第六章测控仪器光电系统设计光电系统的特点：
（ 1）非接触测量
（ 2）精度高
（ 3）信息处理能力强第一节 光电探测器的选用一、光电探测器的种类作用：把光信息 (能量 )直接转换成电信息 (能量 )。
工作原理是基于材料的光电效应。
（一）光电发射器件光电子发射效应以频率 的光照射到固体表面，逸出表面的光电子最大动能：
外光电效应光电探测器的光谱响应表现出选择性的物理基础：
v
WhvE k
典型光电子发射器件为光电管和光电倍增管光电管：真空光电管和充气光电管光电管特点：
光电倍增管是由光电阴极、电子倍增器和光电子收集器组成的真空光电管。
光电倍增管特点：
（二）光电导器件光电导效应：
光敏电阻：光谱响应范围宽，工作电流大，光强动态范围大，灵敏度高，无极性之分，使用方便。
（三）光生伏特器件光生伏特效应光伏器件,光电池、光电二极管光电晶体管等。
硅光伏器件特点：
特殊结构的光伏器件
（ 1）阵列式光电器件
（ 2）象限式光电器件
（ 3）光电位置探测器
（四）电荷耦合器件 CCD
特点：
应用：
二、光电探测器的性能参数
（一）响应度：每单位输入所对应的输出
（二）光谱响应度：对不同波长的响应度
)/(/ EAUUR ss
)(/)()( 0 RRS?
（三）噪声等效功率 (NEP)：当信噪比等于 1时的入射辐射功率
（四）探测度,NEP的倒数定义为探测度
（五）时间响应特性：表征探测器对变化信号响应快慢的能力
（ 1）驰豫时间
（ 2）幅频特性三、光探测器的噪声
（一）热噪声,在没有电流偏置的情况下．由于自由载流子在电阻材料中的随机运动而造成的基本噪声
2/1)4( fk T RU n
2/1)4( fkTI n
室温下热噪声的有效带宽为 0.28GHz,表明热噪声与频率无关，因此称之为”白”噪声。对于给定的样品来说，噪声和温度有关。
（二）产生 —— 复合噪声在光导器件中，由于载流子密度起伏造成的噪声。产生 —— 复合噪声是在光和热的作用下．半导体内的自由载流子的发生和复合的起伏引起了平均载流子浓度的变化所致。宏观效果是电阻发生变化引起噪声。
（三）散粒噪声在结型器件中发现的噪声源，是因随机的热运动而产生的。
四、光电探测器选用原则
（一）探测器与光源相匹配
（二）探测极限
（三）响应时间
（四）线性
（五）最大额定值第二节 光电探测器的偏置电路一、光电探测器的偏置方式
（一）自生偏置或零偏置：无需外加偏置电源
（二）外加偏置：外加电场二、几种常用的偏置电路
（一）一般直流偏置电路适用于光电导探测器
（二）匹配偏置电路偏置电阻等于探测器内阻
（三）恒流偏置电路偏置电阻远大于探测器内阻
（四）恒压偏置电路偏置电阻远小于探测器内阻
（五）反偏偏置电路
1.光电二极管不加外加电压
2.光电二极管加外加电压
iL
iL
DL RR
RRIIU
)(0
DL II Li
RR
LL RIU?0
且第三节 光辐射的调制概念光波调制光调制分类：光调制分为电光调制、磁光调制、
声光调制、光学和机械调制等。
一、电光调制
（一）电光效应双折射现象和基本规律取一块冰洲石，放在一张有字的纸上，我们将看到双重的像 (左方 )．平常我们把一决厚玻璃砖放在字纸上，我们只看到一个像 (右方 )，这个像好象比实际的物体浮起了一点，这是因为光的折射引起的，折射率越大，像浮起来的高度越大．我们可以看到，在冰洲石内的两个浮起的高度是不同的，这表明，光在这种晶体内成了两束，
它们的折射程度不同．这种现象叫做双折射．
自然光与偏振光线偏振光：当光波只存在单一振动方向时,
振动面：线偏振光中电矢量振动方向与传播方向构成的平面。
部分偏振光：
偏振度：
m inm a x
m inm a x
II
II
I
IP
