第10章典型光电测试系统讲解

• 因为θ 很小，放大倍数Ｋ很 大．例如: θ =20’,K=172
斜向条纹
KB1
P
莫尔条纹测长仪
• 两块光栅：一块为指示光栅与 工作台固定．一块为长光 栅．工作台前后移动的距离由 两块光栅形成的莫尔条纹进行 计数得到．指示光栅相对移动 一个节距，莫尔条纹变化一 周．指示光栅移动的距离为：
x NP
概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小 的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测 器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出 干涉场的相位差。
特点：克服单频干涉仪的漂移问题；

细分变得容易；

提高了抗干扰性能。
10.2.1 激光外差干由应于范涉光围测电远探远试测低器于技的光频频术率ω，响
第十章 光电检测系统
• 光电检测系统的类型 • 直接检测 • 光外差检测(相干检测) • 典型的光电检测系统
光电检测系统分类
• 主动系统/被动系统(按信息光源分) • 红外系统/可见光系统(按光源波长分) • 点探测/面探测系统？(按接受系统分) • 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理
方式分)
• 直接检测？/光外差检测系统？(按光

放大器
Fra Baidu bibliotek
电表

SI
直接检测的基本特性
• 光探测器的平方律特性
– 光电流正比于光电场振幅的平方
Ip

SP

q h
E2 (t)

q 2h
A2
– 输出的电功率正比于入射光功率的平方
Sp

I
2 p
RL


q h
2
P
2
RL
• 信噪比：表征检测系统的灵敏度
• 视场角: 表征系统能“观察”到的空间范围
2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大） 3）光学机械移频
当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂 直入射的反射光将产生的频移为 2v / 。
如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产 生两倍于半波片旋转频率f 的频移，即v 2 f 。
例如：液体样品的光透光率的检测
照明光通量为 0 恒定，样品透光率为 ，透过样品后光强为 ，PIN灵敏度为 SI ，放大器增益为 K ，电表传递系数为 M
则：
MI=MKI MKSI MKSI 0
K0，
K0 MKSI 0
LED/ LD
0

k
M
I
I PIN
• 测距仪原理：
由激光发射系统、接受系统， 门控电路、时钟脉冲振荡器 和计数器等组成。
脉冲激光测距仪的原理框图
激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模）
发射系统 电源
脉 冲 激 光 测
接收系统
发射望远系统 物镜
光技术在工业测试中的一种较为典型的测试 方法。
• 该方法具有结构简单、测试速度快、实时处 理能力强、使用灵活方便等特点，在长度、 距离以及三维形貌等的测试中有广泛地应用。
10.1.2 三角法测试技术
三角法测试技术基础
单点直射式结构 :
x
ax'
bsin x'cos
光电探测器
激 光
x′
器
b
会
聚
透
镜
a
接收透镜
θ
x a）直射式结构
10.1.2 三角法测试技术
三角法测试技术基础
单点斜射式结构 :
x
ax'cos1
bsin(1 2 ) x'cos(1 2 )
从图中可以看出，斜射式入 射光的光点照射在被测面的 不同点上，无法知道被测面 中某点的位移情况，而直射 式却可以。因此，当被测面 的法线无法确定或被测面面 形复杂时，只能采用直射式 结构。
10.3 典型的光电检测系统
• 你所知道的光电检测 系统???
• 你能讲一讲光电检测 系统???
• 你能评一评光电检测 系统???
典型的光电检测系统
• 直接检测系统（光强调 制）
– 莫尔条纹测长仪 – 激光测距仪 – 环境污染检测系统
• 光外差检测系统
– 激光干涉测长仪（相位 调制）
– 多普勒测速（频率调制） – 光外差通信
10.3.1 莫尔条纹测长仪
• 莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(节距分别为P1和 P2)叠加在一起,并且两者的栅 线成很小的角度θ ,透过光栅能 看到如图所示的明暗相间的莫 尔条纹.这就是莫尔条纹的光强 调制作用．
• 长光栅莫尔条纹的形式
– 横向条纹:P1=P2, θ 很小; – 纵向条纹: P1~P2, θ =0; –斜条纹: P1~P2, θ 很小.
光栅输出信号波形
莫尔条纹测长仪的应用
• 工业自动化中的核心测控部件 • 小型智能化的长度测试仪器，用
于对长度、直径、厚度、表面形 状、粗糙度等多种参数的测量。 • 新一代的计量测试工具 • 某些几何量计量检测仪器的核心 转换系统 • 某些物理量的计量检测仪器的核 心转换系统 • 纳米级测量的重要仪器 • 非接触在线测量控制仪器
一 激光外差干涉测试技它以术不式原能中跟含理随有光2ω频的变交化变，项所
①外差干涉技术原理
对探测器的输出响应无贡
设测试光路和参考光路的光波频献率。分别为ω和ω+Δω，则
干涉场的瞬时光强为
干涉场中某点（x，
I (x, y,t) Er cos( y）)处t 光E强t c以os低t频 φ(x, y)2
10.2 激光外差干涉测试技术
二 激光外差干涉测试技术应用
①激光外差干涉测长 由于
所以
t fdt＝ t 2v dt＝ 2 t vdt＝ 2 L
0
0
0

