光電光電檢測技術(shù)及應(yīng)用第5章

1、 第第5章章 非相干檢測方法與系統(tǒng)非相干檢測方法與系統(tǒng)v 掌握內(nèi)容掌握內(nèi)容掌握的相干檢測系統(tǒng)和非相干檢測系統(tǒng)的基本分類定掌握的相干檢測系統(tǒng)和非相干檢測系統(tǒng)的基本分類定義義掌握直接檢測系統(tǒng)（被測量被攜帶于光載波的強度之掌握直接檢測系統(tǒng)（被測量被攜帶于光載波的強度之中）的基本原理，組成及特性中）的基本原理，組成及特性v 了解內(nèi)容了解內(nèi)容了解各種常用非相干檢測方法的主要組成，基本特性了解各種常用非相干檢測方法的主要組成，基本特性及使用要點及使用要點第第5章章 主要內(nèi)容主要內(nèi)容5.1光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述 5.2直接（光強度調(diào)制）檢測系統(tǒng)直接（光強度調(diào)制）

2、檢測系統(tǒng)5.3隨時間變化的光電信號隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)檢測方法與系統(tǒng)5.4空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)5.1光電檢測系統(tǒng)及光電信號變換概述光電檢測系統(tǒng)及光電信號變換概述一、光電檢測系統(tǒng)分類一、光電檢測系統(tǒng)分類（一）根據(jù)光源來源分（一）根據(jù)光源來源分1、被動測量系統(tǒng)、被動測量系統(tǒng)圖圖5-1 采用鎖相放大的被動式光電檢測系統(tǒng)采用鎖相放大的被動式光電檢測系統(tǒng)2、主動測量系統(tǒng)、主動測量系統(tǒng) a)被測量調(diào)制光載波的主動系統(tǒng)被測量調(diào)制光載波的主動系統(tǒng) b)反射式的主動系統(tǒng)反射式的主動系統(tǒng) 圖圖5-2主動光電檢測系統(tǒng)主動光電檢測系統(tǒng)（二）光源是否相干分（二）

3、光源是否相干分1、非相干檢測系統(tǒng)、非相干檢測系統(tǒng)(1)若光信息為光強，即被測量被攜帶于光載波的若光信息為光強，即被測量被攜帶于光載波的強度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，強度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，這時光電器件只直接接收光強度變化，最后用解這時光電器件只直接接收光強度變化，最后用解調(diào)的方法檢出被測信息，這種方法組成的系統(tǒng)稱調(diào)的方法檢出被測信息，這種方法組成的系統(tǒng)稱為直接檢測光電系統(tǒng)。為直接檢測光電系統(tǒng)。(2)若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣所組成的系統(tǒng)則稱頻率或者相位變化之中，這樣所組成的系統(tǒng)則稱

4、為非相干檢測系統(tǒng)。為非相干檢測系統(tǒng)。 通常把直接檢測光信息的光強（或叫光功率）通常把直接檢測光信息的光強（或叫光功率）以及檢測非相干光調(diào)制頻率、振幅、相位的方法以及檢測非相干光調(diào)制頻率、振幅、相位的方法統(tǒng)稱為非相干檢測。統(tǒng)稱為非相干檢測。 2、相干檢測系統(tǒng)、相干檢測系統(tǒng) 如果光源是相干光源，但用光調(diào)制的方法使如果光源是相干光源，但用光調(diào)制的方法使被測信息加載于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，被測信息加載于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電解調(diào)的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或然后用光電解調(diào)的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中檢測出被測信息的系統(tǒng)稱為相干檢測系相位之中檢測出被測信息的系統(tǒng)稱為相干檢

5、測系統(tǒng)。統(tǒng)。 二、光電變換方法二、光電變換方法（一）光電變換的目的（一）光電變換的目的（1）將待測信息加載到光載波上進而形成光電）將待測信息加載到光載波上進而形成光電接收器件易于接收的光電信號。接收器件易于接收的光電信號。（2）改善系統(tǒng)的時間或空間分辨率和動態(tài)品質(zhì)，）改善系統(tǒng)的時間或空間分辨率和動態(tài)品質(zhì)，提高傳輸效率和檢測精度。提高傳輸效率和檢測精度。（3）改善系統(tǒng)的信噪比，提高工作可靠性。）改善系統(tǒng)的信噪比，提高工作可靠性。（二）光電變換的方法（二）光電變換的方法變換方法變換方法光光 學(xué)學(xué) 原原 理理 應(yīng)應(yīng) 用用 范范 圍圍 幾何光學(xué)法幾何光學(xué)法 透射、反射、折射、散透射、反射、折射、散射、

6、遮光、光學(xué)成像等射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象或方法非相干光學(xué)現(xiàn)象或方法 光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準定位、光準直、外觀質(zhì)瞄準定位、光準直、外觀質(zhì)量檢測、測長測角、測距等量檢測、測長測角、測距等 物理光學(xué)法物理光學(xué)法 干涉、衍射、散斑、全干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學(xué)拍息、波長變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象或方法象或方法莫爾條紋、干涉計量、全息莫爾條紋、干涉計量、全息計量、散斑計量、外差干涉、計量、散斑計量、外差干涉、外差通信、光譜分析、多譜外差通信、光譜分析、多譜勒測速等勒測速等 光電子學(xué)法光電子學(xué)法 電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、電光效

7、應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光纖傳光與傳感等 光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、關(guān)、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等光存儲、光顯示等 5.2直接檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng) 一、直接檢測系統(tǒng)的基本原理一、直接檢測系統(tǒng)的基本原理 所謂直接檢測是將攜帶有待測量的光信號直所謂直接檢測是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射接入射到探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強度而輸出相應(yīng)的電流或電壓。強度而輸出相應(yīng)的電流或電壓。 圖圖5-3 直接檢測模型直接檢測模型二、直接檢測系統(tǒng)的基本特性二、直接檢測系統(tǒng)的基本特性（

8、一）光探測器的平方律特性（一）光探測器的平方律特性入射光波的光電場為入射光波的光電場為 ：入射光的平均光功率為：入射光的平均光功率為：光電探測器輸出的電流為：光電探測器輸出的電流為： )cos()(wtAtEs222221)cos()(ssAwtAtEP221sPAPI若光探測器的負載電阻為若光探測器的負載電阻為 ，則光探測器輸出，則光探測器輸出的電功率為的電功率為 ：光電探測器的平方律特性包含有兩層含意：光電探測器的平方律特性包含有兩層含意：其一是光電流正比于光場振幅的平方；其一是光電流正比于光場振幅的平方；其二是電輸出功率正比于入射光功率的平方。其二是電輸出功率正比于入射光功率的平方。 L

