第四章光源和光的調(diào)制

1、1 發(fā)光體實(shí)際上是一個電磁輻射波源，光學(xué)系統(tǒng)可發(fā)光體實(shí)際上是一個電磁輻射波源，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)量的好壞對測量系輻射的系統(tǒng)稱為光源，它的質(zhì)量的好壞對測量系統(tǒng)精度有很大影響。統(tǒng)精度有很大影響。第四章第四章 光度學(xué)基礎(chǔ)和光源光度學(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)。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：輻射的基本物理量：l輻射能：輻射能：一種傳播電磁波的能量，當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸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。符號表示：收

2、時(shí)，可以轉(zhuǎn)化成其它形式的能量。符號表示：Qe,單單位：焦耳位：焦耳(J)l輻射通量：輻射通量：單位時(shí)間內(nèi)流過面積元單位時(shí)間內(nèi)流過面積元dA的輻射能量，單的輻射能量，單位為瓦特。位為瓦特。l輻射強(qiáng)度輻射強(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：角內(nèi)所輻射的能量為該方向上的輻射強(qiáng)度。單位：W/srdtdQeeddIee對各向同性的點(diǎn)光源，所有方向發(fā)射的總輻射通量為：對各向同性的點(diǎn)光源，所有方向發(fā)射的總輻射通量為： eeI43輻射的基本物理量：輻射的基本物理量：l輻出度：輻出度：面輻射源單位面積發(fā)射出的輻射通量。單位：

3、面輻射源單位面積發(fā)射出的輻射通量。單位：W/m2l輻射亮度：輻射亮度：擴(kuò)展輻射源在給定方向上單位立體角、單擴(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)出的輻射通量位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量。單位：單位：W/(sr.m2)l輻射效率：輻射效率：光源所發(fā)出的輻射通量和外界提供給光源光源所發(fā)出的輻射通量和外界提供給光源的功率之比。的功率之比。dAdMeecosdAILee%100PQee4光度學(xué)的基本物理量：光度學(xué)的基本物理量：l光譜輻射度：光譜輻射度：輻射源所輻射的某一波長的單色光的輻輻射源所輻射的某一波長的單色光的輻射能量射能量 。l光通量：光通量：光源表面在無窮小時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收光

4、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：流明所有可見光譜光能定義為光通量。單位：流明(lm)l光出度光出度 ：面光源表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)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：勒克斯射的光通量與面元面積之比。單位：勒克斯(lx,lm/m2)dd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。人眼對各種波長光線的視覺靈敏度不同，相同光能量的各種波長各種波長光線的視覺靈敏度不同，相同光能量的各種波長光線所產(chǎn)生的視覺效果不同。光線所產(chǎn)生的視覺效果不同。dtdQvvvM5光度學(xué)的基本物理

5、量：光度學(xué)的基本物理量：l發(fā)光強(qiáng)度：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：坎德拉量。單位：坎德拉(cd)l發(fā)光效率：發(fā)光效率： 光源發(fā)射的總光通量與提供的功率之比為光源發(fā)射的總光通量與提供的功率之比為發(fā)光效率。發(fā)光效率。%100PQvvddIvv6l普朗克輻射定律：普朗克輻射定律：黑體表面向半球面空間發(fā)射波長為黑體表面向半球面空間發(fā)射波長為的光的光譜輻射度是黑體溫度和波長的函數(shù)。譜輻射度是黑體溫度和波長的函數(shù)。l斯忒藩斯忒藩-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 熱輻射基本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)輻射的輻射物體熱

6、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。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。) 1(2)(/52TkhcbeBehcTM004/52) 1(2)()(TdehcdTMTMTkhcbeebB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)。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光輻射的度量光輻射的度量l輻射本領(lǐng)：輻射表面在單位波長間隔單位面積內(nèi)所輻射的通量。輻射本領(lǐng)：輻射表面在單位波長間隔單位面積內(nèi)所輻射的通量。l吸收本領(lǐng)：吸收本領(lǐng)是在波長吸收本領(lǐng)：吸收本領(lǐng)是在波長 到

7、到 間隔內(nèi)被物體吸收間隔內(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有關(guān)。的通量與入射通量之比，與物體的溫度及波長有關(guān)。 dAddTMe),()()(),(eeddTd84.2 光輻射在空氣中的傳播光輻射在空氣中的傳播 l大氣衰減大氣衰減 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原來的傳播方向。量被吸收、轉(zhuǎn)換、輻射，使輻射能衰減或改變原來的傳播方向。結(jié)果：導(dǎo)致測量精度降低或者無法進(jìn)行測量。結(jié)果：導(dǎo)致測量精度降低或者無法進(jìn)行測量。 l大氣分子吸收：大氣分子吸收：不同分子的結(jié)構(gòu)不

8、同，其光譜吸收特性不不同分子的結(jié)構(gòu)不同，其光譜吸收特性不同同 。l大氣分子散射大氣分子散射l空氣湍流效應(yīng)：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。曲和漂移、光束彌散、畸變以及相干性退化等現(xiàn)象。光電測量中的光波多在空氣中和光學(xué)玻璃中傳播。由于在光電檢光電測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)定性影響光束測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

