目視測量，可選用可見光譜輻射比較豐富的光源；目視瞄準(zhǔn)，宜選用綠光光源；彩色攝像應(yīng)采用白熾燈、鹵素?zé)糇鞴庠础Ｗ贤夂图t外測量，宜選用相應(yīng)的紫外燈（氙燈、紫外汞燈）和紅外燈。第20頁/共132頁3空間光強分布特征 由于光源發(fā)光的各向異性，許多光源的發(fā)光強度在各個方向是不同的。若在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強度相同的點連線，就得到該光源在該截面的發(fā)光強度曲線，稱為配光曲線，如圖6-7所示為HG500型發(fā)光二極管的配光曲線。 為提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。為了充分利用其他方向的光，可以用反

18、光罩，反光罩的焦點應(yīng)位于光源的發(fā)光中心。 第21頁/共132頁圖6-7 HG500發(fā)光二極管的配光曲線 第22頁/共132頁4光源的溫度和顏色 任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射，稱為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，其輻射本領(lǐng) 表示為：式中， 為輻射本領(lǐng)； 為吸收率，當(dāng) 時的物體稱為絕對黑體。 b,MTb,MTMTT e,d dAdMT,T ,1T 黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于一般的光源，它的某些特征常用黑體輻射特征近似地表示，其溫度常用色溫或相關(guān)色溫表示。色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。相關(guān)色溫：

19、光源的色坐標(biāo)點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點最近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。注：在光電測量中為了減少光源溫度對測量的影響，應(yīng)采用冷光源或者設(shè)法減少熱輻射的影響。第23頁/共132頁 二、光電測量中的常用光源 物體溫度大于絕對零度時就會向外輻射能量，輻射以光子形式進行，我們就會看到光。 1太陽光 太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。陽光是復(fù)色光，太陽光源是很好的平行光源。 2白熾燈 白熾燈靠燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光，它發(fā)出連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、簡單、可靠、壽命比較長，得到廣泛的應(yīng)用。 真空鎢絲燈是將玻璃燈泡油成真空，充氣燈泡是燈泡內(nèi)充氬、氮等惰性氣體，鹵素?zé)羰菬襞輧?nèi)充有鹵族元素（氯化碘

20、、溴化硼等）。 白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)（電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響，其關(guān)系如下所示：000.50.278V00V0nVVVIVI第24頁/共132頁3氣體放電光源 利用氣體放電原理來發(fā)光的光源稱為氣體放電光源。 特點： 1）發(fā)光效率高，比白熾燈高210倍，可節(jié)省能源。 2）結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊。 3）壽命長，大約是白熾燈的210倍，可節(jié)省能源。 4）光色范圍大，如晉通高壓汞燈發(fā)光波長大約為400500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色（589 nm），氙燈近日色，而水銀熒光燈為復(fù)色。 由于以上特點氣體放電光源經(jīng)常被用于工程照明和光電測量之中。 第25頁/共132頁4半導(dǎo)體發(fā)

21、光器件 在電場的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件，又稱為注入式場致發(fā)光光源，通常稱為LED。 圖6-8 半導(dǎo)體發(fā)光二級管a)原理圖 b)外觀圖 c)器件符號第26頁/共132頁常用發(fā)光二級管材料及性能如表6-1所示。 /nm1/(lm W)0.6 0.4GaAsP0.15 0.85GaAsPGaP:NGaAsGaAsSi材料光色 峰值波長 光譜光視效能紅65070黃589450綠565610紅外910紅外940表6-1 發(fā)光二級管性能 半導(dǎo)體發(fā)光二極管既是半導(dǎo)體器件也是發(fā)光器件，因此其工作參數(shù)有電學(xué)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)。第27頁/共132頁5激光光源 激光又稱為受激發(fā)射光

22、，能激發(fā)出激光并能實現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件稱為激光器。激光特點：單色性好，相干能力強，方向性好、亮度高，在光電測量中 常用作相干光源。激光器三大要素：激光工作物質(zhì)，激勵能源和光學(xué)諧振腔。激光器分類：固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。激勵系統(tǒng)：光激勵、電激勵、核激勵和化學(xué)反應(yīng)激勵等。 光學(xué)揩振腔用以提供光的反饋，以實現(xiàn)光的自激振蕩，對弱光進行放大，并對振蕩光束方向和頻率進行限制，實現(xiàn)選頻，保證光的單色性和方向性。 第28頁/共132頁 在光電測量中應(yīng)用最多的是He-Ne氣體激光器，因為He-Ne激光器發(fā)出的激光單色性和方向性好。 He-Ne激光器的光振幅分布如圖6-9的高斯分布，其表達(dá)式為：

