第四章光源和光的調(diào)制

1發(fā)光體實(shí)際上是一個(gè)電磁輻射波源，光學(xué)系統(tǒng)可以看作是輻射能的傳輸系統(tǒng)。光電系統(tǒng)中能產(chǎn)生輻射的系統(tǒng)稱為光源，它的質(zhì)量的好壞對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度有很大影響。第四章光度學(xué)基礎(chǔ)和光源2定量分析光與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)。

輻射的基本物理量：輻射能：一種傳播電磁波的能量，當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸收時(shí)，可以轉(zhuǎn)化成其它形式的能量。符號(hào)表示：Qe,單位：焦耳(J)輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過面積元dA的輻射能量，單位為瓦特。輻射強(qiáng)度:點(diǎn)輻射源在給定方向上單位時(shí)間單位立體角內(nèi)所輻射的能量為該方向上的輻射強(qiáng)度。單位：W/sr對(duì)各向同性的點(diǎn)光源，所有方向發(fā)射的總輻射通量為：

3輻射的基本物理量：輻出度：面輻射源單位面積發(fā)射出的輻射通量。單位：W/m2輻射亮度：擴(kuò)展輻射源在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量。單位：W/(sr.m2)輻射效率：光源所發(fā)出的輻射通量和外界提供給光源的功率之比。4光度學(xué)的基本物理量：光譜輻射度：輻射源所輻射的某一波長(zhǎng)的單色光的輻射能量。光通量：光源表面在無窮小時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收所有可見光譜光能定義為光通量。單位：流明(lm)光出度：面光源表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量與面元面積之比。單位：勒克斯(lx,lm/m2)光度學(xué)中的各物理量在光譜的可見波段才有意義。人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光線的視覺靈敏度不同，相同光能量的各種波長(zhǎng)光線所產(chǎn)生的視覺效果不同。5光度學(xué)的基本物理量：發(fā)光強(qiáng)度：點(diǎn)光源在給定方向的立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。單位：坎德拉(cd)發(fā)光效率：光源發(fā)射的總光通量與提供的功率之比為發(fā)光效率。6普朗克輻射定律：黑體表面向半球面空間發(fā)射波長(zhǎng)為λ的光譜輻射度是黑體溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。斯忒藩-玻爾茲曼定律

熱輻射基本定律物體熱輻射：靠加熱保持一定溫度使內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的輻射形式，凡能發(fā)射連續(xù)光譜，且輻射是溫度的函數(shù)的物體叫熱輻射體。黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其它性質(zhì)無關(guān)。7光輻射的度量輻射本領(lǐng)：輻射表面在單位波長(zhǎng)間隔單位面積內(nèi)所輻射的通量。吸收本領(lǐng)：吸收本領(lǐng)是在波長(zhǎng)到間隔內(nèi)被物體吸收的通量與入射通量之比，與物體的溫度及波長(zhǎng)有關(guān)。

84.2光輻射在空氣中的傳播

大氣衰減

大氣中存在的多種氣體分子、塵埃、煙霧、濕氣等使部分輻射能量被吸收、轉(zhuǎn)換、輻射，使輻射能衰減或改變?cè)瓉淼膫鞑シ较?。結(jié)果：導(dǎo)致測(cè)量精度降低或者無法進(jìn)行測(cè)量。

大氣分子吸收：不同分子的結(jié)構(gòu)不同，其光譜吸收特性不同。大氣分子散射空氣湍流效應(yīng)：湍流狀態(tài)使光輻射在傳播過程中隨機(jī)地改變其光波參量，出現(xiàn)光束截面內(nèi)的光強(qiáng)閃爍、光束彎曲和漂移、光束彌散、畸變以及相干性退化等現(xiàn)象。光電測(cè)量中的光波多在空氣中和光學(xué)玻璃中傳播。由于在光電檢測(cè)中通常以空氣為信道，大氣構(gòu)成成分的復(fù)雜和不穩(wěn)定性影響光束的特性，影響測(cè)量效果。

94.3光源

光電測(cè)試是采用光電的方法對(duì)帶有待測(cè)信息的光輻射物體的測(cè)試，在任何光電測(cè)試系統(tǒng)中，都離不開一定形式的光源。光源的質(zhì)量對(duì)光電測(cè)量起著非常重要的作用。

