測控儀器設(shè)計(第6章)

第六章光電系統(tǒng)設(shè)計本章內(nèi)容：

從光電系統(tǒng)總體設(shè)計角度出發(fā)對光電系統(tǒng)的精度、設(shè)計原則和設(shè)計方法進(jìn)行介紹和討論，最后通過對激光干涉的設(shè)計分析，達(dá)到對光電系統(tǒng)設(shè)計有一個整體的理解。光電系統(tǒng)是測控儀器的重要組成部分，它與電子系統(tǒng)、精密機(jī)械及計算機(jī)相結(jié)合，構(gòu)成光、電、機(jī)、計算機(jī)相結(jié)合的現(xiàn)代儀器。特點(diǎn)：1.精度高---如激光干涉儀可達(dá)到的測長精度（其中是測量長度，單位為），光外差干涉測量是納米精度測量的主要手段。2.非接觸測量--它可以實現(xiàn)動態(tài)測量,是各種測量方法中效率最高的一種。3.測量范圍大---適合于遠(yuǎn)距離測距、遙控、遙測、光電跟蹤等。4.信息處理能力強(qiáng)---光電子測量可以提供被測對象的最大信息含量；適于與計算機(jī)接口，構(gòu)成自動化、智能化的測控系統(tǒng)。本章分為七節(jié)：

第一節(jié)

測控儀器光電系統(tǒng)的組成和類型第二節(jié)

光電系統(tǒng)的特性第三節(jié)

光電系統(tǒng)的設(shè)計原則第四節(jié)

光電測量系統(tǒng)中光源及照明系統(tǒng)第五節(jié)

直接檢測系統(tǒng)的設(shè)計第六節(jié)

相干變換與檢測系統(tǒng)設(shè)計第七節(jié)

光電系統(tǒng)設(shè)計舉例——激光干涉儀的設(shè)計復(fù)習(xí)題第一節(jié)測控儀器光電系統(tǒng)的組成和類型

一、光電系統(tǒng)的組成

光電系統(tǒng)是測控儀器的重要組成部分，測控儀器中的光電系統(tǒng)的組成框圖如圖6-1所示。圖6-1光電系統(tǒng)組成框圖光源---傳遞信息的媒介，是光電系統(tǒng)的源頭。光學(xué)系統(tǒng)—將光源發(fā)出的光變換為會聚光束、發(fā)散光束、平行光束，或其他形式的結(jié)構(gòu)光束，作為載波作用于被測對象。信息的光學(xué)變換--通過各種光學(xué)元器件，如透鏡、平面鏡、棱鏡、光柵、碼盤、波片、偏振器、調(diào)制器、狹縫、濾波器等來實現(xiàn)在光載波中含有被測對象的光信息。光電轉(zhuǎn)換--光信息被光電檢測器接收，并轉(zhuǎn)換為易于處理的電信號，再經(jīng)電路和邏輯變換等處理，顯示---被測量控制---用于探測等由組成框圖可以看出光電系統(tǒng)的設(shè)計主要是研究光信息的檢測、傳輸和變換中的核心技術(shù)的設(shè)計問題。

二、光電系統(tǒng)的類型光電系統(tǒng)分為主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)，直接探測系統(tǒng)與相干探測系統(tǒng)等。1．主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)是指攜帶信息的光源（光煤介）是人為制造的還是自然輻射的。

主動光電系統(tǒng)：

光電系統(tǒng)的照明是人工光源，如白熾燈、激光器等，被測信息通過調(diào)制的方法加載到光載波上去，然后用光電接收系統(tǒng)進(jìn)行檢測。被動光電系統(tǒng):

光電系統(tǒng)的照明光源是自然光（如太陽光）或者用不是為光電系統(tǒng)特殊設(shè)計的光源來攜帶光信息。2．模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)

按照傳輸和接收的光信息是模擬量還是數(shù)字量，分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)。模擬光信息與數(shù)字光信息一般是用調(diào)制的方法將被測信息加載到光載波上來獲得的。

模擬系統(tǒng)：光載波是直流或者是連續(xù)的光通量，將被測信息加載到這類光載波上，然后進(jìn)行傳輸或變換。數(shù)字系統(tǒng)：光載波是脈沖量，而將被測信息加載到脈沖光載波的輻度、頻率、脈寬或相位之中，則得到脈沖調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)寬波，然后對脈沖調(diào)制光波進(jìn)行傳輸或變換。

數(shù)字式光電系統(tǒng)具有比模擬式光電系統(tǒng)更好的傳輸效率和更好的抗干擾性，尤其適合于光通信。

3．直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng)

按照光電系統(tǒng)中光電檢測是直接檢測光功率還是檢測光的振幅、頻率和相位則分為直接檢測系統(tǒng)和相干檢測系統(tǒng)。

直接檢測系統(tǒng)：不論是用相干光源還是非相干光源來攜帶光信息，檢測器件只直接檢測光強(qiáng)度。相干檢測系統(tǒng)：采用相干光源利用光波的振幅、頻率、相位來攜帶信息，光電檢測不是直接檢測光強(qiáng)而是檢測干涉條紋的振幅、頻率或相位。

☆直接檢測系統(tǒng)簡單、應(yīng)用范圍廣，而相干檢測具有更高的檢測能力和更高的信噪比，因而系統(tǒng)精度更高、穩(wěn)定性也更好?！锇凑展怆娤到y(tǒng)的功能還分為光電信息檢測系統(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)的特性光電系統(tǒng)由實現(xiàn)光學(xué)變換的光學(xué)或光電子學(xué)系統(tǒng)與實現(xiàn)光電變換的光電探測器組成。光電系統(tǒng)的被測量是光信息而輸出量是經(jīng)過光電變換的電信息，不同原理的光電系統(tǒng)其性能指標(biāo)是不同的，本節(jié)只歸納其共性特性。

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。若輸入量是光通量，輸出量是電壓，則其光電特性即為曲線。若光電系統(tǒng)的光學(xué)變換是線性的，則系統(tǒng)的光電特性主要取決于光電探測器的光電特性。任何一個光電測量系統(tǒng)希望其靜特性線性范圍大，以獲得較大的測量范圍，也希望其特性曲線的斜率大，以獲得較高的靈敏度。（6－1）二、光譜特性及光譜匹配

光電系統(tǒng)中光載波信號的能量來源是光源或輻射源，輻射能量由光源經(jīng)測試目標(biāo)、光學(xué)系統(tǒng)和傳輸介質(zhì)被光電檢測器接收。為了提高光能的利用效率，要求檢測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)的透過率分布相覆蓋。在含有多光譜的復(fù)合光通量作用下，傳輸介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)的透過率光譜分布分別是和，光電檢測器的光電靈敏度系數(shù)為時，那么檢測器件的輸出可表示為：

上式表示出了光電檢測器件的輸出與光譜波長之間的關(guān)系，式中和分別為輻射下限波長和上限波長。

光源的輻射波長有一定的范圍，存在有峰值波長，光電子檢測器件對波長有選擇性，存在一個最靈敏的波長，為充分利用光能，要求：光電器件與輻射源在光譜特性上相匹配。若入射光的波長為單色光，這時輸出電壓或電流與入射單色輻射通量之比稱為光譜靈敏度或光譜響應(yīng)率。，（6－3）或隨波長的變化關(guān)系，稱為光譜響應(yīng)函數(shù)。三、光電靈敏度特性（光譜響應(yīng)率）

光譜響應(yīng)率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測器件的輸出（電壓V或電流I）與入射光通量之比，即：，（6－2）、分別稱為電壓靈敏度和電流量敏度，其單位分別是和。若入射光參量用照度表示，則光照靈敏度的單位分別為和。四、頻率響應(yīng)特性

當(dāng)入射光照是以一定頻率變動的交換光信息時，光照頻率的變化將會引起光電器件響應(yīng)率的變化。一般地，響應(yīng)率隨光照頻率升高而降低，如圖6-2所示。