23、 （610） 222000000, ,xyzEx y zA Eez02/ f激光束的發(fā)散角：os01/22L 在球面鏡表面上，光斑半徑為 ：0Z 0f處的光斑半徑最小，稱為束腰半徑：第29頁/共132頁圖6-9 高斯光束及束腰半徑 第30頁/共132頁在選擇和使用He-Ne激光器時應(yīng)注意以下幾點：（1）要注意激光的模態(tài)。 在用He-Ne激光器作光電測量的光源時，一般都選用單模激光。激光的模態(tài)記作 ，其中 為縱模序數(shù)， 、 為橫模序數(shù)。對于單模激光，其模態(tài)為 。mnqTEMqmn00TEM 觀察激光輸出的光斑形狀發(fā)現(xiàn)，光斑形狀較為復(fù)雜，如圖6-10所示。圖6-10 激光的橫模a）TEM00模 b

24、）TEM10模 c）TEM13模 d）TEM11模 在光電測量中選用的激光光斑形狀應(yīng)為均勻的圓形光斑，即選TEM00橫模。第31頁/共132頁（2）功率。 光電測量中所用的He-Ne激光光源功率一般在十幾之間。（3）穩(wěn)功率和穩(wěn)頻。 He-Ne激光器輸出的功率變化較大，在精度較高的光電測量中，應(yīng)對He-Ne激光器穩(wěn)功率。此外，在相干測量中光的波長是測量基準(zhǔn)，因此要求波長很穩(wěn)定，而波長與光頻率的關(guān)系為： （614） 由 ，上式可寫為： （615） 因此，穩(wěn)波長實質(zhì)就是穩(wěn)光頻，即要采用穩(wěn)頻技術(shù)。另，穩(wěn)頻對穩(wěn)功率也有作用。 cv2cvvvv v （4）激光束的漂移。 雖然He-Ne激光具有很好的方向性

25、和單色性，但它也是有漂移的，當(dāng)作用精密尺寸測量和準(zhǔn)直測量時尤應(yīng)注意。第32頁/共132頁半導(dǎo)體激光器： 簡稱LD，它是用半導(dǎo)體材料制成的面結(jié)型的二極管。 原理圖如圖6-11、6-12所示 在使用半導(dǎo)體激光器時，應(yīng)注意以下幾點：（1）作為平行光照明時應(yīng)該用柱面鏡將光束整形，再用準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直。（2）頻率穩(wěn)定性。 LD光的單色性、相干性較差，因此用LD作相干光源且測量距離又較大時，必須對LD穩(wěn)頻。LD的穩(wěn)頻法主要有吸收法和電控法。（3）調(diào)頻。 改變LD的注入電流 會使LD的輸出頻率產(chǎn)生 的變化。如果注入電流是按某一頻率變化規(guī)律來變化，那么輸出的激光將被調(diào)頻。這種調(diào)頻是在LD內(nèi)部實現(xiàn)的，故稱為內(nèi)調(diào)制。由

26、此原理制成的半導(dǎo)體激光器可用于外差測量。iv第33頁/共132頁圖6-11 半導(dǎo)體發(fā)光原理圖 圖6-12 半導(dǎo)體激光器的工作原理圖第34頁/共132頁三、照明系統(tǒng) 照明對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量起著非常重要的作用，照明的種類繁多，用途也非常廣泛。本節(jié)只介紹光電系統(tǒng)中常用的照明方式。 （一）、照明系統(tǒng)的設(shè)計原則 照明系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足下列要求： 1）保證足夠的光能。 2）有足夠的照明范圍，照明均勻。 3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳。 4）應(yīng)盡量減少雜光進入物鏡，以保證像面的對比度。 5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。根據(jù)這些要求，照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足兩個原則：1）光孔轉(zhuǎn)接原則。即照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)該與

27、物鏡的入瞳重合，否則照明光束不能充分利用。如圖6-13所示，由于光瞳不重合，成像光束僅為照明光束的一部分，光束的陰影部分被物鏡的入瞳遮擋，不能參與成像。第35頁/共132頁圖6-13 光孔轉(zhuǎn)接示意圖 第36頁/共132頁2）照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量。 拉赫不變量:表示光學(xué)系統(tǒng)在近軸區(qū)成像時，在物像共軛面上，物體的大小 、成像光束的孔徑角 、物空間介質(zhì)的折射率 的乘積為一常數(shù)。是表征光學(xué)系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù),如圖6-14所示。yun 圖6-14 拉赫來變量示意圖 第37頁/共132頁 在顯微光學(xué)系統(tǒng)的照明系統(tǒng)設(shè)計中，按照要求2），可得 ，如圖6-15所示。000n y

28、unuyn y u 圖6-15 顯微光學(xué)系統(tǒng)拉赫不變量示意圖 由于顯微鏡的放大倍率很高，成像光束的像方孔徑很小，并且被觀察的物體通常是不發(fā)光的，為了獲得清晰的圖像，必須保證充足的照明。第38頁/共132頁（二）照明的種類1直接照明 直接照明按照明方法分為透射光亮視場照明，反射光亮視場照明，透射光暗視場照明，反射光暗視場照明，分別如圖6-16a、b、c、d所示，圖中陰影部分為照明光場。按光源類型分為白熾燈照明、光纖照明等。 圖6-16直接照明四種類型a）透射光亮視場照明 b）反射光亮視場照明 c）透射光暗視場照明 d）反射光暗視場照明第39頁/共132頁2臨界照明 光源所出的光通過聚光鏡成像在物