光源分類：自然光源和人造光源。

一、光的產(chǎn)生和光源選擇的基本要求二、發(fā)光二極管三、激光光源四、其它光源10光的產(chǎn)生和光源選擇的基本要求

光的產(chǎn)生方式:

溫度輻射和發(fā)光

（1）平衡輻射：熾熱物體－熱輻射物體溫度高于絕對(duì)零度（-273°C）溫度低時(shí)：紅外光溫度升高：可見光（白熾燈）（2）非平衡輻射：發(fā)光外界作用的激發(fā)-物體偏離原來的熱平衡態(tài)－發(fā)光11

光的產(chǎn)生方法（1）電致發(fā)光：電能－>光能，原子或離子被電場(chǎng)加速的電子轟擊由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當(dāng)它由受激狀態(tài)回到低能態(tài)時(shí)就會(huì)發(fā)出輻射。（2）光致發(fā)光：物體被光直接照射或預(yù)先被照射而引起自身的輻射，光、紫外線、射線等激發(fā)而引起的發(fā)光

。（3）化學(xué)發(fā)光：由化學(xué)反應(yīng)提供能量引起的發(fā)光，它是由化學(xué)反應(yīng)直接引起的發(fā)光。如黃磷因氧化而自然發(fā)光。12

光的產(chǎn)生方法（4）熱發(fā)光：物體加熱到一定溫度時(shí)的發(fā)光。熱輻射是一種能達(dá)到平衡狀態(tài)的輻射。輻射的頻率與強(qiáng)度取決于熱平衡的溫度，達(dá)到熱平衡時(shí)的輻射就是所謂的黑體輻射。（5）生物發(fā)光：螢火蟲、發(fā)光細(xì)菌等的生物發(fā)光。

（6）陰極射線發(fā)光：由電子束激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光，如電視機(jī)的顯像管。

13

光源選擇的基本要求（1）光譜特性要求：光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測(cè)系統(tǒng)的要求。（2）發(fā)光強(qiáng)度要求：確保光電測(cè)試系統(tǒng)的正常工作，光源強(qiáng)度過低，系統(tǒng)獲得信號(hào)過小，無法正常測(cè)試，光源強(qiáng)度過高，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性

（3）穩(wěn)定性要求：一般要求時(shí)，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時(shí)，可采用穩(wěn)流電源供電。

（4）其它方面要求：如燈絲的結(jié)構(gòu)和形狀；發(fā)光面積的大小和構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀和均勻性；光源發(fā)光效率和空間分布；激光測(cè)量：漂移、光斑大小、光形狀等。14發(fā)光二極管

概況

（1）實(shí)質(zhì)是一個(gè)PN結(jié)，在PN結(jié)上加正向電壓，流過一定電流，就會(huì)發(fā)出光束。（2）LED(LightEmitingDiode)

電致發(fā)光。（3）發(fā)光的顏色取決于材料；變色發(fā)光二極管（隨通過的電流大小而改變顏色）。（4）可用于顯示、照明、信號(hào)光源等。15

特點(diǎn)－發(fā)光亮度與正向電流成正比例關(guān)系－響應(yīng)速度極快－正向電壓低，耗電少－體積小、重量輕、抗沖擊、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)、單色性好－缺點(diǎn):發(fā)光效率低、發(fā)光面積小，發(fā)出短波光的材料極少16外形和結(jié)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)外殼材料：金屬、陶瓷、全樹脂17LED發(fā)光機(jī)理

LED發(fā)光機(jī)理是電致發(fā)光。

P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和由此產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡狀態(tài)形成P-N結(jié)。如果在P-N結(jié)上施加正向電壓，則促進(jìn)了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。即從N區(qū)流向P區(qū)的電子和從P區(qū)流向N區(qū)的空穴同時(shí)增多，于是有大量的電子和空穴在P-N結(jié)中相遇復(fù)合，并以光和熱的形式發(fā)出能量。電子和空穴的復(fù)合很復(fù)雜，分輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合發(fā)光二極管發(fā)出光的波長(zhǎng)和譜寬主要取決于半導(dǎo)體材料及其摻雜材料。18