t
L N 2 2 0 fdt
准直系统 1/4波片
双频激光器 f2 f1
检偏器
f2－f1
探测器 前置 放大器
扫描探测器（xi, yi）
§4-4 激光外差i(x, y, t干) 涉测试技术
4.1 激光外差干涉Δt测试技术原理t
基准探测器（x0, y0）
1/Δν
①外差干涉技术原理
在（图干a）4-涉32场外中差，干放涉入图样两和个电探（信b）测号器，一个放在基准点 (x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号 i(x0, y0, t)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处， 称之为扫描探测器，输出信号为i(xi, yi, t) 。将两 信号相比，测出信号的过零时间差Δt，便可知道
10.3.2 激光测距仪
• 激光测距仪的类型
– 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪
• 激光测距仪的特点
– 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大
• 激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、 科学技术。
一、脉冲激光测距仪
• 测距原理： 由激光器对被测目标发射一 个光脉冲，然后接受目标反 射回来的光脉冲，通过测量 光脉冲往返所经过的时间来 计算出目标的距离。
f2 f2 f1±Δf
偏振分光镜
v
f1
可动角
隅棱镜
f1±Δf
数据处理
f2－（f1±Δf）
双频激光器外差干涉测长原理图
10.2 激光外差干涉测试技术
方使测解二量石光棱激束镜的及光1光/4外路波既片差作的发干作射用涉光是测试技术应用
路e光，在又②方作解激接石收光中光光外路路。差的通不过干同o，光涉起和测量微振f 动f0 fs ( f0 f D ) fs f D
z b tan
tan f ' / x'
z bf ' / x'
z
β
激光器
f′
b
x′
图7-16 三角法原理示意图
10.1.2 三角法测试技术
• 激光三角法测量技术的测量准确度受传感器自身因素和外 部因素的影响。
• 传感器自身影响因素主要包括: –光学系统的像差; –光点大小和形状; –探测器固有的位置检测不确定度和分辨力; –探测器暗电流和外界杂散光的影响; –探测器检测电路的测量准确度和噪声; –电路和光学系统的温度漂移等等。
到发“射1 光与学接定收向的2 耦光合无”损f0作失用地， 通使 过
3
方解石棱镜(不考虑光吸收损失)。
f0＋fs 4
1/2波片 5
f0±fD
频率fs信号由声光调制器 的信号源直接输入混频 10 器与拍频信号混频，把
1/4波片 7
多普勒频移fD解调出来。
6
8
9
振动体
图4-34 双频激光测量振动光路示意图
• 通频带宽度: 频带宽度越宽，通过信号的能量越大，
系统的噪声功率也越大
• 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标．
返回
0 被测
样品
分光
0
样品
标准
0
r

0
0
M

0
PIN
差动
或
比较处
理
PIN
S1
PIN
基准通道

S2
x 其中，
PIN

0
输出
I
10.1.1 三角法测试技术
• 引言： • 激光三角法是激光测试技术的一种，也是激
。v 2 f
垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通 过光栅的第n级衍射光产生的 v nVf 频移，此处f 是光栅 的空间频率，V是光栅移动速度。
4）声光调制器 利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移动光
栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光栅， 其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f，而与 光的波长无关。
二者的光学位相差
由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，
就可以测出干涉场各点的位相差。
φ(x, y) φ(x0, y0 ) t 2πt /(1/ v)
10.2 激光外差干涉测试技术
②激光外差干涉仪的光源
外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差
• 莫尔条纹演示
横向条纹 纵向条纹
莫尔条纹的特性
• 光栅的节距比光的波长大很多. • 莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅
的节距P(mm)和夹角θ (rad)之 间的关系为：
B P P
2 tan 2
• 当两光栅沿垂直于栅线的方向 相对移动时，莫尔条纹将沿平 行于栅线的方向移动．光栅每 移动一个节距Ｐ，莫尔条纹移 动一个宽度Ｂ．
Ｎ：指示光栅移动距离中包含的 光栅线对数，δ ：小于１个光栅 节距的小数．
简单光栅读数头
１：灯，２：聚光镜，３：指 示光栅，４：长光栅，５：光 电探测器
莫尔条纹测长仪
• 光电探测器接收到的明暗 变化的光信号转换成电信 号；
• 通过对莫尔条纹的直接测 量，可以测的光栅的位移 量；
• 在较宽的莫尔条纹间隔内 安放细分装置进行细分， 可读取位移的分数，提高 测量的灵敏度和精度．
波对信号的携带方式分)
10.1 直接检测的基本原理
• 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的 光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为 电信号的变化。
指针显示
单通道测量变化
双通道测量变化 光源
被测对象
光电探测器
放大器
A/D
0 被测
样品
分光
0
样品
标准
PIN
差动
或 比较处
输出
理
PIN
• 测量准确度的外部影响因素主要有: –被测表面倾斜; –被测表面光泽、粗糙度、表面颜色等。
• 在使用之前必须通过实验进行标定。
10.2 激光外差干涉测试技术
引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电 信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因， 信号处理及细分都比较困难。
为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯 的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外 差干涉技术。
激
光电探测器
光
x′
器
会
聚
a
透 镜
θ1 θ2
b 接收透镜
x b）斜射式结构
10.1.2 三角法测试技术
• 在上述的三角法测量原理中，要计算被测面的位移量，需
要知道距离a，而在实际应用中，一般很难知道a的具体值，
或者知道其值但准确度也不高，影响系统的测试准确度。 实际应用中可以采用另一种表述方式，如图所示 • 有下列关系:
10.2 激光外差干涉测试技术
3）光学机械移频
在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，
如果固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏
振光转变为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，
使其产生2f的频移。圆偏振光再次穿过固定1/4波片后又恢
复为线偏振光，但频率已发生偏移

1 2
Er 21
coΔsω2随(时 间化呈)t余弦12 变Et21
cos2t

φ(x,y)
Er Et cos(2 )t φ(x,y)
Er Et cost-φ(x,y)
i(x, y, t) Er2 / 2 Et2 / 2 Er Et cos[t φ (x, y)]