29、面上或其附近的照明方式稱為臨界照明。如圖6-17所示： 圖6-17 臨界照明 照明光源燈絲成像到物平面上，這種照明在視場范圍內(nèi)有最大的亮度，而且沒有雜光。缺點是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，并且不滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。第40頁/共132頁3遠(yuǎn)心柯勒照明 如圖6-18所示，集光鏡將光源成像到聚光鏡的前焦面上，孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠(yuǎn)心光路，視場光闌被聚光鏡成像到物面上。 圖6-18 遠(yuǎn)心柯勒照明 缺點：臨界照明中物平面照度不均勻的；優(yōu)點：孔徑光闌大小可調(diào)，經(jīng)聚光鏡成像于物鏡的入瞳位置，滿足光孔轉(zhuǎn)接原則，又充分利用了光能?？讖焦怅@大小決定了照明系統(tǒng)的孔徑角、分辨力和對比度，視

30、場光闌控制照明視場的大小，避免雜光進入物鏡。第41頁/共132頁 4光纖照明 光纖照明因照明均勻、亮度高、光源熱影響小而得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)照明光線端部排列形式和光束出射方向，分為環(huán)形光纖照明和同軸光纖照明等。 圖6-19所示是一環(huán)形光纖照明光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過聚光鏡耦合進入光纖束，光纖束在另一端分束，形成一環(huán)形光纖排。光纖照明光能集中，能獲得較均勻的高亮度照明區(qū)域。并且照明部分遠(yuǎn)離光源，解決了光源散熱對被測物體的影響。圖6-19 光纖照明 1-光源 2-聚光鏡闌 3-光纖束 4-環(huán)形光纖排 第42頁/共132頁5同軸反射照明 如圖6-20所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過物鏡7投射到物體8上，物鏡本身兼

31、做聚光鏡。物鏡將物面成像到CCD9的光敏面上。 這種照明系統(tǒng)可以檢測反射鏡面上的缺陷。如果被測表面是鏡面，則鏡面的反射光線全部進入物鏡成像，因此整個圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點或者污漬時，所產(chǎn)生的漫反射光線進入物鏡的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的斑點。 圖6-20 同軸照明 1-光源 2-集光鏡 3-孔徑光 4-視場光闌 5-聚光鏡 6-分光鏡 7-物鏡 8-物面 9-CCD 第43頁/共132頁 四、光源及照明系統(tǒng)的選擇 正確地選用光源是充分而又有效地滿足儀器使用要求的必要條件。在選擇光源時，一般應(yīng)考慮以下幾方面的問題。 1光源的光譜能量分布特性 光源的光譜能量分布首先應(yīng)滿足儀器使用上的要

32、求。例如在干涉儀中，光源的波長是儀器的標(biāo)準(zhǔn)器，因此其單色性應(yīng)滿足測量精度及測量范圍的要求。在非相干照明中，光源的光譜分布應(yīng)與接收器的光譜響應(yīng)相匹配，可節(jié)省能量，提高檢測信號的信噪比。在目視儀器中，視場的背景最好是適宜人眼的黃綠色，而將有害的紅外輻射（它可能引起儀器的熱變形）用濾色片濾去。若儀器中有幾個不同的接收器共用一個光源，則光源的光譜分布要能兼顧各接收器的響應(yīng)。 第44頁/共132頁2光度特性 在精密測量中，被測對象一般都不是發(fā)光體，所以必須進行人工照明，使被測物體達(dá)到一定的照度。在以光電元件為接收器的儀器中，被測物體光照強度有利于提高信噪比及后繼電路的處理；而在目視儀器中，視場應(yīng)有足夠的

33、照度，這在大屏幕投影測量系統(tǒng)中問題較為突出。 總之，應(yīng)根據(jù)使用要求及接收器的性能來考慮對光源的光強要求。 3發(fā)光面的形狀、尺寸及光源的結(jié)構(gòu) 在臨界照明系統(tǒng)中是將燈絲（發(fā)光體）成像在被測物面上，因此燈絲發(fā)光面的形狀與被測物相似才能獲得均勻而又有效的照明。在柯勒照明中，燈絲的像成在系統(tǒng)的入瞳上，若使燈絲（發(fā)光面）的形狀與入瞳相似，就能充分利用入瞳的孔徑而傳遞更多的光能。因此設(shè)計時應(yīng)根據(jù)被測物面的形狀和入瞳形狀來選擇光源的發(fā)光面形狀。至于發(fā)光面的尺寸及光源的結(jié)構(gòu)尺寸，還與儀器的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，應(yīng)按儀器總體要求的尺寸來選用合適的光源結(jié)構(gòu)尺寸。第45頁/共132頁4滿足光電系統(tǒng)的功能要求 對于直接檢測系統(tǒng)