LED的特性及參數(shù)

表示二極管性能的參數(shù)有光學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)。（1）發(fā)光效率輻射功率：熱功率：輻射效率：發(fā)光二極管的輻射效率一般在百分之幾到百分之十幾，受環(huán)境溫度的影響，并且與工作電流大小有一定關(guān)系。

19（2）光譜特性光譜分布曲線是描述發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度（或能量）隨波長(zhǎng)（或頻率）變化的曲線，發(fā)射光譜的形成是由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng)。值等于峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度的一半的兩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的譜線寬度，稱為發(fā)光管的帶寬。帶寬是反映發(fā)光的單色性好壞的參數(shù)。20（3）伏安特性

表述流過發(fā)光二極管的電流隨管子兩端電壓變化而變化的關(guān)系，是管子性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志

（1）正向死區(qū)；（2）正向工作區(qū)（3）反向死區(qū)；（4）反向擊穿區(qū)：并聯(lián)普通二極管的方法加以保護(hù)

反向飽和電流：少數(shù)載流子所形成的電流

21（4）發(fā)光亮度發(fā)光亮度：?jiǎn)挝幻娣e發(fā)光強(qiáng)度的度量。正法線方向的亮度：發(fā)光亮度基本上與正向電流密度成線性關(guān)系發(fā)光二極管的發(fā)光亮度受環(huán)境溫度的影響。在一定工作電流下，環(huán)境溫度越高，發(fā)光復(fù)合幾率下降，發(fā)光亮度也隨之下降。22（5）響應(yīng)時(shí)間

LED在接收電信號(hào)后并不立即發(fā)光；而發(fā)光后去掉電信號(hào)，發(fā)光也不會(huì)立即消失。發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間是指其發(fā)光和熄滅時(shí)對(duì)輸入脈沖電流的延遲時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容和電路阻抗。

上升時(shí)間：10%-90%：發(fā)光二極管的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。

下降時(shí)間：90%-10%用脈沖電流驅(qū)動(dòng)二極管時(shí)，脈沖的間隔和占空因數(shù)必須在器件響應(yīng)時(shí)間所許可的范圍內(nèi)。23（6）壽命－發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半所經(jīng)歷的時(shí)間。二極管的壽命一般都很長(zhǎng)，在電流密度小于時(shí)，一般最長(zhǎng)可達(dá)。

－發(fā)光亮度減弱的現(xiàn)象－老化，老化速度與電流密度有關(guān)24

LED的應(yīng)用（1）數(shù)字、文字及圖像顯示（2）指示、照明（3）光源（4）光電開關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合

根據(jù)顯示文字的各點(diǎn)坐標(biāo)，在掃描過程中利用脈沖來控制開關(guān)的啟閉，使組成文字的各點(diǎn)順序發(fā)光。雖發(fā)光是閃爍的，但由于人眼的余像效應(yīng)，看起來仍是一個(gè)靜止的文字。25激光光源激光器的特點(diǎn)（激光的準(zhǔn)直和光強(qiáng)截面分布）（1）方向性強(qiáng)或準(zhǔn)直性好：經(jīng)過長(zhǎng)距離之后，仍然為細(xì)小的光束，發(fā)散角可小到0.1mrad左右；（2）單色性好：激光是一種單色光，頻率范圍極窄；（3）亮度高：依靠光在發(fā)射方向上的集中提高亮度；具有特殊措施的激光器可積累能量，然后在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)光，大大提高了激光功率和激光的亮度。26激光器的特點(diǎn)（激光的準(zhǔn)直和光強(qiáng)截面分布）27（4）相干性高

激光通過受激輻射發(fā)光，光源上各點(diǎn)發(fā)射的光相位恒定，是相干性良好的相干光普通光源激光28

激光器的組成泵浦源工作物質(zhì)諧振腔1.工作物質(zhì)能被激發(fā)至粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原子或分子集合—激活介質(zhì)

是產(chǎn)生激光的內(nèi)因能級(jí)結(jié)構(gòu)決定產(chǎn)生激光的頻率1）激光器根據(jù)工作物質(zhì)分類氣體固體半導(dǎo)體如He-Ne激光器如紅寶石激光器半導(dǎo)體激光器光放大器29

產(chǎn)生激光的條件1)受激幅射是產(chǎn)生激光的首要條件，也是必要條件

2)工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),至少有三個(gè)能級(jí)3)

形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于受激吸收4)使光子共振，形成“雪崩”式放大，就必須有一個(gè)諧振腔5)光子在腔中振蕩一次產(chǎn)生的光子數(shù)比損耗掉的光子多30激光器的類型1.