t
l
1.克尔效应：各向同性的透明体，在外加电场的作用下变成双折射了，介质具有单轴晶体的特性，其光轴对应于所加电场方向。
2KEnnn oe
nl /2
K
2．泡克耳效应：将折射率的变化与外加电场成正比的效应称为泡克耳效应，或线性电光效应。
光电效应的应用：
1.光强调制
2.光开关二、磁光调制
(一 )磁光效应一些非旋光物质、在强磁场作用下变成具有旋光特性的物质、这种现象称为磁光效应。
旋光：一束线偏振光通过某些物质时，其振动面随着在该物质中传播距离增大而逐渐旋转的现象称为旋光。
当线偏振光沿石英晶片的光轴方向通过时，出射光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射时的振动面旋转了一个角度。
ad
1．法拉第效应在磁场的作用下，不具有旋光性的物质产生了旋光性．即能使光矢量发生旋转、这种现象称为磁致旋转效应或法拉第效应。
磁致旋光的方向与磁场方向有关，与光的传播方向无关。
可利用多次反射来加强磁光旋转效应。
V B l
2．康顿一莫顿效应
（二）磁光效应的应用
1.磁光隔离器
（ 2）磁光调制器根据磁致旋光角随磁场大小变化而变化，因而从磁光物质射出的线偏振光的振动面与检偏器 P2透光轴夹角随磁场大小的变化而变化。透出 P2的光强与 有关。这样通过改变线圈电流的大小（改变磁场），可以调制从 P2输出的光强。
VBl
三、声光调制光弹现象声光效应,当光波射入声光介质时发生衍射现象，改变声波的领率和振幅、便可控制衍射光的频率、强度或偏振态．这就是声光效应。
喇曼 —— 奈斯光谱光束平行于声波波振面
s
m
m
s in
布拉格衍射光束斜入射时声光调制器原理常用声光材料四、其他类型光辐射调制
s
B?
2sin?
第四节 光学系统参数的确定
（一）光源类型
1.热辐射光源
（ 1）白炽灯
（ 2）卤素灯
2.气体放电光源
3.固体发光光源
LED
4．激光光源激光特点：方向性好，单色性好，相干性好，亮度高激光器分类：固体、气体、染料、半导体激光器
（二）光源的选用时应考虑的问题
1.光源的光谱能量分布特性
2.光度特性
3.发光面的形状、尺寸及光源的结构
4.其他因素第五节 激光干涉仪的设计干涉测量特点：具有很高的灵敏度和精度。
干涉：因波的叠加而引起强度的重新分布产生干涉的必要条件（相干条件）：
（ 1）频率相同
（ 2）存在相互平行的振动分量
（ 3）相位差稳定一、干涉仪的一般特性与设计要点
1.组成：光源及照明系统、干涉系统、观察接收系统、信号处理系统。
2.光程差：是干涉仪两支光路的几何路程与相应的介质折射率的乘积积之差。
3.干涉仪的分类
（ 1）按用途分 类
（ 2）按对波前分割的方式不同分 类
（ 3）按接受处理的方式不同分 类
4.干涉仪设计原则
（ 1）共路原则
（ 2）等光强原则
（ 3）光电匹配原则
（ 4）非期望光最小原则
2211 lnln
二、激光干涉测长仪设计
（一）激光干涉测长的基本原理组成：
（ 1）激光光源
（ 2）干涉系统
（ 3）干涉信号处理
（ 4）瞄准系统干涉信号明暗变化次数与测量镜位移的关系：
干涉仪处于起始位置，干涉条纹数：
nNNL 22 0
0
1
)(2
cm LLnK
测量时干涉条纹数变为：
干涉条纹经 m倍细分后，用计数器所计数 N为：
激光干涉测长仪基本公式
00
12
)(22
cm LLnnLKKK
00
)(22
cm LLmnm n LKmN
mn
NL
2
0
用微分法求激光干涉测长的主要误差
1.计数误差
2.波长不稳带来的测量误差
3.空气折射率改变带来误差
4.环境变化造成初始光程差变化而产生的误差
)()(
)(
222
0
0
2
0
0