34、，主要檢測的是信息的光功率，這時要求光源穩(wěn)定性要好，因為光源的功率波動是影響系統(tǒng)精度的主要因素。 對于測距系統(tǒng)除了要求光源穩(wěn)定性外，還對光源的光功率有嚴(yán)格要求，因為測距系統(tǒng)的光功率直接影響作用距離。 對于相干檢測系統(tǒng)，除了要求用相干光源外還對光源的單色性、穩(wěn)頻性能、平行性及光源尺寸等有要求。 在光電儀器的設(shè)計中，光源及照明系統(tǒng)有著十分重要的地位，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)使用要求選擇合適的光源和照明系統(tǒng)。 在選用光源時還應(yīng)考慮光源的供電系統(tǒng)復(fù)雜與否、是否需要人工冷卻、使用壽命、更換方便程度以及價格等因素。 設(shè)計時可采取一定措施來改變光源的某些性能，例如對普通的鎢絲燈，改變燈絲電壓后，電流、溫度、光通量、發(fā)光

35、效率以及壽命等均隨之變化。第46頁/共132頁第五節(jié) 直接檢測系統(tǒng)設(shè)計 在本章第一節(jié)中已經(jīng)為直接檢測系統(tǒng)進行了定義，該系統(tǒng)的特點是直接檢測光功率（光能量）。直接檢測系統(tǒng)的組成可用圖6-21表示。 光源光學(xué)變換光功率檢測 電信號圖6-21直接檢測系統(tǒng)的組成 直接檢測系統(tǒng)的光源一般要根據(jù)被測對象的特點、光學(xué)變換的方法來確定。 第47頁/共132頁直接檢測光學(xué)變換的目的: 將被測信息載荷到光載波上以形成光信息，或者改善系統(tǒng)的時間或空間分辨力和動態(tài)品質(zhì)以提高傳輸效率、檢測精度和改善系統(tǒng)的檢測信噪比。常用的直接檢測光學(xué)變換方法有幾何光學(xué)和光電子學(xué)方法，如表6-2所示。 變換方法光學(xué)原理應(yīng)用幾何光學(xué)法 直

36、射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象 光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測、測長測角、測距等光電子學(xué)法 電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等 光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等表6-2 直接檢測光學(xué)變換方法第48頁/共132頁一、直接檢測光電系統(tǒng)的工作原理 直接檢測是將待測的光信號直接入射到光電器件的光敏面上，光電器件的輸出電流或電壓與入射光強有關(guān)。 若入射光波的振幅為 ，那么入射光功率 ，光電檢測器件的輸出光電流為ssss( )sinU tat2sss( )sin(P tat2s)平均2s12a2dsss12IS

37、PSa222LdsLsLqPI RP Rhv若光電器件的負(fù)載電阻為 ，則它的輸出功率為:LR（618） 上式表明光電檢測器件輸出的功率正比于入射功率的平方。若入射光信號為強度調(diào)制光，調(diào)制信號為 ，那么光電檢測器件輸出的光電流為：( )d tdSs1( )ISPd t 第一項直流電平是無用的背景信號，可用差動相減或高通濾波等方法把它去；第二項為有用信號，可用檢波或相敏檢波等方法提取。第49頁/共132頁 二、光功率直接檢測光電系統(tǒng)的設(shè)計 為了說明直接檢測光電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，首先來分析一下光通量直接測量的光電系統(tǒng)。圖6-22是直接測量光通量的原理圖，圖6-23是原理框圖。 圖6-22 樣品透過

38、率測試儀原理圖圖6-23 透過率測量的原理框圖第50頁/共132頁 若光電檢測靈敏度為 ，放大增益為 ，讀數(shù)裝置傳遞系數(shù)為 ，則指示表的輸出 可寫為： （620）式中系數(shù) 。 在測量過程中應(yīng)保持 不變，使 與 有確定的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù) 便可確定被測樣品的透過率 。 SKM00 S K MK 00KS K M 0K 可以看出光通量的直接測量就是利用光學(xué)變換的方法，光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法將被測信號直接加載到光通量的變化之中，再用光電器件檢測光通量的幅值變化。 影響光功率直接檢測光電系統(tǒng)精度的主要誤差因素是照明光源發(fā)光強度的不穩(wěn)定和噪聲影響，下面對這兩個問題加以分析。第51頁/共13

39、2頁（一）光功率直接檢測光電系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計 從式（6-20）可以看出影響 的因素有 、 、 、 ，而 的不穩(wěn)定影響是最大的。因而對于光通量直接測量來說，穩(wěn)定的光照是極為重要的。 0K0SKM0穩(wěn)定光源 的方法：1用穩(wěn)定的直流電壓給燈絲供電。2將電源的引線焊在燈頭上。3采用光電反饋的方法來穩(wěn)光源。4用差動測量系統(tǒng)來減少光源的影響。5光源調(diào)制法。圖6-24 光源反饋穩(wěn)定原理圖圖6-24是用反饋的方法穩(wěn)光源的原理圖。第52頁/共132頁 圖6-25是采用差動測量法（雙通道法）減少光源光通量波動對測量影響的原理圖。 圖6-25差動測量法原理圖01 02sK M(S S ) 00s0K M () S