9、光束的特性，影響測量效果。的特性，影響測量效果。 94.3 光源光源 光電測試是采用光電的方法對帶有待測信息的光輻射光電測試是采用光電的方法對帶有待測信息的光輻射物體的測試，在任何光電測試系統(tǒng)中，都離不開一定形物體的測試，在任何光電測試系統(tǒng)中，都離不開一定形式的光源。光源的質(zhì)量對光電測量起著非常重要的作用。式的光源。光源的質(zhì)量對光電測量起著非常重要的作用。 光源分類：光源分類：自然光源和人造光源。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一、光的產(chǎn)生和光源選擇的基本要求 二、發(fā)光二極管二、發(fā)光二極管 三、激光光源三、激光光源 四、其它光源四、其它光源10光的產(chǎn)生和光源選擇的基本要求

10、光的產(chǎn)生和光源選擇的基本要求l 光的產(chǎn)生方式光的產(chǎn)生方式: 溫度輻射和發(fā)光溫度輻射和發(fā)光 （1）平衡輻射：熾熱物體熱輻射）平衡輻射：熾熱物體熱輻射 物體溫度高于絕對零度（物體溫度高于絕對零度（-273C） 溫度低時(shí)：紅外光溫度低時(shí)：紅外光 溫度升高：可見光（白熾燈）溫度升高：可見光（白熾燈）（2）非平衡輻射：發(fā)光）非平衡輻射：發(fā)光 外界作用的激發(fā)外界作用的激發(fā)-物體偏離原來的熱平衡態(tài)發(fā)光物體偏離原來的熱平衡態(tài)發(fā)光11l 光的產(chǎn)生方法光的產(chǎn)生方法（1）電致發(fā)光：電致發(fā)光：電能電能光能，原子或離子被電場加速的電光能，原子或離子被電場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)回到低能子轟擊由

11、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)就會發(fā)出輻射態(tài)時(shí)就會發(fā)出輻射 。 （2）光致發(fā)光：光致發(fā)光：物體被光直接照射或預(yù)先被照射而引起自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：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 。12l 光的產(chǎn)生方法光的產(chǎn)生方法（4）熱發(fā)光：熱發(fā)光：物體加熱到一定溫度時(shí)的發(fā)光。熱輻射是一物體加熱到一定溫度時(shí)的發(fā)光。熱輻射是一 種能

12、達(dá)到平衡狀態(tài)的輻射。輻射的頻率與強(qiáng)度取決于熱種能達(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。射。（5）生物發(fā)光：生物發(fā)光：螢火蟲、發(fā)光細(xì)菌等的生物發(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：陰極射線發(fā)光：由電子束激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光，如電視由電子束激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光，如電視 機(jī)的顯像管機(jī)的顯像管。 13l 光源選擇的基本要求光源選擇的基本要求（1）光譜特性要求：）光譜特性要求：光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求 。（2）發(fā)光強(qiáng)度要求：）發(fā)光強(qiáng)

13、度要求：確保光電測試系統(tǒng)的正常工作，光源強(qiáng)度過低，確保光電測試系統(tǒng)的正常工作，光源強(qiáng)度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，無法正常測試，光源強(qiáng)度過高，又會導(dǎo)致系統(tǒng)工系統(tǒng)獲得信號過小，無法正常測試，光源強(qiáng)度過高，又會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性作的非線性 （3）穩(wěn)定性要求：）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)，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?？刹捎梅€(wěn)流電源供電。 （4）其它方面要求：）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；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；激光測量：漂燈泡玻殼的形狀和均勻

14、性；光源發(fā)光效率和空間分布；激光測量：漂移、光斑大小、光形狀等。移、光斑大小、光形狀等。14發(fā)光二極管發(fā)光二極管l 概況概況 （1）實(shí)質(zhì)是一個）實(shí)質(zhì)是一個PN結(jié)，在結(jié)，在PN結(jié)上加正向電壓，流過一結(jié)上加正向電壓，流過一 定電流，就會發(fā)出光束。定電流，就會發(fā)出光束。（2）LED(Light Emiting Diode) 電致發(fā)光。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）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）。電流大小而改變顏色）。（4）可用于顯示、照明、信號光源等。）可用于顯示、照明、信號光源等。15l 特點(diǎn)特點(diǎn)發(fā)光亮度與正向電流成正比例關(guān)系

15、發(fā)光亮度與正向電流成正比例關(guān)系響應(yīng)速度極快響應(yīng)速度極快正向電壓低，耗電少正向電壓低，耗電少體積小、重量輕、抗沖擊、耐振動、壽體積小、重量輕、抗沖擊、耐振動、壽命長、單色性好命長、單色性好缺點(diǎn)缺點(diǎn):發(fā)光效率低、發(fā)光面積小，發(fā)出短發(fā)光效率低、發(fā)光面積小，發(fā)出短波光的材料極少波光的材料極少16l外形和結(jié)構(gòu)外形和結(jié)構(gòu)外外 形形結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)外殼材料：金屬、陶瓷、全樹脂外殼材料：金屬、陶瓷、全樹脂17lLED發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理 LED發(fā)光機(jī)理是發(fā)光機(jī)理是電致發(fā)光電致發(fā)光。 P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，型半導(dǎo)體接觸時(shí)，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和由此產(chǎn)生內(nèi)電載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和由此產(chǎn)生內(nèi)電場作用下的場作用下的漂

