《測(cè)控儀器設(shè)計(jì)》第七章 光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第七章光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié)光電系統(tǒng)組成和類型1．精度高2．非接觸測(cè)量3．測(cè)量范圍大4．信息處理能力強(qiáng)

設(shè)計(jì)要求：1．高分辨率2．高精度3．高速度4.高穩(wěn)定性5.高智能化及小型化光電系統(tǒng)的特點(diǎn)：光電系統(tǒng)的組成光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信息處理存儲(chǔ)顯示控制用光源發(fā)出的光來(lái)傳遞信息的媒介與光源結(jié)合來(lái)獲得測(cè)量所需的光載波，如平行光

光載波與被測(cè)對(duì)象相互作用并將被測(cè)量載荷加到光載波上稱為光學(xué)變換。

用各種調(diào)制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)變換的（即將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量，如振幅、頻率、相位、偏振態(tài)等）。變換后光載波含有各種被測(cè)信息（光信息）。實(shí)現(xiàn)的方式用光學(xué)系統(tǒng)和各種光學(xué)元件的結(jié)合。

光學(xué)元件有：平面鏡、光狹縫、光楔、透鏡、角錐棱鏡、偏振器、波片、碼盤(pán)、光柵、調(diào)制器等。

光學(xué)系統(tǒng)有：成像系統(tǒng)、光干涉系統(tǒng)等。

光信息經(jīng)過(guò)光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)由光向電的信息轉(zhuǎn)換，稱光電轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換用各種光電變換器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光電器件：光電檢測(cè)器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學(xué)變換與光電轉(zhuǎn)換是光電測(cè)量的核心部分。被測(cè)工件用激光外徑掃描儀原理說(shuō)明光電系統(tǒng)的組成放大邊緣檢測(cè)門(mén)控處理顯示主振電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)多面體激光器f(θ)鏡物鏡光電器件激光器為光源多面體和f(θ)鏡為產(chǎn)生平行的光學(xué)系統(tǒng)，形成光載波被測(cè)工件和物鏡構(gòu)成光學(xué)變換，形成變化的光通量光電器件將變化的光通量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)光電系統(tǒng)的類型

1．主動(dòng)系統(tǒng)與被動(dòng)系統(tǒng)

2．模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)

3．直接檢測(cè)系統(tǒng)與相干檢測(cè)系統(tǒng)按照光電系統(tǒng)的功能還分為光電信息檢測(cè)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。

第二節(jié)光電系統(tǒng)特性（一）光電特性

光電系統(tǒng)的光電特性即該系統(tǒng)輸入、輸出特性又稱為靜特性，其輸入量一般是光通量或光照度E，輸出量一般是電壓或電流。第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（二）光譜特性及光譜匹配為了提高光能的利用效率，要求檢測(cè)器件的光譜靈敏度分布和輻射源的輻射度分布及各傳輸環(huán)節(jié)的透過(guò)率分布相覆蓋。檢測(cè)器件的輸出可表示為：第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（三）光電靈敏度特性光譜響應(yīng)率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測(cè)器件輸出（電壓V或電流I）與入射光通量之比，即第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（四）頻率響應(yīng)特性

即當(dāng)入射光照是以一定頻率變動(dòng)的交換光信息時(shí)，光照頻率的變化將會(huì)引起光電器件響應(yīng)率的變化。一般地，響應(yīng)率隨光照頻率升高而降低第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（五）光電系統(tǒng)的探測(cè)率D

光電系統(tǒng)的探測(cè)率表征光電系統(tǒng)的探測(cè)能力，越大表征探測(cè)能力越強(qiáng)。

光電系統(tǒng)的比探測(cè)率D*光電檢測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)率除了與和有關(guān)外還與光電檢測(cè)器件光敏面面積A和光電檢測(cè)系統(tǒng)的帶寬有關(guān)

第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則一、匹配原則二、干擾光最小原則三、共光路原則1）光譜匹配2）功率匹配3）阻抗匹配第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則匹配核心是如何正確選擇光電檢測(cè)器件一、匹配原則二、干擾光最小原則第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則干擾光最小原則就是指干擾光對(duì)光電系統(tǒng)影響最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。光電系統(tǒng)中的干擾光主要是指雜散光、背景光和“回授光”。二、減少干擾光措施

