第七章_光電信息變換教材

1、第第7 7章章 光電信息變換光電信息變換n光敏電阻，光生伏特器件，光電發(fā)射器件光敏電阻，光生伏特器件，光電發(fā)射器件nCCD,CMOS，攝像管，變像管，像增強管，攝像管，變像管，像增強管檢測光強信息，光探測器檢測光強信息，光探測器可以測量位移，速度，加速度，溫度，可以測量位移，速度，加速度，溫度，磁場，電場，濃度，壓力，壓強等么？磁場，電場，濃度，壓力，壓強等么？可以！可以！先把先把待測量的變化（信息）待測量的變化（信息）光的變化光的變化，再用光電探測器檢測再用光電探測器檢測7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 光電信息變換的分類：光電信息變換的分類： 一方面根據(jù)一方面根據(jù)信息載

2、入光學信息的方式分：信息載入光學信息的方式分：信息載荷于光源的信息載荷于光源的方式；信息載荷于透明體的方式；信息載荷于反射光的方式；信方式；信息載荷于透明體的方式；信息載荷于反射光的方式；信息載荷于遮擋光的方式；信息載荷于光學量化器的方式；光通信息載荷于遮擋光的方式；信息載荷于光學量化器的方式；光通信方式的信息變換。方式的信息變換。 另一方面根據(jù)另一方面根據(jù)光電變換電路輸出信號與信息的函數(shù)關(guān)系分光電變換電路輸出信號與信息的函數(shù)關(guān)系分為為模擬光電變換與模模擬光電變換與模- -數(shù)光電變換兩類。數(shù)光電變換兩類。 一、光電信息變換的基本形式一、光電信息變換的基本形式7.1 7.1 光電信息變換的分類光

3、電信息變換的分類 1. 1. 信息載荷于光源的方式信息載荷于光源的方式 信息載荷于光源中的情況（或光學信息為光源本身），如信息載荷于光源中的情況（或光學信息為光源本身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源的強度信息等。光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源的強度信息等。 應(yīng)用范圍：鋼水溫度的探測、光譜分析、火災(zāi)報警、武器應(yīng)用范圍：鋼水溫度的探測、光譜分析、火災(zāi)報警、武器制導(dǎo)、夜視觀察等。制導(dǎo)、夜視觀察等。 舉例：利用全輻射測溫原理測量物體溫度。舉例：利用全輻射測溫原理測量物體溫度。在全輻射測溫應(yīng)用中，溫度信息存在于光源的輻在全輻射測溫應(yīng)用中，溫度信息存在于光源的輻射出射度射出射度Me, 中，

4、中，由斯忒藩玻爾茲曼定律可知物體的全輻射出射度由斯忒藩玻爾茲曼定律可知物體的全輻射出射度Me與與物體溫度的關(guān)系為物體溫度的關(guān)系為 例：全輻射測溫例：全輻射測溫4,TMMsee 式中式中Me, s為同溫度黑體的輻射出射度，為同溫度黑體的輻射出射度，為物體的發(fā)射系數(shù)，為物體的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。與物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。T為被測體的溫度，即為被測體的溫度，即測量的信息量。測量的信息量。 在近距離測量時，不考慮大氣的吸收，光電傳感器在近距離測量時，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換電路輸出的電壓信號為的變換電路輸出的電壓信號為eesMSGKMmU式中，式中，m為光學系

5、統(tǒng)的調(diào)制度，為光學系統(tǒng)的調(diào)制度，為光學系統(tǒng)的透過濾，為光學系統(tǒng)的透過濾，S為光電器為光電器件的靈敏度，件的靈敏度，G為變換電路的變換系數(shù)，為變換電路的變換系數(shù)，K為放大器的放大倍數(shù)，為放大器的放大倍數(shù)，= mSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。4TUs通過測量輸出電壓，并進行相應(yīng)的標定就能夠測出物體通過測量輸出電壓，并進行相應(yīng)的標定就能夠測出物體的溫度。的溫度。 物體自身輻射通常是緩慢變化的，因此，經(jīng)物體自身輻射通常是緩慢變化的，因此，經(jīng)光電傳感器獲得的電信號為緩變的信號或直流信光電傳感器獲得的電信號為緩變的信號或直流信號。號。為克服直流放大器的零點漂移、環(huán)境溫度影響和為克服

6、直流放大器的零點漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采用光學背景噪聲的干擾，常采用光學調(diào)制調(diào)制技術(shù)或電子斬技術(shù)或電子斬波調(diào)制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?，然后再解調(diào)出波調(diào)制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?，然后再解調(diào)出被測信息。被測信息。一、光電信息變換的基本形式一、光電信息變換的基本形式7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 2. 2. 信息載荷于透明體的方式信息載荷于透明體的方式 利用透明體的透明度、透明密度分布、厚度、介質(zhì)材料對利用透明體的透明度、透明密度分布、厚度、介質(zhì)材料對光的吸收系數(shù)等信息測量。光的吸收系數(shù)等信息測量。 應(yīng)用范圍：液體或氣體的透明度（或混濁度）、透明薄膜應(yīng)用范圍：液

7、體或氣體的透明度（或混濁度）、透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等。的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等。 舉例：測量液體濃度或介質(zhì)厚度。舉例：測量液體濃度或介質(zhì)厚度。一、光電信息變換的基本形式一、光電信息變換的基本形式7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 3. 3. 信息載荷于反射光的方式信息載荷于反射光的方式 利用鏡面反射或漫反射信息進行測量。利用鏡面反射或漫反射信息進行測量。 應(yīng)用范圍：利用鏡面反射來判斷光信號有無等信息，如光應(yīng)用范圍：利用鏡面反射來判斷光信號有無等信息，如光電準值儀、邁克爾孫干涉儀；測量物體的運動、轉(zhuǎn)動的速度、電準值儀、邁克爾孫干涉儀；測量物體的運動、轉(zhuǎn)動的速度、相