40、若兩路光電靈敏度 ，則： 12S =S =S000s00K M S ()() 若 有 的變化，則： 0 可見差動法對光通量變化有抑制作用，同時對雜光及其它共模干擾也有抑制作用。 第53頁/共132頁（二）光功率直接檢測光電系統(tǒng)的噪聲設(shè)計 1光電檢測系統(tǒng)的信噪比 直接檢測屬于非相干檢測，它的噪聲有：信號光功率引起的噪聲，背景光功率引起的噪聲，光電器件內(nèi)阻引起的熱噪聲和光電器件暗電流引起的噪聲。則總的噪聲電流為：直接檢測的信噪比 為：2Nsbd2()24/ISq f PPqIfkT fR dSNR222dssd2Nsbd2()24/IS PSNRISq f PPqIfkT fR （624） 在上述

41、噪聲中，由信號光功率引起的噪聲最大，在忽略其他噪聲情況下，有：ssd22SPPSNRq fhv f（625） 式（6-25）為直接檢測在理論上的極限信噪比，也稱為直接檢測的量子極限。在量子極限情況下，直接檢測可測量的最小功率為：smin2hv fP（626）第54頁/共132頁2光電檢測系統(tǒng)的噪聲 光電系統(tǒng)的背景噪聲就是指干擾光引起的噪聲，電磁干擾，可用電磁屏蔽和隔離的方法減??；機械振動可用隔振和防振設(shè)計的方法減小它。 光電器件的噪聲是光電檢測系統(tǒng)最重要的噪聲來源之一，他包括熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生一復(fù)合噪聲和閃變噪聲等。 (1)熱噪聲 熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的無規(guī)則熱運動引起的，由于載

42、流子的均方速度與熱力學(xué)溫度成正比，噪聲電流隨溫度增高而增加，因此稱為熱噪聲。 熱噪聲電流常用均方值表示。在純電阻情況下 該電阻兩端產(chǎn)生的噪聲電壓均方值可由下式給出 1 2nT4UkTR f1 2nT4kT fIR 由上式可知，減小熱噪聲應(yīng)從減小熱影響和檢測通頻帶不要過寬兩個方面著手。 第55頁/共132頁(2)散粒噪聲 光電探測器的散粒噪聲是由于載流子的微粒性引起的。這是一種在光電子發(fā)射器件和光伏型器件中出現(xiàn)的噪聲，如光電倍增管的光陰極和二次電子發(fā)射；光伏器件中穿過P-N結(jié)的載流子漲落等。 散粒噪聲的電流均方值為: 為電子電荷； 為光電流的直流分量。 光電探測器的暗電流 也同樣引起散粒噪聲，因

43、此無光照時的暗電流噪聲為: 1 2nsDC(2)IqIfqDCIdI1 2ndd(2)IqIf 從式中可以看出，散粒噪聲與溫度無關(guān)，但與 和 有關(guān)，應(yīng)盡量減小它們的影響。 DCIf第56頁/共132頁(3)產(chǎn)生-復(fù)合噪聲 光電導(dǎo)探測器因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個隨機性過程，引起電流隨機起伏形成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。這是半導(dǎo)體輻射探測器中的一種主要噪聲，該噪聲的電流均方值為：2224(/)14engqIfIf1 2nge4( /)IqIf 在相對低頻的條件下，公式可簡化為： 該式與散粒噪聲相類似，有時把 稱為光電導(dǎo)器件的內(nèi)增益。e/G(4) 噪聲 又稱為閃爍噪聲，通常是由元器件中存在局部缺

44、陷或有微量雜質(zhì)所引起的。該噪聲電流通常表示為： 通常取 ， ，則：1/ f1 21nfak IfIf2a 11 221nfk IfIf由上式可見，該噪聲的功率與調(diào)制頻率 成反比，因此稱為 噪聲。f1 f第57頁/共132頁(5)光電器件噪聲功率譜的綜合分布 在實際的光電檢測器件中，由于光電轉(zhuǎn)換機理的不同，上述各種噪聲的作用大小各不相同。綜合上述噪聲源、其功率譜分布可用圖6-26來表示。 圖6-26 光電器件噪聲功率譜綜合分布圖 在設(shè)計與輸入電路連接的前置放大器時，其工作頻率應(yīng)選擇在噪聲較低的頻率區(qū)中。同時應(yīng)注意實際工作頻率與光電檢測器的頻率匹配，采用低噪聲運算放大器和負(fù)反饋放大器都有利于減小噪