16、移運(yùn)動達(dá)到平衡狀態(tài)漂移運(yùn)動達(dá)到平衡狀態(tài)形成形成P-N結(jié)結(jié)。如果在。如果在P-N結(jié)上施加結(jié)上施加正向電壓，則正向電壓，則促進(jìn)了擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)促進(jìn)了擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行行。即從。即從N區(qū)流向區(qū)流向P區(qū)的電子和從區(qū)的電子和從P區(qū)流向區(qū)流向N區(qū)的空穴同時(shí)增多，于是區(qū)的空穴同時(shí)增多，于是有大量的電子和空穴在有大量的電子和空穴在P-N結(jié)中結(jié)中相相遇復(fù)合遇復(fù)合，并以光和熱的形式發(fā)出能，并以光和熱的形式發(fā)出能量。量。01EEhcEhcg電子和空穴的復(fù)合很復(fù)雜，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)出光的波長和譜寬主要發(fā)光二極管發(fā)出光的波長和譜寬主要取決于半導(dǎo)體材料及其摻雜材料

17、。取決于半導(dǎo)體材料及其摻雜材料。 18l LED的特性及參數(shù)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)。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）發(fā)光效率eeIURIP2eeeeeUIRUP輻射功率：輻射功率：熱功率：熱功率：輻射效率：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。響，并且與工作電流大小有一定關(guān)系。 19（2）光譜特性）光譜特性 光譜分布曲線是描述發(fā)光的光譜分布曲線是描述發(fā)光的相對強(qiáng)度相對強(qiáng)度（或能量）隨（或能量）隨波波長長（或頻

18、率）變（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)。定的，與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。最大值所對應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長峰值波長。值等于峰值波長對應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度的一半的兩點(diǎn)所對應(yīng)的譜線寬度，稱為發(fā)光管的帶寬帶寬。帶寬是反映發(fā)光的單色性帶寬是反映發(fā)光的單色性好壞的參數(shù)。好壞的參數(shù)。 20（3）伏安特性）伏安特性 表述流過發(fā)光二極管的表述流過發(fā)光二極管的電流電流隨管子兩端隨管子兩端電壓電壓變化而變化的關(guān)系，變化而變化的關(guān)系，是管子性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志是管子性能優(yōu)劣的

19、重要標(biāo)志 （1）正向死區(qū)；（）正向死區(qū)；（2）正向工作區(qū)）正向工作區(qū)（3）反向死區(qū)；（）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：反向飽和電流：少數(shù)載流子所形成的電流少數(shù)載流子所形成的電流 21（4） 發(fā)光亮度發(fā)光亮度 發(fā)光亮度：單位面積發(fā)光強(qiáng)度的度量。發(fā)光亮度：單位面積發(fā)光強(qiáng)度的度量。 AIB/00正法線方向正法線方向的亮度：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。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)

20、光在一定工作電流下，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。復(fù)合幾率下降，發(fā)光亮度也隨之下降。 22（5） 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 LED在接收電信號后并不立即發(fā)光；而發(fā)光后去掉電信號，發(fā)光也不會在接收電信號后并不立即發(fā)光；而發(fā)光后去掉電信號，發(fā)光也不會立即消失。發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間是指其發(fā)光和熄滅時(shí)對輸入脈沖電流的延立即消失。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：上升時(shí)間：10%-90%：發(fā)光二極管：發(fā)光二極管 的上升時(shí)間隨電流的增加

21、而近似呈的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。指數(shù)衰減。 下降時(shí)間：下降時(shí)間：90%-10%用脈沖電流驅(qū)動二極管時(shí)，脈沖的用脈沖電流驅(qū)動二極管時(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)。間所許可的范圍內(nèi)。 23（6） 壽命壽命發(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，在電流密度小于時(shí)的時(shí)間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于時(shí) ，一般最長可達(dá)一般最長可達(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)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)2/1

22、cmAh91024l LED的應(yīng)用的應(yīng)用（1）數(shù)字、文字及圖像顯示）數(shù)字、文字及圖像顯示（2）指示、照明）指示、照明（3）光源）光源（4）光電開關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合）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，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)，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)，看起來仍是一個靜止的文字?？雌饋砣允且粋€靜止的文字。25激光光源激光光源l激光器的特點(diǎn)（激光的準(zhǔn)直和光強(qiáng)截面分布）激光器的特點(diǎn)（激光的準(zhǔn)直和光強(qiáng)截面分布）

23、（1）方向性強(qiáng)或準(zhǔn)直性好：經(jīng)過長距離之后，仍然為細(xì)小的光束）方向性強(qiáng)或準(zhǔn)直性好：經(jīng)過長距離之后，仍然為細(xì)小的光束，發(fā)散角可小到發(fā)散角可小到0.1mrad左右；左右；（2）單色性好：激光是一種）單色性好：激光是一種單色光單色光，頻率范圍極窄；，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）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。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）激光器的特點(diǎn)（激光的準(zhǔn)直和光強(qiáng)截面

24、分布）202)(zR0tg220reAA27（4）相干性高）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28l 激光器的組成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）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29l 產(chǎn)生激光的條件產(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,至少有三個能級 3) 形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于受激吸收