8、位等。漫反射主要是測量物體表面性質(zhì)的信息，如反射系數(shù)相位等。漫反射主要是測量物體表面性質(zhì)的信息，如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵病。載荷表面粗糙度及表面疵病。 舉例：檢測產(chǎn)品外觀疵病。舉例：檢測產(chǎn)品外觀疵病。一、光電信息變換的基本形式一、光電信息變換的基本形式7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 4. 4. 信息載荷于遮擋光的方式信息載荷于遮擋光的方式 利用物體部分或全部遮擋入射光束，或以一定的速度掃過利用物體部分或全部遮擋入射光束，或以一定的速度掃過光電器件的視場進行測量。光電器件的視場進行測量。 應(yīng)用范圍：光電測微儀、光電投影顯微測量儀、光電計數(shù)、應(yīng)用范圍：光電測微儀、光電

9、投影顯微測量儀、光電計數(shù)、光控開關(guān)和主動式防盜報警。光控開關(guān)和主動式防盜報警。 舉例：檢測物體寬度、速度、位移、加速度等。舉例：檢測物體寬度、速度、位移、加速度等。一、光電信息變換的基本形式一、光電信息變換的基本形式7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 5. 5. 信息載荷于光學量化器的方式信息載荷于光學量化器的方式 光學量化是指通過光學的方法將連續(xù)變化的信息變換成有光學量化是指通過光學的方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個離散量的方法。光學量化器主要包括光柵摩爾條紋量化器、限個離散量的方法。光學量化器主要包括光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學碼盤量化器等。各種干涉量化器和光

10、學碼盤量化器等。 應(yīng)用范圍：精密尺度測量、角度測量和精密機床加工的自應(yīng)用范圍：精密尺度測量、角度測量和精密機床加工的自動控制方面。動控制方面。 舉例：長度測量。舉例：長度測量。例如，將長度信息量例如，將長度信息量L L經(jīng)光學量化后形成經(jīng)光學量化后形成n n個條紋信號，量化個條紋信號，量化后的長度信息后的長度信息L L為為 L L=q=qn n 式中，式中，q q稱為長度的量化單位，它與光學量化器的性質(zhì)有關(guān)，稱為長度的量化單位，它與光學量化器的性質(zhì)有關(guān)，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時，量化單位量化單位q q等于光柵的節(jié)距

11、，在微米量級；而采用激光干涉量等于光柵的節(jié)距，在微米量級；而采用激光干涉量化器時，化器時，q q為激光波長的為激光波長的1/41/4或或1/81/8，視具體的光學結(jié)構(gòu)而定。，視具體的光學結(jié)構(gòu)而定。目前，這種變換形式已廣泛地應(yīng)用于精密尺寸測量、角度測目前，這種變換形式已廣泛地應(yīng)用于精密尺寸測量、角度測量和精密機床加工量的自動控制等方面。量和精密機床加工量的自動控制等方面。 一、光電信息變換的基本形式一、光電信息變換的基本形式7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 6. 6. 光通信方式的信息變換光通信方式的信息變換 信息首先對光源進行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號，信息首先對光源進

12、行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號，通過光纖傳送到目的地，再通過解調(diào)器還原信息。廣泛用于聲通過光纖傳送到目的地，再通過解調(diào)器還原信息。廣泛用于聲音和視頻圖像等信息通信中。音和視頻圖像等信息通信中。二、光電信息變換的類型二、光電信息變換的類型 7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 光電信息變換和信息處理方法可分為光電信息變換和信息處理方法可分為2 2類：一類稱為模擬量的類：一類稱為模擬量的光電信息變換；另一類稱為數(shù)字量的光電信息變換，例如后光電信息變換；另一類稱為數(shù)字量的光電信息變換，例如后2 2種變種變換方式。換方式。 1. 1. 模擬光電變換模擬光電變換 被測的非電量信息（如溫

13、度、介質(zhì)厚度、均勻度、溶液濃度、被測的非電量信息（如溫度、介質(zhì)厚度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時，常為光度量（通量、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流IpIp或電壓或電壓UpUp信號的形式輸出。即輸出信號量是被測信號量信號的形式輸出。即輸出信號量是被測信號量Q Q的函數(shù)，的函數(shù)，或稱輸出信號量與被測信號量之間的關(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系。可表或稱輸出信號量與被測信號量之間的關(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系?？杀硎緸槭緸?Ip=f(Q)二、光電信息變換的類型二

14、、光電信息變換的類型 7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 2. 2. 模模- -數(shù)光電變換數(shù)光電變換 在這類光電變換中，被測信息量在這類光電變換中，被測信息量Q Q通過光學變換量化為數(shù)字信通過光學變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換電路息（包括光脈沖、條紋信號和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換電路輸出。輸出。 模模- -數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出“0 0”和和“1 1”（高、（高、低電平）兩個狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位低電平）兩個狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位等都可以載荷信息。

15、因此，這類光電變換電路的輸出信號不再是等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出信號不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量電流或電壓，而是數(shù)字信息量F F。它與被測信息量。它與被測信息量Q Q的函數(shù)關(guān)系為的函數(shù)關(guān)系為 F = f(Q)F = f(Q)探探測測器器放放大大器器示波器示波器背景背景目標目標信信 號號處處 理理模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)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)：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

16、換。數(shù)字系統(tǒng)：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。 其它分類方法其它分類方法 1主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)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)：主動光電系統(tǒng)： 光電系統(tǒng)的照明是人工光源，如白熾燈、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)被動光電系統(tǒng) : 光電系統(tǒng)的照明光源是自然光（如太

17、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。2直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng)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)：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)：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。3可見光檢測系統(tǒng)與紅外光檢測系統(tǒng)可見光

18、檢測系統(tǒng)與紅外光檢測系統(tǒng) 按照光譜范圍分。 4點檢測系統(tǒng)與面探測系統(tǒng)點檢測系統(tǒng)與面探測系統(tǒng) 按接收系統(tǒng)分。 5按照光電系統(tǒng)的功能還分為光電信息檢測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、光電搜索系統(tǒng)、光電通信系統(tǒng)等。 通知：通知：CCD微機測徑微機測徑太陽能電池與液晶的電光效應(yīng)太陽能電池與液晶的電光效應(yīng)光電器件特性參數(shù)光電器件特性參數(shù)12.6下午下午3.00補做第補做第25次試驗次試驗12.6晚上晚上6.15補做第補做第13次試驗次試驗星期五不補了，過期不候星期五不補了，過期不候一、長、寬尺寸信息的光電變換一、長、寬尺寸信息的光電變換 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換1. 1. 投

