光電檢測(cè)技術(shù)課件

相干變換與檢測(cè)方法7.1相干變換與檢測(cè)的原理7.2相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)7.3相干光外差檢測(cè)原理1相干變換與檢測(cè)方法7.1相干變換與檢測(cè)的原理1相干變換與檢測(cè)方法7.1相干變換與檢測(cè)的原理7.2相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)7.3相干光外差檢測(cè)原理2相干變換與檢測(cè)方法7.1相干變換與檢測(cè)的原理27.1相干變換與檢測(cè)原理光的干涉就是利用可能相干的兩束和多束光波相疊加，它的合成的光強(qiáng)度隨著時(shí)間或空間有規(guī)律的變化干涉測(cè)量的作用就是光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及它們隨時(shí)間變化關(guān)系以光強(qiáng)度的空間分布或時(shí)間變化的形式檢測(cè)出來一、光學(xué)干涉和干涉測(cè)量37.1相干變換與檢測(cè)原理光的干涉就是利用可能相干的兩束和多S1S2P干涉條紋的強(qiáng)度分布

當(dāng)頻率相同的光相干時(shí)，干涉條紋不隨時(shí)間改變，呈現(xiàn)穩(wěn)定的空間分布；隨著相位差的變化，干涉條紋強(qiáng)度的分布表現(xiàn)為有偏置的正弦分布當(dāng)兩束光的頻率不同，干涉條紋將以角頻率隨時(shí)間波動(dòng)，形成外差信號(hào)4S1S2P干涉條紋的強(qiáng)度分布當(dāng)頻率相同的光相干時(shí)，干涉條

干涉與相位延遲和對(duì)比度的關(guān)系

條紋光強(qiáng)的直流分量條紋光強(qiáng)的對(duì)比度AI5

干涉與相位延遲和對(duì)比度的關(guān)系

條紋光強(qiáng)的直流分量條紋光強(qiáng)的二、干涉測(cè)量中的調(diào)制和解調(diào)干涉測(cè)量實(shí)質(zhì)上是被測(cè)信息對(duì)光載波的調(diào)制和解調(diào)的過程調(diào)制技術(shù)根據(jù)所調(diào)制的光載波的特征參量不同，可以分為振幅調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制和光波長(zhǎng)調(diào)制。解調(diào)是指能從被調(diào)制的光載波中以與被測(cè)參量成正比例的光強(qiáng)度信號(hào)或電信號(hào)形式檢測(cè)出被測(cè)量。6二、干涉測(cè)量中的調(diào)制和解調(diào)干涉測(cè)量實(shí)質(zhì)上是被測(cè)信息對(duì)光載波的干涉儀的等效框圖載波器解調(diào)器參考光路調(diào)制器被測(cè)參量單色光源測(cè)量光路U07干涉儀的等效框圖載波器解調(diào)器參考光路調(diào)制器被測(cè)參量單色光源測(cè)邁克爾遜干涉儀

調(diào)制器LrLs激光器光學(xué)隔離器光電檢測(cè)器參考鏡測(cè)量鏡8邁克爾遜干涉儀調(diào)制器LrLs激光器光學(xué)隔離器光電檢測(cè)器參相干變換與檢測(cè)方法7.1

相干變換與檢測(cè)的原理7.2相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)7.3相干光外差檢測(cè)原理9相干變換與檢測(cè)方法7.1相干變換與檢測(cè)的原理97.2相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)一、相位調(diào)制的干涉系統(tǒng)對(duì)于均勻介質(zhì)，光相位的變化為引起光程發(fā)生變化的參量有：幾何距離、位移、角度、速度、溫度引起的熱膨脹等引起折射率發(fā)生變化的參量有：介質(zhì)成分、密度、環(huán)境溫度、介質(zhì)周圍電場(chǎng)、磁場(chǎng)等當(dāng)相干光束的頻率相同時(shí)，若被測(cè)量變化使相干光波的相位發(fā)生變化，再通過干涉作用把光波相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹淖兓獑晤l光波相位調(diào)制。相位調(diào)制的干涉儀有：邁克爾遜干涉儀、吉曼干涉儀、馬赫-澤德干涉儀、薩古納克干涉儀和法布里-珀羅干涉儀107.2相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)一、相位調(diào)制的干涉系統(tǒng)引起典型光學(xué)干涉儀激光器固定鏡分束鏡2分束鏡1測(cè)量鏡檢測(cè)器馬赫-澤德干涉儀激光器測(cè)量鏡傳感器固定鏡d檢測(cè)器法布里-珀羅干涉儀n輸出分束鏡有兩束干涉光輸出；回饋到激光器的散射光較少；可移動(dòng)測(cè)量鏡引入被測(cè)位移。平面鏡之間相對(duì)位移；平面鏡內(nèi)介質(zhì)折射率11典型光學(xué)干涉儀激光器固定鏡分束鏡2分束鏡1測(cè)量鏡檢測(cè)器馬赫-二、干涉條紋的測(cè)量方法