第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則減小雜散光措施：光學(xué)濾波、光學(xué)調(diào)制和光外差檢測(cè)。減小背景光措施：采用光遮斷、光隔離、光控制和光補(bǔ)償?shù)姆椒?。減小回授光措施：光偏離、光遮擋、光偏振片。減小回授光措施三、共光路原則第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在光電系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量和減小共模干擾，經(jīng)常采用差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較。常用的光源1）太陽(yáng)光，白熾燈2）氣體放電光源3）半導(dǎo)體發(fā)光器件4）激光光源第四節(jié)、光電測(cè)量系統(tǒng)中的光源及照明系統(tǒng)二.照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：

1）保證足夠的光能。

2）有足夠的照明范圍，照明均勻。3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳。4）應(yīng)盡量減少雜光進(jìn)入物鏡，以保證像面的對(duì)比度。5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響

三、照明系統(tǒng)需要滿足原則1）光孔轉(zhuǎn)接原則。2）照明系統(tǒng)拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡拉赫不變量。

顯微系統(tǒng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、照明系統(tǒng)種類

1）直接照明a）透射亮視場(chǎng)b）反射亮視場(chǎng)c）透射暗視場(chǎng)d）反射暗視場(chǎng)2）臨界照明

光源所出的光通過(guò)聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式稱為臨界照明。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，孔徑角大，被照明視場(chǎng)有最大亮度而無(wú)雜散光缺點(diǎn)：視場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)到燈絲像，影響照明均勻，不滿足光孔轉(zhuǎn)接3）遠(yuǎn)心柯勒照明集光鏡將光源成像到聚光鏡的前焦面上，孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠(yuǎn)心光路，視場(chǎng)光闌被聚光鏡成像到物面上。優(yōu)點(diǎn)：燈絲不會(huì)成像到物面上，照明均勻這種照明系統(tǒng)可以檢測(cè)反射鏡面上的缺陷。如果被測(cè)表面是鏡面，則鏡面的反射光線全部進(jìn)入物鏡成像，因此整個(gè)圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點(diǎn)或者污漬時(shí)，所產(chǎn)生的漫反射光線進(jìn)入物鏡的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的斑點(diǎn)。

4）同軸照明光譜能量分布：光譜匹配光度特性：足夠的照度，如高速攝像系統(tǒng)、投影儀發(fā)光面的形狀、尺寸及光源的結(jié)構(gòu)滿足功能要求：穩(wěn)定性、功率、單色性、壽命發(fā)熱少光源系統(tǒng)的選擇要點(diǎn)第五節(jié)直接檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）直接檢測(cè)系統(tǒng)的組成

光源光學(xué)變換光功率檢測(cè)

電信號(hào)輸出變換方法光學(xué)原理應(yīng)用幾何光學(xué)法直射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象光開(kāi)關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)角、測(cè)距等光電子學(xué)法電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開(kāi)關(guān)、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等直接檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用用檢測(cè)光透過(guò)率的方法可以測(cè)物質(zhì)透明度、液體純度、反射率、大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、光的偏振狀態(tài)；檢測(cè)調(diào)制光的頻率和波數(shù)變化可以測(cè)速、測(cè)角和測(cè)距；利用光學(xué)成象和象分析器可以定位、尺寸檢測(cè)、位置檢測(cè)；利用多光譜的光譜分析可以測(cè)溫等。（一）直接檢測(cè)光電系統(tǒng)的工作原理直接檢測(cè)光信號(hào)直接入射到光電器件光敏面上：入射光波入射光功率光電器件輸出光電流電荷入射光子能量若信號(hào)調(diào)制直接檢入射功率Ps，則要求S線性好和穩(wěn)定性!!!考慮負(fù)載電阻（二）光功率直接檢測(cè)光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)透過(guò)率檢測(cè)指示表輸出影響最大因素是入射光光通量若光電檢測(cè)靈敏度，放大增益，讀數(shù)裝置傳遞系數(shù)分別為S,K,M核心問(wèn)題：控制光源的穩(wěn)定性考慮差動(dòng)法或者調(diào)制法減小光源波動(dòng)的影響（三）距離檢測(cè)的光電系統(tǒng)三角法測(cè)距；相位法（連續(xù)波）測(cè)距；時(shí)間法測(cè)距；（1）三角法測(cè)距原理與設(shè)計(jì)要求三角法測(cè)距設(shè)計(jì)要點(diǎn)減小非線性誤差。光源的穩(wěn)定性的影響。被測(cè)對(duì)象特性的適應(yīng)性。光學(xué)系統(tǒng)及光電接收器件的特性對(duì)測(cè)距精度影響（2）位法測(cè)距原理與設(shè)計(jì)要求相位法測(cè)距設(shè)計(jì)要點(diǎn)光源要穩(wěn)定。高精度鑒相器是關(guān)鍵。減少大氣的影響n增大f。（3）時(shí)間法測(cè)距原理與設(shè)計(jì)要求時(shí)間法測(cè)距設(shè)計(jì)要點(diǎn)光源要穩(wěn)定。計(jì)時(shí)器是關(guān)鍵。減少大氣的影響n增大時(shí)鐘脈沖f。（四）幾何中心與幾何位置光電檢測(cè)系統(tǒng)其基本原理是：先將幾何形體的輪廓被光學(xué)系統(tǒng)成像，其像的位置與幾何形體相對(duì)光軸（基準(zhǔn)）的位置有關(guān)，再用一個(gè)與光軸位置有確定關(guān)系的像分析器將像的空間位置分布轉(zhuǎn)換成照度分布，獲得與幾何位置有關(guān)的光通量變化，即得到位置—光通量變換特性，根據(jù)光通量的變化就可檢測(cè)出幾何位置。