氣體激光器：工作物質(zhì)為氣體，激勵(lì)方式多樣，發(fā)射波長(zhǎng)最廣。

（1）氦－氖激光器：優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)紊院拖喔尚院?，頻率和輸出幅度較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，造價(jià)低，輸出可見紅光。缺點(diǎn)：效率低，輸出功率較小，與其他光源相比，需電壓較高，電源也較復(fù)雜，體積也較大。外腔式和半內(nèi)腔式的優(yōu)點(diǎn)是輸出線偏振光，進(jìn)行內(nèi)調(diào)制較方便.

31（2）氬離子激光器以氬氣為工作物質(zhì)的激光器。在大電流的電弧光放電或脈沖放電的條件下工作。輸出波長(zhǎng)有514.5nm、488nm、496.5nm

（3）二氧化碳激光器以二氧化碳?xì)怏w作為工作物質(zhì)的激光器。在激光器內(nèi)除充入二氧化碳外，還充入氦和氮，以提高激光器的輸出功率。低氣壓縱向激勵(lì)的二氧化碳激光器是氣體激光器中連續(xù)輸出功率最大和轉(zhuǎn)換效率最高的一種器件。小型二氧化碳激光器可用于測(cè)距，大功率二氧化碳激光器可用作工業(yè)加工和熱處理等

激光的輸出譜線波長(zhǎng)分布在9~11

μm322.固體激光器（1）紅寶石激光器

紅寶石激光器是最早制成的固體激光器。紅寶石激光器激光波長(zhǎng)為694.3nm，脈沖寬度在1ms以內(nèi)，輸出功率一般可達(dá)10千瓦，能量轉(zhuǎn)換效率為0.1%。脈沖工作單色性差，相干長(zhǎng)度僅幾毫米。

紅寶石激光器33固體激光器的兩種典型結(jié)構(gòu)342.固體激光器（2）玻璃激光器玻璃激光器常用釹玻璃作工作物質(zhì)，可廣泛用于測(cè)距、材料加工、微微秒快速過程和激光核聚變的研究。

聚光腔一般為橢圓形，直管形泵燈與圓柱形激光棒分別放在橢圓腔的兩個(gè)焦線上。

（3）釔鋁石榴石激光器（YAG激光器）

353.染料激光器（液體激光器）液體激光器中最普遍采用的激光器，以染料作為工作物質(zhì)。采用不同的染料溶液和激發(fā)光源，輸出的波長(zhǎng)范圍可達(dá)0.32~1。4.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)：體積小，重量輕、壽命長(zhǎng)、效率高。如砷化鎵激光器轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%，壽命超過一萬小時(shí)。36（3）結(jié)構(gòu)

將P-N結(jié)切成長(zhǎng)方塊，焊上電極。其側(cè)面磨成非反射面，二極管的端面是平行平面并構(gòu)成端部反射鏡。大電流由引線輸入。特點(diǎn)：體積很小，重量輕、壽命長(zhǎng)、效率高。如砷化鎵激光器轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%，壽命超過一萬小時(shí)。

37

調(diào)Q激光器：通過控制諧振腔的Q值按某種規(guī)定的程序變化，當(dāng)激光器開始工作時(shí)使腔內(nèi)處于低Q狀態(tài)，諧振腔的激光振蕩閾值很高，工作物質(zhì)上能級(jí)不斷積累粒子，某一時(shí)刻使得工作物質(zhì)上能級(jí)粒子數(shù)積累到最大值，此時(shí)若使Q值突然升高，則振蕩閾值降低，諧振腔內(nèi)在短時(shí)間內(nèi)激光上能級(jí)儲(chǔ)存的大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芰?，有極強(qiáng)的激光脈沖輸出。