條紋光強(qiáng)檢測(cè)法在干涉場(chǎng)中確定的位置上用光電元件直接測(cè)量干涉條紋的光強(qiáng)度變化激光器光電檢測(cè)器參考鏡測(cè)量鏡I1I2單頻光相干時(shí)，合成信號(hào)的瞬時(shí)光強(qiáng)為用

的平均值等效該積分值12二、干涉條紋的測(cè)量方法條紋光強(qiáng)檢測(cè)法激光器光電檢測(cè)器參考鏡條紋光強(qiáng)檢測(cè)法1.光的單色性對(duì)相干度的影響2.光源的光束發(fā)散角的影響式中，比例因子Γ稱為兩光束的相干度；Γ越大，光強(qiáng)隨相位的變化越明顯；Γ=0時(shí)，合成光強(qiáng)只有直流成分，與相位無關(guān)13條紋光強(qiáng)檢測(cè)法1.光的單色性對(duì)相干度的影響式中，比例因子Γ稱光電檢測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電信號(hào)的質(zhì)量不僅取決于干涉條紋的相干度，而且取決于接收器光闌和條紋寬度D之間的比例關(guān)系。在任一位置x=x0處，光電檢測(cè)器的輸出Is0為光電接收器的接收孔徑光闌與條紋寬度的關(guān)系x條紋光強(qiáng)檢測(cè)法lhβ稱作光電轉(zhuǎn)換混頻效率；14光電檢測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電信號(hào)的質(zhì)量不僅取決于干涉當(dāng)l/D→0,β=1時(shí)光電信號(hào)交變分量幅度最大;當(dāng)l=D,β=0時(shí)；光電信號(hào)只有直流分量。為了增大β，可以通過減少l值或者加大條紋寬度D的方法。條紋光強(qiáng)檢測(cè)法15當(dāng)l/D→0,β=1時(shí)光電信號(hào)交變分量幅度最大;為了增大β二次相位調(diào)制與干涉圖分析波面相位調(diào)制邁克爾遜干涉儀、米勒干涉儀、斐索干涉儀將光束擴(kuò)束成平面波照射到被測(cè)物體上，干涉場(chǎng)是一組二維干涉圖；通過對(duì)干涉圖的分析，可以獲得折射率分布和物體變形量。16二次相位調(diào)制與干涉圖分析波面相位調(diào)制將光束擴(kuò)束成平面波照射二次相位調(diào)制與干涉圖分析階梯波掃描干涉法

使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置將參考光束的相位進(jìn)行調(diào)制將參考光束的相位進(jìn)行人為隨時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，使干涉圖上各點(diǎn)處的光學(xué)相位變換為相應(yīng)點(diǎn)時(shí)序信號(hào)的相位。17二次相位調(diào)制與干涉圖分析階梯波掃描干涉法

使用壓電看成φr的函數(shù)，可以表示直流分量和基波分量的傅里葉級(jí)數(shù)形式階梯波掃描干涉法

考慮一維情況，干涉面上任意一點(diǎn)x的光強(qiáng)可表示為令φr在2π周期內(nèi)每次改變1/n周期，共采樣p個(gè)周期，即18看成φr的函數(shù)，可以表示直流分量和基波分量的傅里葉級(jí)數(shù)形式階階梯波掃描干涉法

令φrj對(duì)應(yīng)的干涉強(qiáng)度為則各系數(shù)表示為：上式是干涉場(chǎng)亮度變化周期函數(shù)的最佳擬合，則被測(cè)物體表面相位信息為19階梯波掃描干涉法

令φrj對(duì)應(yīng)的干涉強(qiáng)度為則各系數(shù)表示為：上相干變換與檢測(cè)方法7.1相干變換與檢測(cè)的原理7.2相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)7.3相干光外差檢測(cè)原理20相干變換與檢測(cè)方法7.1相干變換與檢測(cè)的原理207.3相干光外差檢測(cè)原理該方法將包含有被測(cè)信息的相干光調(diào)制波和作為基準(zhǔn)的本機(jī)振蕩光波，在滿足波前匹配條件下在光電探測(cè)器上進(jìn)行混頻。探測(cè)器輸出的是頻率為兩光波光頻差的拍頻信號(hào)該信號(hào)包含有調(diào)制信號(hào)的振幅、頻率和相位。通過檢測(cè)拍頻信號(hào)最終調(diào)制出被傳送的信號(hào)。217.3相干光外差檢測(cè)原理該方法將包含有被測(cè)信息的相干光調(diào)制一、光學(xué)外差檢測(cè)原理設(shè)入射信號(hào)光波的振幅和參考光波的振幅分別為由光電探測(cè)器的平方律特性，輸出光電流為22一、光學(xué)外差檢測(cè)原理設(shè)入射信號(hào)光波的振幅和參考光波的振幅分別使只有頻差信號(hào)處于探測(cè)器的通頻帶范圍內(nèi)，則倍頻信號(hào)及和頻項(xiàng)不能被光電器件接受

