测控仪器设计第2版 教学课件 作者 浦昭邦 王宝光 第6章 .ppt

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1、第六章光电系统设计本章内容：从光电系统总体设计角度出发对光电系统的精度、设计原则和设计方法进行介绍和讨论，最后通过对激光干涉的设计分析，达到对光电系统设计有一个整体的理解。光电系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密机械及计算机相结合，构成光、电、机、计算机相结合的现代仪器。特点：1.精度高---如激光干涉仪可达到的测长精度（其中是测量长度，单位为），光外差干涉测量是纳米精度测量的主要手段。2.非接触测量--它可以实现动态测量,是各种测量方法中效率最高的一种。3.测量范围大---适合于远距离测距、遥控、

2、遥测、光电跟踪等。4.信息处理能力强---光电子测量可以提供被测对象的最大信息含量；适于与计算机接口，构成自动化、智能化的测控系统。本章分为七节：第一节测控仪器光电系统的组成和类型第二节光电系统的特性第三节光电系统的设计原则第四节光电测量系统中光源及照明系统第五节直接检测系统的设计第六节相干变换与检测系统设计第七节光电系统设计举例——激光干涉仪的设计复习题第一节测控仪器光电系统的组成和类型一、光电系统的组成光电系统是测控仪器的重要组成部分，测控仪器中的光电系统的组成框图如图6-1所示。图6-1光电系统组成框图光

3、源---传递信息的媒介，是光电系统的源头。光学系统—将光源发出的光变换为会聚光束、发散光束、平行光束，或其他形式的结构光束，作为载波作用于被测对象。信息的光学变换--通过各种光学元器件，如透镜、平面镜、棱镜、光栅、码盘、波片、偏振器、调制器、狭缝、滤波器等来实现在光载波中含有被测对象的光信息。光电转换--光信息被光电检测器接收，并转换为易于处理的电信号，再经电路和逻辑变换等处理，显示---被测量控制---用于探测等由组成框图可以看出光电系统的设计主要是研究光信息的检测、传输和变换中的核心技术的设计问题。二、光电

4、系统的类型光电系统分为主动系统与被动系统，模拟系统与数字系统，直接探测系统与相干探测系统等。1．主动系统与被动系统主动系统与被动系统是指携带信息的光源（光煤介）是人为制造的还是自然辐射的。主动光电系统：光电系统的照明是人工光源，如白炽灯、激光器等，被测信息通过调制的方法加载到光载波上去，然后用光电接收系统进行检测。被动光电系统:光电系统的照明光源是自然光（如太阳光）或者用不是为光电系统特殊设计的光源来携带光信息。2．模拟系统与数字系统按照传输和接收的光信息是模拟量还是数字量，分为模拟系统和数字系统。模拟光信息与

5、数字光信息一般是用调制的方法将被测信息加载到光载波上来获得的。模拟系统：光载波是直流或者是连续的光通量，将被测信息加载到这类光载波上，然后进行传输或变换。数字系统：光载波是脉冲量，而将被测信息加载到脉冲光载波的辐度、频率、脉宽或相位之中，则得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调制光波进行传输或变换。数字式光电系统具有比模拟式光电系统更好的传输效率和更好的抗干扰性，尤其适合于光通信。3．直接检测系统与相干检测系统按照光电系统中光电检测是直接检测光功率还是检测光的振幅、频率和相位则分为直接检测系统和相干检测系统。

6、直接检测系统：不论是用相干光源还是非相干光源来携带光信息，检测器件只直接检测光强度。相干检测系统：采用相干光源利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，光电检测不是直接检测光强而是检测干涉条纹的振幅、频率或相位。☆直接检测系统简单、应用范围广，而相干检测具有更高的检测能力和更高的信噪比，因而系统精度更高、稳定性也更好。★按照光电系统的功能还分为光电信息检测系统、光电跟踪系统、光电搜索系统、光电通信系统等。第二节光电系统的特性光电系统由实现光学变换的光学或光电子学系统与实现光电变换的光电探测器组成。光电系统的被测量是

7、光信息而输出量是经过光电变换的电信息，不同原理的光电系统其性能指标是不同的，本节只归纳其共性特性。一、光电特性光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性又称为静特性，其输入量一般是光通量或光照度E，输出量一般是电压或电流。若输入量是光通量，输出量是电压，则其光电特性即为曲线。若光电系统的光学变换是线性的，则系统的光电特性主要取决于光电探测器的光电特性。任何一个光电测量系统希望其静特性线性范围大，以获得较大的测量范围，也希望其特性曲线的斜率大，以获得较高的灵敏度。（6－1）二、光谱特性及光谱匹配光电系统中光载波信号

8、的能量来源是光源或辐射源，辐射能量由光源经测试目标、光学系统和传输介质被光电检测器接收。为了提高光能的利用效率，要求检测器件的光谱灵敏度分布和辐射源的辐射度分布及各传输环节的透过率分布相覆盖。在含有多光谱的复合光通量作用下，传输介质、光学系统的透过率光谱分布分别是和，光电检测器的光电灵敏度系数为时，那么检测器件的输出可表示为：上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中和分