激光器的鎖模：鎖模指縱模鎖定。鎖模可以獲得超短脈沖。被鎖模的多個(gè)縱模激光輸出時(shí)，產(chǎn)生疊加，其疊加結(jié)果相當(dāng)于一個(gè)振蕩頻率為的單色余弦波振幅受到調(diào)制。38激光器的類型39其它光源

熱輻射光源

白熾燈：可見光譜輻射源，依靠電能加熱金屬絲，使其在真空或惰性氣體中達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)光。白熾燈能量損失較大、發(fā)光效率低，可見輻射僅有6%~12%。但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，使用方便，且有連續(xù)光譜，仍然是應(yīng)用最廣的光源。鹵鎢燈：高溫下從燈絲蒸發(fā)出來的鎢在溫度較低的泡殼附近與鹵素反應(yīng)，生成具有揮發(fā)性的鹵鎢化合物，又向回?cái)U(kuò)散到溫度很高的熾熱燈絲附近，又分解為鹵素和鎢；釋放出來的鎢沉積到燈絲上，鹵素則又?jǐn)U散到溫度較低的泡殼附近再與蒸發(fā)出來的鎢化合。

特點(diǎn)：（1）體積?。?）光通量穩(wěn)定（3）紫外線較豐富（4）發(fā)光效率比白熾燈高2~3倍（5）壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：價(jià)格較貴，管壁溫度高，使用時(shí)要注意安全，以免燒毀其它物質(zhì)。40

氣體放電光源置于氣體中的二電極之間放電發(fā)光的光源

－開放式氣體放電光源直流電弧、高壓電容火花、高壓交流電弧、碳弧。－氣體燈：將電極間的放電過程密封在泡殼中進(jìn)行

輝光放電脈沖燈、燃燒式閃光泡、原子光譜燈主要特點(diǎn)：發(fā)光效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，耐震，耐沖擊；壽命長(zhǎng)；光色范圍大，氣體放電光源通常被用于工程照明和光電測(cè)量中。41

氣體放電光源類型表424.4光的調(diào)制調(diào)制：將信息加載到介質(zhì)載體的過程稱為調(diào)制。光調(diào)制：將信息加載到光載波上，并使光的參量發(fā)生變化的過程稱為光調(diào)制。光載波所具有的特征參量：光功率，振幅，頻率、相位、脈沖和偏振方向，傳播方向等光調(diào)制分類：

基于光的特征參量分為振幅調(diào)制，頻率調(diào)制，相位調(diào)制，光強(qiáng)調(diào)制等。

概述43光的振幅調(diào)制

載波的振幅隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而有規(guī)律的振蕩，簡(jiǎn)稱為調(diào)幅44光的振幅調(diào)制

調(diào)制度：最大振幅增量與振幅平均值之比

45光強(qiáng)度調(diào)制

原理：利用外界因素改變光的強(qiáng)度，通過測(cè)量光強(qiáng)的變化來測(cè)量外界物理量。特點(diǎn)：技術(shù)簡(jiǎn)單，可靠46光強(qiáng)度調(diào)制

輻射式利用光電探測(cè)器探測(cè)待測(cè)物體所輻射出的功率，光譜分布以及溫度等參數(shù)。

測(cè)量輸出電壓來測(cè)量輻射物體的溫度

全輻射出射度待測(cè)物透鏡光電探測(cè)器比輻射率47

反射式利用光電探測(cè)器件接收待測(cè)物反射的光線，根據(jù)反射形式的不同可以測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)速，以及物體表面的外觀質(zhì)量。

遮擋式

被測(cè)物體部分或全部地遮擋或掃過入射到光電探測(cè)器的光柵，引起光電探測(cè)器輸出電信號(hào)的變化測(cè)出物體的位移量和物體的尺寸利用光通量的變化進(jìn)行光電計(jì)數(shù)和光電自動(dòng)開關(guān)。

