光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用-7光電檢測(cè)系統(tǒng)

1、光電檢測(cè)系統(tǒng)光電檢測(cè)系統(tǒng)主講：張廣遠(yuǎn)光電檢測(cè)系統(tǒng)光電檢測(cè)系統(tǒng)主要內(nèi)容：光電直接檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)典型的光電檢測(cè)系統(tǒng) 直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）制） 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀 激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀 激光準(zhǔn)直激光準(zhǔn)直 環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng)環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng) 光外差檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng) 激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)制）制） 多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制）多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制） 光外差通信光外差通信光電檢測(cè)系統(tǒng)分類光電檢測(cè)系統(tǒng)分類 主動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分按信息光源分) 紅外系統(tǒng)紅外系統(tǒng)/可見(jiàn)光系統(tǒng)可見(jiàn)光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分按光源波

2、長(zhǎng)分) 點(diǎn)探測(cè)點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)面探測(cè)系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分按接受系統(tǒng)分) 模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方按調(diào)制和信號(hào)處理方式分式分) 直接檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)/光外差檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)(按光波按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)光外差檢測(cè)直接檢測(cè)光電檢測(cè)系統(tǒng)相干檢測(cè)，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息， 檢測(cè)時(shí)需要用光波相干原理。調(diào)制方法：光振幅調(diào)制、相位調(diào)制，頻率調(diào)制測(cè)量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠(yuǎn)。非相干檢測(cè)，光源：非相干或相干光源原理：利用光強(qiáng)度攜帶信息，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)，解調(diào)電路檢出信息。調(diào)制方法：光強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制直接檢

3、測(cè)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。1 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測(cè)系統(tǒng)是將待光信號(hào)直接入射到光檢測(cè)器光敏面上，光檢測(cè)器響應(yīng)光輻射強(qiáng)度（幅度）并輸出相應(yīng)的電流和電壓。檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由檢測(cè)器接收光信號(hào)，前端還可經(jīng)過(guò)頻率濾波和空間濾波等處理。強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型光源強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為： tAtEscos光場(chǎng)平均光功率為： 22_2AtEPss表示 _2tEs tEs2的時(shí)間平均值；光檢測(cè)器輸出電流為： 2_22AhetEhePIsss稱為光電變換比例常數(shù)he1 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基

4、本工作原理光檢測(cè)器的平方律特性：光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。若光檢測(cè)器負(fù)載電阻RL，則光檢測(cè)器輸出電功率為：LsLsoRPheRIP222如果入射光是調(diào)幅波，即 ttdAtEscos1其中d(t)為調(diào)制信號(hào)，可推導(dǎo)出光檢測(cè)器的輸出電流為: tdAAis2221式中第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，若光檢測(cè)器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項(xiàng)，稱為包絡(luò)檢測(cè)。1 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理2 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性2.1 直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測(cè)器輸出的總功率包括信號(hào)電功率和噪聲功率，可表示為：22nsLnooPPRhePP考慮到信號(hào)和噪

5、聲的獨(dú)立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP由信噪比定義，輸出功率信噪比為：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222說(shuō)明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見(jiàn)，直接檢測(cè)系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號(hào)的檢測(cè)。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受?？梢?jiàn)，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應(yīng)用。(1)若1nsPP，則有：2nspPPSNR(2) 若1nsPP，則有

6、：nspPPSNR21在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來(lái)衡量。誤碼率仍然與信噪比有關(guān)。信噪比高，誤碼率低。由噪聲的概率分布規(guī)律考慮“概率問(wèn)題”來(lái)衡量?？紤]直接檢測(cè)系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分別為信號(hào)光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。_2NTi為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。5-12_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR輸出信噪比為：5-13_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng) 的主要噪聲

7、源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：LspRfkTPheSNR422熱 當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限 制，信噪比為：_2_2_222NDNBNSsp散iiiPheSNR 當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng) 受背景噪聲限制，信噪比為：BsBspPfhPPhefePheSNR22222背假定光波長(zhǎng)=0.7m，檢測(cè)器的量子效率=1，測(cè)量帶寬f=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測(cè)功率為WP18min10 當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的噪聲為直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制，這時(shí)信噪比為：fhPSNRsp2信該式為直流檢測(cè)在理論上的極限