19、影放大法投影放大法 將目標或工件的長、寬等尺寸信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦畔⒌姆椒ㄓ袑⒛繕嘶蚬ぜ拈L、寬等尺寸信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦畔⒌姆椒ㄓ型队胺糯蠓?，激光三角測量法，光學靈敏杠桿測量法，激光掃描投影放大法，激光三角測量法，光學靈敏杠桿測量法，激光掃描測量法和差動測量法等。測量法和差動測量法等。 投影儀是一種光學放大成像儀器。所以，特別適合用于對形投影儀是一種光學放大成像儀器。所以，特別適合用于對形狀復(fù)雜的工件和較小型工件的測量。狀復(fù)雜的工件和較小型工件的測量。光源光源聚光鏡聚光鏡保護玻璃保護玻璃待測物體待測物體物鏡物鏡反射鏡反射鏡投影屏投影屏一、長、寬尺寸信息的光電變換一、長、寬尺寸信息的光電變換 7.3

20、7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換2. 2. 激光三角法激光三角法單點式激光三角法常采用直射和斜射兩種結(jié)構(gòu)。單點式激光三角法常采用直射和斜射兩種結(jié)構(gòu)。 激光三角法具有結(jié)構(gòu)簡單、測試速度快、實時處理能力激光三角法具有結(jié)構(gòu)簡單、測試速度快、實時處理能力強、使用靈活方便等特點，在長度、距離及三維形貌等的測試強、使用靈活方便等特點，在長度、距離及三維形貌等的測試中應(yīng)用廣泛。中應(yīng)用廣泛。 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換sincosaxxbx11212cossin()cos()axxbxsincosaxxbx一、長、寬尺寸信息的光電變換一、長、寬尺寸

21、信息的光電變換 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換2. 2. 激光三角法激光三角法 利用直射式方法還可利用直射式方法還可測量被測面的位移量。測量被測面的位移量。tanzbtanfxfzbx 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換3.3.光學靈敏杠桿法光學靈敏杠桿法 用來測量微小長度用來測量微小長度（或長度改變量）。（或長度改變量）。一、長、寬尺寸信息的光電變換一、長、寬尺寸信息的光電變換 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換4.4.激光掃描法激光掃描法 這種方法是利用掃描光束周期性地照明被測物體，在物體這種方法

22、是利用掃描光束周期性地照明被測物體，在物體邊緣上形成強對比度隨時間周期性變化的光分布，通過測量邊緣上形成強對比度隨時間周期性變化的光分布，通過測量通光與遮光的時間差進行測長。通光與遮光的時間差進行測長。一、長、寬尺寸信息的光電變換一、長、寬尺寸信息的光電變換 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換 在成像系統(tǒng)中，物像之間在成像系統(tǒng)中，物像之間有嚴格的幾何關(guān)系，被測物體有嚴格的幾何關(guān)系，被測物體離開理想物面時就會引起像面離開理想物面時就會引起像面上的光照度分布的變化，利用上的光照度分布的變化，利用這種現(xiàn)象可以測量軸向位移。這種現(xiàn)象可以測量軸向位移。二、位移信息的光電變換

23、二、位移信息的光電變換 光焦點法：以聚焦光斑光密光焦點法：以聚焦光斑光密度分布的集中程度來判斷物體度分布的集中程度來判斷物體軸向位移的方法。軸向位移的方法。1.1.像點軸上偏移檢測的光焦點法像點軸上偏移檢測的光焦點法 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換 像偏移法又叫光切法。它是一種三角測量方式的軸向位移測像偏移法又叫光切法。它是一種三角測量方式的軸向位移測量方法。量方法。二、位移信息的光電變換二、位移信息的光電變換2.2.像點軸外偏移檢測的像偏移法像點軸外偏移檢測的像偏移法Az 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換 利用光電開關(guān)可以實現(xiàn)

24、速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同時，光電開利用光電開關(guān)可以實現(xiàn)速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同時，光電開關(guān)是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控制和自動檢測。關(guān)是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控制和自動檢測。三、速度信息的光電變換三、速度信息的光電變換1.1.光電耦合器件（光電開關(guān)）測速光電耦合器件（光電開關(guān)）測速 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換 利用光電開關(guān)可以實現(xiàn)速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同時，光電開利用光電開關(guān)可以實現(xiàn)速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同時，光電開關(guān)是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控制和自動檢測。關(guān)是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控制和自動檢測。三、速度信息的光電變換三、速度信息的

25、光電變換2.2.光電耦合器件（光電開關(guān)）測速光電耦合器件（光電開關(guān)）測速 使用范圍：自動售貨機中硬幣檢測；反射型光電開關(guān)用于傳使用范圍：自動售貨機中硬幣檢測；反射型光電開關(guān)用于傳真、復(fù)??；透射式光電開關(guān)可用于圓盤光柵式讀數(shù)裝置（如電子真、復(fù)??；透射式光電開關(guān)可用于圓盤光柵式讀數(shù)裝置（如電子秤）。秤）。 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換n干涉方法的光電信息變換干涉方法的光電信息變換n衍射方法的光電信息變換衍射方法的光電信息變換 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換 利用光電方法對光波的各利用光電方法對光波的各種干涉現(xiàn)象進行檢測和處理，種

26、干涉現(xiàn)象進行檢測和處理，最后解算出被測幾何和物理參最后解算出被測幾何和物理參量的技術(shù)，統(tǒng)稱為光電干涉測量的技術(shù)，統(tǒng)稱為光電干涉測量技術(shù)。量技術(shù)。一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換1.1.光電干涉測量技術(shù)光電干涉測量技術(shù)00( ,)rIA f00( ,)rIA f( )x( )v x00( ,)rIA ff干涉儀中用激光為相干光載波，它的振幅為A，頻率為f ，初相位為的載波信號，用 表示。載波信號分為二路引入干涉儀。在測量臂中 受到待測位移信號 的相位調(diào)制。形成 的調(diào)相信號。待測信息為運動速度 。產(chǎn)生的調(diào)頻信號為 這樣測量臂起到信號調(diào)制器的作用。 ro00,rfAI00,rfA