9、LPPRPheRIS222)(LR 如果入射光信號為強度調(diào)制光，調(diào)制信號為如果入射光信號為強度調(diào)制光，調(diào)制信號為d(t)，即調(diào)制的入射光信號的強度為即調(diào)制的入射光信號的強度為P1+d(t)，那么光，那么光電探測器輸出的光電流為：電探測器輸出的光電流為： 式中，第一項為直流電平，可以用隔直電容隔掉；式中，第一項為直流電平，可以用隔直電容隔掉；第二項為所需要的信號，即光載波的包絡(luò)檢測。第二項為所需要的信號，即光載波的包絡(luò)檢測。)(1 )(1 tdPhetdPIP（二）直接檢測系統(tǒng)的信噪比（二）直接檢測系統(tǒng)的信噪比 直接檢測屬于非相干檢測，它的噪聲有：入射直接檢測屬于非相干檢測，它的噪聲有：入射到光

10、電探測器的信號光功率到光電探測器的信號光功率 引起的噪引起的噪聲聲 ，噪聲功率為，噪聲功率為 ；背景光功率；背景光功率 引起的噪聲引起的噪聲 ；光電器件內(nèi)阻引起的熱；光電器件內(nèi)阻引起的熱噪聲噪聲 和光電器件暗電流引起的噪和光電器件暗電流引起的噪聲聲 ，其中，其中，q為電子電荷；為電子電荷；f為系統(tǒng)為系統(tǒng)帶寬；帶寬； 為光電靈敏度；為光電靈敏度； 為暗電流。在上述噪聲為暗電流。在上述噪聲中，由信號光功率引起的噪聲最大，在忽略其他中，由信號光功率引起的噪聲最大，在忽略其他噪聲情況下，直接檢測的輸出信噪比為：噪聲情況下，直接檢測的輸出信噪比為： sPfqPIssn22nPbPfqPIbbn22Rfk

11、TInT/42fqIIdd 22dIfhPfqPfqPPSNRSSSSd22222sPnPPSPN 對于光電探測器而言，可以假設(shè)入射到它的信對于光電探測器而言，可以假設(shè)入射到它的信號光功率為號光功率為 ，噪聲功率為，噪聲功率為 ,它輸出的信號電它輸出的信號電功率為功率為 ,輸出的噪聲功率為輸出的噪聲功率為 ，由光電探，由光電探測器的平方律特性可知：測器的平方律特性可知：22)()/(nsLnPPPRheNS)2()/(222nnssLPPPPRhe考慮到信號和噪聲的獨立性，則有考慮到信號和噪聲的獨立性，則有: 22)/(sLpPRheS)2()/(22nnsLpPPPRheN根據(jù)信噪比的定義，

12、則輸出功率信噪比為：根據(jù)信噪比的定義，則輸出功率信噪比為：（1）若）若 ，則有，則有 （5-10） 這說明輸出信噪比近似等于輸入信噪比的平方。由此可這說明輸出信噪比近似等于輸入信噪比的平方。由此可見，直接探測系統(tǒng)不適于輸入信噪比小于見，直接探測系統(tǒng)不適于輸入信噪比小于1或者微弱光或者微弱光信號的檢測。信號的檢測。（2）若）若 ，則，則 （5-11） 這時輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光電轉(zhuǎn)這時輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后信噪比損失了換后信噪比損失了3dB，在實際應(yīng)用中還是可以接受的。，在實際應(yīng)用中還是可以接受的。)/(21)/(2)(222nsnsnnssppPPPPP

13、PPPNSNS功率1/nsPP2）（）（功率nsPPNS1/nsPPnsPPNS21功率）（ （三）直接檢測系統(tǒng)的視場角（三）直接檢測系統(tǒng)的視場角視場角是直接檢測系統(tǒng)的性能指標之一。它表示視場角是直接檢測系統(tǒng)的性能指標之一。它表示系統(tǒng)能系統(tǒng)能“觀察觀察”到的空間范圍。對于檢測系統(tǒng)，到的空間范圍。對于檢測系統(tǒng)，被測物看作是在無窮遠處，且物方與象方兩側(cè)的被測物看作是在無窮遠處，且物方與象方兩側(cè)的介質(zhì)相同。在此條件下，探測器位于焦平面上時，介質(zhì)相同。在此條件下，探測器位于焦平面上時，其半視場角（如圖其半視場角（如圖54所示）為：所示）為：或視場立體角為：或視場立體角為：式中，式中，d是探測器直徑；是

14、探測器直徑； 為探測器面積；為探測器面積； 為焦距。為焦距。fdW2/2fAddAf5.3隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng) 非相干光電信號按其時空特點分為隨時間變非相干光電信號按其時空特點分為隨時間變化的光電信號和隨空間變化的光電信號。前者的化的光電信號和隨空間變化的光電信號。前者的特征是信號隨時間緩慢變化或周期性以及瞬時變特征是信號隨時間緩慢變化或周期性以及瞬時變化，發(fā)生于有限空間內(nèi)，與時間有關(guān)而與空間無化，發(fā)生于有限空間內(nèi)，與時間有關(guān)而與空間無關(guān)，信號可表示為關(guān)，信號可表示為F(t)。隨空間變化的光電信號。隨空間變化的光電信號發(fā)生在一定空間之內(nèi)，光電信號

15、隨空間位置而改發(fā)生在一定空間之內(nèi)，光電信號隨空間位置而改變，表示為變，表示為F(x，y，z)，有的還同時隨時間改變，有的還同時隨時間改變，表示為表示為F(x，y，z，t)。非相干光電信號的變換與。非相干光電信號的變換與檢測方法如圖檢測方法如圖5-5所示。所示。一、幅值法一、幅值法 這種變換的特點是利用光的透射、反射、這種變換的特點是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法將被測信號直接折射、遮光或者成像的方法將被測信號直接加載到光通量的變化之中，再用光電器件檢加載到光通量的變化之中，再用光電器件檢測光通量的幅值變化。它廣泛用于光開關(guān)與測光通量的幅值變化。它廣泛用于光開關(guān)與光電轉(zhuǎn)速計、激光測

16、距、準直、輻射測溫、光電轉(zhuǎn)速計、激光測距、準直、輻射測溫、測表面粗糙度、測氣體或液體濃度、測透過測表面粗糙度、測氣體或液體濃度、測透過率、反射率等。率、反射率等。1、直讀法、直讀法 在采用直讀法的光電檢測系統(tǒng)中，光源發(fā)出的在采用直讀法的光電檢測系統(tǒng)中，光源發(fā)出的光經(jīng)待測量調(diào)制后直接由光電探測器接收。根光經(jīng)待測量調(diào)制后直接由光電探測器接收。根據(jù)光電探測器輸出信號的大小來反映出待測量據(jù)光電探測器輸出信號的大小來反映出待測量的變化。的變化。000000)()(UAIISQfUAIIIULLp2、指零法、指零法 指零法是利用標定好的讀數(shù)裝置來補償光通量指零法是利用標定好的讀數(shù)裝置來補償光通量的不穩(wěn)定影