0
cm
cm
LL
n
n
N
N
L
LLn
mn
N
mn
N
N
mn
L
激光干涉仪设计时要解决的几个主要问题：
（ 1）干涉仪布局合理
（ 2）采取稳频措施
（ 3）空气折射率修正方法
（ 4）选择合适的分辨力和提高细分精度采用简单麦克尔逊干涉结构存在的问题
（ 1）对光源输出产生影响
（ 2）干涉信号的变化
（ 3）方位的鉴别
（二）实际激光干涉测长仪的光路设置采用角锥棱镜作为反射镜
1.避免反射光束反馈回激光器对光源产生的影响。
2.保证出射光与入射光平行干涉系统的光路布局
（ 1）整体式反射镜、分光镜、激光器密封于一体
（ 2）最短程差式使在最大测量行程时，
两相干光束具有最短的相干长度
（ 3）齐端式：参考镜与测量镜在开始测量时齐端使零点漂移误差为零
(4)光学倍程式：使测量光束在测量镜内多次往返
(三 )干涉信号的辨向与计数通过辨向计数电路把计数脉冲分为加减两种脉冲，
当测量镜正向移动时产生的脉冲为加脉冲，而测量镜反向移动时引起的脉冲为减脉冲。把这两种脉冲送入可逆计数器，就可以得出测量镜的真正位移量。
（四）干涉信号的移相技术
（ 1）机械移相技术将干涉参考臂上的固定反射镜倾斜一定角度，产生位相偏移。
容易引起误差可采用狭缝移相法
（ 2）翼形板移相
（ 3）镀移相膜法获得稳定的信号移相
（ 4）利用偏振光的移相法
（五）提高精度的措施
1.遵守共路原则,尽量使测量光束与参考光束走近乎同一路径。在结构上把测量镜与参考镜安放在同一基座上。
2.光波长的稳定和修正波长不稳定所引起的被测长度的相对误差为：
激光频率的稳定度与激光器的腔长以及介质折射率的稳定度有关；此外，激光器的输出功率也随腔长的变化呈周期性变化。因此对于精密测量中选用的激光器采用稳频措施。
L
L
3.空气折射率的修正空气折射率变化与激光波长值变化之间的关系：
4.光学退耦,为了消除回绶现象
（ 1）光束分离法
n
0
（ 2）偏振法
5.非期望光线的抑制和消除
1）减少干涉系统中光学零件的数量
2）采用光楔，用立方棱镜形成分光器
3）放置针孔光阑
4）光学元件清洁，提高光学材料质量
5）用偏振干涉的方法消除非期望光线
6.正确选择光电器件响应度、线性区、与光源光谱匹配、频响特性。
常用的光电元件有 PIN管、光电二极管、光电池、光电倍增管。
三、双频激光干涉仪概述目的：提高激光干涉仪抗干扰性特点：在干涉仪中引入一定频率的载波分类：调频型交流干涉仪调相型交流干涉仪双频激光干涉仪原理：
（ 1）非接触测量
（ 2）精度高
（ 3）信息处理能力强第一节 光电探测器的选用一、光电探测器的种类作用：把光信息 (能量 )直接转换成电信息 (能量 )。
工作原理是基于材料的光电效应。
（一）光电发射器件光电子发射效应以频率 的光照射到固体表面，逸出表面的光电子最大动能：
外光电效应光电探测器的光谱响应表现出选择性的物理基础：
v
WhvE k
典型光电子发射器件为光电管和光电倍增管光电管：真空光电管和充气光电管光电管特点：
光电倍增管是由光电阴极、电子倍增器和光电子收集器组成的真空光电管。
光电倍增管特点：
（二）光电导器件光电导效应：
光敏电阻：光谱响应范围宽，工作电流大，光强动态范围大，灵敏度高，无极性之分，使用方便。
（三）光生伏特器件光生伏特效应光伏器件,光电池、光电二极管光电晶体管等。
硅光伏器件特点：
特殊结构的光伏器件
（ 1）阵列式光电器件
（ 2）象限式光电器件
（ 3）光电位置探测器
（四）电荷耦合器件 CCD
特点：
应用：
二、光电探测器的性能参数
（一）响应度：每单位输入所对应的输出
（二）光谱响应度：对不同波长的响应度
)/(/ EAUUR ss
)(/)()( 0 RRS?