8、信噪比，稱為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可測(cè)量的最小功率為：fhNEP2量在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng)總會(huì)有背景噪聲、檢測(cè)器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庾V窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測(cè)過(guò)程中利用光檢測(cè)器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當(dāng)倍增很大時(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達(dá)到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會(huì)帶入噪

9、聲，增益過(guò)程中使噪聲增加。在直接檢測(cè)中，光電倍增管、雪崩管的檢測(cè)能力較高，采用有內(nèi)部高增益的檢測(cè)器可使直接檢測(cè)系統(tǒng)趨近于檢測(cè)極限。對(duì)于光電導(dǎo)器件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光電導(dǎo)器件極限信噪比低，噪聲等效功率NEP較大。直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角Du fd檢測(cè)器物鏡視場(chǎng)角表示系統(tǒng)能檢測(cè)到的空間范圍，是檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無(wú)窮遠(yuǎn)處，且物方與像方介質(zhì)相同。當(dāng)檢測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角為：或視場(chǎng)角立體角為：2fAd從觀察角度講，希望視場(chǎng)角愈大愈好，即大檢測(cè)器面積或減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距，但對(duì)檢測(cè)器會(huì)帶來(lái)不利影響： 增加檢測(cè)器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因?yàn)閷?duì)大多數(shù)

10、檢測(cè)器，噪聲功率和面積的平方根成正比。 減小焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏方式下降。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在檢測(cè)到信號(hào)的基礎(chǔ)上盡可能減小系統(tǒng)視場(chǎng)角。fd25-19I 0I0O1頻帶寬度f(wàn)是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。檢測(cè)系統(tǒng)要求f應(yīng)保存原有信號(hào)的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號(hào)能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。以脈沖激光波形為例.對(duì)于輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，通過(guò)不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統(tǒng)可以復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)波形，要求系統(tǒng)帶寬f：在輸入信號(hào)為調(diào)幅波時(shí)，一般情況下取頻帶寬度為其包絡(luò)（邊頻）頻率的2倍。如果是調(diào)頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬

11、度，保證有足夠的邊頻分量通過(guò)系統(tǒng)。04f等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬0106. 00262. 0f0389. 0f光電檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時(shí)，靈敏度的表達(dá)形式不同，在對(duì)地測(cè)距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測(cè)距離”來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來(lái)。直接檢測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進(jìn)行推導(dǎo)。光源強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息3.1 被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程被動(dòng)檢測(cè)過(guò)程示意圖大氣傳播eEeP接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)接收信息光電

12、檢測(cè)LsV被測(cè)目標(biāo)eI光譜輻射強(qiáng)度L傳播距離大氣光譜透過(guò)率1VR光譜響應(yīng)度00A入射孔徑面積光譜透過(guò)率設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為eI經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射照度 為：eE21LIEee的距離為目標(biāo)到光電檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的大氣光譜透過(guò)率；為被測(cè)距離LL1入射到檢測(cè)器上的光譜功率 為：eP002100ALIAEPeee透過(guò)率為接收光學(xué)系統(tǒng)的光譜孔徑面積為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射10A根據(jù)目標(biāo)輻射強(qiáng)度最大的波段范圍及所選取檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取的12的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為：21210120dRILAdRPVVeVes為檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度VR3.1 被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方

13、程210120dRILAVVes 都是波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，難有確切的解析表達(dá)式。通常作如下簡(jiǎn)化處理：VeR、I和01式中 取1為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過(guò)率1。 光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率0對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。 把檢測(cè)器的光譜響應(yīng)帶看成是一個(gè)矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)為 常數(shù)RV，在其它區(qū)域?yàn)榱?。根?jù)物體的溫度T查表，可計(jì)算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強(qiáng)度， 再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度Ie。將上述值代入1式，可得：令檢測(cè)器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：210120dRILVAVVVenns13.1 被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程VennsRILVAVV0