17、響，使測量系統(tǒng)在輸出光通量為零的的不穩(wěn)定影響，使測量系統(tǒng)在輸出光通量為零的狀態(tài)下讀數(shù)。下面以測量磁光物質(zhì)在磁場下的偏狀態(tài)下讀數(shù)。下面以測量磁光物質(zhì)在磁場下的偏振角為例來進行說明。圖振角為例來進行說明。圖57所示是測量磁光物所示是測量磁光物質(zhì)在磁場下的偏振角的原理圖質(zhì)在磁場下的偏振角的原理圖3、差動法、差動法 在直讀法和指零法的光電檢測系統(tǒng)中，光路在直讀法和指零法的光電檢測系統(tǒng)中，光路只有一個通道。為了減小單通道法入射光通量波只有一個通道。為了減小單通道法入射光通量波動對測量的影響，可以采用雙通道差動法和雙通動對測量的影響，可以采用雙通道差動法和雙通道差動補償法。道差動補償法。 差動檢測系統(tǒng)基本

18、結(jié)構(gòu)差動檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)(1)U0=SR(1-2)差動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(2) 差動檢測系統(tǒng)測位移的結(jié)構(gòu)差動檢測系統(tǒng)測位移的結(jié)構(gòu)(3)(1-2)/ (1+2)= / 1= + 2= - 4、補償法、補償法1-光源光源 2、6、8、13-反射鏡反射鏡 3-斬波同步信號探測器斬波同步信號探測器 4、5、9、11-透鏡透鏡7-光電探測器光電探測器10-光楔光楔12-斬波調(diào)制器斬波調(diào)制器圖圖5-11 補償式光電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)補償式光電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5、開關(guān)法、開關(guān)法 前面介紹的幾種檢測方法都是基于由待測量前面介紹的幾種檢測方法都是基于由待測量對光源光通量進行調(diào)制，然后用光電探測器檢測對光源光通量

19、進行調(diào)制，然后用光電探測器檢測出調(diào)制光的光通量的大小，屬于模擬變換。而開出調(diào)制光的光通量的大小，屬于模擬變換。而開 關(guān)式光電檢測系統(tǒng)是通過檢測光的有無來檢測出關(guān)式光電檢測系統(tǒng)是通過檢測光的有無來檢測出待測量，屬于數(shù)字變換，它是最簡單的光強度調(diào)待測量，屬于數(shù)字變換，它是最簡單的光強度調(diào)制檢測系統(tǒng)。制檢測系統(tǒng)。 開關(guān)法最典型的光電檢測系統(tǒng)的例子是光電轉(zhuǎn)開關(guān)法最典型的光電檢測系統(tǒng)的例子是光電轉(zhuǎn)速計。速計。假設(shè)光電探測器的輸出脈沖信號頻率為假設(shè)光電探測器的輸出脈沖信號頻率為f，則轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速（單位為軸的轉(zhuǎn)速（單位為r/min）為）為 ：n=60f/N, 其中，其中，N為圓盤的孔數(shù)。為圓盤的孔數(shù)。圖

20、圖5-12 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)二、頻率法二、頻率法 頻率法應(yīng)用于被測信息呈周期性變化的情況，頻率法應(yīng)用于被測信息呈周期性變化的情況，這時被測信息載荷于光通量的變化次數(shù)或頻率的這時被測信息載荷于光通量的變化次數(shù)或頻率的快慢之中，用測量光通量的波數(shù)和頻率的方法測快慢之中，用測量光通量的波數(shù)和頻率的方法測出被測值。出被測值。 使光通量的波數(shù)和頻率隨被測信息變化的方使光通量的波數(shù)和頻率隨被測信息變化的方法有許多種，如用幾何光學(xué)的透光和反光的方法，法有許多種，如用幾何光學(xué)的透光和反光的方法，使光通過旋轉(zhuǎn)的多孔圓盤或反光的多面體，用光使光通過旋轉(zhuǎn)的多孔圓盤或反光的多面體，用光柵的莫爾條紋技術(shù)或光干涉

21、的干涉條紋技術(shù)等。柵的莫爾條紋技術(shù)或光干涉的干涉條紋技術(shù)等。1、波數(shù)測量法、波數(shù)測量法 波數(shù)測量法通常用測量光通量隨被測信息變波數(shù)測量法通常用測量光通量隨被測信息變化的周期數(shù)來檢測被測值，如光柵莫爾條紋測量化的周期數(shù)來檢測被測值，如光柵莫爾條紋測量技術(shù)。如圖技術(shù)。如圖513所示是用光柵測量位移的例子。所示是用光柵測量位移的例子。 圖圖513 光柵莫爾條紋測量原理圖光柵莫爾條紋測量原理圖 = 0+ mcos(2pixb) X=Nb2、頻率測量法、頻率測量法 在前述例子中，若要測量光柵尺的運動速在前述例子中，若要測量光柵尺的運動速度，只需要將光柵尺的位移對時間微分，即：度，只需要將光柵尺的位移對時

22、間微分，即： 式中，式中，dN/dt為波數(shù)的時間變化率即頻率；而為波數(shù)的時間變化率即頻率；而dx/dt為速度，即運動速度與光通量變化頻率成為速度，即運動速度與光通量變化頻率成正比。這種通過測量光通量變化的頻率來測量被正比。這種通過測量光通量變化的頻率來測量被測參數(shù)的方法稱作頻率測量法。測參數(shù)的方法稱作頻率測量法。 波數(shù)測量法與頻率測量法對光通量的幅度波數(shù)測量法與頻率測量法對光通量的幅度變化不敏感，因而對光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比幅變化不敏感，因而對光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比幅值法低。值法低。bfdtdNbdtdx三、相位法三、相位法 如果光載波的光通量被調(diào)制成隨時間呈周期如果光載波的光通量被調(diào)制成隨時

23、間呈周期性變化，而被測信息加載于光通量的相位之中，性變化，而被測信息加載于光通量的相位之中，檢測到這個相位值即能確定被測值，這種方法稱檢測到這個相位值即能確定被測值，這種方法稱為光通量的相位測量法。為光通量的相位測量法。 典型的光通量相位測量實例是相位激光測典型的光通量相位測量實例是相位激光測距儀，如圖距儀，如圖514所示。所示。 圖圖514 激光相位測距儀原理圖激光相位測距儀原理圖相位測距儀原理：相位測距儀原理：四、時間法四、時間法 若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時可若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時可用單個脈沖的時間延遲來測距離，稱為時間法。用單個脈沖的時間延遲來測距離，稱為時間法。