25、 4)使光子共振，形成“雪崩”式放大，就必須有一個諧振腔 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30l激光器的類型激光器的類型1. 氣體激光器：氣體激光器：工作物質(zhì)為氣體，激勵方式多樣，發(fā)射波長最廣。工作物質(zhì)為氣體，激勵方式多樣，發(fā)射波長最廣。 （1）氦氖激光器：）氦氖激光器：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：單色性和相干性好，頻率和輸出幅度較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，制造方單色性和相干性好，頻率和輸出幅度較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，制造方 便，造價(jià)低，輸出可見紅光便，造價(jià)低，輸出可見紅光 。缺點(diǎn)：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

26、，體積也較大。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）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。下工作。 輸出波長有輸出波長有514.5nm、488nm、496.5nm （3）二氧化碳激光器）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，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還充入氦

27、和氮，以提高激光器的輸出功率 。 低氣壓縱向激勵的二氧化碳激光器是氣體激光器中連續(xù)輸出功率最大和低氣壓縱向激勵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距，大功率二氧化轉(zhuǎn)換效率最高的一種器件。小型二氧化碳激光器可用于測距，大功率二氧化碳激光器可用作工業(yè)加工和熱處理等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分布在激光的輸出譜線波長分布在911 m322. 固體激光器固體激光器（1）紅寶石激光器）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為光波長為694

28、.3nm，脈沖寬度在，脈沖寬度在1ms以內(nèi)，輸出功率一般可達(dá)以內(nèi)，輸出功率一般可達(dá)10千瓦，能量轉(zhuǎn)換效率為千瓦，能量轉(zhuǎn)換效率為0.1%。脈沖工作單色性差，相干長度。脈沖工作單色性差，相干長度僅幾毫米。僅幾毫米。 紅寶石激光器紅寶石激光器 33固體激光器的兩種典型結(jié)構(gòu) 342. 固體激光器固體激光器（2）玻璃激光器）玻璃激光器 玻璃激光器常用釹玻璃作工作物質(zhì)，可廣泛用于測距、材料加工、玻璃激光器常用釹玻璃作工作物質(zhì)，可廣泛用于測距、材料加工、微微秒快速過程和激光核聚變的研究。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

29、個焦線上。形泵燈與圓柱形激光棒分別放在橢圓腔的兩個焦線上。 （3）釔鋁石榴石激光器（）釔鋁石榴石激光器（YAG激光器）激光器） 353. 染料激光器（液體激光器）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)。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)。采用不同采用不同的染料溶液和激發(fā)光源，輸出的波長范圍可達(dá)的染料溶液和激發(fā)光源，輸出的波長范圍可達(dá)0.321。4.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)：體積小，重量輕、壽命長、效率高。如砷化鎵激光半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)：體積小，重量輕、壽命長、效率高。如砷化鎵激光器轉(zhuǎn)換效率可達(dá)器轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%，壽命超過一萬

30、小時(shí)。，壽命超過一萬小時(shí)。 36（3）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 將將P-N結(jié)切成長方塊，焊上電極。其側(cè)面磨成非反射面，二極管的端面是平行結(jié)切成長方塊，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。平面并構(gòu)成端部反射鏡。大電流由引線輸入。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：體積很小，重量輕、體積很小，重量輕、壽命長、效率高。如砷化壽命長、效率高。如砷化鎵激光器轉(zhuǎn)換效率可達(dá)鎵激光器轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%，壽命超過一萬小時(shí)。壽命超過一萬小時(shí)。 37 調(diào)調(diào)Q激光器：激光器：通過控制諧振腔的通過控制諧振腔的Q值按某種規(guī)定的程序變值按某種規(guī)定的程序變化，當(dāng)激光器開始工作時(shí)使腔內(nèi)處于低化，當(dāng)激光器開始工作時(shí)

31、使腔內(nèi)處于低Q狀態(tài)，諧振腔的狀態(tài)，諧振腔的激光振蕩閾值很高，工作物質(zhì)上能級不斷積累粒子，某一激光振蕩閾值很高，工作物質(zhì)上能級不斷積累粒子，某一時(shí)刻使得工作物質(zhì)上能級粒子數(shù)積累到最大值，此時(shí)若使時(shí)刻使得工作物質(zhì)上能級粒子數(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)激光上能級儲存的大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芰?，有極強(qiáng)的激光光上能級儲存的大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芰浚袠O強(qiáng)的激光脈沖輸出。脈沖輸出。 激光器的鎖模：激光器的鎖模：鎖模指縱模鎖定。鎖模可以獲得超短脈沖。鎖模指縱模鎖定。鎖?？梢垣@得超短脈沖。被鎖模的多個縱模激光輸出時(shí)，產(chǎn)生疊

32、加，其疊加結(jié)果相被鎖模的多個縱模激光輸出時(shí)，產(chǎn)生疊加，其疊加結(jié)果相當(dāng)于一個振蕩頻率為的單色余弦波振幅受到調(diào)制。當(dāng)于一個振蕩頻率為的單色余弦波振幅受到調(diào)制。38l激光器的類型激光器的類型39其它光源其它光源l 熱輻射光源熱輻射光源 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。但因其結(jié)構(gòu)簡單，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。單，造價(jià)低廉