45、聲的影響。 第58頁/共132頁 對不同類型的元器件作噪聲估算時，為了計算方便工程上常進行等效處理，即將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式，可以與其他電路器件一起以統(tǒng)一的方式建立等效噪聲電路。 1)等效噪聲帶寬 測量系統(tǒng)的等效噪聲帶寬是噪聲量的一種表示形式，定義為最大增益矩形帶寬，如圖6-27所示，可表示為: ep0p1A ()()Aff D f df（635）圖6-27 等效帶寬的物理意義 白噪聲情況下， ，并且當(dāng)電路的頻率響應(yīng)為帶通型時，上式可以改寫為：( )1D fpep0A( )fAf df（637） 式（6-37）右邊是功率增益函數(shù) 在圖中曲線下所包含的面積

46、（陰影部分），而左邊 是以 為高、 為寬的一塊面積，如圖中虛線構(gòu)成的矩形面積，該面積與 曲線下所含的面積相等， 是等效面積的寬度，稱為等效噪聲帶寬，它是網(wǎng)絡(luò)通過噪聲能力的一種量度。 pA ( )fpAfpAefpA ( )fef第59頁/共132頁2nT4/IkTfR（638）RC并聯(lián) 電路的噪聲電壓有效值為： 2nT2004( )41 (2)RUkTR f dfkTdffRC圖6-28 熱噪聲等效電流源式中， 就是電路的等效噪聲帶寬 ，即:1/(4)RCefe14fRC經(jīng)變換上式變?yōu)椋?nT4/(4)UkTRRC(642) 用均勻等幅的等效帶寬代替實際噪聲頻譜的不均勻分布，式（6-42）可寫

47、成：2nTe4UkTR f（644） 式（6-44）表明對于并聯(lián) 輸入電路對噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變噪聲為等效噪聲帶寬 。它使得系統(tǒng)的信噪比提高但使電路的通頻帶變窄。因此在采用與負(fù)載電阻并聯(lián)電容的方法減小噪聲電流來提高信噪比時應(yīng)兼顧由此而帶來的帶寬損失。 還應(yīng)指出，等效帶寬的概念同樣適用于散粒噪聲。RCef2)阻容器件的噪聲等效處理 簡單電阻的噪聲等效電路表示在圖6-28中，它由熱噪聲電流源 和電阻并聯(lián)組成。對于由兩個電阻串聯(lián)或并聯(lián)組成的合成電路，可以證明，綜合噪聲電流等于合成電阻提供的噪聲電流，并表示為:TI第60頁/共132頁三 距離檢測光電系統(tǒng)的設(shè)計 距離檢測是直

48、接檢測光電系統(tǒng)的重要方面。 1常用測距方法（1）三角法測距 圖6-29是被動三角法測距的原理圖。 可測得目標(biāo)距離 為：112sin/sin()RhR 由于該測距系統(tǒng)沒有主動照明，而是靠目標(biāo)物或者自然光輻射照明，故稱為被動三角法測距。 圖6-30是主動三角法測距原理圖，又稱為光焦點法測距。它用于從數(shù) 到數(shù) 的精密測距，應(yīng)用比較普遍。 mmm第61頁/共132頁圖6-29 被動三角法測距原理圖 第62頁/共132頁圖6-30 像點軸外偏移光焦點法 a) 漫反射式 b) 反射式 第63頁/共132頁（2）相位法（連續(xù)波）測距 該方法的原理是正弦波調(diào)制的激光束在傳播過程中利用其相位變化來測量距離，圖6

49、-31是其原理圖。圖6-31 相位法光波測距原理圖1 半導(dǎo)體激光器激勵源 2 半導(dǎo)體激光器 3、5 光學(xué)系統(tǒng) 4 靶鏡 6 光電器件 7 放大電路第64頁/共132頁 該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為光源，在光源的驅(qū)動電路中施加正弦電壓，則光源發(fā)出的正弦規(guī)律變化的光通量 ， 0m00sin()t待測距離 :D0024ccDf（650）被測相位值 可以表示為: () 22mmm（651）增加光源的調(diào)制頻率可以提高測距系統(tǒng)的分辨力。 實際測距時，整周期數(shù)無法測得，只能用鑒相等方法測得 ，這樣就有一個測距分辨力問題。對式（6-50）微分可得 0024ccDnf第65頁/共132頁（3）時間法測距 若光源發(fā)

50、出的光通量是脈沖式輻射，這時可用測量單個脈沖的時間延遲來測距離，稱為時間法。脈沖式激光測距儀和激光雷達(dá)都是時間法測距的典型應(yīng)用，如圖6-32所示。 若該巨脈沖從發(fā)射到接收的時間延遲為 ，則被測距離為：t12Dct時間可用如圖6-33所示的脈沖填充法求出： 0/tN TNf從而有：01122DctcNKNf（653）式中， 是測距脈沖當(dāng)量，即單位脈沖對應(yīng)的被測距離。 02cKf 由式（6-50）和式（6-53）可以看出，相位法和時間法測距都要求光源調(diào)制頻率 穩(wěn)定，同時 越高則有利于提高測距分辨力。 0f0f第66頁/共132頁圖6-32 時間法測距原理圖 1激光器 2，4光學(xué)系統(tǒng) 3目標(biāo) 5光電