24、脈沖式激光測距儀和激光雷達都是時間法測距的脈沖式激光測距儀和激光雷達都是時間法測距的典型應(yīng)用。典型應(yīng)用。 下面兩圖是脈沖激光測距儀的原理方框圖和各下面兩圖是脈沖激光測距儀的原理方框圖和各級波形圖。級波形圖。5.4空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)一、光學(xué)目標和空間定位一、光學(xué)目標和空間定位 所謂光學(xué)目標就是不考慮被測對象的物理本所謂光學(xué)目標就是不考慮被測對象的物理本 質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學(xué)反差的質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學(xué)反差的幾何形體或圖形景物。例如機械工件、運動物體、幾何形體或圖形景物。例如機械工件、運動物體、光學(xué)圖樣和實體景物等。光學(xué)圖

25、樣和實體景物等。 信號處理的目的是確定目標相對基準坐標的信號處理的目的是確定目標相對基準坐標的角度或位置偏差，稱作空間定位。角度或位置偏差，稱作空間定位。 簡單光學(xué)目標的位置檢測大致分作簡單光學(xué)目標的位置檢測大致分作幾何中心幾何中心與與亮度中心亮度中心兩種檢測方法。兩種檢測方法。二、幾何中心檢測法二、幾何中心檢測法1、幾何中心檢測法的原理幾何中心檢測法的原理 光學(xué)目標和其襯底間的光學(xué)反差構(gòu)成了物體光學(xué)目標和其襯底間的光學(xué)反差構(gòu)成了物體的外形輪廓，輪廓尺寸的中心位置稱作它的幾的外形輪廓，輪廓尺寸的中心位置稱作它的幾何中心何中心(用用G0表示表示)。如圖。如圖5-18所示，幾何中心的所示，幾何中心

26、的位置坐標位置坐標xG0可用下式表示：可用下式表示：式中式中x1、x2是物體是物體邊緣輪廓的坐標。邊緣輪廓的坐標。 )(21210 xxxG 圖圖5-18 光學(xué)目標的幾何中心光學(xué)目標的幾何中心 通過測量和目標的輪廓分布相對應(yīng)的象空間通過測量和目標的輪廓分布相對應(yīng)的象空間輪廓分布來確定物體中心位置的方法稱作幾何輪廓分布來確定物體中心位置的方法稱作幾何中心檢測法。中心檢測法。 幾何中心檢測法的依據(jù)是像分析。幾何中心檢測法的依據(jù)是像分析。 2、像分析和像分析器、像分析和像分析器 光學(xué)目標的信息采集通常是通過光學(xué)成像系統(tǒng)完成光學(xué)目標的信息采集通常是通過光學(xué)成像系統(tǒng)完成的，根據(jù)輻射物體大小遠近的不同分別

27、可利用望遠、的，根據(jù)輻射物體大小遠近的不同分別可利用望遠、照相、投影、顯微等光路。光學(xué)系統(tǒng)的作用是將空間照相、投影、顯微等光路。光學(xué)系統(tǒng)的作用是將空間亮度分布轉(zhuǎn)換為像空間的照度分布。亮度分布轉(zhuǎn)換為像空間的照度分布。 因此光學(xué)目標形因此光學(xué)目標形狀位置的檢測可歸結(jié)為：檢測其像空間的照度分布隨狀位置的檢測可歸結(jié)為：檢測其像空間的照度分布隨時間的變化。時間的變化。 在光學(xué)系統(tǒng)確定的情況下，對像面上像位置的分析在光學(xué)系統(tǒng)確定的情況下，對像面上像位置的分析代表了物空間坐標的分析，它們之間用固定的光學(xué)變代表了物空間坐標的分析，它們之間用固定的光學(xué)變換常數(shù)聯(lián)系。這種通過分析被測物體在像面上的幾何換常數(shù)聯(lián)系。

28、這種通過分析被測物體在像面上的幾何中心相對于像面基準的偏移情況，從而確定該物體在中心相對于像面基準的偏移情況，從而確定該物體在空間位置的方法稱作像分析，能夠?qū)崿F(xiàn)這種作用的裝空間位置的方法稱作像分析，能夠?qū)崿F(xiàn)這種作用的裝置稱作像分析器。置稱作像分析器。像分析器的基本工作原理是：像分析器的基本工作原理是： 將被測物體的光學(xué)像相對于像面基準的幾何坐標，將被測物體的光學(xué)像相對于像面基準的幾何坐標，變換為通過該基準某一取樣窗口的光通量，通過檢測變換為通過該基準某一取樣窗口的光通量，通過檢測該光通量的變化來解調(diào)出物體的坐標位置。因此像分該光通量的變化來解調(diào)出物體的坐標位置。因此像分析器是一種能將幾何形位信

29、息調(diào)制到載波光通量上形析器是一種能將幾何形位信息調(diào)制到載波光通量上形成光學(xué)調(diào)制的調(diào)制器，是幾何量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量的成光學(xué)調(diào)制的調(diào)制器，是幾何量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量的GO變換器。圖變換器。圖5-19給出了像分析器的功能示意圖，給出了像分析器的功能示意圖， 圖圖5-19 像分析器的功能示意圖像分析器的功能示意圖3.典型的像分析器典型的像分析器（1）雙通道差分調(diào)制式像分析器）雙通道差分調(diào)制式像分析器 光路布置如圖光路布置如圖5-20(a) ，差分型像分析器的定，差分型像分析器的定位特性如圖位特性如圖(b)所示。所示。圖圖5-20雙通道差分調(diào)制式像分析器工作原理雙通道差分調(diào)制式像分析器工作原理在線性區(qū)內(nèi)，定位特性

30、可表示為：在線性區(qū)內(nèi)，定位特性可表示為： （5-23）式中式中E0為照明光強，為照明光強，h為狹縫高，為狹縫高，x為線像中為線像中心相對狹縫中心的偏移量。心相對狹縫中心的偏移量。）（2/2)(00021lxxhExhExhEUUU 分析圖分析圖5-20和式（和式（5-23）可以看出，特性曲線具有了雙）可以看出，特性曲線具有了雙極性的形式，可以根據(jù)差分光電流的極性判斷偏移量極性的形式，可以根據(jù)差分光電流的極性判斷偏移量x的方向。此外，在的方向。此外，在 范圍內(nèi)，曲線的線性情況改范圍內(nèi)，曲線的線性情況改善，變化是單值的，并且斜率提高了一倍。為了進一步解善，變化是單值的，并且斜率提高了一倍。為了進一

31、步解決光通量調(diào)制問題，使系統(tǒng)變?yōu)榻涣鳒y量系統(tǒng)。決光通量調(diào)制問題，使系統(tǒng)變?yōu)榻涣鳒y量系統(tǒng)。 可采用照明光源調(diào)制使照明光強可采用照明光源調(diào)制使照明光強E0按諧波形式變化。按諧波形式變化。即：即： 代入式（代入式（5-23）中，有）中，有 （5-24） 假設(shè)假設(shè)x按正弦規(guī)律移位。即：按正弦規(guī)律移位。即： 代入式（代入式（5-24有有 （5-25） 此即為典型的帶有相敏的調(diào)幅波。利用相敏檢測方法即此即為典型的帶有相敏的調(diào)幅波。利用相敏檢測方法即可分離出被測的位置偏移可分離出被測的位置偏移 。wtEEmsin0wtxhEUmsin22/ lxtxxmsintwtxEhUmmsinsin2txmsin(2