探測(cè)器的輸出：

其中為雙頻光波的相位差，上式為光學(xué)外差信號(hào)表達(dá)式。保持本征信號(hào)不變的情況下，外差信號(hào)的振幅、頻率和相位可以表征信號(hào)光波的特征參量，也就是外差信號(hào)能夠無畸變復(fù)制調(diào)制信號(hào)的特征。混頻后的頻譜23使只有頻差信號(hào)處于探測(cè)器的通頻帶范圍內(nèi)，則倍頻信號(hào)及和頻項(xiàng)不以調(diào)幅信號(hào)為例設(shè)信號(hào)光振幅as受調(diào)制信號(hào)F(t)的調(diào)制，即將其代入到外差信號(hào)表達(dá)式中，得到從中可以看到，信號(hào)光波振幅上所載荷的調(diào)制信號(hào)的雙邊帶轉(zhuǎn)換到外差信號(hào)上。24以調(diào)幅信號(hào)為例設(shè)信號(hào)光振幅as受調(diào)制信號(hào)F(t)的調(diào)制，即從零差信號(hào)若使本征光頻率和信號(hào)光頻率相同，則零差探測(cè)的信號(hào)表達(dá)式如下：同樣，如果調(diào)幅信號(hào)光，則零差信號(hào)表明零差信號(hào)也可以無畸變獲得信號(hào)的原形，只包含了本征光振幅的影響25零差信號(hào)若使本征光頻率和信號(hào)光頻率相同，則零差探測(cè)的信號(hào)表達(dá)光外差檢測(cè)的特點(diǎn)探測(cè)能力強(qiáng)：光波的振幅、相位及頻率的變化都會(huì)引起光電探測(cè)器的輸出，因此外差探測(cè)不僅能夠檢測(cè)出振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光波信號(hào)，而且可以檢測(cè)出相位和頻率調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換增益高：外差探測(cè)時(shí)經(jīng)過光電接收器輸出的電流幅值為26光外差檢測(cè)的特點(diǎn)探測(cè)能力強(qiáng)：光波的振幅、相位及頻率的變化

同樣信號(hào)光功率下，光外差探測(cè)和直接探測(cè)得到的信號(hào)功率比為

G為轉(zhuǎn)換增益相干探測(cè)中本征光的功率P0遠(yuǎn)大于接收到的信號(hào)光功率PS，通常是高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此G可高達(dá)107~108數(shù)量級(jí)。光外差檢測(cè)的特點(diǎn)27同樣信號(hào)光功率下，光外差探測(cè)和直接探測(cè)得到的信號(hào)功率比為信噪比高光外差檢測(cè)的特點(diǎn)外差探測(cè)可以檢測(cè)到更小的入射功率，有利于弱光信號(hào)的檢測(cè)。28信噪比高光外差檢測(cè)的特點(diǎn)外差探測(cè)可以檢測(cè)到更小的入射功濾波性能好形成外差信號(hào)，要求信號(hào)光和本征信號(hào)空間嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，而背景光入射方向是雜亂無章的，偏振方向也不確定，不能滿足外差空間調(diào)準(zhǔn)要求，不能形成有效的外差信號(hào)，因此該方法可以濾掉背景光。同時(shí)通過檢測(cè)通道的通頻帶剛好覆蓋有用的外差信號(hào)的頻譜范圍，這樣雜散光形成的拍頻信號(hào)也可以被濾掉。29濾波性能好29外差檢測(cè)的條件---相位條件假設(shè)信號(hào)光和本征光是平面波，兩者之間夾角；并假定光探測(cè)器的光敏平面是邊長(zhǎng)為d的正方形，假定本征光垂直入射x信號(hào)光與本征光波前有一失配角，信號(hào)為d30外差檢測(cè)的條件---相位條件假設(shè)信號(hào)光和本征光是平面波，兩入射到光混頻器表面的總光場(chǎng)為則光混頻器輸出的瞬時(shí)光電流為其中31入射到光混頻器表面的總光場(chǎng)為31實(shí)際中失配角很難調(diào)整到零，為了盡可能大的中頻輸出，希望因子盡可能接近于1，為了滿足這一條件