照明光源應(yīng)穩(wěn)定，且照度應(yīng)均勻。光學(xué)系統(tǒng)像差要小，像的對(duì)比度好。用于對(duì)準(zhǔn)的標(biāo)志物或被檢測(cè)的物的邊緣應(yīng)清晰、陡直、無(wú)毛刺。像分析器的位置相對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)要精確校準(zhǔn)。在用掃描調(diào)制法進(jìn)行調(diào)制時(shí)要求調(diào)制中心穩(wěn)定，調(diào)制幅度恒定。幾何中心和幾何位置光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（五）直接檢測(cè)光電系統(tǒng)中光學(xué)參數(shù)的確定直接光電檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)確定的主要依據(jù)是光電檢測(cè)器件的噪聲等效功率NEP。

（一）入瞳直徑的計(jì)算（五）直接檢測(cè)光電系統(tǒng)中光學(xué)參數(shù)的確定

1.光源位于有限距離的單組透鏡系統(tǒng)（二）探測(cè)器位于像面上的光電系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)及其

參數(shù)2.光源位于無(wú)限遠(yuǎn)處的單組透鏡系統(tǒng)（五）直接檢測(cè)光電系統(tǒng)中光學(xué)參數(shù)的確定

3.筒長(zhǎng)為無(wú)窮遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)（二）探測(cè)器位于像面上的光電系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)（五）直接檢測(cè)光電系統(tǒng)中光學(xué)參數(shù)的確定（三）光源像大于檢測(cè)器的光電系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)（四）檢測(cè)器位于出瞳面上的光電系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)補(bǔ)充內(nèi)容：光學(xué)系統(tǒng)誤差分析計(jì)算對(duì)準(zhǔn)精度；透鏡的位置誤差；透鏡焦距誤差；光學(xué)系統(tǒng)的橫向?qū)?zhǔn)精度（a）1′~2′(b)

10"(c)6"(d)6"(e)6"光學(xué)系統(tǒng)的縱向?qū)?zhǔn)精度(調(diào)焦精度)可以通過(guò)公式計(jì)算，一般考慮采用遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)。透鏡的位置誤差透鏡位置誤差引起的垂軸放大倍率的誤差位置誤差引起像點(diǎn)位置誤差透鏡的焦距誤差透鏡焦距誤差與曲率半徑、折射率、中心厚度有關(guān)，一般在1%以內(nèi)，高精度鏡頭要求在0.1%至0.01%之間焦距誤差引起像點(diǎn)位置誤差焦距誤差引起放大倍率誤差利用相干變換的方法來(lái)攜帶被測(cè)信息，可將信息加載于相干光波的振幅、頻率和相位之中，因此相干檢測(cè)比直接檢測(cè)手段更豐富，測(cè)試精度和分辨力更高。廣泛地應(yīng)用于精密測(cè)長(zhǎng)、測(cè)角、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)力、測(cè)振、測(cè)應(yīng)變及光譜分析等。

第六節(jié)相干變換與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩束光合成時(shí)，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分布