（三）噪声等效功率 (NEP)：当信噪比等于 1时的入射辐射功率
（四）探测度,NEP的倒数定义为探测度
（五）时间响应特性：表征探测器对变化信号响应快慢的能力
（ 1）驰豫时间
（ 2）幅频特性三、光探测器的噪声
（一）热噪声,在没有电流偏置的情况下．由于自由载流子在电阻材料中的随机运动而造成的基本噪声
2/1)4( fk T RU n
2/1)4( fkTI n
室温下热噪声的有效带宽为 0.28GHz,表明热噪声与频率无关，因此称之为”白”噪声。对于给定的样品来说，噪声和温度有关。
（二）产生 —— 复合噪声在光导器件中，由于载流子密度起伏造成的噪声。产生 —— 复合噪声是在光和热的作用下．半导体内的自由载流子的发生和复合的起伏引起了平均载流子浓度的变化所致。宏观效果是电阻发生变化引起噪声。
（三）散粒噪声在结型器件中发现的噪声源，是因随机的热运动而产生的。
四、光电探测器选用原则
（一）探测器与光源相匹配
（二）探测极限
（三）响应时间
（四）线性
（五）最大额定值第二节 光电探测器的偏置电路一、光电探测器的偏置方式
（一）自生偏置或零偏置：无需外加偏置电源
（二）外加偏置：外加电场二、几种常用的偏置电路
（一）一般直流偏置电路适用于光电导探测器
（二）匹配偏置电路偏置电阻等于探测器内阻
（三）恒流偏置电路偏置电阻远大于探测器内阻
（四）恒压偏置电路偏置电阻远小于探测器内阻
（五）反偏偏置电路
1.光电二极管不加外加电压
2.光电二极管加外加电压
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)(0
DL II Li
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LL RIU?0
且第三节 光辐射的调制概念光波调制光调制分类：光调制分为电光调制、磁光调制、
声光调制、光学和机械调制等。
一、电光调制
（一）电光效应双折射现象和基本规律取一块冰洲石，放在一张有字的纸上，我们将看到双重的像 (左方 )．平常我们把一决厚玻璃砖放在字纸上，我们只看到一个像 (右方 )，这个像好象比实际的物体浮起了一点，这是因为光的折射引起的，折射率越大，像浮起来的高度越大．我们可以看到，在冰洲石内的两个浮起的高度是不同的，这表明，光在这种晶体内成了两束，
它们的折射程度不同．这种现象叫做双折射．
自然光与偏振光线偏振光：当光波只存在单一振动方向时,
振动面：线偏振光中电矢量振动方向与传播方向构成的平面。
部分偏振光：
偏振度：
m inm a x
m inm a x
II
II
I
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1.克尔效应：各向同性的透明体，在外加电场的作用下变成双折射了，介质具有单轴晶体的特性，其光轴对应于所加电场方向。
2KEnnn oe
nl /2
K
2．泡克耳效应：将折射率的变化与外加电场成正比的效应称为泡克耳效应，或线性电光效应。
光电效应的应用：
1.光强调制
2.光开关二、磁光调制
(一 )磁光效应一些非旋光物质、在强磁场作用下变成具有旋光特性的物质、这种现象称为磁光效应。
旋光：一束线偏振光通过某些物质时，其振动面随着在该物质中传播距离增大而逐渐旋转的现象称为旋光。
当线偏振光沿石英晶片的光轴方向通过时，出射光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射时的振动面旋转了一个角度。
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1．法拉第效应在磁场的作用下，不具有旋光性的物质产生了旋光性．即能使光矢量发生旋转、这种现象称为磁致旋转效应或法拉第效应。
磁致旋光的方向与磁场方向有关，与光的传播方向无关。
可利用多次反射来加强磁光旋转效应。
V B l
2．康顿一莫顿效应
（二）磁光效应的应用
1.磁光隔离器
（ 2）磁光调制器根据磁致旋光角随磁场大小变化而变化，因而从磁光物质射出的线偏振光的振动面与检偏器 P2透光轴夹角随磁场大小的变化而变化。透出 P2的光强与 有关。这样通过改变线圈电流的大小（改变磁场），可以调制从 P2输出的光强。
VBl
三、声光调制光弹现象声光效应,当光波射入声光介质时发生衍射现象，改变声波的领率和振幅、便可控制衍射光的频率、强度或偏振态．这就是声光效应。
喇曼 —— 奈斯光谱光束平行于声波波振面
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布拉格衍射光束斜入射时声光调制器原理常用声光材料四、其他类型光辐射调制
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2sin?