14、120210120dRILVAVVVenns即：21010nsVVnVeVRIAL2又因?yàn)椋篺ADVRdnV*將上式代入2，可得：21*010fADIALdVVens5-26式中Ad為檢測(cè)器面積；f為系統(tǒng)的帶寬；D*為檢測(cè)器的歸一化檢測(cè)度；AoIe=P0是入射到接收光學(xué)系統(tǒng)的平均功率?？紤]到系統(tǒng)的調(diào)制特性，入射到探測(cè)器上的有效功率為： dSP210S()為調(diào)制信號(hào)的功率譜為清楚地看出系統(tǒng)各部件對(duì)檢測(cè)距離的影響，把調(diào)制特性考慮為對(duì)入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫(xiě)為： 21212121*001nsmdeVVfkADAIL5-27第一個(gè)括號(hào)是目標(biāo)輻射特性及大氣透過(guò)率對(duì)檢測(cè)距離的影響；第二個(gè)括號(hào)和第

15、三個(gè)括號(hào)表示光學(xué)系統(tǒng)及檢測(cè)器件特性對(duì)作用距離的影響；第四個(gè)括號(hào)是信息處理系統(tǒng)對(duì)作用距離的影響。大氣傳播 Lk傳播距離衰減系數(shù)2LSLL后光斑面積經(jīng)距離 eE eIrSa反射系數(shù)反射面積 P dP接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)回收信息0立體角接收口徑 D 02透過(guò)率光電檢測(cè)強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)光源信號(hào)發(fā)射機(jī) sPmk 01 TP反射目標(biāo)LsV3.2 主動(dòng)檢測(cè)距離方程主動(dòng)檢測(cè)過(guò)程示意圖 主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps()；發(fā)射束發(fā)散立體角為；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率為01()，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km，則發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率PT()為： mskP01TP 激光在大氣中傳播時(shí)，能量若為按指

16、數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為k()，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=L2，光斑SL的輻射照度Ee為： LkTLkLTeLPeSP2eE 設(shè)在距光源L處有一目標(biāo)，其反射面積為Sa。普通情況下把反射體看作是朗伯反射，即在半球內(nèi)均勻反射，其反射系數(shù)為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強(qiáng)度Ie() 為： LkaLeaerSLPErS2e1I3.2 主動(dòng)檢測(cè)距離方程假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，反射光經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮掌鞯倪^(guò)程仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k()，則接收功率為： LkaTerSLDP2420e4IP式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)接收口徑；=D02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率為02

17、()，則檢測(cè)器上接收到的總功率為： LkamseLDkSkP242002d4PP式中: rk0201檢測(cè)器上的輸出電壓為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV式中：RV()為檢測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度，將式RV()代入上式得距離L為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV 412*204LLkdnsamsefAVVDDkSkP如果目標(biāo)反射面積Sa等于光斑照射面積L2，則上式可化為： 212*204LLkdnsmsefAVVDkDkP可知，影響檢測(cè)距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標(biāo)反射特性都將影響檢測(cè)距離。 在前面計(jì)算距離時(shí)，在被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于光譜范

18、圍寬，大氣衰減作用以透過(guò)率表示，而在主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數(shù)表示，其物理意義是等價(jià)的。fADVRdnV*莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學(xué)玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。在檢測(cè)技術(shù)中常用的是計(jì)量光柵。計(jì)量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測(cè)量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1m。 黑白光柵 計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線寬度和

19、間距完全一樣。將指示光柵與標(biāo)尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長(zhǎng)光柵中標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而指示光柵安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，所以兩者之間可以形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開(kāi)處，由于相互擋光作用而形成暗帶。這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋.莫爾條紋是周期性函數(shù)。 莫爾條紋光柵原理 構(gòu)成： 主光柵-標(biāo)尺光柵，定光柵指示光柵-動(dòng)光柵橫向莫爾條紋特征當(dāng)指示光柵沿x軸（例如水平方向）自左向右

20、移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過(guò)光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強(qiáng)變化近似于正弦波變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距P，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。由于光柵的刻線非常細(xì)微，很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當(dāng)光柵移動(dòng)了一個(gè)節(jié)距時(shí)P，莫爾條紋移動(dòng)了一個(gè)寬度B。且滿足關(guān)系式： sinPB莫爾條紋有如下特征： 1）平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。 2）對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直