圖6-2頻率響應(yīng)特性由圖知，它如同一個低通濾波器的頻率特性，即：（6－4）式中，是頻率為零（直流）或者頻率很低時的響應(yīng)率，是光信息的頻率，為時間常數(shù)。

當(dāng)頻率增加時響應(yīng)率要降低，當(dāng)降到的時所對應(yīng)的頻率，稱為上限載止頻率，這時有。由圖知，它如同一個低通濾波器的頻率特性，即：（6－4）式中，是頻率為零（直流）或者頻率很低時的響應(yīng)率，是光信息的頻率，為時間常數(shù)。

當(dāng)頻率增加時響應(yīng)率要降低，當(dāng)降到的時所對應(yīng)的頻率，稱為上限載止頻率，這時有。五、光電系統(tǒng)的探測率D和比探測率D*

光電系統(tǒng)的探測率表征光電系統(tǒng)的探測能力，D越大表征探測能力越強(qiáng)。D可表示為：上式表明光電靈敏度越高而噪聲越小則探測能力越強(qiáng)。（6－5）光電檢測系統(tǒng)的探測率還與光電檢測器件光敏面面積A和光電檢測系統(tǒng)的帶寬有關(guān)，為在同一條件下對光電系統(tǒng)性能加以比較，引入比探測率的概念。

（6－6）噪聲等效功率的概念：光電器件輸出信號電壓有效值等于噪聲方均根電壓值時的入射光功率，用公式表示為（6－7）即噪聲等效功率是探測率的倒數(shù)，亦即。同樣，的倒數(shù)稱為歸一化噪聲等效功率，用表示。第三節(jié)光電系統(tǒng)的設(shè)計原則在光電系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)針對所設(shè)計的光電系統(tǒng)的特點(diǎn)，遵守一些重要的設(shè)計原則。

一、匹配原則光電系統(tǒng)的核心是光學(xué)變換與光電變換，因而光電系統(tǒng)的光學(xué)部分與電子部分的匹配是十分重要的。這些匹配包括光譜匹配、功率匹配和阻抗匹配。匹配的核心是如何正常選擇光電檢測器件。

1．光譜匹配

光譜匹配是指光學(xué)系統(tǒng)的光譜特性與光電檢測器件的光譜靈敏度特性相匹配。在光電系統(tǒng)設(shè)計中，光譜匹配的核心是光源的光譜峰值波長應(yīng)與光電檢測器件對光譜的靈敏波長相一致。通常是先根據(jù)光電系統(tǒng)的功能要求確定光源，然后再根據(jù)光源的峰值波長選用與之光譜匹配的光電檢測器件。2．功率匹配功率匹配是指盡量最佳的使用光功率，它包含如下三個方面的內(nèi)容：1.光電器件與入射輻射能量在空間上對準(zhǔn)，同時又盡量使入射光照射到全部光敏面上以充分利用光能，實現(xiàn)入射光與光電檢測器件的空間匹配。2.入射光輻射應(yīng)與光電檢測器件的光電特性相匹配。3.滿足光譜匹配。3．阻抗匹配

由于光電檢測器件是光電檢測電路的信號源，因此兩者之間應(yīng)具有良好的阻抗匹配，以獲得最佳的電信號輸出，在進(jìn)行光電檢測電路設(shè)計時應(yīng)根據(jù)光電檢測器件的伏安特性選擇最佳工作點(diǎn)，還應(yīng)根據(jù)光電檢測器件和光信息的頻率特性進(jìn)行光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計，以保證光電系統(tǒng)達(dá)到最佳的信號檢測能力。

二、干擾光最小原則

光電系統(tǒng)中的干擾光主要指雜散光、背景光和“回授光”。干擾光最小原則指干擾光對光電系統(tǒng)影響最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。雜散光：由于光輻射經(jīng)過各種光學(xué)元件產(chǎn)生的散射光、衍射光、透射光、雙折射光等非期望的雜亂光線對信號光產(chǎn)生雜散干擾。解決方法：減少干擾采用光學(xué)濾波、光學(xué)調(diào)制和光外差檢測等方法。

背景光：指光電系統(tǒng)主動照明的照明光、房屋照明光、自然光等引起的信號背景光，它主要使信號的對比度變差，信噪比降低。背景光會造成光信號中的無用的直流成份增大或緩慢變化。解決方法：采用光遮斷、光隔離、光控制和光補(bǔ)償?shù)确椒ā！盎厥诠狻保菏侵腹怆娤到y(tǒng)的照明光經(jīng)光學(xué)元件又返回到光源內(nèi)，破壞光源的穩(wěn)定性，使光功率波動、光頻率波動等，這對于穩(wěn)頻激光光源的穩(wěn)定工作有很大影響。解決辦法：如采用光偏離、光遮擋和光偏振片等方法，如圖6-3所示。圖6-3減小“回授光”的二種方法a）光偏離法b）偏振片法1-激光器2-波片3-分光鏡4-測量鏡5-工作臺6-光敏二極管

三、共光路原則

在光電系統(tǒng)中為了實現(xiàn)精密測量和減小共模干擾，經(jīng)常采用差動測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較，如圖6-4所示。圖6-4光電差動比較測量a)光通量差動比較測量原理圖b)干涉儀表面粗糙度測量原理圖共同點(diǎn):光分成兩路，一路是標(biāo)準(zhǔn)量測量，另一路是被測量測量。不同點(diǎn)：圖a)是光通量比較，圖b)是用光干涉法進(jìn)行光的光程差比較。圖6-5斐索干涉儀原理圖1-激光束2-反射鏡3-聚光鏡4,6-光欄5-分光鏡7-準(zhǔn)直物鏡例：圖6-5所示是斐索平面干涉儀原理圖。由圖原理可以看出該系統(tǒng)的測量光束與參考光束基本上處于同一環(huán)境中，溫度變化和外界振動的影響對兩束光基本上相同，因而有利于提高測量精度。還可看出該系統(tǒng)的測量光束與參考光束在參考鏡到被測物體之間是不共路的，因此在設(shè)計時應(yīng)盡量減小與之間距離。還應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，光電系統(tǒng)設(shè)計是測控儀器設(shè)計的一部分，它還應(yīng)遵守儀器設(shè)計的阿貝原則、差動比較原則、精度原則、基面統(tǒng)一原則以及補(bǔ)償原理，平均讀數(shù)原理等基本原則和理論。第四節(jié)光電測量系統(tǒng)中的光源及照明系統(tǒng)光電測量中，光是信息的載體，光源及照明系統(tǒng)的質(zhì)量對光電測量往往起著關(guān)鍵的作用。本節(jié)將對光源的特性、光源的種類、照明光學(xué)系統(tǒng)及光源選用等問題加以介紹。

注：應(yīng)用中宜采用發(fā)光效率高的光源以節(jié)省能源。一、光源的基本參數(shù)1．發(fā)光效率在給定的波長范圍內(nèi)，某一光源所發(fā)出的光通量與產(chǎn)生該光通量所需要的功率之比，稱為該光源的發(fā)光效率，表示為:（6－8）式中，為該光電測量系統(tǒng)的光譜范圍。2．光譜功率譜分布光源輸出的功率與光譜有關(guān)，即與光的波長有關(guān)，稱為光譜的功率分布。常見的有四種典型的分布，如圖6-6所示。

圖6-6典型光源功率譜分布a)線狀光譜b)帶狀光譜c)連續(xù)光譜d)復(fù)合光譜a如低壓汞燈光譜；b如高壓汞燈光譜；c如白熾燈、鹵素?zé)艄庾V；d如熒光燈光譜。