27、I x00,rfAI x00,ffAIr圖樣（在測位移情況下）或確定光拍頻率（在測速情況下）的輸出信號。 已調(diào)制光頻波在干涉物上和來自參考臂的參考光波相干涉，呈現(xiàn)出具有穩(wěn)定的干涉 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換 使用窄光束單頻光的干涉測量系統(tǒng)，檢測對象是干涉條紋波使用窄光束單頻光的干涉測量系統(tǒng)，檢測對象是干涉條紋波數(shù)或相位隨時間的變化，為一維空間單頻光的相位調(diào)制，適數(shù)或相位隨時間的變化，為一維空間單頻光的相位調(diào)制，適用于被測對象為物體的整體位移或運動。用于被測對象為物體的整體位移或運動。一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.2.單頻光相干的條

28、紋檢測單頻光相干的條紋檢測 當激光束擴束成為平行光照射到被測物體時，會形成由干涉當激光束擴束成為平行光照射到被測物體時，會形成由干涉條紋組成的平面干涉圖像。它反映了被測物面微觀面形的幾條紋組成的平面干涉圖像。它反映了被測物面微觀面形的幾何參量的變化，是二維空間單頻光的相位調(diào)制。何參量的變化，是二維空間單頻光的相位調(diào)制。 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.2.單頻光相干的條紋檢測單頻光相干的條紋檢測干涉條紋時序變換的檢測可采用下列光電方法：干涉條紋時序變換的檢測可采用下列光電方法：干涉條紋光強檢測法、干涉條紋比

29、較法和干涉條紋跟蹤法等干涉條紋光強檢測法、干涉條紋比較法和干涉條紋跟蹤法等窄光束或平行的單頻光窄光束或平行的單頻光位移、運動或面形位移、運動或面形光電系統(tǒng)光電系統(tǒng)干涉圖樣相位隨時干涉圖樣相位隨時間的變換間的變換 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.2.單頻光相干的條紋檢測單頻光相干的條紋檢測 利用光學干涉儀的雙光利用光學干涉儀的雙光束或多光束干涉作用，以光束或多光束干涉作用，以光電器件直接檢測條形或同心電器件直接檢測條形或同心圓環(huán)形干涉條紋的光強變化圓環(huán)形干涉條紋的光強變化來實現(xiàn)干涉條紋時序變化檢來實現(xiàn)干涉條紋

30、時序變化檢測的。測的。（1 1）干涉條紋光強檢測法）干涉條紋光強檢測法光源光源檢測檢測2 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.2.單頻光相干的條紋檢測單頻光相干的條紋檢測 利用兩束不同頻率的相干光作為光源，其中一束頻率利用兩束不同頻率的相干光作為光源，其中一束頻率已知，另一束未知，對應(yīng)同一位移，通過比較波長不同的已知，另一束未知，對應(yīng)同一位移，通過比較波長不同的兩束光干涉條紋頻率變化得到待測量的方法稱為干涉條紋兩束光干涉條紋頻率變化得到待測量的方法稱為干涉條紋比較法。比較法。（2 2）干涉條紋比較法）干涉條紋比

31、較法 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換rx 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.2.單頻光相干的條紋檢測單頻光相干的條紋檢測干涉條紋跟蹤法為干涉條紋跟蹤法為平衡平衡測量測量的方法。的方法。（3 3）干涉條紋跟蹤法）干涉條紋跟蹤法為保證干涉條紋的穩(wěn)定，為保證干涉條紋的穩(wěn)定，使參考鏡根據(jù)測量鏡的位使參考鏡根據(jù)測量鏡的位移做相應(yīng)的位移變化移做相應(yīng)的位移變化 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的

32、光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換3.3.雙頻光相干的差頻檢測雙頻光相干的差頻檢測 雙頻光的差頻檢測是將包含有被測信息的相干光調(diào)制波和基雙頻光的差頻檢測是將包含有被測信息的相干光調(diào)制波和基準的本機振蕩光波在滿足波前匹配的條件下，在光電探測器上進準的本機振蕩光波在滿足波前匹配的條件下，在光電探測器上進行光學混頻，光電探測器的輸出為兩光波的差頻電信號。行光學混頻，光電探測器的輸出為兩光波的差頻電信號。 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換3.3.雙頻光相干的差頻檢測雙頻光相干的差頻檢測作為基準的本作為基準的本機振蕩

33、光波機振蕩光波包含被測信息包含被測信息的相干光調(diào)制的相干光調(diào)制光電檢測光電檢測系統(tǒng)系統(tǒng)差頻信號（拍頻）差頻信號（拍頻）光學混頻光學混頻 差頻檢測的優(yōu)點：靈敏度高、輸出信噪比高、精度差頻檢測的優(yōu)點：靈敏度高、輸出信噪比高、精度高、探測目標的作用距離遠等。高、探測目標的作用距離遠等。 7.4 7.4 物理光學法的光電信息變換物理光學法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換3.3.雙頻光相干的差頻檢測雙頻光相干的差頻檢測作為基準的本作為基準的本機振蕩光波機振蕩光波包含被測信息包含被測信息的相干光調(diào)制的相干光調(diào)制光電檢測光電檢測系統(tǒng)系統(tǒng)差頻信號（拍頻）差頻信號（拍頻）光學混

34、頻光學混頻 差頻檢測的優(yōu)點：靈敏度高、輸出信噪比高、精度差頻檢測的優(yōu)點：靈敏度高、輸出信噪比高、精度高、探測目標的作用距離遠等。高、探測目標的作用距離遠等。n7.4.2 衍射方法的光電信息變換衍射方法的光電信息變換 1、夫瑯和費單縫衍射夫瑯和費單縫衍射 氦氖激光器發(fā)出的單色平行光垂直照射在寬為b的狹縫AB上，經(jīng)透鏡在其焦平面處的屏幕上形成夫瑯和費衍射圖樣。若衍射角為 的一束平行光經(jīng)透鏡聚焦在屏幕上的P點，如圖7-43所示， 圖中AC垂直BC，因此衍射角為的光線從狹縫A、B兩邊到達P點的光程差，即它們的兩條邊緣光線之間的光程差為 sinbBC （7-72） P點干涉條紋的亮暗由BC值決定，用數(shù)學