第四节 光学系统参数的确定
（一）光源类型
1.热辐射光源
（ 1）白炽灯
（ 2）卤素灯
2.气体放电光源
3.固体发光光源
LED
4．激光光源激光特点：方向性好，单色性好，相干性好，亮度高激光器分类：固体、气体、染料、半导体激光器
（二）光源的选用时应考虑的问题
1.光源的光谱能量分布特性
2.光度特性
3.发光面的形状、尺寸及光源的结构
4.其他因素第五节 激光干涉仪的设计干涉测量特点：具有很高的灵敏度和精度。
干涉：因波的叠加而引起强度的重新分布产生干涉的必要条件（相干条件）：
（ 1）频率相同
（ 2）存在相互平行的振动分量
（ 3）相位差稳定一、干涉仪的一般特性与设计要点
1.组成：光源及照明系统、干涉系统、观察接收系统、信号处理系统。
2.光程差：是干涉仪两支光路的几何路程与相应的介质折射率的乘积积之差。
3.干涉仪的分类
（ 1）按用途分 类
（ 2）按对波前分割的方式不同分 类
（ 3）按接受处理的方式不同分 类
4.干涉仪设计原则
（ 1）共路原则
（ 2）等光强原则
（ 3）光电匹配原则
（ 4）非期望光最小原则
2211 lnln
二、激光干涉测长仪设计
（一）激光干涉测长的基本原理组成：
（ 1）激光光源
（ 2）干涉系统
（ 3）干涉信号处理
（ 4）瞄准系统干涉信号明暗变化次数与测量镜位移的关系：
干涉仪处于起始位置，干涉条纹数：
nNNL 22 0
0
1
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测量时干涉条纹数变为：
干涉条纹经 m倍细分后，用计数器所计数 N为：
激光干涉测长仪基本公式
00
12
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cm LLnnLKKK
00
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用微分法求激光干涉测长的主要误差
1.计数误差
2.波长不稳带来的测量误差
3.空气折射率改变带来误差
4.环境变化造成初始光程差变化而产生的误差
)()(
)(
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0
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0
cm
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LL
n
n
N
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mn
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激光干涉仪设计时要解决的几个主要问题：
（ 1）干涉仪布局合理
（ 2）采取稳频措施
（ 3）空气折射率修正方法
（ 4）选择合适的分辨力和提高细分精度采用简单麦克尔逊干涉结构存在的问题
（ 1）对光源输出产生影响
（ 2）干涉信号的变化
（ 3）方位的鉴别
（二）实际激光干涉测长仪的光路设置采用角锥棱镜作为反射镜
1.避免反射光束反馈回激光器对光源产生的影响。
2.保证出射光与入射光平行干涉系统的光路布局
（ 1）整体式反射镜、分光镜、激光器密封于一体
（ 2）最短程差式使在最大测量行程时，
两相干光束具有最短的相干长度
（ 3）齐端式：参考镜与测量镜在开始测量时齐端使零点漂移误差为零
(4)光学倍程式：使测量光束在测量镜内多次往返
(三 )干涉信号的辨向与计数通过辨向计数电路把计数脉冲分为加减两种脉冲，
当测量镜正向移动时产生的脉冲为加脉冲，而测量镜反向移动时引起的脉冲为减脉冲。把这两种脉冲送入可逆计数器，就可以得出测量镜的真正位移量。
（四）干涉信号的移相技术
（ 1）机械移相技术将干涉参考臂上的固定反射镜倾斜一定角度，产生位相偏移。
容易引起误差可采用狭缝移相法
（ 2）翼形板移相
（ 3）镀移相膜法获得稳定的信号移相
（ 4）利用偏振光的移相法
（五）提高精度的措施
1.遵守共路原则,尽量使测量光束与参考光束走近乎同一路径。在结构上把测量镜与参考镜安放在同一基座上。
2.光波长的稳定和修正波长不稳定所引起的被测长度的相对误差为：
激光频率的稳定度与激光器的腔长以及介质折射率的稳定度有关；此外，激光器的输出功率也随腔长的变化呈周期性变化。因此对于精密测量中选用的激光器采用稳频措施。
L
L
3.空气折射率的修正空气折射率变化与激光波长值变化之间的关系：
4.光学退耦,为了消除回绶现象
（ 1）光束分离法
n
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（ 2）偏振法
5.非期望光线的抑制和消除
1）减少干涉系统中光学零件的数量
2）采用光楔，用立方棱镜形成分光器
3）放置针孔光阑
4）光学元件清洁，提高光学材料质量
5）用偏振干涉的方法消除非期望光线
6.正确选择光电器件响应度、线性区、与光源光谱匹配、频响特性。
常用的光电元件有 PIN管、光电二极管、光电池、光电倍增管。
三、双频激光干涉仪概述目的：提高激光干涉仪抗干扰性特点：在干涉仪中引入一定频率的载波分类：调频型交流干涉仪调相型交流干涉仪双频激光干涉仪原理：