注：在選擇光源的時候，應(yīng)選擇光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致；目視測量，可選用可見光譜輻射比較豐富的光源；目視瞄準(zhǔn)，宜選用綠光光源；彩色攝像應(yīng)采用白熾燈、鹵素?zé)糇鞴庠础Ｗ贤夂图t外測量，宜選用相應(yīng)的紫外燈（氙燈、紫外汞燈）和紅外燈。3．空間光強(qiáng)分布特征由于光源發(fā)光的各向異性，許多光源的發(fā)光強(qiáng)度在各個方向是不同的。若在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強(qiáng)度相同的點(diǎn)連線，就得到該光源在該截面的發(fā)光強(qiáng)度曲線，稱為配光曲線，如圖6-7所示為HG500型發(fā)光二極管的配光曲線。為提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦點(diǎn)應(yīng)位于光源的發(fā)光中心。

圖6-7HG500發(fā)光二極管的配光曲線

4．光源的溫度和顏色任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射，稱為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，其輻射本領(lǐng)表示為：式中，為輻射本領(lǐng)；為吸收率，當(dāng)時的物體稱為絕對黑體。

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于一般的光源，它的某些特征常用黑體輻射特征近似地表示，其溫度常用色溫或相關(guān)色溫表示。色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。相關(guān)色溫：光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。注：在光電測量中為了減少光源溫度對測量的影響，應(yīng)采用冷光源或者設(shè)法減少熱輻射的影響。二、光電測量中的常用光源

物體溫度大于絕對零度時就會向外輻射能量，輻射以光子形式進(jìn)行，我們就會看到光。1．太陽光

太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。陽光是復(fù)色光，太陽光源是很好的平行光源。

2．白熾燈

白熾燈靠燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光，它發(fā)出連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、簡單、可靠、壽命比較長，得到廣泛的應(yīng)用。真空鎢絲燈是將玻璃燈泡油成真空，充氣燈泡是燈泡內(nèi)充氬、氮等惰性氣體，鹵素?zé)羰菬襞輧?nèi)充有鹵族元素（氯化碘、溴化硼等）。

白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)（電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響，其關(guān)系如下所示：3．氣體放電光源

利用氣體放電原理來發(fā)光的光源稱為氣體放電光源。特點(diǎn)：

1）發(fā)光效率高，比白熾燈高2～10倍，可節(jié)省能源。

2）結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊。

3）壽命長，大約是白熾燈的2～10倍，可節(jié)省能源。

4）光色范圍大，如晉通高壓汞燈發(fā)光波長大約為400～500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色（589nm），氙燈近日色，而水銀熒光燈為復(fù)色。

由于以上特點(diǎn)氣體放電光源經(jīng)常被用于工程照明和光電測量之中。4．半導(dǎo)體發(fā)光器件在電場的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件，又稱為注入式場致發(fā)光光源，通常稱為LED。

圖6-8半導(dǎo)體發(fā)光二級管a)原理圖b)外觀圖c)器件符號常用發(fā)光二級管材料及性能如表6-1所示。材料光色峰值波長光譜光視效能紅65070黃589450綠565610紅外910紅外940表6-1發(fā)光二級管性能半導(dǎo)體發(fā)光二極管既是半導(dǎo)體器件也是發(fā)光器件，因此其工作參數(shù)有電學(xué)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)。5．激光光源激光又稱為受激發(fā)射光，能激發(fā)出激光并能實現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件稱為激光器。激光特點(diǎn)：單色性好，相干能力強(qiáng)，方向性好、亮度高，在光電測量中常用作相干光源。激光器三大要素：激光工作物質(zhì)，激勵能源和光學(xué)諧振腔。激光器分類：固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。激勵系統(tǒng)：光激勵、電激勵、核激勵和化學(xué)反應(yīng)激勵等。光學(xué)揩振腔用以提供光的反饋，以實現(xiàn)光的自激振蕩，對弱光進(jìn)行放大，并對振蕩光束方向和頻率進(jìn)行限制，實現(xiàn)選頻，保證光的單色性和方向性。

在光電測量中應(yīng)用最多的是He-Ne氣體激光器，因為He-Ne激光器發(fā)出的激光單色性和方向性好。

He-Ne激光器的光振幅分布如圖6-9的高斯分布，其表達(dá)式為：（6－10）激光束的發(fā)散角：在球面鏡表面上，光斑半徑為：處的光斑半徑最小，稱為束腰半徑：圖6-9高斯光束及束腰半徑在選擇和使用He-Ne激光器時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）要注意激光的模態(tài)。

在用He-Ne激光器作光電測量的光源時，一般都選用單模激光。激光的模態(tài)記作，其中為縱模序數(shù)，、為橫模序數(shù)。對于單模激光，其模態(tài)為。觀察激光輸出的光斑形狀發(fā)現(xiàn)，光斑形狀較為復(fù)雜，如圖6-10所示。圖6-10激光的橫模a）TEM00模b）TEM10模c）TEM13模d）TEM11模在光電測量中選用的激光光斑形狀應(yīng)為均勻的圓形光斑，即選TEM00橫模。（2）功率。光電測量中所用的He-Ne激光光源功率一般在十幾之間。（3）穩(wěn)功率和穩(wěn)頻。He-Ne激光器輸出的功率變化較大，在精度較高的光電測量中，應(yīng)對He-Ne激光器穩(wěn)功率。此外，在相干測量中光的波長是測量基準(zhǔn)，因此要求波長很穩(wěn)定，而波長與光頻率的關(guān)系為：（6－14）由，上式可寫為：（6－15）因此，穩(wěn)波長實質(zhì)就是穩(wěn)光頻，即要采用穩(wěn)頻技術(shù)。另，穩(wěn)頻對穩(wěn)功率也有作用。（4）激光束的漂移。雖然He-Ne激光具有很好的方向性和單色性，但它也是有漂移的，當(dāng)作用精密尺寸測量和準(zhǔn)直測量時尤應(yīng)注意。半導(dǎo)體激光器：

簡稱LD，它是用半導(dǎo)體材料制成的面結(jié)型的二極管。原理圖如圖6-11、6-12所示

在使用半導(dǎo)體激光器時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）作為平行光照明時應(yīng)該用柱面鏡將光束整形，再用準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直。（2）頻率穩(wěn)定性。LD光的單色性、相干性較差，因此用LD作相干光源且測量距離又較大時，必須對LD穩(wěn)頻。LD的穩(wěn)頻法主要有吸收法和電控法。（3）調(diào)頻。改變LD的注入電流會使LD的輸出頻率產(chǎn)生的變化。如果注入電流是按某一頻率變化規(guī)律來變化，那么輸出的激光將被調(diào)頻。這種調(diào)頻是在LD內(nèi)部實現(xiàn)的，故稱為內(nèi)調(diào)制。由此原理制成的半導(dǎo)體激光器可用于外差測量。圖6-11半導(dǎo)體發(fā)光原理圖

圖6-12半導(dǎo)體激光器的工作原理圖三、照明系統(tǒng)照明對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量起著非常重要的作用，照明的種類繁多，用途也非常廣泛。本節(jié)只介紹光電系統(tǒng)中常用的照明方式。

（一）、照明系統(tǒng)的設(shè)計原則照明系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足下列要求：

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，以保證像面的對比度。

5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。根據(jù)這些要求，照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足兩個原則：1）光孔轉(zhuǎn)接原則。即照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)該與物鏡的入瞳重合，否則照明光束不能充分利用。如圖6-13所示，由于光瞳不重合，成像光束僅為照明光束的一部分，光束的陰影部分被物鏡的入瞳遮擋，不能參與成像。圖6-13光孔轉(zhuǎn)接示意圖

2）照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量。拉赫不變量:表示光學(xué)系統(tǒng)在近軸區(qū)成像時，在物像共軛面上，物體的大小、成像光束的孔徑角、物空間介質(zhì)的折射率的乘積為一常數(shù)。是表征光學(xué)系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù),如圖6-14所示。