光學(xué)測(cè)量中，常常利用相干光作為信息變換的載體，將被測(cè)信息加載到相干光載波上，使光載波的特征參量隨被測(cè)信息變化。干涉測(cè)量的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及它們隨時(shí)間的變化關(guān)系以光強(qiáng)度的空間分布隨時(shí)間變化的形式檢測(cè)出來(lái)。當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時(shí)當(dāng)兩束頻率不相同的光相干時(shí)干涉條紋將以干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光相位差，而后者又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率對(duì)光的傳播距離的線積分，即距離、位移、角度、速度、溫度引起的膨脹等介質(zhì)成分、密度、溫度、氣壓及周?chē)妶?chǎng)和磁場(chǎng)等（一）干涉條紋強(qiáng)度光強(qiáng)檢測(cè)法及其設(shè)計(jì)是衡量干涉條紋光強(qiáng)對(duì)比度的重要指標(biāo)。在進(jìn)行干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法提高相干度。相干度衡量干涉條紋光強(qiáng)對(duì)比度的重要指標(biāo)。在進(jìn)行干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法提高相干度。影響相關(guān)度的因素如下：1光的單色性和測(cè)量范圍測(cè)量范圍越小，單色性越小相關(guān)度越大2光束發(fā)散角影響增大光電轉(zhuǎn)換混頻效率3光電檢測(cè)器的接收

孔徑光闌的影響減小l或增大D核心：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使相干的兩路光的透射率與反射率之比近似為14選擇透射與反射比，獲得等光強(qiáng)干涉5共光路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用好的平行光照明。且光線應(yīng)垂直于反射鏡入射。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（二）干涉條紋相位檢測(cè)法及其設(shè)計(jì)是衡量干涉條紋光強(qiáng)對(duì)比度的重要指標(biāo)。在進(jìn)行干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法提高相干度。優(yōu)點(diǎn)：相位檢測(cè)法直接檢測(cè)相位的變化，因此凡對(duì)光強(qiáng)有影響因素，對(duì)相位檢測(cè)影響極小。相位檢測(cè)有很好的穩(wěn)定性和很高的精度。原理：參考鏡處使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)參考鏡作周期性的運(yùn)動(dòng)，從而在被測(cè)物不動(dòng)的情況下，干涉條紋各點(diǎn)都形成以同樣周期變化的信號(hào)。在不同位置上時(shí)序信號(hào)的初相位與該點(diǎn)被測(cè)波面的初相位相對(duì)應(yīng)。用面陣CCD接收該干涉條紋信號(hào)，并用干涉圖分析法，就可得到與被測(cè)表面粗糙度相對(duì)應(yīng)的干涉圖上各點(diǎn)的初相位，用公式求出各點(diǎn)位移。1參考鏡的驅(qū)動(dòng)應(yīng)重復(fù)性好，精度高，且驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定；參考鏡采用階梯波驅(qū)動(dòng)時(shí)，在采樣過(guò)程中應(yīng)避免壓電陶瓷蠕變影響。當(dāng)采用正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)是連續(xù)的，

由于振幅與檢測(cè)點(diǎn)處波面相位差成正弦關(guān)系，當(dāng)采用相位鎖定法檢測(cè)相位時(shí)有原理誤差存在。由于參考路與測(cè)量路是分置的，因此環(huán)境溫度和振動(dòng)的影響是重要誤差因素，因而采用共光路的相位干涉

儀是好方法；4相位檢測(cè)精度是關(guān)鍵，參考鏡的不同驅(qū)動(dòng)方式，其相位檢測(cè)方法不一樣。選用精度高的相位檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（三）干涉條紋的外差檢測(cè)系統(tǒng)是衡量干涉條紋光強(qiáng)對(duì)比度的重要指標(biāo)。在進(jìn)行干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法提高相干度。原理：光學(xué)外差檢測(cè)是將包含有被測(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檢測(cè)器上進(jìn)行光學(xué)混頻。檢測(cè)器的輸出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、頻率和相位特征。通過(guò)檢測(cè)拍頻信號(hào)能最終解調(diào)出被傳送的信息。信號(hào)光可以由本振光分束后經(jīng)調(diào)制形成。1．光外差檢測(cè)的空間條件：必須保持信號(hào)光和本振光在空間上保持空間準(zhǔn)直、共軸2．光外差檢測(cè)的頻率條件：要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度3．光外差檢測(cè)的偏振條件：信號(hào)光與本振光的偏振方向一致4．外差檢測(cè)的功率穩(wěn)定設(shè)計(jì)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一臺(tái)測(cè)量范圍0-3m