32、)單通道掃描調(diào)制式像分析器單通道掃描調(diào)制式像分析器掃描調(diào)制型像分析器的主要工作條件：掃描調(diào)制型像分析器的主要工作條件：要使被測目標像相對于作為測量基準的測光窗口人為要使被測目標像相對于作為測量基準的測光窗口人為地進行周期性的往復(fù)掃描振動，從而產(chǎn)生交變的光載地進行周期性的往復(fù)掃描振動，從而產(chǎn)生交變的光載波；波；其次，被檢測的位移信息作為掃描運動振動中心的偏其次，被檢測的位移信息作為掃描運動振動中心的偏移量使載波信號受到調(diào)制，從而形成各種形式的已調(diào)移量使載波信號受到調(diào)制，從而形成各種形式的已調(diào)制載波。制載波。 掃描調(diào)制是時間信號調(diào)制技術(shù)在位置測量中的移植和掃描調(diào)制是時間信號調(diào)制技術(shù)在位置測量中的移

33、植和發(fā)展，帶來了許多內(nèi)在的優(yōu)點，如：發(fā)展，帶來了許多內(nèi)在的優(yōu)點，如：交變的調(diào)制信號有利于信號的傳遞和處理，能改善信交變的調(diào)制信號有利于信號的傳遞和處理，能改善信噪比和提高測量的靈敏度；噪比和提高測量的靈敏度；目標像和測量基準間的相對掃描作用還能擴大測量范目標像和測量基準間的相對掃描作用還能擴大測量范圍；圍；交流測量系統(tǒng)改善了工作條件和可靠性等。交流測量系統(tǒng)改善了工作條件和可靠性等。 將調(diào)制檢測的思想用于像分析中可以得到掃將調(diào)制檢測的思想用于像分析中可以得到掃描調(diào)制式像分析器。如圖描調(diào)制式像分析器。如圖5-21，在這類裝置，在這類裝置中，成像光路增設(shè)了周期振動的光學(xué)零件中，成像光路增設(shè)了周期振動

34、的光學(xué)零件(如棱如棱鏡反射鏡、光楔等鏡反射鏡、光楔等)或振動狹縫，使像面上的目或振動狹縫，使像面上的目標像相對狹縫作周期振動。這時透過狹縫的光標像相對狹縫作周期振動。這時透過狹縫的光通量形成隨時間周期性變化的光載波。目標像通量形成隨時間周期性變化的光載波。目標像的位移信息將由于像分析而調(diào)制到載波上去，的位移信息將由于像分析而調(diào)制到載波上去，從而產(chǎn)生各種調(diào)制的光信號。這種使目標像和從而產(chǎn)生各種調(diào)制的光信號。這種使目標像和測光窗口之間相對掃描運動的像分析器稱作掃測光窗口之間相對掃描運動的像分析器稱作掃描調(diào)制型像分析器。描調(diào)制型像分析器。 圖圖5-21掃描調(diào)制型狹縫像分析器掃描調(diào)制型狹縫像分析器 圖

35、圖5-22掃描調(diào)制信號的形成和解調(diào)掃描調(diào)制信號的形成和解調(diào) 圖圖5-22給出了利用非線性圖解法劃出掃描調(diào)制型狹縫分析器的給出了利用非線性圖解法劃出掃描調(diào)制型狹縫分析器的輸出信號波形的過程。輸出信號波形的過程。 圖中曲線圖中曲線1表示了線像相對狹縫中心偏移量表示了線像相對狹縫中心偏移量x0時，由于掃描時，由于掃描運動形成的正弦運動軌跡運動形成的正弦運動軌跡abcde，經(jīng)過理想成像條件下狹縫定位特，經(jīng)過理想成像條件下狹縫定位特性性 的傳遞，得到如曲線的傳遞，得到如曲線1的輸出光通量時間波形，這個的輸出光通量時間波形，這個波形有正弦信號的全波整流形狀，其基波分量是掃描頻率的二倍波形有正弦信號的全波整

36、流形狀，其基波分量是掃描頻率的二倍頻率。因此輸出信號為零。頻率。因此輸出信號為零。 曲線曲線2和和2，3和和3表示，當表示，當xo和和xo情況下的掃描運動和情況下的掃描運動和輸出光通量的變化。這種調(diào)制是幅度、寬度的調(diào)制。對應(yīng)著不同輸出光通量的變化。這種調(diào)制是幅度、寬度的調(diào)制。對應(yīng)著不同的偏移方向的偏移方向,輸出光通量發(fā)生輸出光通量發(fā)生180相位移，采用相敏檢波解調(diào)方相位移，采用相敏檢波解調(diào)方法可以得到法可以得到1，2和和3的整流輸出電信號。它們的直流分量的數(shù)的整流輸出電信號。它們的直流分量的數(shù)值和極值反映了線像的對準或偏離方向和偏離大小。調(diào)制信號的值和極值反映了線像的對準或偏離方向和偏離大小。

37、調(diào)制信號的解調(diào)也可以用測量脈沖寬度比或幅度比的方法進行。解調(diào)也可以用測量脈沖寬度比或幅度比的方法進行。()fx(3)掃描調(diào)制和極值檢測掃描調(diào)制和極值檢測實現(xiàn)掃描調(diào)制的方法和結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)掃描調(diào)制的方法和結(jié)構(gòu)形式 如圖如圖5-23和和5-24給出了兩個用于測量工件尺寸給出了兩個用于測量工件尺寸的光電裝置。的光電裝置。圖圖5-23是測量鋼帶寬度變化的系統(tǒng)是測量鋼帶寬度變化的系統(tǒng) 圖圖5-23是測量鋼帶寬度變化的系統(tǒng)。是測量鋼帶寬度變化的系統(tǒng)。 圖中被測鋼帶圖中被測鋼帶1的邊緣的邊緣2通過鏡頭通過鏡頭3成成像于光欄像于光欄4上，光欄的橫向尺寸確定上，光欄的橫向尺寸確定了物方的測量范圍了物方的測量范圍D