35、式表示如下： 2) 12(sin22sinsinkbkbb（7-73） 式中的號表示亮暗條紋分布于零級亮條紋的兩側(cè)；相應(yīng)為第一級，第二級，等亮（或暗）條紋。中央零級亮條紋最亮最寬，為其它亮條紋寬度的二倍。兩側(cè)亮條紋的亮度隨級數(shù)增大而逐漸減小，它們的位置可近似地認為是等距分布的，暗點等距分布在中心兩點的兩側(cè)。 當狹縫寬度b變小時，衍射條紋將對稱于中心亮點向兩邊擴展，條紋間距增大。激光衍射圖樣明亮清晰，衍射級次可以很高。 若屏幕離開狹縫的距離L遠大于狹縫寬度b時，將透鏡取掉，仍可以在屏幕上得到垂直于縫寬方向的亮暗相間的夫瑯和費衍射圖樣。由于 角很小。因此由圖7-43和式（7-73）可得 式中，為從

36、 0算起的暗點數(shù)， 為第K級暗點到中心亮紋之間的間距，為激光的波長，SLxkLbk（7-74）kxkxSk/為相鄰兩點的間隔。圖7-44所示為距離屏幕的距離L為1m處，不同狹縫寬度b所形成的衍射圖樣。由于b值的微小變化將引起條紋位置和間隔的明顯變化，因此可以用目測或照相記錄或光電的方法測量出條紋間距，從而求得b值或其變化量。利用物體的微小間隔、位移或振動等代替狹縫或狹縫的一邊，則可測量物體的微小間隔、位移或振動等。 n2 夫瑯和費細絲衍射 夫瑯和費單縫激光衍射傳感器的誤差由L、的測量精度決定。被測狹縫寬度b一般為0.010.5mm。 如圖7-45所示，由氦氖激光器發(fā)出的激光束照射細絲（被測物）

37、時，其衍射效應(yīng)和狹縫一樣，在屏幕（在焦距為f的透鏡的焦平面處）上形成夫瑯和費衍射圖樣。與上同理，相鄰兩暗點或亮點間隔S與細絲直徑d的關(guān)系為 Sfd（7-75） 當d變化時，各條紋位置和間距隨之變化。因此可根據(jù)亮點或暗點間的距測出細絲的直徑。 若在屏幕位置放置線陣CCD傳感器件，可以直接讀出亮、暗條紋的間距，即可測出細絲的直徑。測量范圍約為0.010.1mm，分辨力為0.05mm，測量精度一般為0.1mm，也可高達0.05mm。 3 . 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 利用激光衍射傳感器可以測量微小間隔（如薄膜材料表面涂層厚度），微小直徑（如漆包線，棒料直徑變化量），薄帶寬度（如鐘表游絲），狹縫寬度，微孔孔徑

38、，微小位移以及能轉(zhuǎn)換成位移的物理量如重量、溫度、振動、加速度、壓力等。 （2）激光衍射振幅測量儀）激光衍射振幅測量儀 如圖7-47所示，為激光衍射測量振動幅度的原理。激光射入基準棱和被測物組成的狹縫，在p處產(chǎn)生衍射圖樣。 設(shè)狹縫的初始寬度為b、光電器件置于第k（一般取2或3）級條紋的暗點處，距零級中心線為xk，xk=kL/b。當被測物作簡諧振動時，振動方程為x=XMsint，則狹縫寬度變?yōu)閎=XMsint，衍射條紋位置和間隔相應(yīng)變化，根據(jù)式（7-75）可得 tXbkLxksinM(7-76) 因此， 為 的函數(shù)。由于光電器件的位置固定，即 為定值， 的變化使光電器件所接收的光強隨之變化。若滿足

39、 條件，便可以直接測出物體振動的幅度。 kxMXkxkx2/bXM7.5 時變光電信息的調(diào)制n調(diào)制的基本原理與類型調(diào)制的基本原理與類型n信號的調(diào)制信號的調(diào)制n調(diào)制信號的解調(diào)調(diào)制信號的解調(diào)n調(diào)制調(diào)制是光電系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。是光電系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。n光輻射調(diào)制光輻射調(diào)制是指改變光波振幅、強度、相位或頻率、偏振是指改變光波振幅、強度、相位或頻率、偏振等參數(shù)使之攜帶信息的過程。等參數(shù)使之攜帶信息的過程。n調(diào)制的目的調(diào)制的目的是對所需處理的信號或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形是對所需處理的信號或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形式的變換，式的變換， 使之便于處理、傳輸和檢測。使之便于處理、傳輸和檢測。 調(diào)制的基本原理調(diào)

40、制的基本原理n抑制背景光的干擾：抑制背景光的干擾：n抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場的干擾：場的干擾：因而采用調(diào)制的光電系統(tǒng)具有更高的探測能力因而采用調(diào)制的光電系統(tǒng)具有更高的探測能力光調(diào)制的優(yōu)點n無線電通信應(yīng)用無線電通信應(yīng)用調(diào)制和解調(diào)調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。技術(shù)。n調(diào)制：調(diào)制：直流信號進行放大時，為克服直直流信號進行放大時，為克服直流放大器的零點漂移，通常采用將直流流放大器的零點漂移，通常采用將直流信號信號調(diào)制調(diào)制成交流信號，先進行交流放大，成交流信號，先進行交流放大，再分離出直流信號的方法。再分離出直流信號的方法。n解調(diào)：解調(diào)：從已調(diào)制信號中恢復(fù)原始信號的從