圖6-14拉赫來變量示意圖在顯微光學(xué)系統(tǒng)的照明系統(tǒng)設(shè)計中，按照要求2），可得，如圖6-15所示。圖6-15顯微光學(xué)系統(tǒng)拉赫不變量示意圖由于顯微鏡的放大倍率很高，成像光束的像方孔徑很小，并且被觀察的物體通常是不發(fā)光的，為了獲得清晰的圖像，必須保證充足的照明。（二）照明的種類1．直接照明直接照明按照明方法分為透射光亮視場照明，反射光亮視場照明，透射光暗視場照明，反射光暗視場照明，分別如圖6-16a、b、c、d所示，圖中陰影部分為照明光場。按光源類型分為白熾燈照明、光纖照明等。

圖6-16直接照明四種類型a）透射光亮視場照明b）反射光亮視場照明c）透射光暗視場照明d）反射光暗視場照明2．臨界照明

光源所出的光通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式稱為臨界照明。如圖6-17所示：

圖6-17臨界照明

照明光源燈絲成像到物平面上，這種照明在視場范圍內(nèi)有最大的亮度，而且沒有雜光。缺點(diǎn)是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，并且不滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。3．遠(yuǎn)心柯勒照明如圖6-18所示，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，視場光闌被聚光鏡成像到物面上。

圖6-18遠(yuǎn)心柯勒照明缺點(diǎn)：臨界照明中物平面照度不均勻的；優(yōu)點(diǎn)：孔徑光闌大小可調(diào)，經(jīng)聚光鏡成像于物鏡的入瞳位置，滿足光孔轉(zhuǎn)接原則，又充分利用了光能?？讖焦怅@大小決定了照明系統(tǒng)的孔徑角、分辨力和對比度，視場光闌控制照明視場的大小，避免雜光進(jìn)入物鏡。

4．光纖照明

光纖照明因照明均勻、亮度高、光源熱影響小而得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)照明光線端部排列形式和光束出射方向，分為環(huán)形光纖照明和同軸光纖照明等。圖6-19所示是一環(huán)形光纖照明光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過聚光鏡耦合進(jìn)入光纖束，光纖束在另一端分束，形成一環(huán)形光纖排。光纖照明光能集中，能獲得較均勻的高亮度照明區(qū)域。并且照明部分遠(yuǎn)離光源，解決了光源散熱對被測物體的影響。圖6-19光纖照明

1-光源2-聚光鏡闌3-光纖束4-環(huán)形光纖排5．同軸反射照明

如圖6-20所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過物鏡7投射到物體8上，物鏡本身兼做聚光鏡。物鏡將物面成像到CCD9的光敏面上。這種照明系統(tǒng)可以檢測反射鏡面上的缺陷。如果被測表面是鏡面，則鏡面的反射光線全部進(jìn)入物鏡成像，因此整個圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點(diǎn)或者污漬時，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)。圖6-20同軸照明

1-光源2-集光鏡3-孔徑光4-視場光闌5-聚光鏡6-分光鏡7-物鏡8-物面9-CCD

四、光源及照明系統(tǒng)的選擇

正確地選用光源是充分而又有效地滿足儀器使用要求的必要條件。在選擇光源時，一般應(yīng)考慮以下幾方面的問題。

1．光源的光譜能量分布特性

光源的光譜能量分布首先應(yīng)滿足儀器使用上的要求。例如在干涉儀中，光源的波長是儀器的標(biāo)準(zhǔn)器，因此其單色性應(yīng)滿足測量精度及測量范圍的要求。在非相干照明中，光源的光譜分布應(yīng)與接收器的光譜響應(yīng)相匹配，可節(jié)省能量，提高檢測信號的信噪比。在目視儀器中，視場的背景最好是適宜人眼的黃綠色，而將有害的紅外輻射（它可能引起儀器的熱變形）用濾色片濾去。若儀器中有幾個不同的接收器共用一個光源，則光源的光譜分布要能兼顧各接收器的響應(yīng)。

2．光度特性在精密測量中，被測對象一般都不是發(fā)光體，所以必須進(jìn)行人工照明，使被測物體達(dá)到一定的照度。在以光電元件為接收器的儀器中，被測物體光照強(qiáng)度有利于提高信噪比及后繼電路的處理；而在目視儀器中，視場應(yīng)有足夠的照度，這在大屏幕投影測量系統(tǒng)中問題較為突出?？傊瑧?yīng)根據(jù)使用要求及接收器的性能來考慮對光源的光強(qiáng)要求。

3．發(fā)光面的形狀、尺寸及光源的結(jié)構(gòu)

在臨界照明系統(tǒng)中是將燈絲（發(fā)光體）成像在被測物面上，因此燈絲發(fā)光面的形狀與被測物相似才能獲得均勻而又有效的照明。在柯勒照明中，燈絲的像成在系統(tǒng)的入瞳上，若使燈絲（發(fā)光面）的形狀與入瞳相似，就能充分利用入瞳的孔徑而傳遞更多的光能。因此設(shè)計時應(yīng)根據(jù)被測物面的形狀和入瞳形狀來選擇光源的發(fā)光面形狀。至于發(fā)光面的尺寸及光源的結(jié)構(gòu)尺寸，還與儀器的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，應(yīng)按儀器總體要求的尺寸來選用合適的光源結(jié)構(gòu)尺寸。4．滿足光電系統(tǒng)的功能要求對于直接檢測系統(tǒng)，主要檢測的是信息的光功率，這時要求光源穩(wěn)定性要好，因為光源的功率波動是影響系統(tǒng)精度的主要因素。對于測距系統(tǒng)除了要求光源穩(wěn)定性外，還對光源的光功率有嚴(yán)格要求，因為測距系統(tǒng)的光功率直接影響作用距離。對于相干檢測系統(tǒng)，除了要求用相干光源外還對光源的單色性、穩(wěn)頻性能、平行性及光源尺寸等有要求。

在光電儀器的設(shè)計中，光源及照明系統(tǒng)有著十分重要的地位，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)使用要求選擇合適的光源和照明系統(tǒng)。在選用光源時還應(yīng)考慮光源的供電系統(tǒng)復(fù)雜與否、是否需要人工冷卻、使用壽命、更換方便程度以及價格等因素。設(shè)計時可采取一定措施來改變光源的某些性能，例如對普通的鎢絲燈，改變燈絲電壓后，電流、溫度、光通量、發(fā)光效率以及壽命等均隨之變化。第五節(jié)直接檢測系統(tǒng)設(shè)計

在本章第一節(jié)中已經(jīng)為直接檢測系統(tǒng)進(jìn)行了定義，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是直接檢測光功率（光能量）。直接檢測系統(tǒng)的組成可用圖6-21表示。光源光學(xué)變換光功率檢測電信號圖6-21直接檢測系統(tǒng)的組成直接檢測系統(tǒng)的光源一般要根據(jù)被測對象的特點(diǎn)、光學(xué)變換的方法來確定。直接檢測光學(xué)變換的目的:

將被測信息載荷到光載波上以形成光信息，或者改善系統(tǒng)的時間或空間分辨力和動態(tài)品質(zhì)以提高傳輸效率、檢測精度和改善系統(tǒng)的檢測信噪比。常用的直接檢測光學(xué)變換方法有幾何光學(xué)和光電子學(xué)方法，如表6-2所示。

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、測長測角、測距等光電子學(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)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等表6-2直接檢測光學(xué)變換方法一、直接檢測光電系統(tǒng)的工作原理