33、，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：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)：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23倍（5）壽命長。 缺點(diǎn)：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)。 40l 氣體放電光源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開放式氣體放

34、電光源 直流電弧、高壓電容火花、高壓交流電弧、碳弧。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 輝光放電輝光放電 脈沖燈、燃燒式閃光泡、原子光譜燈脈沖燈、燃燒式閃光泡、原子光譜燈主要特點(diǎn)：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；光色范圍大，氣體放電發(fā)光效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，耐震，耐沖擊；壽命長；光色范圍大，氣體放電 光源通常被用于工程照明和光電測量中。光源通常被用于工程照明和光電測量中。41l 氣體放電光源類型表氣體放電光源類型表424.4 光的調(diào)制光的調(diào)制調(diào)制：調(diào)制：將信息加載到介質(zhì)載體的過程稱

35、為調(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：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，傳播方向等幅，頻率、相位、脈沖和偏振方向，傳播方向等 光調(diào)制分類：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，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。光強(qiáng)調(diào)制等。 l 概述概述43光的振幅調(diào)制光的振幅調(diào)制 載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而有規(guī)律的振蕩，簡稱為調(diào)幅載波的振幅隨調(diào)制信號

36、的規(guī)律而有規(guī)律的振蕩，簡稱為調(diào)幅 )cos()(0000tAtEtAtBmmcos)(44光的振幅調(diào)制光的振幅調(diào)制 )cos()()cos()()(00000ttKBAttAtE0min000max0AAAAAAAAh)cos()cos()(000ttKAAtEmm調(diào)制度：最大振幅增量與振幅平均值之比調(diào)制度：最大振幅增量與振幅平均值之比 45光強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制 )(cos2)(00220tAtI)(cos)(1 2)(00220ttBKAtIm原理：利用外界因素改變光的強(qiáng)原理：利用外界因素改變光的強(qiáng) 度，通過測量度，通過測量光強(qiáng)的變化來測量外界物理量。光強(qiáng)的變化來測量外界物理量。 特點(diǎn)：技術(shù)

37、簡單，可靠特點(diǎn)：技術(shù)簡單，可靠46光強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制 l輻射式輻射式 利用光電探測器探測待測物體利用光電探測器探測待測物體所輻射出的功率，光譜分布以所輻射出的功率，光譜分布以及溫度等參數(shù)。及溫度等參數(shù)。 4TMe4TMVes測量輸出電壓來測量輻射物體的溫度測量輸出電壓來測量輻射物體的溫度 全輻射出射度全輻射出射度待測物待測物透鏡透鏡光電探測器光電探測器比輻射率比輻射率47l 反射式反射式利用光電探測器件接收待測物利用光電探測器件接收待測物反射的光線，根據(jù)反射形式的反射的光線，根據(jù)反射形式的不同可以測量轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速，不同可以測量轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速，以及物體表面的外觀質(zhì)量。以及物體表面的外觀質(zhì)量。

38、 l 遮擋式遮擋式 被測物體部分或全部地遮擋或掃被測物體部分或全部地遮擋或掃過入射到光電探測器的光柵，引過入射到光電探測器的光柵，引起光電探測器輸出電信號的變化起光電探測器輸出電信號的變化 lbA2lbEAEVvvs2測出物體的位移量和物體的尺寸測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)利用光通量的變化進(jìn)行光電計(jì)數(shù)和光電自動開關(guān)。和光電自動開關(guān)。 48l 透射式透射式 光通過待測物體，一部分光通量被待檢測物體吸收或散射，另一部光通過待測物體，一部分光通量被待檢測物體吸收或散射，另一部分透過待測物體由光電探測器接收，被吸收或散射的光通量的數(shù)值分透過待測物體由光電探測器接收，被吸收或

39、散射的光通量的數(shù)值取決于待檢物的性質(zhì)。取決于待檢物的性質(zhì)。 用途用途：檢測液體或氣體的濃度，透明度等。：檢測液體或氣體的濃度，透明度等。利用光學(xué)變化裝置將長度或角度變?yōu)闂l紋信息，再由光電探測器接利用光學(xué)變化裝置將長度或角度變?yōu)闂l紋信息，再由光電探測器接收為數(shù)字信息輸出，如精密測長，工件尺寸檢測等。收為數(shù)字信息輸出，如精密測長，工件尺寸檢測等。deII0介質(zhì)吸收系數(shù)介質(zhì)吸收系數(shù)49光相位調(diào)制光相位調(diào)制 利用外界因素改變光波的相位，通過檢測相位變化來測量利用外界因素改變光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量。光波的相位由光傳播的物理長度，傳播介質(zhì)和折物理量。光波的相位由光傳播的物理長度，傳播介質(zhì)

40、和折射率等決定。射率等決定。)()(sin)()(0tXttXtXtm)sin()(cmtkttt)sin(sin)()(sin)(00cmmmtkttXttXt光的干涉和衍射現(xiàn)象都是利用光的相位調(diào)制光的干涉和衍射現(xiàn)象都是利用光的相位調(diào)制 50光的頻率調(diào)制光的頻率調(diào)制 利用外界因素改變光波的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量物理量利用外界因素改變光波的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量物理量 )(cos()(000ttBKAtEftAtBmmcos)()sincos()(000thtAtEmf51光的頻率調(diào)制光的頻率調(diào)制 多普勒頻移：由于觀測者和運(yùn)動目標(biāo)的相對運(yùn)動，使觀測者接多普勒頻移：由于觀測者