即失配角θ與信號(hào)光波長(zhǎng)λs成正比，與光混頻器的尺寸d成反比波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光電探測(cè)器的尺寸越小，則容許的失配角就越大；波長(zhǎng)越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻瞬時(shí)中頻電流達(dá)到最大值32實(shí)際中失配角很難調(diào)整到零，為了盡可能大的中頻輸出，希望因子外差檢測(cè)的頻率條件兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度如果信號(hào)光和本征光的頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差就可能大大超過中頻濾波器的帶寬通常兩束光取自同一激光器，通過頻率偏移取得本征光，信號(hào)光通過調(diào)制得到33外差檢測(cè)的頻率條件兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度33光外差探測(cè)的偏振條件要求信號(hào)光與本征光的偏振方向一致，這樣兩束光才能按照光束疊加規(guī)律進(jìn)行合成通常光電器件前放置偏振片34光外差探測(cè)的偏振條件要求信號(hào)光與本征光的偏振方向一致，這樣二、外差法的調(diào)頻方法為了形成外差檢測(cè)的光頻差，采用頻率調(diào)制方法運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻固定頻移直接調(diào)頻法35二、外差法的調(diào)頻方法為了形成外差檢測(cè)的光頻差，采用頻率調(diào)制方1.運(yùn)動(dòng)參量的頻率調(diào)制利用多普勒效應(yīng)------運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷涞狡渖系墓獠ǖ念l率，即頻率為f0的單色光入射到速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，被物體散射的光波頻率fs會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，它散射的方向有關(guān)。r0f0vrsfs對(duì)運(yùn)動(dòng)參量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，被測(cè)運(yùn)動(dòng)參量直接對(duì)參考光波的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成與參考光有一定頻差的信號(hào)光，這種頻率調(diào)制方法稱為參量調(diào)頻法。361.運(yùn)動(dòng)參量的頻率調(diào)制利用多普勒效應(yīng)------運(yùn)動(dòng)物體能多普勒頻率調(diào)制方式參考光束方式檢測(cè)器v激光器M2M1M3L經(jīng)過反射鏡M2的光束作為參考光束；透過半反射鏡M1的光束被顆粒散射37多普勒頻率調(diào)制方式參考光束方式檢測(cè)器v激光器M2M1M3L經(jīng)多普勒頻率調(diào)制方式對(duì)稱互差方式v激光器M1M2L2L0L1探測(cè)器兩束對(duì)稱的散射光載荷兩個(gè)對(duì)稱方向的多普勒頻移信號(hào)，在光電探測(cè)器形成外差信號(hào)。38多普勒頻率調(diào)制方式對(duì)稱互差方式v激光器M1M2L2L0L1探2.固定頻移的頻率調(diào)制使用頻移器件使參考光波相對(duì)信號(hào)形成一固定的頻率偏移塞曼效應(yīng)旋轉(zhuǎn)波片激光頻移采用聲光效應(yīng)激光頻移聲波2θλs392.固定頻移的頻率調(diào)制使用頻移器件使參考光波相對(duì)信號(hào)形成一3.直接光頻調(diào)制半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制半導(dǎo)體激光器LD具有良好的工作特性，當(dāng)注入電流改變時(shí)，激光器的振蕩頻率能直接變化利用可進(jìn)行頻率調(diào)制的激光器產(chǎn)生隨時(shí)間變化的調(diào)頻參考光束的頻率調(diào)制方法403.直接光頻調(diào)制利用可進(jìn)行頻率調(diào)制的激光器產(chǎn)生隨時(shí)間變化的調(diào)調(diào)制器LrLs激光器光學(xué)隔離器光電檢測(cè)器參考鏡測(cè)量鏡基于邁克爾遜干涉儀的直接頻率光干涉測(cè)量41調(diào)制器LrLs激光器光學(xué)隔離器光電檢測(cè)器參考鏡測(cè)量鏡基于邁光程差為，則兩束光波的相位差為注入電流改變，光頻改變?yōu)椋瑒t兩相干光的附加相位偏移為光電探測(cè)器輸出的光電流為干涉信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間改變42光程差為，則兩束光波的相位差為干涉信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨三、外差信號(hào)的檢測(cè)光載波光調(diào)制外差檢測(cè)測(cè)頻測(cè)相調(diào)頻外差信號(hào)檢測(cè)示意圖43三、外差信號(hào)的檢測(cè)光載波光調(diào)制外差測(cè)頻測(cè)相調(diào)頻外差信號(hào)檢測(cè)示（一）零差檢測(cè)多普勒信號(hào)接收