直接檢測是將待測的光信號直接入射到光電器件的光敏面上，光電器件的輸出電流或電壓與入射光強(qiáng)有關(guān)。若入射光波的振幅為，那么入射光功率，光電檢測器件的輸出光電流為若光電器件的負(fù)載電阻為，則它的輸出功率為:（6－18）上式表明光電檢測器件輸出的功率正比于入射功率的平方。若入射光信號為強(qiáng)度調(diào)制光，調(diào)制信號為，那么光電檢測器件輸出的光電流為：第一項直流電平是無用的背景信號，可用差動相減或高通濾波等方法把它去；第二項為有用信號，可用檢波或相敏檢波等方法提取。

二、光功率直接檢測光電系統(tǒng)的設(shè)計

為了說明直接檢測光電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，首先來分析一下光通量直接測量的光電系統(tǒng)。圖6-22是直接測量光通量的原理圖，圖6-23是原理框圖。

圖6-22樣品透過率測試儀原理圖圖6-23透過率測量的原理框圖若光電檢測靈敏度為，放大增益為，讀數(shù)裝置傳遞系數(shù)為，則指示表的輸出可寫為：（6－20）式中系數(shù)。

在測量過程中應(yīng)保持不變，使與有確定的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)便可確定被測樣品的透過率?？梢钥闯龉馔康闹苯訙y量就是利用光學(xué)變換的方法，光的透射、反射、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，再用光電器件檢測光通量的幅值變化。影響光功率直接檢測光電系統(tǒng)精度的主要誤差因素是照明光源發(fā)光強(qiáng)度的不穩(wěn)定和噪聲影響，下面對這兩個問題加以分析。（一）光功率直接檢測光電系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計從式（6-20）可以看出影響的因素有、、、，而的不穩(wěn)定影響是最大的。因而對于光通量直接測量來說，穩(wěn)定的光照是極為重要的。穩(wěn)定光源的方法：1用穩(wěn)定的直流電壓給燈絲供電。2將電源的引線焊在燈頭上。3采用光電反饋的方法來穩(wěn)光源。4用差動測量系統(tǒng)來減少光源的影響。5光源調(diào)制法。圖6-24光源反饋穩(wěn)定原理圖圖6-24是用反饋的方法穩(wěn)光源的原理圖。圖6-25是采用差動測量法（雙通道法）減少光源光通量波動對測量影響的原理圖。

圖6-25差動測量法原理圖若兩路光電靈敏度，則：若有的變化，則：

可見差動法對光通量變化有抑制作用，同時對雜光及其它共模干擾也有抑制作用。

（二）光功率直接檢測光電系統(tǒng)的噪聲設(shè)計

1．光電檢測系統(tǒng)的信噪比直接檢測屬于非相干檢測，它的噪聲有：信號光功率引起的噪聲，背景光功率引起的噪聲，光電器件內(nèi)阻引起的熱噪聲和光電器件暗電流引起的噪聲。則總的噪聲電流為：直接檢測的信噪比為：（6－24）在上述噪聲中，由信號光功率引起的噪聲最大，在忽略其他噪聲情況下，有：（6－25）式（6-25）為直接檢測在理論上的極限信噪比，也稱為直接檢測的量子極限。在量子極限情況下，直接檢測可測量的最小功率為：（6－26）2．光電檢測系統(tǒng)的噪聲光電系統(tǒng)的背景噪聲就是指干擾光引起的噪聲，電磁干擾，可用電磁屏蔽和隔離的方法減小；機(jī)械振動可用隔振和防振設(shè)計的方法減小它。光電器件的噪聲是光電檢測系統(tǒng)最重要的噪聲來源之一，他包括熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生一復(fù)合噪聲和閃變噪聲等。

(1)．熱噪聲

熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動引起的，由于載流子的均方速度與熱力學(xué)溫度成正比，噪聲電流隨溫度增高而增加，因此稱為熱噪聲。熱噪聲電流常用均方值表示。在純電阻情況下該電阻兩端產(chǎn)生的噪聲電壓均方值可由下式給出

由上式可知，減小熱噪聲應(yīng)從減小熱影響和檢測通頻帶不要過寬兩個方面著手。(2)．散粒噪聲光電探測器的散粒噪聲是由于載流子的微粒性引起的。這是一種在光電子發(fā)射器件和光伏型器件中出現(xiàn)的噪聲，如光電倍增管的光陰極和二次電子發(fā)射；光伏器件中穿過P-N結(jié)的載流子漲落等。散粒噪聲的電流均方值為:

為電子電荷；為光電流的直流分量。

光電探測器的暗電流也同樣引起散粒噪聲，因此無光照時的暗電流噪聲為:從式中可以看出，散粒噪聲與溫度無關(guān)，但與和有關(guān)，應(yīng)盡量減小它們的影響。

(3)．產(chǎn)生-復(fù)合噪聲光電導(dǎo)探測器因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個隨機(jī)性過程，引起電流隨機(jī)起伏形成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。這是半導(dǎo)體輻射探測器中的一種主要噪聲，該噪聲的電流均方值為：在相對低頻的條件下，公式可簡化為：該式與散粒噪聲相類似，有時把稱為光電導(dǎo)器件的內(nèi)增益。(4)．噪聲又稱為閃爍噪聲，通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的。該噪聲電流通常表示為：通常取，，則：由上式可見，該噪聲的功率與調(diào)制頻率成反比，因此稱為噪聲。(5)．光電器件噪聲功率譜的綜合分布在實際的光電檢測器件中，由于光電轉(zhuǎn)換機(jī)理的不同，上述各種噪聲的作用大小各不相同。綜合上述噪聲源、其功率譜分布可用圖6-26來表示。圖6-26光電器件噪聲功率譜綜合分布圖在設(shè)計與輸入電路連接的前置放大器時，其工作頻率應(yīng)選擇在噪聲較低的頻率區(qū)中。同時應(yīng)注意實際工作頻率與光電檢測器的頻率匹配，采用低噪聲運(yùn)算放大器和負(fù)反饋放大器都有利于減小噪聲的影響。對不同類型的元器件作噪聲估算時，為了計算方便工程上常進(jìn)行等效處理，即將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式，可以與其他電路器件一起以統(tǒng)一的方式建立等效噪聲電路。1)．等效噪聲帶寬測量系統(tǒng)的等效噪聲帶寬是噪聲量的一種表示形式，定義為最大增益矩形帶寬，如圖6-27所示，可表示為:（6－35）圖6-27等效帶寬的物理意義白噪聲情況下，，并且當(dāng)電路的頻率響應(yīng)為帶通型時，上式可以改寫為：（6－37）式（6-37）右邊是功率增益函數(shù)在圖中曲線下所包含的面積（陰影部分），而左邊是以為高、為寬的一塊面積，如圖中虛線構(gòu)成的矩形面積，該面積與曲線下所含的面積相等，是等效面積的寬度，稱為等效噪聲帶寬，它是網(wǎng)絡(luò)通過噪聲能力的一種量度。（6－38）并聯(lián)電路的噪聲電壓有效值為：

圖6-28熱噪聲等效電流源式中，就是電路的等效噪聲帶寬，即:經(jīng)變換上式變?yōu)椋?6－42)用均勻等幅的等效帶寬代替實際噪聲頻譜的不均勻分布，式（6-42）可寫成：（6－44）式（6-44）表明對于并聯(lián)輸入電路對噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變噪聲為等效噪聲帶寬。它使得系統(tǒng)的信噪比提高但使電路的通頻帶變窄。因此在采用與負(fù)載電阻并聯(lián)電容的方法減小噪聲電流來提高信噪比時應(yīng)兼顧由此而帶來的帶寬損失。

還應(yīng)指出，等效帶寬的概念同樣適用于散粒噪聲。2)．阻容器件的噪聲等效處理簡單電阻的噪聲等效電路表示在圖6-28中，它由熱噪聲電流源和電阻并聯(lián)組成。對于由兩個電阻串聯(lián)或并聯(lián)組成的合成電路，可以證明，綜合噪聲電流等于合成電阻提供的噪聲電流，并表示為:三距離檢測光電系統(tǒng)的設(shè)計