41、已調(diào)制信號中恢復(fù)原始信號的過程，即通常所說的信息檢測。過程，即通常所說的信息檢測。 調(diào)制的基本原理調(diào)制的基本原理 由激光由激光“攜帶攜帶”的信息的信息(包括語言、文字、圖像、符號等包括語言、文字、圖像、符號等)通通過一定的傳輸通道過一定的傳輸通道(大氣、光纖等大氣、光纖等)送到接收器，再由光接收器送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。鑒別并還原成原來的信息。這種將信息加載于激光的過程稱之這種將信息加載于激光的過程稱之為光的調(diào)制為光的調(diào)制。 完成這一過程的裝置稱為完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器調(diào)制器(Modulator）。其中激光。其中激光稱為載波；起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。稱為

42、載波；起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。 調(diào)制的基本原理調(diào)制的基本原理 激光激光是一種頻率更高的電磁波，它具有很好相干性，因而是一種頻率更高的電磁波，它具有很好相干性，因而象以往電磁波（收音機、電視等）一樣可以用來作為傳遞信息象以往電磁波（收音機、電視等）一樣可以用來作為傳遞信息的載波。的載波。7.5.1 調(diào)制的基本原理與類型n1. 載波與調(diào)制載波與調(diào)制載波：在光電信息系統(tǒng)中，光通量為信息的載波：在光電信息系統(tǒng)中，光通量為信息的載體，稱為載波。載體，稱為載波。調(diào)制：使光載波信號的一個或幾個特征參數(shù)調(diào)制：使光載波信號的一個或幾個特征參數(shù)按被傳送信息的特征變化，以實現(xiàn)信息檢按被傳送信息的特征變化，

43、以實現(xiàn)信息檢測傳送目的的方法稱為調(diào)制。測傳送目的的方法稱為調(diào)制。解調(diào)：從已調(diào)制信號中分離并提取出有用的解調(diào)：從已調(diào)制信號中分離并提取出有用的信息，即恢復(fù)原始信息的過程稱為解調(diào)。信息，即恢復(fù)原始信息的過程稱為解調(diào)。7.5.1 調(diào)制的基本原理與類型n1. 光電信息調(diào)制的分類光電信息調(diào)制的分類（1）按時空狀態(tài)分：）按時空狀態(tài)分：時間調(diào)制：載波隨時間和信息變化。時間調(diào)制：載波隨時間和信息變化。空間調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信空間調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調(diào)制。息規(guī)律調(diào)制。時空混合調(diào)制：載波隨時間、空間和信息時空混合調(diào)制：載波隨時間、空間和信息同時變化。同時變化。2按按調(diào)制器和激光器的相

44、對關(guān)系調(diào)制器和激光器的相對關(guān)系分：分：內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制)cos()(cccctAtE振幅cA角頻率c相位角c例如：光發(fā)調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）激光光波的電場強度是：激光光波的電場強度是：內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制：是指加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，即是指加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制性以實現(xiàn)調(diào)制。內(nèi)調(diào)制主要用在光通信的注入式半導(dǎo)體光源內(nèi)調(diào)制主要用在光通信的注入式半導(dǎo)體光源中。中。n強度調(diào)制強度調(diào)制n對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號直對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號直接控

45、制，從而實現(xiàn)對所發(fā)射激光的強度進接控制，從而實現(xiàn)對所發(fā)射激光的強度進行調(diào)制的目的。行調(diào)制的目的。n對發(fā)光二極管，半導(dǎo)體激光器等常規(guī)光源，對發(fā)光二極管，半導(dǎo)體激光器等常規(guī)光源，其發(fā)光強度與其中通過的電流成正比。其發(fā)光強度與其中通過的電流成正比。 改變電流改變電流實現(xiàn)強度調(diào)制實現(xiàn)強度調(diào)制內(nèi)調(diào)制的方法一n頻率調(diào)制頻率調(diào)制n把調(diào)制元件放在激光器的諧振腔內(nèi)，用欲把調(diào)制元件放在激光器的諧振腔內(nèi)，用欲傳輸?shù)男盘柨刂普{(diào)制元件物理性質(zhì)的變化，傳輸?shù)男盘柨刂普{(diào)制元件物理性質(zhì)的變化，從而改變光腔參數(shù)，以達到調(diào)制激光輸出從而改變光腔參數(shù)，以達到調(diào)制激光輸出的目的。的目的。n如在可調(diào)腔長式激光器中，輸出激光波長如在可調(diào)

46、腔長式激光器中，輸出激光波長與腔長有關(guān)。與腔長有關(guān)。 在一端的反射鏡后裝一壓電陶瓷片，就可在一端的反射鏡后裝一壓電陶瓷片，就可以外加偏壓來調(diào)整激光器的腔長。以外加偏壓來調(diào)整激光器的腔長。內(nèi)調(diào)制的方法二 外調(diào)制外調(diào)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調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性，當激光通過調(diào)調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性，當激光通過調(diào)制器時，就會使光波的某參量受到調(diào)制制器時，就會使光波的某參量受到調(diào)制。外調(diào)制方便，且比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高（約一個數(shù)量級），外調(diào)制方便，且比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高（約一個數(shù)量級），調(diào)制帶寬要寬得多，故倍受重視。

47、調(diào)制帶寬要寬得多，故倍受重視。（3）按載波波形和調(diào)制方式分類：）按載波波形和調(diào)制方式分類：直流載波調(diào)制：不隨時間而只隨信息變化的調(diào)制。直流載波調(diào)制：不隨時間而只隨信息變化的調(diào)制。交變載波調(diào)制：載波隨時間周期變化的調(diào)制。交變載波調(diào)制：載波隨時間周期變化的調(diào)制。交變載波又分為連續(xù)載波和脈沖載波方式：交變載波又分為連續(xù)載波和脈沖載波方式：連續(xù)載波調(diào)制方式包括調(diào)輻波、調(diào)頻波、調(diào)相波；連續(xù)載波調(diào)制方式包括調(diào)輻波、調(diào)頻波、調(diào)相波；脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻。脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻。光通量的調(diào)制可以在輻射源或光路系統(tǒng)中進行，能實現(xiàn)調(diào)制作用的裝置稱作調(diào)制器。從己調(diào)制信號中分離或