21、）；指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖中，當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)。 3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。越小，B越大，相當(dāng)于把微小的柵距P擴(kuò)大了 倍。由此可見(jiàn)，計(jì)量光柵起到光學(xué)放大器的作用。sin/ 1莫爾條紋的應(yīng)用莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀分長(zhǎng)光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100，250條/mm。被廣泛地應(yīng)用于： 光柵數(shù)顯表光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用軸環(huán)式數(shù)顯表1.機(jī)械測(cè)長(zhǎng)和數(shù)控機(jī)床中。 代表性產(chǎn)品： 德國(guó)Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1 m開(kāi)放式：量程1440mm，分辨

22、力0.01m開(kāi)放式：量程270mm 分辨力1nm英國(guó)Renishaw（雷尼紹）： 量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 m5 光外差檢測(cè)的基本原理 利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。 兩束相干光入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng),又稱相干檢測(cè)。只有激光才能進(jìn)行相干檢測(cè)。 輸出信號(hào)中包含 的差頻信號(hào),因此稱光外差檢測(cè) 輸出的中頻功率正比于信號(hào)光和本振光功率的乘積。Lsff LLscRPPSP22 光探測(cè)器的輸出包含有信號(hào)光的全部信息：振幅、頻率和相位等； 轉(zhuǎn)換效率高，檢測(cè)靈敏度高（比直接檢測(cè)高數(shù)量級(jí)），對(duì)微弱信號(hào)的

23、探測(cè)有利（盡管信號(hào)光功率小，但是本振光功率大） 良好的濾波性能 信噪比損失小 檢測(cè)靈敏度高 檢測(cè)距離遠(yuǎn) 對(duì)探測(cè)器的要求比直接檢測(cè)高5 光外差檢測(cè)的特性光外差檢測(cè)的空間和頻率條件 空間條件空間條件：:兩束光的夾角，l=d：檢測(cè)器光敏面線度波長(zhǎng)越短或口徑越大，要求相位差角越小，越難滿足要求 頻率條件頻率條件：要求信號(hào)光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。如何獲得單頻光和穩(wěn)頻光？lLsin信號(hào)光與本振光并非平行而成一夾角光外差檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高7-8個(gè)數(shù)量級(jí)；靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其NEP值可達(dá)10-20W?？捎糜诠庾佑?jì)數(shù)。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，

24、破壞了激光的相干性，所在外差檢測(cè)在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。外差檢測(cè)在高頻（1016Hz）光波時(shí)不如直接檢測(cè)有用。而在長(zhǎng)波長(zhǎng)（近紅外和中紅外波段），光外差檢測(cè)技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測(cè)。放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混直接檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)器檢測(cè)的光功率為平均光功率Pcp：2cos2122202AttdAPcp顯然光波直接檢測(cè)只能測(cè)量其振幅值。光外差檢測(cè)原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變光闌入射到檢測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)，經(jīng)檢測(cè)器變換后，輸出信號(hào)包含差頻信號(hào)，故又稱相干檢測(cè)。6.1 光外差檢測(cè)原理轉(zhuǎn)鏡反

25、射鏡可變光闌線柵偏振器光電檢測(cè)器放大器輸出激光器2COsfLfLsff 分光鏡外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖，光源經(jīng)過(guò)穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)反射作為本振光波，頻率為fL，另一路經(jīng)偏心輪反射，經(jīng)聚焦到可變光闌上作為信號(hào)光束。偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs?？勺児怅@用來(lái)限制兩光束射向光電檢測(cè)器的空間方向，線柵偏振鏡用來(lái)使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒?，然后兩束光垂直投射到檢測(cè)器上。首先設(shè)入射到檢測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)和本機(jī)振蕩光場(chǎng)分別為： sssstAtfcos LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos那么，

26、入射到檢測(cè)器上的總光場(chǎng)為：光檢測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)的平方成正比，所以光檢測(cè)器的光電流為： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項(xiàng)為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為差頻項(xiàng)，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(hào)(L-s)/2=C/2低于光檢測(cè)器的上限截止頻率時(shí)，檢測(cè)器就有頻率為C/2的光電流輸出。如果把信號(hào)的測(cè)量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過(guò)以C為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓

27、為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)L-s=0，即信號(hào)光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測(cè)的一種特殊形式，稱為零差探測(cè)。6.2 光外差檢測(cè)特性6.2.1 6.2.1 光外差檢測(cè)可獲得全部信息光外差檢測(cè)可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。在直接檢測(cè)系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益G高高光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為：LL