距離檢測是直接檢測光電系統(tǒng)的重要方面。

1．常用測距方法（1）三角法測距

圖6-29是被動三角法測距的原理圖。

可測得目標(biāo)距離

為：由于該測距系統(tǒng)沒有主動照明，而是靠目標(biāo)物或者自然光輻射照明，故稱為被動三角法測距。

圖6-30是主動三角法測距原理圖，又稱為光焦點(diǎn)法測距。它用于從數(shù)到數(shù)的精密測距，應(yīng)用比較普遍。圖6-29被動三角法測距原理圖

圖6-30像點(diǎn)軸外偏移光焦點(diǎn)法

a)漫反射式b)反射式（2）相位法（連續(xù)波）測距該方法的原理是正弦波調(diào)制的激光束在傳播過程中利用其相位變化來測量距離，圖6-31是其原理圖。圖6-31相位法光波測距原理圖1半導(dǎo)體激光器激勵源2半導(dǎo)體激光器3、5光學(xué)系統(tǒng)

4靶鏡6光電器件7放大電路該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為光源，在光源的驅(qū)動電路中施加正弦電壓，則光源發(fā)出的正弦規(guī)律變化的光通量，待測距離:（6－50）被測相位值可以表示為:

（6－51）增加光源的調(diào)制頻率可以提高測距系統(tǒng)的分辨力。實際測距時，整周期數(shù)無法測得，只能用鑒相等方法測得，這樣就有一個測距分辨力問題。對式（6-50）微分可得

（3）時間法測距若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時可用測量單個脈沖的時間延遲來測距離，稱為時間法。脈沖式激光測距儀和激光雷達(dá)都是時間法測距的典型應(yīng)用，如圖6-32所示。

若該巨脈沖從發(fā)射到接收的時間延遲為，則被測距離為：時間可用如圖6-33所示的脈沖填充法求出：

從而有：（6－53）式中，是測距脈沖當(dāng)量，即單位脈沖對應(yīng)的被測距離。

由式（6-50）和式（6-53）可以看出，相位法和時間法測距都要求光源調(diào)制頻率穩(wěn)定，同時越高則有利于提高測距分辨力。

圖6-32時間法測距原理圖

1—激光器2，4—光學(xué)系統(tǒng)3—目標(biāo)5—光電器件圖6-33時間的測量原理2．光電測距的作用距離

對于主動測距系統(tǒng)，作用距離是一個重要技術(shù)指標(biāo)，作用距離的估算及影響作用距離因素的分析是光電測距系統(tǒng)設(shè)計的重要方面。

作用距離：指對于點(diǎn)目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)張角小于系統(tǒng)的瞬時視場時，光電系統(tǒng)所收到的目標(biāo)輻射量與目標(biāo)到光電接收系統(tǒng)的距離有關(guān)，與該光電系統(tǒng)所允許的最小接收能量相對應(yīng)的距離叫做測距系統(tǒng)的作用距離。對于圖6-31和圖6-32所示的測距系統(tǒng)可以用如圖6-34所示的框圖來表示，它是一個自帶光源的主動測距系統(tǒng)。

圖6-34光電測距系統(tǒng)對于這種測距影響作用距離的因素有：光源的發(fā)射功率，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的透過率，光被大氣的吸收衰減與大氣散射引起的大氣透過率，接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率，目標(biāo)物面的反射率，接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑，光電檢測器件的靈敏度及信噪比等。光源與目標(biāo)物之間的距離：大目標(biāo)主動系統(tǒng)：小目標(biāo)主動系統(tǒng)：從上兩式可以看出，為提高測距系統(tǒng)的作用距離應(yīng)該使用功率大、發(fā)散角小的光源；光學(xué)系統(tǒng)的透過率要高；還要使盡量大。要求高的光電檢測信噪比時，則越小，系統(tǒng)工作可靠性越好，精度越高；系統(tǒng)帶寬越窄則可測距離大，一般在滿足要求情況下，越窄則越好。3．光電測距系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)（1）三角法測距設(shè)計要點(diǎn)

1）在量程較大時采用非線性補(bǔ)償法來減小非線性誤差。

2）主動三角法測距，采用高穩(wěn)定性直流電源供電或用自適應(yīng)光強(qiáng)控制方法保持照明的穩(wěn)定，用差動測量法可有效地減小光源波動的影響。

3）主動三角法測距，在設(shè)計時應(yīng)考慮儀器的適應(yīng)性，采用差動法和補(bǔ)償法。

4）光學(xué)系統(tǒng)的分辨力、像差、光電接收器件的位置及其光電特性、光譜特性、頻率特性都對測距精度有影響，應(yīng)加以注意。（2）相位法與時間法測距系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

1）光源是調(diào)制光源，穩(wěn)定、可靠和高調(diào)制頻率的光源設(shè)計十分重要。

2）高精度鑒相器或計時器設(shè)計是相位法和時間法測距的關(guān)鍵。

3）考慮大氣的窗口效應(yīng)，盡量減小大氣的影響。

4）接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑與光電器件光敏面積之比應(yīng)盡量取大些，有利于提高測距范圍。四、幾何中心與幾何位置光電檢測系統(tǒng)設(shè)計

幾何中心與幾何位置檢測系統(tǒng)，用于光強(qiáng)隨空間分布的光信號檢測。基本原理：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光軸（基準(zhǔn)）的位置有關(guān)，再用一個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出幾何位置。

圖6-35是確定精密線紋尺刻線定位位置的靜態(tài)光電顯微鏡原理圖。儀器設(shè)計時取狹縫的縫寬與刻線5的像寬相等，狹縫高與像高相等，如圖6-36a所示。

可以看出由刻線像與狹縫及光電器件構(gòu)成的裝置可以分析物（刻線）的幾何位置，稱之為像分析器。圖6-35靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖

1—光源2—聚光鏡3—分光鏡4—物鏡5—刻線尺6—狹縫7—光電檢測器件圖6-36像分析器及其特性

a）狹縫與刻線像關(guān)系b）窗口函數(shù)分布c）相面照度分布d）定位特性在理想情況下定位特性為：（6－62）但是由于背景光、像差、狹縫邊緣厚度的存在，實際的照度分布與定位特性如圖6-36中虛線所示，即當(dāng)時仍有一小部分光通量輸出：式（6-62）表明像分析器的特性是一個線性特性。在測量過程中照度變化將直接帶來測量誤差，因此要求照明光源必須十分穩(wěn)定。另外光學(xué)系統(tǒng)的像差和狹縫的位置、形狀都對儀器的精度有影響。

但是由于背景光、像差、狹縫邊緣厚度的存在，實際的照度分布與定位特性如圖6-36中虛線所示，即當(dāng)時仍有一小部分光通量輸出：是背景光通量，它對系統(tǒng)的對比度有一定影響；為背景光等引起的透過率。圖6-37是用CCD攝像法確定物體的幾何位置的例子：圖6-37電子指標(biāo)線法原理圖1—光源2—照明光學(xué)系統(tǒng)3—物4—成像光學(xué)系統(tǒng)5—CCD6—十字線準(zhǔn)星該方法也是將幾何中心定位在光軸上，其像分析器是CCD攝像器件，采用預(yù)先標(biāo)定的方法確定CCD坐標(biāo)與物坐標(biāo)的相對位置關(guān)系。從以上兩個例子可以看出幾何中心和幾何位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮如下問題：（1）像面上設(shè)置的取樣窗口（狹縫，刀口，劈尖等）是定位基準(zhǔn)，它應(yīng)與光路的光軸保持正確的位置，窗口的形狀和尺寸與目標(biāo)像的尺寸應(yīng)保持嚴(yán)格的關(guān)系，窗口的邊緣應(yīng)陡直。（2）目標(biāo)像應(yīng)失真小，即光學(xué)像差要小，并有一定的照度分布。（3）像分析器應(yīng)有線性的定位特性。（4）照明光源應(yīng)有恒定的照明，在精度要求更高的情況下應(yīng)考慮用調(diào)制技術(shù)或差動測量等方法來抑制共模干擾。