48、提取有用信息的過程稱作解調(diào)。 (a) (a) 調(diào)制信號調(diào)制信號(b) (b) 脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度調(diào)制(c) (c) 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(d) (d) 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(e) (e) 脈沖位置調(diào)制脈沖位置調(diào)制 脈沖調(diào)制形式脈沖調(diào)制形式不連續(xù)調(diào)制屬于兩次調(diào)制：不連續(xù)調(diào)制屬于兩次調(diào)制：(脈沖位置調(diào)制脈沖位置調(diào)制) )1 1、用調(diào)制信號改變電脈沖序列中每一個脈沖產(chǎn)生的時間。、用調(diào)制信號改變電脈沖序列中每一個脈沖產(chǎn)生的時間。2 2、對光載波進行調(diào)制。、對光載波進行調(diào)制。ttmsin)(0式中0為光通量的直流分量，一般不載荷任何信息；m和為載波交變分量的振幅和頻率。 )()()(sin()

49、(0tVttVtVtm式中，V（t）為由被測信息決定的調(diào)制函數(shù)，根據(jù)調(diào)制參量的不同可以分為： 振幅調(diào)制（AM）：調(diào)制參量為；頻率調(diào)制（FM）：調(diào)制參量為； 相位調(diào)制（PM）：調(diào)制參量為載波的初始相位。 （7-77） (1) 連續(xù)波調(diào)制連續(xù)波調(diào)制的光載波通常具有諧波的形式，用下列函數(shù)描述 n3. 典型的調(diào)制方法 振幅調(diào)制 光載波信號的幅度瞬時值隨調(diào)制信息成比例變化，而頻率、相位保持不變的調(diào)制方法稱幅度調(diào)制或調(diào)幅。此時，若式（7-77）中的 為 )(tVmmmtmVtV)(1 )(（7-78） 則式（7-78）變成 ttmVtmsin)(1 )(0式中V（t）是調(diào)制函數(shù)，規(guī)定；m是調(diào)制度或調(diào)制深度

50、，表示V（t）對載波幅度的調(diào)制能力，并且 1載波幅度化被調(diào)制波的最大幅度變mmm（7-79） 以最簡單的正弦調(diào)制函數(shù)為例討論幅度調(diào)制的一般規(guī)律，分析調(diào)幅波的形成過程和它的頻譜分布。 如圖7-48（a）所示為按單一諧波規(guī)律變化的被傳送信息， ，式中， 為被測信息的諧波角頻率；F、為相應(yīng)的頻率和初相位。圖7-48（b）所示為正弦載波。當被傳送信息 的初始相位=0時，被調(diào)制的載波信號為 ttVsinF2 ttVsin ttmtmsinsin10（7-80） 相應(yīng)的波形圖如圖7-48(c)所示。 將式(7-80)用數(shù)學三角公式展開，得到調(diào)幅波的頻譜 ttmttmmcoscos21sin0（7-81）

51、相應(yīng)的頻譜如圖7-48(d)所示。 可見，正弦調(diào)制函數(shù)的調(diào)幅信號除了零頻率分量外還包含有三個諧波分量，即以f0為中心頻率的基頻和基波振幅之半、頻率分別為（f0+F0）、（f0-F0）的兩個分量。 對于頻譜分布在F0F（=2F0）范圍內(nèi)的任意函數(shù)V(t) ，所對應(yīng)的調(diào)幅波頻譜是由以載波頻率f0為中心的一系列邊頻組成，分別為f0F1；f0F2；f0F。式中F1，F(xiàn)2均為F內(nèi)的頻譜分量；頻譜圖如圖7-48(e)所示。若調(diào)制信號具有連續(xù)的帶寬Fmax，則調(diào)幅波的頻帶是f0Fmax，帶寬為Bm=2 Fmax，其中Fmax是調(diào)制信號的最高頻率（圖中虛線）。 調(diào)制載波的頻譜是選擇檢測通道帶寬的依據(jù)。如若載波

52、頻率為f0=10 kHz，調(diào)制信號頻率為F0500Hz，則調(diào)幅后的載波頻譜分布在fL（100.5）kHz9.5kHz和fH（100.5）kHz10.5kHz之間，也就是調(diào)幅波的帶寬為Bm=1kHz。因此，檢測通道的帶寬滿足Bm的要求，對帶寬外的信號進行有選擇地濾波，以便減少噪聲和干擾，有利于提高信噪比。 頻率調(diào)制頻率調(diào)制是指載波的頻率按調(diào)制信號的幅度改變，使調(diào)制后的調(diào)頻波頻率偏離原有的載波頻率，而偏離值與調(diào)制信號幅度瞬時值成正比，簡稱為調(diào)頻。式（7-77）中的調(diào)制項為 tVtV0（7-82） 式中V（t）為調(diào)制函數(shù)，規(guī)定 ； 是載波頻率相對于中心頻率f 的最大頻率偏差，簡稱頻偏。 1)(tV2

53、f0當時，載波頻率的變化最大，為 。將式（7-82）代入式(7-77)中得 0 tmdttVtt000sin（7-83） 若有余弦調(diào)制函數(shù)的情況，即 ， ttVcos式中 為調(diào)制角頻率。F2則式(7-83)可寫成 ttmttfmsinsin00式中 為頻率調(diào)制指數(shù)。 為偏頻，F(xiàn)為調(diào)制頻率。 m 表示單位調(diào)制頻率引起偏頻變化的大小。 在設(shè)計時確定。 Ffmfffmf當 時稱為寬帶調(diào)頻， 時稱為窄帶調(diào)頻。調(diào)頻信號的波形如圖7-49所示。圖7-49（a）所示為調(diào)頻信號的波形，圖7-49（b）所示為調(diào)頻信號的頻譜。 1fm1fm將式（7-84）展開 tmttmttffmsinsincossincoss