28、sCRPPheP22在直接檢測(cè)中，檢測(cè)器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號(hào)功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)更有用。6.2.4 6.2.4 信噪比損失小信噪比損失小6.2.3 6.2.3 良好的濾波性能良好的濾波性能光外差檢測(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為光外差檢測(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為f=ff=fL L-f-fs s，則只有此頻帶內(nèi)，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果

29、也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度=0-15m/s=0-15m/s，對(duì)于，對(duì)于10.6um COCO2 2激光信號(hào)激光信號(hào) 多普勒頻率多普勒頻率f fs s為：為：cffLs21通頻帶通頻帶f f1 1取為：取為：MHzcccffffLLLs3221而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為1nm1nm，所對(duì)應(yīng)的帶寬，所對(duì)應(yīng)的帶寬，即通頻帶即通頻帶f f2 2=3000MHz=3000MHz?？梢?jiàn)，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用?？梢?jiàn)，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越

30、快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外差檢測(cè)器的差檢測(cè)器的輸入信輸入信噪噪比等于輸出信噪比比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒(méi)有損失。，輸出信噪比沒(méi)有損失。6.2.5 6.2.5 最小可檢測(cè)功率最小可檢測(cè)功率內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件當(dāng)本征功率當(dāng)本征功率P PL L足夠大時(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過(guò)所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過(guò)所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為內(nèi)部增益為M M的光外差檢測(cè)器輸出有效信號(hào)功率為：的光外差檢測(cè)器輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPP

31、MheP22檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器本身的檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器本身的散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲和熱噪聲是影響最大，難以是影響最大，難以消除的。則外差檢測(cè)輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：消除的。則外差檢測(cè)輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比為：功率信噪比為：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測(cè)的極限，一般稱為光外差檢測(cè)的量子檢測(cè)極限量子檢測(cè)極限或或量子噪聲限量子噪聲限。引入引入最小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）最

32、小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）NEP表示，在表示，在量子檢測(cè)量子檢測(cè)極限下，光外差檢測(cè)的極限下，光外差檢測(cè)的NEP值為：值為：fhNEPPs最小在光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限為：fhNEP2這里面需要說(shuō)明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的這里面需要說(shuō)明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的理想條件下得到，實(shí)際中無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外理想條件下得到，實(shí)際中無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外差檢測(cè)，利用差檢測(cè)，利用足夠的本振光足夠的本振光是容易實(shí)現(xiàn)的。是容易實(shí)現(xiàn)的?？傊?，總之，檢測(cè)靈敏度高檢測(cè)靈敏度高是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。6.2.5 6

33、.2.5 最小可檢測(cè)功率最小可檢測(cè)功率內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件時(shí)的信號(hào)功率即1SNR為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換增益，增益，增大本振光功率增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。fhPSNRsp6.2.6

34、 6.2.6 光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器要求一般比直接檢測(cè)對(duì)檢測(cè)器的要外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器要求一般比直接檢測(cè)對(duì)檢測(cè)器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：響應(yīng)頻帶寬響應(yīng)頻帶寬。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至測(cè)時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆達(dá)上千兆HzHz。均勻性好均勻性好。外差檢測(cè)中檢測(cè)器即為混頻器，在檢測(cè)器光敏。外差檢測(cè)中檢測(cè)器即為混頻器，在檢測(cè)器光敏面上信號(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為

35、達(dá)到在面上信號(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測(cè)器的光電性能在整光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測(cè)器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。1.1. 工作溫度高工作溫度高。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無(wú)嚴(yán)格要求。如。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無(wú)嚴(yán)格要求。如果在室外或空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測(cè)器。如果在室外或空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測(cè)器。如HgCdTeHgCdTe紅外檢測(cè)器件。紅外檢測(cè)器件。(P140 (P140 表表6-2)6-2)6.3 影響光外差檢測(cè)