38、。轉(zhuǎn)筒。轉(zhuǎn)筒5上刻有通上刻有通光狹縫其間隔與光欄長度相等，以光狹縫其間隔與光欄長度相等，以形成等間隔的光脈沖。鋼帶邊緣的像形成等間隔的光脈沖。鋼帶邊緣的像位置可對光脈沖進行脈寬調(diào)制，最后位置可對光脈沖進行脈寬調(diào)制，最后由光電元件由光電元件6接收。解調(diào)出脈寬調(diào)制接收。解調(diào)出脈寬調(diào)制函數(shù)即可確定鋼帶邊緣的位置變化。函數(shù)即可確定鋼帶邊緣的位置變化。 圖圖5-24是測量金屬導(dǎo)線直徑的光電裝置。輻射源是測量金屬導(dǎo)線直徑的光電裝置。輻射源1產(chǎn)產(chǎn)生的光束經(jīng)準直鏡生的光束經(jīng)準直鏡2變成平行光投射到被測直徑變成平行光投射到被測直徑4上再經(jīng)成上再經(jīng)成像透鏡像透鏡3和光闌和光闌5成放大像成放大像7于掃描盤面上。盤面

39、附近放置于掃描盤面上。盤面附近放置狹縫狹縫6，截取部分像。掃描盤上有阿基米德螺線形的通光，截取部分像。掃描盤上有阿基米德螺線形的通光孔和直線狹縫孔和直線狹縫6相疊合。當掃描盤轉(zhuǎn)動時，狹縫孔被調(diào)制相疊合。當掃描盤轉(zhuǎn)動時，狹縫孔被調(diào)制盤通光孔的輪廓以直線的軌跡和時間成正比地實現(xiàn)掃描運盤通光孔的輪廓以直線的軌跡和時間成正比地實現(xiàn)掃描運動，這樣便對被測直徑的像完成了掃描調(diào)制。調(diào)制后的光動，這樣便對被測直徑的像完成了掃描調(diào)制。調(diào)制后的光通量經(jīng)聚光鏡通量經(jīng)聚光鏡9由光電接收器由光電接收器10接收。接收。圖圖5-24 直線掃描調(diào)制盤系統(tǒng)直線掃描調(diào)制盤系統(tǒng)極值檢測和極值控制極值檢測和極值控制 在一個光學(xué)裝置中

40、，若它的輸出光的性質(zhì)在一個光學(xué)裝置中，若它的輸出光的性質(zhì)和它的機械結(jié)構(gòu)幾何位置間存在有依賴關(guān)系，和它的機械結(jié)構(gòu)幾何位置間存在有依賴關(guān)系，并可事先確定其定位特性，則利用掃描調(diào)制方并可事先確定其定位特性，則利用掃描調(diào)制方法，通過檢測該裝置輸出光通量的變化即能確法，通過檢測該裝置輸出光通量的變化即能確定它的幾何變位。此外，通過掃描調(diào)制能檢測定它的幾何變位。此外，通過掃描調(diào)制能檢測到裝置對極值的偏移，從而通過反饋系統(tǒng)控制到裝置對極值的偏移，從而通過反饋系統(tǒng)控制裝置的幾何結(jié)構(gòu)使之維持在極值狀態(tài)上。這些裝置的幾何結(jié)構(gòu)使之維持在極值狀態(tài)上。這些方法分別稱作光學(xué)裝置的極值檢測和極值控制。方法分別稱作光學(xué)裝置的

41、極值檢測和極值控制。極值控制的典型應(yīng)用極值控制的典型應(yīng)用 激光器諧振腔掃描調(diào)制穩(wěn)定激光頻率的方法是極值激光器諧振腔掃描調(diào)制穩(wěn)定激光頻率的方法是極值控制的典型應(yīng)用?？刂频牡湫蛻?yīng)用。 如圖如圖5-25所示為氦氖激光器輸出光功率所示為氦氖激光器輸出光功率P與諧振腔長與諧振腔長L之間的關(guān)系。當腔長增加之間的關(guān)系。當腔長增加 2的整數(shù)倍時，輸出功率的整數(shù)倍時，輸出功率周期性重復(fù)極大極小值。對應(yīng)每一個凹陷的底部即可周期性重復(fù)極大極小值。對應(yīng)每一個凹陷的底部即可以得到穩(wěn)定的輸出頻率。以得到穩(wěn)定的輸出頻率。 這種極值控制的要求可用掃描調(diào)制方法實現(xiàn)。這種極值控制的要求可用掃描調(diào)制方法實現(xiàn)。 圖圖5-25 激光器

42、輸出光強與腔長的關(guān)系曲線激光器輸出光強與腔長的關(guān)系曲線 圖圖5-26給出了控制諧振腔的穩(wěn)頻系統(tǒng)示意圖。給出了控制諧振腔的穩(wěn)頻系統(tǒng)示意圖。 圖中激光器由增益管圖中激光器由增益管1，諧振腔固定反射鏡，諧振腔固定反射鏡2和活動反和活動反射鏡射鏡3組成，反射鏡組成，反射鏡3被固定在壓電陶瓷被固定在壓電陶瓷4上。在交流電壓上。在交流電壓驅(qū)動器驅(qū)動器10作用下，反射鏡作用下，反射鏡3沿光軸方向振動。沿光軸方向振動。 圖圖5-26 控制諧振腔的頻率穩(wěn)定系統(tǒng)控制諧振腔的頻率穩(wěn)定系統(tǒng) 周期性改變腔長，實現(xiàn)掃描。掃描頻率由參考電源周期性改變腔長，實現(xiàn)掃描。掃描頻率由參考電源9決決定，若腔長掃描的平均位置恰為諧振頻

43、率定，若腔長掃描的平均位置恰為諧振頻率f0所對應(yīng)的腔長所對應(yīng)的腔長L0，如圖，如圖5-26(b)中的所示，則輸出光強具有兩倍于掃描中的所示，則輸出光強具有兩倍于掃描頻率的交變分量。此信號經(jīng)選頻放大器頻率的交變分量。此信號經(jīng)選頻放大器6后在相敏檢波器后在相敏檢波器7中和參考電壓相比較，由于相敏檢波的輸出為零，所以直中和參考電壓相比較，由于相敏檢波的輸出為零，所以直流放大器流放大器8沒有直流電壓去控制驅(qū)動器沒有直流電壓去控制驅(qū)動器10工作，因此腔長工作，因此腔長保持不變。不論由于何種外界原因使腔長改變時，腔長的保持不變。不論由于何種外界原因使腔長改變時，腔長的掃描調(diào)制作用將在新的腔長位置上進行，如

44、圖掃描調(diào)制作用將在新的腔長位置上進行，如圖5-26 (b)中中或所示，此時載波信號具有和參考電壓相同的頻率分或所示，此時載波信號具有和參考電壓相同的頻率分量，因此相敏檢波的輸出信號隨偏離頻率中心的偏差成比量，因此相敏檢波的輸出信號隨偏離頻率中心的偏差成比例增加，其極性取決于偏離方向。極性和數(shù)值不同的偏差例增加，其極性取決于偏離方向。極性和數(shù)值不同的偏差電壓經(jīng)直流放大后通過驅(qū)動器給壓電陶瓷以相應(yīng)的偏移，電壓經(jīng)直流放大后通過驅(qū)動器給壓電陶瓷以相應(yīng)的偏移，使活動反射鏡向維持腔長不變的方向移動，這樣便實現(xiàn)了使活動反射鏡向維持腔長不變的方向移動，這樣便實現(xiàn)了腔長的穩(wěn)定，也就是激光頻率的穩(wěn)定。腔長的穩(wěn)定，