54、in000（7-85） 在窄帶調(diào)頻的情況下，式(7-85)中的 （7-84）1sincostmftmtmffsinsinsin，；則式（7-84）可寫成 tmtttfmsincossin000ttmtmfm0000sinsin21sin（7-86） 頻譜的基波頻率為 ，組合頻率為 和 。 000一般情況下，調(diào)制信號形式比較復(fù)雜時，頻譜是以載波頻率為中心的一個帶寬域，帶寬因 而異。窄帶調(diào)頻時的帶寬為 ，寬帶調(diào)頻時的帶寬為 。例如，對光通量調(diào)頻，若F=300Hz，則當 fmFBf2FmFfBff122 = 40時= 24.6kHzfmfB= 4時= 3kHz fmfB= 0.4時= 0.86kHz

55、 fBfm光輻射調(diào)頻不但可以對交變的光通量進行，而且可以對光頻振蕩進行調(diào)頻。例如可以對激光器進行調(diào)頻以便得到中心載波頻率為f0=51014Hz、調(diào)制頻率fmax=44MHz的頻率調(diào)制，相對頻偏為910-8。 相位調(diào)制 相位調(diào)制為載波的相位角隨著調(diào)制信號的變化而變化的調(diào)制。調(diào)頻和調(diào)相兩種調(diào)制波最終都表現(xiàn)為總相角的變化。 相位調(diào)制是式（7-77）中的相位角隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波的總相位角為 cmtktttsin則調(diào)相波可寫為 cmmmtkttVttsinsinsin00（7-87） （7-88） 式中 為相位比例系數(shù)，c為相位角。 k(2) 脈沖調(diào)制以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是連

56、續(xù)振蕩波稱為模擬調(diào)制。目前，廣泛地采用不連續(xù)狀態(tài)的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（編碼調(diào)制）。 如將直流信號用間歇通斷的方法調(diào)制，可以得到連續(xù)的脈沖載波。若使載波脈沖的幅度、相位、頻率、脈寬及其它的組合按調(diào)制信號改變就會得到不同的脈沖調(diào)制。 脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制等。圖7-50所示為各種類型的脈沖調(diào)制方式的波形圖。(3) 脈沖編碼調(diào)制n實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進行三個過程：實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進行三個過程：抽樣抽樣量化量化編碼編碼脈沖編碼調(diào)制n（1）抽樣：抽樣：把連續(xù)信號波分割成不連續(xù)的脈沖波，把連續(xù)信號波分割成不連續(xù)的脈沖波，且脈沖列的幅度與信號波的幅度相對應(yīng)。且脈沖列的幅

57、度與信號波的幅度相對應(yīng)。n按照抽樣定理，只要取樣頻率比所傳遞信號的按照抽樣定理，只要取樣頻率比所傳遞信號的最高頻率大兩倍以上，就能恢復(fù)原信號。最高頻率大兩倍以上，就能恢復(fù)原信號。脈幅調(diào)制信號脈幅調(diào)制信號模擬信號模擬信號脈沖編碼調(diào)制n（2）量化：量化：把抽樣后的脈幅調(diào)制波進行分級把抽樣后的脈幅調(diào)制波進行分級取取“整整”處理，用有限個數(shù)的代表值取代抽樣處理，用有限個數(shù)的代表值取代抽樣值的大小。值的大小。脈幅調(diào)制信號脈幅調(diào)制信號模擬信號模擬信號抽樣抽樣數(shù)字信號數(shù)字信號量化量化非等幅等寬數(shù)字信號非等幅等寬數(shù)字信號n（3）編碼：編碼：把量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的把量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二進制碼的

58、過程。二進制碼的過程?！坝杏小泵}沖脈沖“無無”脈沖脈沖“1”“0”激光載波的極大值激光載波的極大值激光載波的零值激光載波的零值編碼調(diào)制器電脈沖信號電脈沖信號光脈沖信號光脈沖信號脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制在數(shù)字激光通信中廣泛應(yīng)用在數(shù)字激光通信中廣泛應(yīng)用(4) 其它參量調(diào)制 能夠表征光波的幾何或物理特性的參量除光強、變化頻率和相位之外還有許多其他的參量，比如光傳輸中偏振方向和傳播方向等，這些參量也能作為調(diào)制的對象，用來傳送有用的信息。 如光波在旋光性物質(zhì)中傳播時，偏振面的轉(zhuǎn)動可以用來取得有關(guān)該物質(zhì)性質(zhì)的信息。例如糖溶液或松節(jié)油可使通過該溶液偏振光的偏振面轉(zhuǎn)角，它不僅與通過溶液的路程l有關(guān)，而且還正比

59、于溶液的濃度c，即 alc（7-89） 式中，a為溶液的旋光率。由于偏振面的旋轉(zhuǎn)角有方向性，例如葡萄糖為右旋，果糖為左旋，因此，通過測量偏振的旋轉(zhuǎn)角可以獲得溶液的濃度和物質(zhì)的性質(zhì)。光輻射的調(diào)制實現(xiàn)方法光輻射的調(diào)制實現(xiàn)方法1 1 電光調(diào)制電光調(diào)制2 2 聲光調(diào)制聲光調(diào)制3 3 磁光調(diào)制磁光調(diào)制4 4 機械調(diào)制機械調(diào)制1 電光調(diào)制電光調(diào)制【基本要求基本要求】1、基本原理；2、電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)1、電光強度調(diào)制、電光強度調(diào)制晶體的雙折射l定義: 是指光在各向異性介電晶體中傳播時, 分為兩束偏振方向不同的光, 向兩個方向折射l通常情況下,o光與 e光的傳播方向不同各向同性介質(zhì)各向同性介質(zhì)雙折射現(xiàn)象雙折射

60、現(xiàn)象外加強電場外加強電場單色自然光單色自然光 晶體的截面晶體的截面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單斜光在晶體中的傳播特性n光在晶體中的傳播實際是光與晶體相互作用的結(jié)果：n介質(zhì)受到光波電場E作用后產(chǎn)生極化, 極化強度用極化強度矢量P來表示, P與E之間的關(guān)系用宏觀物理量極化率來描述n光輻射場對晶體的極化影響綜合效果集中表現(xiàn)為介電常量的變化，從而引起折射率從而引起折射率變化變化： 在晶體的介電坐標系中，無外加電場時，描述晶體光在晶體的介電坐標系中，無外加電場時，描述晶體光學性質(zhì)的折射率橢球方程為