36、靈敏度的因素6.3.1 6.3.1 光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混 sLsLLsCtAAticos 信號(hào)光和本振光的信號(hào)光和本振光的波前波前在光檢測(cè)器光在光檢測(cè)器光敏面上保持敏面上保持相同的相位關(guān)系相同的相位關(guān)系，才得式：，才得式： 實(shí)質(zhì)上，由于光的波長(zhǎng)比光檢測(cè)器面積實(shí)質(zhì)上，由于光的波長(zhǎng)比光檢測(cè)器面積小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要

37、使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)光和本振光的頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)光和本振光的波前是波前是重合重合的。即是說(shuō)必須保持信號(hào)光和本振光在的。即是說(shuō)必須保持信號(hào)光和本振光在空間空間上的上的角準(zhǔn)直角準(zhǔn)直。 下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合時(shí)對(duì)光外差檢測(cè)的影響。時(shí)對(duì)光外差檢測(cè)的影響。 設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為，且信號(hào)光束的波陣面，且信號(hào)光束的波陣面平行于光敏面時(shí)，如圖。平行于光敏面時(shí)，如圖。

38、xz信號(hào)本振檢測(cè)器l設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場(chǎng)為：設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場(chǎng)為： LLsstjLLtjsseAtfeAtf,那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不同點(diǎn)同點(diǎn)x處有不同的波前，即不同的處有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：波數(shù)之積。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并認(rèn)為折射率，并認(rèn)為折射率n=1。于是本振光波可表示為：于是本振光波可表示為： xtjAtfLLLLexp則檢測(cè)器上則檢測(cè)器上x(chóng)點(diǎn)的響應(yīng)電流為點(diǎn)的響應(yīng)電流為dxxtAAdiLscLscos則整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為則整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為2

39、2sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll從式中可知，當(dāng)從式中可知，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，即即 時(shí)，中頻電流時(shí)，中頻電流i最大。最大。22sinll即可得外差檢測(cè)的即可得外差檢測(cè)的空間相位條件空間相位條件為：為：lLsin即：即：lLarcsin顯然：波長(zhǎng)愈短或口徑愈大，要求相位差角顯然：波長(zhǎng)愈短或口徑愈大，要求相位差角愈小，愈難滿足外愈小，愈難滿足外差檢測(cè)的要求。差檢測(cè)的要求。說(shuō)明紅外光比可見(jiàn)光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)。說(shuō)明紅外光比可見(jiàn)光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)。例：本振光波長(zhǎng)為例：本振光波長(zhǎng)為1微米，檢測(cè)器光敏面長(zhǎng)度為微米，檢測(cè)器光敏面長(zhǎng)度為1mm，則，則0.32mra

40、d（0.018度）。度）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光器做外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)2.6mrad時(shí)時(shí)，才能看到清晰的差頻信號(hào)。，才能看到清晰的差頻信號(hào)。這個(gè)角度也被稱為失配角。這個(gè)角度也被稱為失配角。放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，必須使信號(hào)光束和本振光，必須使信號(hào)光束和本振光束在空間準(zhǔn)直得很好。束在空間準(zhǔn)直得很好。背景雜散光來(lái)自各個(gè)方向，背景雜散光來(lái)自各個(gè)方向，絕大部分的背景光不與本振絕大部分的背景光不與本振光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信

41、號(hào)。頻信號(hào)。因此外差檢測(cè)在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好因此外差檢測(cè)在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的的空間濾波性能空間濾波性能。但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比較困難。較困難。問(wèn)：?jiǎn)枺骸叭绻麅晒馐瞧叫械?，但與光檢測(cè)器呈一定角度時(shí)，如果兩光束是平行的，但與光檢測(cè)器呈一定角度時(shí)，對(duì)中頻電流有沒(méi)有影響對(duì)中頻電流有沒(méi)有影響”？dD斑直徑衍射限光pD敏面直徑探測(cè)器光本振光束rD直徑會(huì)聚透鏡信號(hào)光束r解決方法解決方法；如圖結(jié)構(gòu)稱為如圖結(jié)構(gòu)稱為聚焦光束聚焦光束外差結(jié)構(gòu)外差結(jié)構(gòu)，即用聚焦透，即用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。鏡降低空間準(zhǔn)直要求。這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)