41、和運(yùn)動目標(biāo)的相對運(yùn)動，使觀測者接收到的光波頻率產(chǎn)生變化。收到的光波頻率產(chǎn)生變化。 cos)(1 )cos1/(1 012/12201cvcvcv)cos1/(1 22/12212cvcv)cos(cos1 2102cv測得多普勒頻移量測得多普勒頻移量即可求出物體運(yùn)動速度即可求出物體運(yùn)動速度 。02D52波長調(diào)制波長調(diào)制l 熱色物質(zhì)的顏色變化進(jìn)行波長調(diào)制：熱色物質(zhì)的顏色變化進(jìn)行波長調(diào)制：鎢絲光源經(jīng)過光纖進(jìn)入鎢絲光源經(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)過波長為熱變色溶液，其反射光被另一光纖吸收，分兩束分別經(jīng)過波長為650nm和和800nm的濾光片，最后由光電探測器接收，利用

42、熱變的濾光片，最后由光電探測器接收，利用熱變色溶液的吸收光強(qiáng)與溫度的關(guān)系選擇特定波長檢測溶液濃度色溶液的吸收光強(qiáng)與溫度的關(guān)系選擇特定波長檢測溶液濃度 。l利用磷光光譜的變化進(jìn)行波長調(diào)制利用磷光光譜的變化進(jìn)行波長調(diào)制：稀土磷光體做的探頭被頻稀土磷光體做的探頭被頻率為率為 的紫外光照射后，發(fā)出一個與溫度有關(guān)的光譜，光譜中的紫外光照射后，發(fā)出一個與溫度有關(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)。是溫度的函數(shù)。 053光的脈沖調(diào)制光的脈沖調(diào)制 脈沖調(diào)制是用周期性脈沖序列作為載波，并使光載波的某脈沖調(diào)制是

43、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)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。 E(t)(d)tE(t)(e)tE(t)(f)tE(t)(a)tE(t)(b)tE(t)(c)t脈幅調(diào)制脈幅調(diào)制脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制脈位調(diào)制脈位調(diào)制脈幅調(diào)制脈幅調(diào)制脈沖調(diào)頻脈沖調(diào)頻54光彈效應(yīng)光彈效應(yīng) 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)，就會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)受到外力作用時(shí)，就會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)外力除去時(shí)，雙折射隨之消失。象，當(dāng)外力除去時(shí)，雙折射隨之消失。kPnneokPll

44、nneo)(55光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)440022212IAII202212AAA/2)(2kPllnneo附加相位差附加相位差)(sin)2cos(1 2)cos1 (2cos2200022122212kPlIkPlIIIIIII利用彈光效應(yīng)可測量機(jī)械零件的受力分布以及光學(xué)元件受力產(chǎn)生的應(yīng)力分布狀況利用彈光效應(yīng)可測量機(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)制磁光調(diào)制首先將電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的交變磁場，然后利用磁光調(diào)制首先將電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的交變磁場，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。磁光效應(yīng)改變介質(zhì)中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)，進(jìn)而改

45、變光強(qiáng)度等參量。 磁光調(diào)制器示意圖磁光調(diào)制器示意圖 00sinLHtHdcHs57光的調(diào)制方法光的調(diào)制方法l 調(diào)制盤調(diào)制：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)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，位于光電探測器之前。當(dāng)目標(biāo)像與調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，位于光電探測器之前。當(dāng)目標(biāo)像與調(diào)制盤之間有相對運(yùn)動時(shí)，調(diào)制盤的透光與不透光柵格切割像點(diǎn)，盤之間有

46、相對運(yùn)動時(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，光電探測器接收到使得通過調(diào)制盤的輻射能量變成斷續(xù)輸出，光電探測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。的是光輻射被調(diào)制的周期性的強(qiáng)度調(diào)制信號。 作用：作用：將靜止的目標(biāo)像調(diào)制成交流信號以抑制噪聲和光源波動將靜止的目標(biāo)像調(diào)制成交流信號以抑制噪聲和光源波動的影響。提高系統(tǒng)的檢測能力?？蛇M(jìn)行空間濾波，抑制背景噪的影響。提高系統(tǒng)的檢測能力?？蛇M(jìn)行空間濾波，抑制背景噪聲；可提供目標(biāo)的方位空間等。聲；可提供目標(biāo)的方位空間等。 分類：分類：調(diào)幅式，調(diào)頻式，調(diào)相式，調(diào)寬式和脈沖編碼式調(diào)幅式，調(diào)頻式，調(diào)相式，調(diào)寬式和脈沖

47、編碼式 58l 光柵莫爾調(diào)制光柵莫爾調(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，光柵通常有長形和圓形兩種。通常有長形和圓形兩種。 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。的菱形構(gòu)成的透光部分。 原理：原理：當(dāng)光柵位移一個光柵距時(shí)，光通量變化一個周期，當(dāng)光柵位移