48

透射式

光通過待測(cè)物體，一部分光通量被待檢測(cè)物體吸收或散射，另一部分透過待測(cè)物體由光電探測(cè)器接收，被吸收或散射的光通量的數(shù)值取決于待檢物的性質(zhì)。用途：檢測(cè)液體或氣體的濃度，透明度等。利用光學(xué)變化裝置將長(zhǎng)度或角度變?yōu)闂l紋信息，再由光電探測(cè)器接收為數(shù)字信息輸出，如精密測(cè)長(zhǎng)，工件尺寸檢測(cè)等。介質(zhì)吸收系數(shù)49光相位調(diào)制

利用外界因素改變光波的相位，通過檢測(cè)相位變化來測(cè)量物理量。光波的相位由光傳播的物理長(zhǎng)度，傳播介質(zhì)和折射率等決定。光的干涉和衍射現(xiàn)象都是利用光的相位調(diào)制

50光的頻率調(diào)制

利用外界因素改變光波的頻率，通過檢測(cè)光的頻率變化來測(cè)量物理量

51光的頻率調(diào)制

多普勒頻移：由于觀測(cè)者和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀測(cè)者接收到的光波頻率產(chǎn)生變化。

測(cè)得多普勒頻移量即可求出物體運(yùn)動(dòng)速度。52波長(zhǎng)調(diào)制

熱色物質(zhì)的顏色變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制：鎢絲光源經(jīng)過光纖進(jìn)入熱變色溶液，其反射光被另一光纖吸收，分兩束分別經(jīng)過波長(zhǎng)為650nm和800nm的濾光片，最后由光電探測(cè)器接收，利用熱變色溶液的吸收光強(qiáng)與溫度的關(guān)系選擇特定波長(zhǎng)檢測(cè)溶液濃度

。利用磷光光譜的變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制：稀土磷光體做的探頭被頻率為的紫外光照射后，發(fā)出一個(gè)與溫度有關(guān)的光譜，光譜中紅色譜線的強(qiáng)度隨溫度而增加，而綠譜線則降低，其強(qiáng)度的比值是溫度的函數(shù)。53光的脈沖調(diào)制

脈沖調(diào)制是用周期性脈沖序列作為載波，并使光載波的某一參量按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的調(diào)制方法。

脈幅調(diào)制脈寬調(diào)制脈位調(diào)制脈幅調(diào)制脈沖調(diào)頻54光彈效應(yīng)

光彈效應(yīng)：某些非晶體材料通常情況下是各向同性的，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)受到外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)外力除去時(shí)，雙折射隨之消失。55光彈效應(yīng)附加相位差利用彈光效應(yīng)可測(cè)量機(jī)械零件的受力分布以及光學(xué)元件受力產(chǎn)生的應(yīng)力分布狀況

56磁光調(diào)制磁光調(diào)制首先將電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)，然后利用磁光效應(yīng)改變介質(zhì)中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)，進(jìn)而改變光強(qiáng)度等參量。磁光調(diào)制器示意圖57光的調(diào)制方法

調(diào)制盤調(diào)制：是一種光強(qiáng)度調(diào)制器，是用光刻的方法在基板上光刻出許多透光和不透光的柵格，也可在金屬基體上通過機(jī)械加工而獲得一些透光或不透光的各種圖形，通常調(diào)制盤位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，位于光電探測(cè)器之前。當(dāng)目標(biāo)像與調(diào)制盤之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)制盤的透光與不透光柵格切割像點(diǎn)，使得通過調(diào)制盤的輻射能量變成斷續(xù)輸出，光電探測(cè)器接收到的是光輻射被調(diào)制的周期性的強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)。

作用：將靜止的目標(biāo)像調(diào)制成交流信號(hào)以抑制噪聲和光源波動(dòng)的影響。提高系統(tǒng)的檢測(cè)能力。可進(jìn)行空間濾波，抑制背景噪聲；可提供目標(biāo)的方位空間等。

分類：調(diào)幅式，調(diào)頻式，調(diào)相式，調(diào)寬式和脈沖編碼式

58

光柵莫爾調(diào)制

光柵是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能的光學(xué)元件，光柵通常有長(zhǎng)形和圓形兩種。光通量調(diào)制，將兩塊光柵疊合在一起，并使兩條柵線交成很小的夾角。就可以得到莫爾條紋圖案。其中黑條紋是由一系列的交叉線構(gòu)成的不透明部分，而白條紋是由一系列的菱形構(gòu)成的透光部分。原理：當(dāng)光柵位移一個(gè)光柵距時(shí)，光通量變化一個(gè)周期，因此通過光柵的調(diào)制作用，把位移量變換為光通量的變化。