45、也就是激光頻率的穩(wěn)定。三、亮度中心檢測法三、亮度中心檢測法 1、亮度中心檢測法的原理、亮度中心檢測法的原理 光學(xué)目標的亮度分布是光輻射能量沿空間的分布。將光學(xué)目標的亮度分布是光輻射能量沿空間的分布。將物體按輻射能量相等的標準分割為兩部分，其中心位置稱物體按輻射能量相等的標準分割為兩部分，其中心位置稱作亮度中心，用作亮度中心，用B0表示，如圖表示，如圖5-27所示。亮度中心的位置所示。亮度中心的位置xB0滿足下列關(guān)系：滿足下列關(guān)系： 式中式中B(x)是亮度分布曲線。是亮度分布曲線。通過測量與目標物空間的亮通過測量與目標物空間的亮度分布相對應(yīng)的像空間照度度分布相對應(yīng)的像空間照度分布，來確定目標能量

46、中心位分布，來確定目標能量中心位置的方法稱作亮度中心檢測法。置的方法稱作亮度中心檢測法。00)()(0BBxxdxxBdxxB 圖圖5-27光學(xué)目標的亮度中心光學(xué)目標的亮度中心2、亮度中心檢測的實現(xiàn)方法、亮度中心檢測的實現(xiàn)方法 亮度中心檢測的主要作法是將來自被測目亮度中心檢測的主要作法是將來自被測目標的光輻射通量相對系統(tǒng)的測量基準軸分解到標的光輻射通量相對系統(tǒng)的測量基準軸分解到不同的坐標象限上，根據(jù)它們在各象限上能量不同的坐標象限上，根據(jù)它們在各象限上能量分布的比例可計算出目標的亮度中心位置，這分布的比例可計算出目標的亮度中心位置，這種確定目標空間位置的方法稱作象限分解法。種確定目標空間位置的

47、方法稱作象限分解法。 亮度中心檢測法主要的處理方式有兩種：亮度中心檢測法主要的處理方式有兩種： 光學(xué)像分解；光學(xué)像分解； 利用象限檢測器。利用象限檢測器。 這些方法的依據(jù)都是象限分割。這些方法的依據(jù)都是象限分割。 3、光學(xué)像分解、光學(xué)像分解 光學(xué)像分解是在光學(xué)系統(tǒng)中附加各種分光元光學(xué)像分解是在光學(xué)系統(tǒng)中附加各種分光元件使入射光束分別向確定的不同方向傳播，再件使入射光束分別向確定的不同方向傳播，再在各自終端安裝上單一光敏面的光電元件。在各自終端安裝上單一光敏面的光電元件。 圖圖5-28四象限分解的光學(xué)零件四象限分解的光學(xué)零件 (1)中心孔式中心孔式 圖圖5-29表示采用帶有中心孔的四棱錐體四自表

48、示采用帶有中心孔的四棱錐體四自由度像分解器原理圖。由度像分解器原理圖。圖圖5-29中心孔式像分解器中心孔式像分解器 測量光束測量光束1的一部分經(jīng)空心四棱錐體的一部分經(jīng)空心四棱錐體3的頂端的頂端中心孔射向后置的反射錐體中心孔射向后置的反射錐體5上。中心孔直徑小上。中心孔直徑小于光束直徑。當光束有一定傾斜角時，透過中于光束直徑。當光束有一定傾斜角時，透過中心孔的光束以不同比例被反射體心孔的光束以不同比例被反射體5分解。并由光分解。并由光電元件電元件4接收，產(chǎn)生接收，產(chǎn)生x和和y的偏角信號。入射的偏角信號。入射光束在中心孔以外的部分經(jīng)空心錐體反射，由光束在中心孔以外的部分經(jīng)空心錐體反射，由四象限上布

49、置的光電元件四象限上布置的光電元件2形成形成x和和y方向的偏移方向的偏移信號。信號。(2)分光式分光式 圖圖5-30 (a)給出分光式像分解器原理圖?；鶞使馐o出分光式像分解器原理圖?；鶞使馐?透透過半反棱鏡過半反棱鏡2在四象限光電池在四象限光電池4上形成上形成x，y方向的偏移信方向的偏移信號。反射的光束經(jīng)反射鏡號。反射的光束經(jīng)反射鏡3投射到四象限光電元件投射到四象限光電元件5上形上形成成x和和y的偏角信號。圖中的偏角信號。圖中(b)給出類似的分光會聚式給出類似的分光會聚式像分解器。圖中透鏡像分解器。圖中透鏡5將反射光束會聚后再用光電元件將反射光束會聚后再用光電元件6接收。與圖接收。與圖(a)

50、比較，在計算偏角比較，在計算偏角值時要考慮到透鏡值時要考慮到透鏡5的焦距。的焦距。 圖圖5-30分光式像分解器分光式像分解器(3)反射式反射式 圖圖5-31是反射式像分解器原理圖。在這種光是反射式像分解器原理圖。在這種光路布置中，光電元件路布置中，光電元件2的光敏面與輸入光束相背布的光敏面與輸入光束相背布置。它的中央開有直徑和入射光束直徑相同的光置。它的中央開有直徑和入射光束直徑相同的光孔。穿過光孔的光束透過半透半反反射鏡孔。穿過光孔的光束透過半透半反反射鏡3，由光，由光電元件電元件4產(chǎn)生產(chǎn)生x，y方向偏移信號。反射部分的光束方向偏移信號。反射部分的光束由光電元件由光電元件2接收，形成接收，形

51、成x和和y的偏角信號。的偏角信號。 圖圖5-31 反射式像分解器反射式像分解器(4)全息分光式全息分光式 圖圖5-32表示了全息分光表示了全息分光式像分解器的原理示意圖。式像分解器的原理示意圖。 基準光束基準光束1采用激光，采用激光，經(jīng)全息片經(jīng)全息片2衍射為三個方向。衍射為三個方向。其中直射光分量射向光電元其中直射光分量射向光電元件件6，產(chǎn)生，產(chǎn)生x，y方向偏移信方向偏移信號。根據(jù)全息照相的原理，號。根據(jù)全息照相的原理，在在3的方向形成會聚的光束，的方向形成會聚的光束，在在7的方向形成平行的衍射的方向形成平行的衍射光束。可以分別設(shè)置光電元光束?？梢苑謩e設(shè)置光電元件件4和和8，根據(jù)光點的位置計，