48、一個光柵距時(shí)，光通量變化一個周期，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。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。 )2cos(0Pxm對于對于N個周期變化，位移量為：個周期變化，位移量為：NPx 5960l 頻率調(diào)制頻率調(diào)制 可用衍射光柵實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。衍射光柵在電動機(jī)帶動下，透射光可用衍射光柵實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。衍射光柵在電動機(jī)帶動下，透射光被光柵衍射時(shí)分為被光柵衍射時(shí)分為0級，級，1級和級和2級等衍射光，若光照射光柵刻級等衍射光，若光照射光柵刻線處的線速度為線處的線速度為V，光柵刻劃間距為，光柵刻劃間距為P，則，則1級衍射光發(fā)生的頻移級衍射光發(fā)生的頻移為：為： 若用光電接

49、收器件接收若用光電接收器件接收1級衍射光，則光頻級衍射光，則光頻被調(diào)制為。頻率調(diào)制被調(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。的穩(wěn)定性和光柵轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性有關(guān)系。 PVf 61第五章第五章 光電檢測電路光電檢測電路 光電器件都需要經(jīng)過檢測與轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號光電器件都需要經(jīng)過檢測與轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號的變換。的變換。l光電檢測電路由光電檢測器件，輸入電路和前置光電檢測電路由光電檢測器件，輸入電路和前置放大器組成。放大器組成。l光電檢測器件是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件，是溝光電檢測器件是實(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)。通光學(xué)量和電子器件的接口環(huán)節(jié)。l前置放大

50、電路和耦合電路實(shí)現(xiàn)對光電輸出信號的前置放大電路和耦合電路實(shí)現(xiàn)對光電輸出信號的精確檢測。精確檢測。l輸入電路是連接光電器件和前置放大及耦合電路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)。的中間環(huán)節(jié)。 625.1光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求 保證光電檢測系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。保證光電檢測系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。l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，即單位輸入光信號的變化量所引起的輸出電信靈敏度，即單位輸入光信號的變化量所引起的輸出電信號的變化量。號的變化量。l動態(tài)響應(yīng)速度快：光電檢測電路應(yīng)滿足信號通道所要

51、求動態(tài)響應(yīng)速度快：光電檢測電路應(yīng)滿足信號通道所要求 的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。l信號檢測能力強(qiáng)：要求光電檢測電路具有可靠檢測所必信號檢測能力強(qiáng)：要求光電檢測電路具有可靠檢測所必 需的信噪比或最小可檢測信號功率。需的信噪比或最小可檢測信號功率。l穩(wěn)定性、可靠性好：光電檢測電路在長期工作的情況下穩(wěn)定性、可靠性好：光電檢測電路在長期工作的情況下 應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場合對穩(wěn)定性可靠應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場合對穩(wěn)定性可靠性的要求會更高。性的要求會更高。635.2 光電探測器的偏置光電探測器的偏置l有些探測器不需要外加偏置電源，在光照下

52、產(chǎn)生的光電流（電壓）經(jīng)有些探測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)對光信號的有效放大。過一定的耦合方式與前置放大器相連，以實(shí)現(xiàn)對光信號的有效放大。這種類型的探測器無需偏置，只需確定合適的輸入阻抗的前置放大器這種類型的探測器無需偏置，只需確定合適的輸入阻抗的前置放大器與其耦合。與其耦合。l外加偏置：對于需要經(jīng)過外加電場才能形成光電流（電壓）的器件，外加偏置：對于需要經(jīng)過外加電場才能形成光電流（電壓）的器件，需加一定偏置才能正常工作，如光電導(dǎo)探測器和光電發(fā)射探測器等。需加一定偏置才能正常工作，如光電導(dǎo)探測器和光電發(fā)射探測器等。l偏置要求：供給

53、穩(wěn)定的電流或電壓，對探測系統(tǒng)盡可能引入小的噪聲，偏置要求：供給穩(wěn)定的電流或電壓，對探測系統(tǒng)盡可能引入小的噪聲，最好的發(fā)揮光探測器的性能。最好的發(fā)揮光探測器的性能。光探測器的輸出信號一般很微弱，正確設(shè)置光探測器的偏置對于提高探測器光探測器的輸出信號一般很微弱，正確設(shè)置光探測器的偏置對于提高探測器的靈敏度，降低噪聲，提高響應(yīng)頻率，發(fā)揮光探測器的最佳性能非常重要。的靈敏度，降低噪聲，提高響應(yīng)頻率，發(fā)揮光探測器的最佳性能非常重要。645.2 光電探測器的偏置光電探測器的偏置l直流偏置：直流偏置：一般用電池供電，一般用電池供電，避免工頻干擾。偏置電路適用避免工頻干擾。偏置電路適用于光電導(dǎo)探測器。于光電導(dǎo)