對(duì)于N個(gè)周期變化，位移量為：

5960

頻率調(diào)制

可用衍射光柵實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。衍射光柵在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下，透射光被光柵衍射時(shí)分為0級(jí)，±1級(jí)和±2級(jí)等衍射光，若光照射光柵刻線處的線速度為V，光柵刻劃間距為P，則1級(jí)衍射光發(fā)生的頻移為：

若用光電接收器件接收1級(jí)衍射光，則光頻ν被調(diào)制為。頻率調(diào)制的穩(wěn)定性和光柵轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性有關(guān)系。61第五章光電檢測(cè)電路

光電器件都需要經(jīng)過檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的變換。光電檢測(cè)電路由光電檢測(cè)器件，輸入電路和前置放大器組成。光電檢測(cè)器件是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件，是溝通光學(xué)量和電子器件的接口環(huán)節(jié)。前置放大電路和耦合電路實(shí)現(xiàn)對(duì)光電輸出信號(hào)的精確檢測(cè)。輸入電路是連接光電器件和前置放大及耦合電路的中間環(huán)節(jié)。625.1光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求

保證光電檢測(cè)系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)：表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)有光電靈敏度，即單位輸入光信號(hào)的變化量所引起的輸出電信號(hào)的變化量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快：光電檢測(cè)電路應(yīng)滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。信號(hào)檢測(cè)能力強(qiáng)：要求光電檢測(cè)電路具有可靠檢測(cè)所必需的信噪比或最小可檢測(cè)信號(hào)功率。穩(wěn)定性、可靠性好：光電檢測(cè)電路在長(zhǎng)期工作的情況下應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場(chǎng)合對(duì)穩(wěn)定性可靠性的要求會(huì)更高。635.2光電探測(cè)器的偏置有些探測(cè)器不需要外加偏置電源，在光照下產(chǎn)生的光電流（電壓）經(jīng)過一定的耦合方式與前置放大器相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的有效放大。這種類型的探測(cè)器無需偏置，只需確定合適的輸入阻抗的前置放大器與其耦合。外加偏置：對(duì)于需要經(jīng)過外加電場(chǎng)才能形成光電流（電壓）的器件，需加一定偏置才能正常工作，如光電導(dǎo)探測(cè)器和光電發(fā)射探測(cè)器等。偏置要求：供給穩(wěn)定的電流或電壓，對(duì)探測(cè)系統(tǒng)盡可能引入小的噪聲，最好的發(fā)揮光探測(cè)器的性能。光探測(cè)器的輸出信號(hào)一般很微弱，正確設(shè)置光探測(cè)器的偏置對(duì)于提高探測(cè)器的靈敏度，降低噪聲，提高響應(yīng)頻率，發(fā)揮光探測(cè)器的最佳性能非常重要。645.2光電探測(cè)器的偏置直流偏置：一般用電池供電，避免工頻干擾。偏置電路適用于光電導(dǎo)探測(cè)器。匹配偏置：偏置電阻等于探測(cè)器內(nèi)阻時(shí)，如光敏電阻阻值對(duì)溫度變化敏感，偏置電路中通常不采用固定電阻，而是采用一個(gè)與所用探測(cè)器相同規(guī)格的光敏電阻代替，使兩個(gè)電阻隨溫度變化相同，以減小環(huán)境溫度變化對(duì)輸出信號(hào)的影響。