52、根據(jù)光點的位置計算出算出x和和y的偏角信號。的偏角信號。圖圖5-32 全息分光式像分解器全息分光式像分解器4、四像限探測器、四像限探測器 半導(dǎo)體四象限探測器通常是由四個光電池排半導(dǎo)體四象限探測器通常是由四個光電池排列形成直角坐標制作在共同的襯底上，彼此間列形成直角坐標制作在共同的襯底上，彼此間絕緣，有單獨的信號輸出端。在有光斑投射到絕緣，有單獨的信號輸出端。在有光斑投射到表面時，各象限光電池的輸出信號與所接收的表面時，各象限光電池的輸出信號與所接收的光能量成正比，因此能用以測出光斑的光亮度光能量成正比，因此能用以測出光斑的光亮度中心。若光斑形狀是規(guī)則和已知時，則可借以中心。若光斑形狀是規(guī)則和已

53、知時，則可借以確定它的幾何位置。確定它的幾何位置。 根據(jù)四象限探測器坐標軸線和測量系統(tǒng)基準根據(jù)四象限探測器坐標軸線和測量系統(tǒng)基準線間安裝角度的不同，可將它的應(yīng)用方法分作線間安裝角度的不同，可將它的應(yīng)用方法分作和差電路和直差電路兩種方式。和差電路和直差電路兩種方式。 （1）和差電路）和差電路 圖圖5-34給出了和差電路的連接方法。這種方式給出了和差電路的連接方法。這種方式連接時器件的坐標線和基準線間成水平安裝。電連接時器件的坐標線和基準線間成水平安裝。電路的連接是先計算相鄰象限的和，再計算和信號路的連接是先計算相鄰象限的和，再計算和信號的差。的差。 圖圖5-34 四象限探測器的和差連接四象限探測

54、器的和差連接 設(shè)光斑形狀為彌散圓，在探測器四象限設(shè)光斑形狀為彌散圓，在探測器四象限、上所占的面積分別是上所占的面積分別是S1、S2、S3、S4，光斑直徑為，光斑直徑為d，光斑中心為，光斑中心為O。光斑的光密。光斑的光密度均勻，光斑相對探測器中心度均勻，光斑相對探測器中心O的偏移的偏移OO可用直角坐標（可用直角坐標（x，y）表示。測量范圍）表示。測量范圍maxd。將探測器各象限的輸出信號按圖連接，得到。將探測器各象限的輸出信號按圖連接，得到輸出信號電壓的表達式為：輸出信號電壓的表達式為： 5-26）)()()()()()(43213241yKfSSSSKUxKfSSSSKUyx上式中上式中K是和

55、光束的直徑與功率有關(guān)的變換系數(shù)。是和光束的直徑與功率有關(guān)的變換系數(shù)。 和差電路的特點是測量靈敏度較高，非線性和差電路的特點是測量靈敏度較高，非線性影響較小，對目標光斑的不均勻性適應(yīng)性較強，影響較小，對目標光斑的不均勻性適應(yīng)性較強，適用于高精度的定位測量。但信號處理電路復(fù)適用于高精度的定位測量。但信號處理電路復(fù)雜，需要進行多次和差運算。各環(huán)節(jié)性能的差異雜，需要進行多次和差運算。各環(huán)節(jié)性能的差異會引起測量誤差。會引起測量誤差。dyddydyyfdxddxdxxf12221222sin1)()sin1(2)(（2）直差電路）直差電路 圖圖5-36給出了直差電路的連接方法。器件給出了直差電路的連接方法

56、。器件象限坐標線和基準線間成象限坐標線和基準線間成45角安裝。各象限角安裝。各象限間的連接按對角線方向相減。間的連接按對角線方向相減。 圖圖5-36 四象限探測器的直差連接四象限探測器的直差連接測量裝置輸出信號的表達式為：測量裝置輸出信號的表達式為： （5-27） 該種方式的電路簡單，但非線性和靈敏度該種方式的電路簡單，但非線性和靈敏度相對較低。相對較低。 )()()()(4231yKfSSKUxKfSSKUyx（3）象限探測器的幾個缺點）象限探測器的幾個缺點需要分割，從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當光班很小時，需要分割，從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當光班很小時，死區(qū)的影響更明顯；死區(qū)的影響更明顯；若被測光斑全部落

57、入某個象限時，輸出的電信若被測光斑全部落入某個象限時，輸出的電信號無法表示光班位置，因此它的測量范圍、控號無法表示光班位置，因此它的測量范圍、控制范圍都不大；制范圍都不大；測量精度與光強變化及漂移密切相關(guān)，因此它測量精度與光強變化及漂移密切相關(guān)，因此它的分辨率和精度受到限制；的分辨率和精度受到限制；對于如大尺寸測量中空氣擾動比較大的場合，對于如大尺寸測量中空氣擾動比較大的場合，由于光強隨時都發(fā)生變化，所以測量精度不高，由于光強隨時都發(fā)生變化，所以測量精度不高，從而影響系統(tǒng)的跟蹤精度。從而影響系統(tǒng)的跟蹤精度。5、PSD及其應(yīng)用及其應(yīng)用 （1） PSD的基本工作原理的基本工作原理 PSD(Posi

58、tion Sensing Detector)是一種具有是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的大光敏面的光電二極管，它又稱為特殊結(jié)構(gòu)的大光敏面的光電二極管，它又稱為PN結(jié)光電傳感器。結(jié)光電傳感器。 當入射光照射在感光面的不同位置上時，當入射光照射在感光面的不同位置上時，所得到的電信號也不同，從輸出的電信號中可所得到的電信號也不同，從輸出的電信號中可以確定入射光點在器件感光面上的位置。它的以確定入射光點在器件感光面上的位置。它的積分靈敏度是與光敏層上受光斑點相對光敏面積分靈敏度是與光敏層上受光斑點相對光敏面中心的偏移位置有關(guān)中心的偏移位置有關(guān) 。 PSD可以同時進行多個光點測量?？梢酝瑫r進行多個光點測量。（1）一維）一維PSD的工作原理的工作原理 圖圖5-37(a)是一維是一維PSD的原理圖。的原理圖。 圖圖5-37 （a）一維）一維PSD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 一維一維PSD工作原理是基于橫向光電效應(yīng)，即一光工作原理是基于橫向光電效應(yīng)，即一光束入射到束入射到PN結(jié)上的結(jié)上的M點時，除了產(chǎn)生結(jié)光生電動勢以點時，除了產(chǎn)生結(jié)光生電動勢以外，還將在與結(jié)平行的方向上外，還將在與結(jié)平行的方向上(橫向橫向)產(chǎn)生光生電動勢，產(chǎn)生光生電動勢，產(chǎn)生的電荷量與入射光強成正比。在產(chǎn)生的電荷量與入射光強成正比。