51、器件 第67頁/共132頁圖6-33 時間的測量原理第68頁/共132頁2光電測距的作用距離 對于主動測距系統(tǒng)，作用距離是一個重要技術(shù)指標(biāo)，作用距離的估算及影響作用距離因素的分析是光電測距系統(tǒng)設(shè)計的重要方面。 作用距離：指對于點目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)張角小于系統(tǒng)的瞬時視場時，光電系統(tǒng)所收到的目標(biāo)輻射量與目標(biāo)到光電接收系統(tǒng)的距離有關(guān)，與該光電系統(tǒng)所允許的最小接收能量相對應(yīng)的距離叫做測距系統(tǒng)的作用距離。 對于圖6-31和圖6-32所示的測距系統(tǒng)可以用如圖6-34所示的框圖來表示，它是一個自帶光源的主動測距系統(tǒng)。 圖6-34 光電測距系統(tǒng)第69頁/共132頁對于這種測距影響作用距離的因素有： 光源的發(fā)射功率

52、，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的透過率，光被大氣的吸收衰減與大氣散射引起的大氣透過率，接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率，目標(biāo)物面的反射率 ，接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑 ，光電檢測器件的靈敏度及信噪比等。( )P trA光源與目標(biāo)物之間的距離 ：L12*1 21s2rn()rJA DLUA fU 14*1 21s2rn()rJA DLUA fU 大目標(biāo)主動系統(tǒng)：小目標(biāo)主動系統(tǒng)： 從上兩式可以看出，為提高測距系統(tǒng)的作用距離應(yīng)該使用功率大、發(fā)散角小的光源；光學(xué)系統(tǒng)的透過率要高；還要使 盡量大。要求高的光電檢測信噪比時，則 越小，系統(tǒng)工作可靠性越好，精度越高；系統(tǒng)帶寬 越窄則可測距離大，一般在滿足要求情況下， 越窄則越好。rd/AALf

53、f第70頁/共132頁3光電測距系統(tǒng)設(shè)計要點（1）三角法測距設(shè)計要點 1）在量程較大時采用非線性補償法來減小非線性誤差。 2）主動三角法測距，采用高穩(wěn)定性直流電源供電或用自適應(yīng)光強控制方法保持照明的穩(wěn)定，用差動測量法可有效地減小光源波動的影響。 3）主動三角法測距，在設(shè)計時應(yīng)考慮儀器的適應(yīng)性，采用差動法和補償法。 4）光學(xué)系統(tǒng)的分辨力、像差、光電接收器件的位置及其光電特性、光譜特性、頻率特性都對測距精度有影響，應(yīng)加以注意。 （2）相位法與時間法測距系統(tǒng)設(shè)計要點 1）光源是調(diào)制光源，穩(wěn)定、可靠和高調(diào)制頻率的光源設(shè)計十分重要。 2）高精度鑒相器或計時器設(shè)計是相位法和時間法測距的關(guān)鍵。 3）考慮大氣

54、的窗口效應(yīng)，盡量減小大氣的影響。 4）接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑與光電器件光敏面積之比應(yīng)盡量取大些，有利于提高測距范圍。第71頁/共132頁四、幾何中心與幾何位置光電檢測系統(tǒng)設(shè)計 幾何中心與幾何位置檢測系統(tǒng)，用于光強隨空間分布的光信號檢測。 基本原理：先將幾何形體的輪廓被光學(xué)系統(tǒng)成像，其像的位置與幾何形體相對光軸（基準(zhǔn)）的位置有關(guān)，再用一個與光軸位置有確定關(guān)系的像分析器將像的空間位置分布轉(zhuǎn)換成照度分布，獲得與幾何位置有關(guān)的光通量變化，即得到位置光通量變換特性，根據(jù)光通量的變化就可檢測出幾何位置。 圖6-35是確定精密線紋尺刻線定位位置的靜態(tài)光電顯微鏡原理圖。 儀器設(shè)計時取狹縫的縫寬 與刻線5的像寬 相

55、等，狹縫高 與像高 相等，如圖6-36a所示。 lbhd 可以看出由刻線像與狹縫及光電器件構(gòu)成的裝置可以分析物（刻線）的幾何位置，稱之為像分析器。 第72頁/共132頁圖6-35 靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖 1光源 2聚光鏡 3分光鏡 4物鏡 5刻線尺 6狹縫 7光電檢測器件 第73頁/共132頁圖6-36 像分析器及其特性 a）狹縫與刻線像關(guān)系 b）窗口函數(shù)分布 c）相面照度分布 d）定位特性 第74頁/共132頁在理想情況下定位特性 為：00( )00E h xxlxxE hlxl（662） 但是由于背景光、像差、狹縫邊緣厚度的存在，實際的照度分布與定位特性如圖6-36中虛線所示，即當(dāng) 時仍