54、探測器。l匹配偏置：匹配偏置：偏置電阻等于偏置電阻等于探測器內(nèi)阻時(shí)，如光敏電探測器內(nèi)阻時(shí)，如光敏電阻阻值對溫度變化敏感，阻阻值對溫度變化敏感，偏置電路中通常不采用固偏置電路中通常不采用固定電阻，而是采用一個與定電阻，而是采用一個與所用探測器相同規(guī)格的光所用探測器相同規(guī)格的光敏電阻代替，使兩個電阻敏電阻代替，使兩個電阻隨溫度變化相同，以減小隨溫度變化相同，以減小環(huán)境溫度變化對輸出信號環(huán)境溫度變化對輸出信號的影響。的影響。 l 幾種常用的偏置電路幾種常用的偏置電路655.2 光電探測器的偏置光電探測器的偏置l恒流偏置：恒流偏置：如果探測器電阻遠(yuǎn)如果探測器電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作電阻，則流過探測遠(yuǎn)小于工作電

55、阻，則流過探測器的電流值近似由偏置電阻決器的電流值近似由偏置電阻決定，和探測器電阻值無關(guān)。適定，和探測器電阻值無關(guān)。適用于光電導(dǎo)探測器用于光電導(dǎo)探測器。 l恒壓偏置：恒壓偏置：當(dāng)工作電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小當(dāng)工作電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探測器電阻時(shí)，則加在探測于探測器電阻時(shí)，則加在探測器上的電壓值近似為于探測器器上的電壓值近似為于探測器阻值無關(guān)，適用于對響應(yīng)要求阻值無關(guān)，適用于對響應(yīng)要求不是太高，而探測器本身噪聲不是太高，而探測器本身噪聲又比較大的場合又比較大的場合。665.2 光電探測器的偏置光電探測器的偏置l反偏偏置：反偏偏置：對于對于PN結(jié)型光伏探測器，其用法有兩種，一種是不外結(jié)型光伏探測器，其用法有兩種，一種是

56、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。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)制光的探測器。沖和高頻調(diào)制光的探測器。675.3 光電直接探測方法光電直接探測方法l基本原理：基本原理：強(qiáng)待測光信號直接入射到光探測器光敏面，光強(qiáng)待測光信號直接入射到光探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓。探測器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓。l基本特性基本特性n 光探測器的平方律特性光探測器的平方律特性 tAtEcos

57、)(2/)(22AtEP222)(2AhetEhePIpLLppRPheRIS222)(解釋：解釋： 光電流正比于光場振幅的平方；光電流正比于光場振幅的平方； 電輸出功率正比于入射光功率的平方。電輸出功率正比于入射光功率的平方。 68n 直接探測系統(tǒng)的信噪比：直接探測系統(tǒng)的信噪比： 5.3 光電直接探測方法光電直接探測方法輸出功率信號噪聲比：輸出功率信號噪聲比：)2()/()()/(22222nnssLnsLPpPPPPRhePPRheNS)/(21)/()(2nsnsPPPPPPNSNS1/nsPP2)()(nsPPNS1/nsPPnsPPNS21)(若：若：若：若：總的信號功率為：總的信號

58、功率為：695.4 弱信號檢測電路弱信號檢測電路 光信號測量當(dāng)背景噪聲或干擾很大而待測信號十分微弱時(shí)，光信號測量當(dāng)背景噪聲或干擾很大而待測信號十分微弱時(shí)，通過光電探測器轉(zhuǎn)換后得到的光電信號的信噪比很小，因通過光電探測器轉(zhuǎn)換后得到的光電信號的信噪比很小，因此需要采取一些特殊的技術(shù)設(shè)法將淹沒信號的噪聲盡量地此需要采取一些特殊的技術(shù)設(shè)法將淹沒信號的噪聲盡量地減小，以便從噪聲中提取、恢復(fù)和增強(qiáng)被測信號。減小，以便從噪聲中提取、恢復(fù)和增強(qiáng)被測信號。l弱光信號處理技術(shù)：弱光信號處理技術(shù)：鎖相放大器，取樣積分器和光子計(jì)數(shù)鎖相放大器，取樣積分器和光子計(jì)數(shù)器。器。l 鎖相放大器：鎖相放大器：一種通用的對交變信號

59、進(jìn)行相敏檢波的放一種通用的對交變信號進(jìn)行相敏檢波的放大器，利用與被測信號有相同頻率的鎖相關(guān)系的參考信號大器，利用與被測信號有相同頻率的鎖相關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、同相的噪聲分量有響應(yīng)。同相的噪聲分量有響應(yīng)。 70l 鎖相放大器鎖相放大器n通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)，通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)，使探測系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。使探測系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。n用低噪聲光電探測器將被測光信號轉(zhuǎn)換成電信號，用鎖相放大器在調(diào)用低噪聲光電探測器將被測光信號轉(zhuǎn)換成電

60、信號，用鎖相放大器在調(diào)制頻率上對有用電信號進(jìn)行選頻放大。制頻率上對有用電信號進(jìn)行選頻放大。n 在相敏檢波器中對信號進(jìn)行解調(diào)，同步解調(diào)截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?，在相敏檢波器中對信號進(jìn)行解調(diào)，同步解調(diào)截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)。使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)。n通過低通濾波器對檢波信號進(jìn)行低通濾波，獲得被放大的光電信號。通過低通濾波器對檢波信號進(jìn)行低通濾波，獲得被放大的光電信號。)2cos()cos(210ttUUUUUrmsmrso71l 鎖相放大器鎖相放大器n 鎖相放大器的特點(diǎn)：鎖相放大器的特點(diǎn)：（1）要求對入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光）要求對入射光束