幾種常用的偏置電路655.2光電探測(cè)器的偏置恒流偏置：如果探測(cè)器電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作電阻，則流過探測(cè)器的電流值近似由偏置電阻決定，和探測(cè)器電阻值無關(guān)。適用于光電導(dǎo)探測(cè)器。恒壓偏置：當(dāng)工作電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探測(cè)器電阻時(shí)，則加在探測(cè)器上的電壓值近似為于探測(cè)器阻值無關(guān)，適用于對(duì)響應(yīng)要求不是太高，而探測(cè)器本身噪聲又比較大的場(chǎng)合。665.2光電探測(cè)器的偏置反偏偏置：對(duì)于PN結(jié)型光伏探測(cè)器，其用法有兩種，一種是不外加電壓，直接與負(fù)載相接，另一種是加反向電壓，形成反偏偏置。反偏偏置可以減小結(jié)電容，從而有最小的電路時(shí)間常數(shù)，適合于脈沖和高頻調(diào)制光的探測(cè)器。675.3光電直接探測(cè)方法基本原理：強(qiáng)待測(cè)光信號(hào)直接入射到光探測(cè)器光敏面，光探測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓?；咎匦怨馓綔y(cè)器的平方律特性

解釋：光電流正比于光場(chǎng)振幅的平方；電輸出功率正比于入射光功率的平方。68

直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比：

5.3光電直接探測(cè)方法輸出功率信號(hào)噪聲比：若：若：總的信號(hào)功率為：695.4弱信號(hào)檢測(cè)電路光信號(hào)測(cè)量當(dāng)背景噪聲或干擾很大而待測(cè)信號(hào)十分微弱時(shí)，通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后得到的光電信號(hào)的信噪比很小，因此需要采取一些特殊的技術(shù)設(shè)法將淹沒信號(hào)的噪聲盡量地減小，以便從噪聲中提取、恢復(fù)和增強(qiáng)被測(cè)信號(hào)。弱光信號(hào)處理技術(shù)：鎖相放大器，取樣積分器和光子計(jì)數(shù)器。鎖相放大器：一種通用的對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器，利用與被測(cè)信號(hào)有相同頻率的鎖相關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻、同相的噪聲分量有響應(yīng)。

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鎖相放大器通過調(diào)制或斬光，將被測(cè)信號(hào)由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)，使探測(cè)系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。用低噪聲光電探測(cè)器將被測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用鎖相放大器在調(diào)制頻率上對(duì)有用電信號(hào)進(jìn)行選頻放大。在相敏檢波器中對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同步解調(diào)截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?hào)，使輸出信號(hào)的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)。通過低通濾波器對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波，獲得被放大的光電信號(hào)。71

鎖相放大器

鎖相放大器的特點(diǎn)：（1）要求對(duì)入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號(hào)的檢測(cè)。（2）鎖相放大器是極窄帶高增益放大器。（3）鎖相放大器是交流信號(hào)/直流信號(hào)變換器，相敏輸出正比于輸入信號(hào)的幅度及其參考電壓的相位差。（4）可以補(bǔ)償背景噪聲和前置放大器的固有噪聲，可以改善信噪比。72

取樣積分器

（平均器）定義：利用取樣和平均化技術(shù)測(cè)定深埋在噪聲中的周期性信號(hào)的測(cè)量裝置，對(duì)于穩(wěn)定的周期性信號(hào)，若在每個(gè)周期的同一相位處多次采集波形上某點(diǎn)的數(shù)值，其算術(shù)平均的結(jié)果與該點(diǎn)處的瞬時(shí)值成正比，而隨機(jī)噪聲的長(zhǎng)時(shí)間平均值收斂為零。

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取樣積分器信號(hào)步驟如下：（1）調(diào)制弱光信號(hào)，形成周期性的光信號(hào)或脈沖，用低噪聲光電探測(cè)器進(jìn)行光電變換。（2）利用產(chǎn)生光脈沖的激勵(lì)源取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號(hào)。（3）取樣積分器設(shè)置門延時(shí)和門脈沖寬度控制單元，形成與觸發(fā)脈沖具有恒定延時(shí)或延時(shí)與時(shí)間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串。（4）取樣脈沖控制取樣開關(guān)，對(duì)連續(xù)的周期性變化信號(hào)進(jìn)行定點(diǎn)取樣或掃描取樣。（5）積分器對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行多次線性累加或重復(fù)采集，經(jīng)濾波后獲得輸出信號(hào)。探測(cè)弱光電信號(hào)的特點(diǎn)：（1）適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期性變化的信號(hào)波形探測(cè)或單個(gè)光脈沖的幅度探測(cè)，需要有與光脈沖同步而與噪聲不同步的激勵(lì)信