56、有一小部分光通量輸出： 0 x min0(1)E hl 式（6-62）表明像分析器的特性 是一個線性特性。在測量過程中照度 變化將直接帶來測量誤差，因此要求照明光源必須十分穩(wěn)定。另外光學(xué)系統(tǒng)的像差和狹縫的位置、形狀都對儀器的精度有影響。 0( ) xE h x0E( )x 但是由于背景光、像差、狹縫邊緣厚度的存在，實際的照度分布與定位特性如圖6-36中虛線所示，即當(dāng) 時仍有一小部分光通量輸出： 0 x min0(1)E hl 是背景光通量，它對系統(tǒng)的對比度有一定影響； 為背景光等引起的透過率。min第75頁/共132頁圖6-37是用CCD攝像法確定物體的幾何位置的例子： 圖6-37 電子指標(biāo)線

57、法原理圖1光源 2照明光學(xué)系統(tǒng) 3物 4成像光學(xué)系統(tǒng) 5CCD 6十字線準(zhǔn)星 該方法也是將幾何中心定位在光軸上，其像分析器是CCD攝像器件，采用預(yù)先標(biāo)定的方法確定CCD坐標(biāo)與物坐標(biāo)的相對位置關(guān)系。 第76頁/共132頁 從以上兩個例子可以看出幾何中心和幾何位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮如下問題： （1）像面上設(shè)置的取樣窗口（狹縫，刀口，劈尖等）是定位基準(zhǔn)，它應(yīng)與光路的光軸保持正確的位置，窗口的形狀和尺寸與目標(biāo)像的尺寸應(yīng)保持嚴(yán)格的關(guān)系，窗口的邊緣應(yīng)陡直。 （2）目標(biāo)像應(yīng)失真小，即光學(xué)像差要小，并有一定的照度分布。 （3）像分析器應(yīng)有線性的定位特性。 （4）照明光源應(yīng)有恒定的照明，在精度要求更高的情況下

58、應(yīng)考慮用調(diào)制技術(shù)或差動測量等方法來抑制共模干擾。 第77頁/共132頁 圖6-38是用調(diào)制的方法減小光源波動影響的例子。它采用振動鏡掃描將直流信號變?yōu)榻涣餍盘?，又稱為調(diào)制式靜態(tài)光電顯微鏡，這種調(diào)制又叫掃描調(diào)制。 掃描調(diào)制的靜態(tài)光電顯微鏡要求狹縫寬與被定位的刻線像寬相等，而在狹縫處像的振幅也與它們相等。 為了減小光源波動的影響，將像分析器設(shè)計成差動形式，圖6-39是差動式光電瞄準(zhǔn)顯微鏡原理圖?？叹€像與狹縫A、B及其光照特性，輸出特性如圖6-40所示。從圖中可以看出，當(dāng) 時，特性近似處于線性區(qū)，這時兩光電檢測器件輸出的電壓差為： x3lAB00e0e()2uuuE hxE hx SE hxS 從上

59、式可以看出，由于采用差動法，光源波動（或）的影響大為減小，并且線性區(qū)擴大一倍，曲線斜率也增加一倍。 第78頁/共132頁圖6-38 掃描調(diào)制式靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖1光源 2聚光鏡 3分光鏡 4物鏡 5刻線 6振動反射鏡 7狹縫 8光電檢測器件第79頁/共132頁圖6-39 差動式光電顯微鏡原理圖 1光源 2聚光鏡 3反射鏡 4被瞄準(zhǔn)的刻線 5物鏡 6分光鏡 7像分析器A 8像分析器B 第80頁/共132頁圖6-40 刻線像與狹縫A、B的光電特性和輸出特性 a）刻線像及狹縫A、B相對應(yīng)位置 b）光照特性 c）光電器件的輸出特性 d）差分輸出特性第81頁/共132頁幾何中心和幾何位置光電檢測系

60、統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：（1）照明光源應(yīng)穩(wěn)定，且照度應(yīng)均勻。（2）光學(xué)系統(tǒng)像差要小，像的對比度好。（3）用于對準(zhǔn)的標(biāo)志物或被檢測的物的邊緣應(yīng)清晰、陡直、無毛刺。（4）像分析器的位置相對測量基準(zhǔn)要精確校準(zhǔn)；在直接用光電器件窗口作像分析器時要注意像分析器的坐標(biāo)、光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)和物坐標(biāo)的統(tǒng)一。（5）在用掃描調(diào)制法進行調(diào)制時要求調(diào)制中心穩(wěn)定，調(diào)制幅度恒定。在用差動法檢測時，要求二路差動信號具有相同的特性。第82頁/共132頁 五、直接檢測光電系統(tǒng)中的光學(xué)參數(shù)的確定 直接光電檢測系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)確定的主要依據(jù)是光電檢測器件的噪聲等效功率NEP。 （一）入瞳直徑的計算 考慮圖6-41所示的光電系統(tǒng)。 圖6-