42、于這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)把不同傳播方向的信號(hào)光束集中在一起。光束集中在一起。 理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍射限，這時(shí)的失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角射限，這時(shí)的失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角r來(lái)決定。來(lái)決定。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，失配角經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，失配角r與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關(guān)系：與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關(guān)系：rdpDDD44. 2例：波長(zhǎng)為例：波長(zhǎng)為1um，l為為0.1mm（檢測(cè)器直徑），由上知失配角（檢測(cè)器直徑），由上知失配角0.32mrad，如，如采用會(huì)聚透鏡，孔徑采用會(huì)聚透鏡，孔徑Dr=10cm(在光外差檢測(cè)系統(tǒng)中，作為接收天線的會(huì)聚透在光外差檢測(cè)系

43、統(tǒng)中，作為接收天線的會(huì)聚透鏡，這個(gè)孔具有代表性）。取焦距鏡，這個(gè)孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得視場(chǎng)角，可求得視場(chǎng)角r=1mrad。6.3.2 6.3.2 光外差檢測(cè)的頻率條件光外差檢測(cè)的頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測(cè)，要求信號(hào)光和本振光具有高為獲得靈敏度高的光外差檢測(cè)，要求信號(hào)光和本振光具有高度的度的單色性和頻率穩(wěn)定性單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測(cè)的物理光學(xué)的本質(zhì)是光外差檢測(cè)的物理光學(xué)的本質(zhì)是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果結(jié)果。這種干涉取決于信號(hào)光和本振光束的單色性。因此為。這種干涉取決于信號(hào)光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用獲

44、得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器作作為光外差檢測(cè)光源。為光外差檢測(cè)光源。信號(hào)光和本振光存在著信號(hào)光和本振光存在著頻率漂移頻率漂移，使光外差檢測(cè)系統(tǒng)的性能，使光外差檢測(cè)系統(tǒng)的性能變壞。是因?yàn)轭l率差太大可能超過(guò)中頻濾波帶寬，中頻信號(hào)變壞。是因?yàn)轭l率差太大可能超過(guò)中頻濾波帶寬，中頻信號(hào)不能正常放大。因此在光外差檢測(cè)中，需要采用專門措施穩(wěn)不能正常放大。因此在光外差檢測(cè)中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號(hào)光和本振光的頻率。定信號(hào)光和本振光的頻率。1、激光光源：He-Ne氣體激光器，頻寬達(dá)103Hz，相干長(zhǎng)度可達(dá)300km(相干長(zhǎng)度如何定義)2、干涉系統(tǒng)：邁克爾遜干涉原理，位移-

45、測(cè)量臂；3、光電顯微鏡：給出起始位置。實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)測(cè)長(zhǎng)度或位移的精密瞄準(zhǔn)，使干涉儀的干涉信號(hào)處理部分和被測(cè)量之間實(shí)現(xiàn)同步。4、干涉信號(hào)處理部分：光電控制、信號(hào)放大、判向、細(xì)分及可逆計(jì)數(shù)和顯示記錄等。6.4 6.4 光外差檢測(cè)系統(tǒng)舉例光外差檢測(cè)系統(tǒng)舉例6.4.1 6.4.1 激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀如圖，主要有幾部分組成：激光器NeHe光電計(jì)數(shù)器顯示記錄裝置邁克爾遜干涉儀可移動(dòng)平臺(tái)待測(cè)物體光電顯微鏡光束光束激光束B(niǎo)S測(cè)量光束2和參考光束1相互疊加干涉形成干涉信號(hào)。其明暗變化次數(shù)直接對(duì)應(yīng)于測(cè)量鏡的位移，可表示為：2 NLL2M1M光束光束激光器器數(shù)計(jì)逆可234567891011121314151611、激光器；2、透鏡；3、小孔光闌；4、透鏡；5、反射鏡；6、反射棱鏡；7、位相板；8、角錐反射棱鏡；9、分束鏡；10、角錐反射棱鏡；11、透鏡；12、光闌；13、光電檢測(cè)器；14、透鏡；15、光闌；16、光電檢測(cè)器光闌3形成一種空間濾波器，減小光源中雜散光的影響。到達(dá)角錐反射棱鏡10的作為干涉儀的參考臂。而角錐反射棱鏡8作為測(cè)量臂。光學(xué)元件7稱為位相板，使通過(guò)光路的部分光束產(chǎn)生附加位相移動(dòng)，使光電檢測(cè)器13