圖6-38是用調(diào)制的方法減小光源波動影響的例子。它采用振動鏡掃描將直流信號變?yōu)榻涣餍盘?，又稱為調(diào)制式靜態(tài)光電顯微鏡，這種調(diào)制又叫掃描調(diào)制。

掃描調(diào)制的靜態(tài)光電顯微鏡要求狹縫寬與被定位的刻線像寬相等，而在狹縫處像的振幅也與它們相等。為了減小光源波動的影響，將像分析器設(shè)計成差動形式，圖6-39是差動式光電瞄準(zhǔn)顯微鏡原理圖。刻線像與狹縫A、B及其光照特性，輸出特性如圖6-40所示。從圖中可以看出，當(dāng)≤時，特性近似處于線性區(qū)，這時兩光電檢測器件輸出的電壓差為：

從上式可以看出，由于采用差動法，光源波動（或）的影響大為減小，并且線性區(qū)擴(kuò)大一倍，曲線斜率也增加一倍。圖6-38掃描調(diào)制式靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖1—光源2—聚光鏡3—分光鏡4—物鏡5—刻線6—振動反射鏡7—狹縫8—光電檢測器件圖6-39差動式光電顯微鏡原理圖

1—光源2—聚光鏡3—反射鏡4—被瞄準(zhǔn)的刻線5—物鏡6—分光鏡7—像分析器A8—像分析器B圖6-40刻線像與狹縫A、B的光電特性和輸出特性

a）刻線像及狹縫A、B相對應(yīng)位置b）光照特性

c）光電器件的輸出特性d）差分輸出特性幾何中心和幾何位置光電檢測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）照明光源應(yīng)穩(wěn)定，且照度應(yīng)均勻。（2）光學(xué)系統(tǒng)像差要小，像的對比度好。（3）用于對準(zhǔn)的標(biāo)志物或被檢測的物的邊緣應(yīng)清晰、陡直、無毛刺。（4）像分析器的位置相對測量基準(zhǔn)要精確校準(zhǔn)；在直接用光電器件窗口作像分析器時要注意像分析器的坐標(biāo)、光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)和物坐標(biāo)的統(tǒng)一。（5）在用掃描調(diào)制法進(jìn)行調(diào)制時要求調(diào)制中心穩(wěn)定，調(diào)制幅度恒定。在用差動法檢測時，要求二路差動信號具有相同的特性。

五、直接檢測光電系統(tǒng)中的光學(xué)參數(shù)的確定

直接光電檢測系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)確定的主要依據(jù)是光電檢測器件的噪聲等效功率NEP。

（一）入瞳直徑的計算考慮圖6-41所示的光電系統(tǒng)。圖6-41光電系統(tǒng)1—光源2—濾光片3—探測器在光電系統(tǒng)中，要使系統(tǒng)能夠正常工作，光學(xué)系統(tǒng)的作用應(yīng)使檢測器對特定光源的輻射能通量的響應(yīng)至少應(yīng)等于。而與所用探測的噪聲等效功率NEP有關(guān)，即

≥

通過光學(xué)系統(tǒng)入瞳進(jìn)入系統(tǒng)的輻射能通量為：假設(shè)所有輻射能通量到達(dá)具有響應(yīng)度為的檢測器的光敏面上，則檢測器的閾值響應(yīng)度為

則物方孔徑角為:系統(tǒng)的入瞳直徑為：(6－66)

(6－67)（二）探測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)光電檢測器的靈敏面位于像平面上或其附近，設(shè)計方法如下：要求光源的像盡可能和光敏面大小相同，位置一致；使光學(xué)系統(tǒng)中的入瞳不產(chǎn)生漸暈。1．光源位于有限距離的單組透鏡系統(tǒng)如圖6-42a

所示，此時，，則式（6-66）可寫為：上式成立的條件是光學(xué)系統(tǒng)沒有漸暈，沒有使用濾光片。

光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式取決于物方孔徑角。如果≤，可用單透鏡；≤，則選用雙透鏡；≤時，應(yīng)采用三透鏡。圖6-42光源位于不同位置時的光電系統(tǒng)a）光源位于有限距離b）光源位于無限遠(yuǎn)

2．光源位于無限遠(yuǎn)處的單組透鏡系統(tǒng)

圖6-42b所示的結(jié)構(gòu)中，檢測器位于系統(tǒng)后焦平面上。當(dāng)光源和檢測器確定后，物方孔徑角和入瞳直徑可由式（6-66）和式（6-67）確定。對于光源位于無限遠(yuǎn)的情形，>>，則，因此:

無限遠(yuǎn)物體的尺寸用它的張角表征，如果光源是圓形的，它所對的張角是，光源面積是，則入瞳直徑為:

3．筒長為無窮遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)由前后兩組透鏡組成，光源1位于前組透鏡的前焦平面上，檢測器位于后透鏡的后焦平面上，用薄透鏡表示每組透鏡，如圖6-43所示。系統(tǒng)的放大率為:物方孔徑角為:前組透鏡的口徑為:兩透鏡組的間距為，在不發(fā)生漸暈情況下，后組透鏡的口徑為:

如果較大，則是相當(dāng)大的，其漸暈是不可避免的。圖6-43筒長為無窮遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)1—光源2—探測器（三）光源像大于檢測器的光電系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)

當(dāng)光源像大于檢器光敏面的尺寸時，從像空間開始設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)是合理的。光源在檢測器光敏面上的光照度為:因為光源像大于檢測器光敏面的尺寸，故射到檢測器上的輻射能通量為:檢測器的輸出信號為:根據(jù)上述二式，像方孔徑角為:(6－74)如果光源位于無限遠(yuǎn)，則，我們得到：

(6－75)式（6-74）和式（6-75）也可應(yīng)用于光源像恰好和檢測器光敏面尺寸匹配的情況，檢測器的面積由輻射源的像面積代替，記為:當(dāng)光源位于無限遠(yuǎn)時，則（四）檢測器位于出瞳面上的光電系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

把檢測器安置在出瞳面上的最簡單的光學(xué)系統(tǒng)必須有兩組透鏡，由單透鏡構(gòu)成的該種系統(tǒng)示于圖6-44中。前組透鏡將光源成像于視場光闌上，在物方空間，光源的視場角為。后組透鏡將前組透鏡成像于系統(tǒng)的出瞳面上，即檢測的光敏面上。與其它結(jié)構(gòu)設(shè)計一樣，該系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)首先選定所使用的光源和檢測器。如果光源位于有限距離上，物方孔徑角由式（6-66）確定。

圖6-44檢測器位于出瞳面上的結(jié)構(gòu)1—光源2—檢測器第六節(jié)相干變換與檢測系統(tǒng)設(shè)計利用相干變換的方法來攜帶被測信息，可將信息加載于相干光波的振幅、頻率和相位之中，因此相干檢測比直接檢測手段更豐富，測試精度和分辨力更高。光干涉是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的合成信號的光強(qiáng)度隨時間或空間有規(guī)律的變化。干涉測量的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及它們隨時間的變化關(guān)系以光強(qiáng)度的空間分布或隨時間變化的形式檢測出來。

一、光學(xué)干涉和干涉測量以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動分別為：兩束光合成時，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分布可表示成：當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時，有即，有：(6－78)此時，干涉條紋不隨時間改變，呈穩(wěn)定的空間分布。隨著相位差的變化，干涉條紋強(qiáng)度的分布表現(xiàn)為有偏置的正弦分布。以此為基礎(chǔ)形成的干涉測量技術(shù)稱為干涉條紋檢測技術(shù)。當(dāng)兩束光的頻率不同，即式（6-78）中時，干涉條紋將以的角頻率隨時間波動，形成光學(xué)拍頻信號，也叫外差干涉信號。干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，而后者又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率對光的傳播距離的線積分，即對于均勻介質(zhì)，上式可簡化為:(6－80)對上式中的變量和作全微分可得到相位化量:從式（6-80）中可以看出，光波傳播介質(zhì)折射率和光程長度都將導(dǎo)致相干光相位的變化，從而引起干涉條紋強(qiáng)度的改變。二、干涉條紋光強(qiáng)檢測法及其設(shè)計在干涉場中確定的位置上用光電器件直接檢測干涉條紋的光強(qiáng)變化稱為條紋光強(qiáng)檢測法。圖6-45給出了一維干涉測長的實例。由式（6-78）可知，單頻光相干時，合成信號的瞬時光強(qiáng)為：

用的平均值等效表示這一積分值，得：（6－84）比例因子稱為兩光束的相干度，上式中

（6－85）若隨時間表變化，則合成光強(qiáng)是對的積分：

圖6-45條紋光強(qiáng)檢測a）原理示意圖b）波形圖式(6-85)表明，越大，光強(qiáng)隨相位的變化越明顯，因此相干度是衡量干涉條紋光強(qiáng)對比度的重要指標(biāo)。在進(jìn)行干涉條紋光強(qiáng)檢測系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)設(shè)法提高相干度。

上式表明光程差（測量范圍）越小，光源的單色性越好（?。?，值越大。式中的是相干長度，當(dāng)?shù)扔谙喔砷L度時，干涉條紋消失。因此在做干涉條紋光強(qiáng)檢測系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)盡量使其測量范圍遠(yuǎn)小于相干長度。即選擇相干性好的光源，測量范圍又不必過大。

1．光的單色性和測量范圍對相干度的影響相干光源波長的非單色性（波長變動范圍）會引起不同波長不同初相位的疊加，從而會降低相干度。若入射光的波長為，則相干度為：（6－86）2．光源的光束發(fā)散角影響對于光干涉測量系統(tǒng)除了要求光源的單色性好以外，還要求平行光照明，否則引起相位變化。對于平行平板干涉的情況，入射光束若有發(fā)散角變化，而入射光不垂直反射鏡的偏角為時（見圖6-46），可以算出由此引起的相干度為這表明由于和會引起空間每條相干光線的光程差不同，而使對比度下降。因此在設(shè)計時應(yīng)采用好的平行光照明。且光線應(yīng)垂直于反射鏡入射。

圖6-46入射光束平行度的影響

3．光電檢測器的接收孔徑光闌的影響光電信號的質(zhì)量不僅取決于干涉條紋的相干度，而且取決于接收器光闌和條紋寬度之間的比例關(guān)系。圖6-47中，條紋光強(qiáng)空間分布為:

在任一位置處，光電檢測器的輸出為：

由此，對于不同位置，光電檢測器的輸出：

混頻效率或光闌寬度與條紋寬度之比直接影響電信號的幅值，可使干涉區(qū)域充分占據(jù)接收光闌，通過加大條紋寬度來增大值。圖6-47干涉條紋與接收光闌的關(guān)系4．合理選擇透射與反射比，獲得等光強(qiáng)干涉相干涉兩路光的波振幅相等時，條紋對比度為1，即得到最好的條紋對比度，使信噪比大為增加。獲得等光強(qiáng)干涉核心是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)使相干的兩路光的透射率與反射率之比近似為1。如圖6-45所示為邁克爾遜干涉儀。為了獲得等光強(qiáng)干涉，要求分光鏡的反射率與透射率大致相等，測量鏡與反射鏡的反射率大致相等。5．共光路設(shè)計遵守共光路設(shè)計原則可以減小外界溫度變化和機(jī)械振動等對干涉測量的影響。使測量光路與參考光路處于相同的外部工作環(huán)境下，有利于提高相干檢測系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。為了獲得共光路干涉可采用如下方法：將參考鏡與被測物（或測量鏡）放在同一光路中，如圖6-48所示米勒干涉儀。完全共路可采用散射板或渥拉斯頓棱鏡等分光，圖6-49是散射板共路干涉儀原理圖。圖6-48米勒干涉儀原理圖圖6-49散射板式共路干涉儀原理圖1—光源2—聚光鏡3—針孔4—散射板5—被測凹面6—投影物鏡7—成像物鏡8—觀察屏三、干涉條紋相位檢測法及其設(shè)計干涉條紋相位檢測法是用式（6-80）直接檢測相位的變化，有很好的穩(wěn)定性和很高的精度。

圖6-50是相位檢測的泰曼—格林干涉儀原理圖，它在參考鏡處使用壓電器件驅(qū)動參考鏡作周期性的運(yùn)動。壓電器件驅(qū)動可以采用階梯波、正弦波、鋸齒波等。不同的驅(qū)動方式產(chǎn)生的參考鏡運(yùn)動規(guī)律不同，因此求解的方法也不同。圖6-50相位檢測的泰曼—格林干涉儀干涉條紋相位檢測系統(tǒng)要求相位檢測精度高和相位信號穩(wěn)定，對該系統(tǒng)設(shè)計時要注意：1.參考鏡的驅(qū)動應(yīng)重復(fù)性好，且驅(qū)動穩(wěn)定。2.參考鏡采用階梯波驅(qū)動時，由于階梯波的特點(diǎn)，驅(qū)動過程是：驅(qū)動—靜止（采樣）—驅(qū)動—靜止（采樣），因此信息采集是間歇的，在采樣過程中應(yīng)避免壓電器件蠕變影響。當(dāng)采用正弦波驅(qū)動時驅(qū)動是連續(xù)的，由于振幅與檢測點(diǎn)處波面相位差成正弦關(guān)系，當(dāng)采用相位鎖定法檢測相位時有原理誤差存在。而鋸齒波法沒有原理誤差。3.由于參考路與測量路是分置的，因此環(huán)境溫度和振動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.相位檢測精度是關(guān)鍵，參考鏡的不同驅(qū)動方式，其相位檢測方法是不一樣的，采用精度高且方法簡便的相位檢測是十分重要的。四、干涉條紋的外差檢測系統(tǒng)光學(xué)外差檢測是將包含有被測信息的相干光調(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器上進(jìn)行光學(xué)混頻。（一）光學(xué)外差檢測原理光學(xué)外差檢測的原理如圖6-51a所示。設(shè)入射信號光波的復(fù)振幅和參考光波的復(fù)振幅分別為在光混頻器上的輸出光強(qiáng)為:當(dāng)和足夠接近，探測器的輸出信號變成:

圖6-51光學(xué)外差探測原理a）原理圖b）頻譜分布圖（二）光外差檢測的特性光外差干涉測量具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）檢測能力強(qiáng)；

（2）轉(zhuǎn)換增益高；

（3）信噪比高；

（4）濾波性好；

（5）穩(wěn)定性和可靠性高。（三）光外差檢測系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

1．光外差檢測的空間條件信號光和本振光的波前必須重合，也就是說，必須保持信號光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直。為了研究兩光束波前不重合對外差檢測的影響，假設(shè)信號和本振光都是平面波。如圖6-52所示，信號光的波前和本振光的波前有一夾角。分析中，假定本振光垂直入射，并令本振光為

圖6-52光外差探測的空間關(guān)系信號光

光混頻器輸出的瞬時光電流為積分后，可得光電器件檢測到的信號為

由以上各式知，瞬時中頻電流的大小與失配角有關(guān)，為0時電流達(dá)到最大。實際中很難調(diào)到零，為了得到盡可能大的中頻輸出，只有，因此

上式表明，波長越長，光電檢測器尺寸越小，容許的失配角就越大。波長越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。2．光外差檢測的頻率條件光外差探測除了要求信號和本振光必須保持空間準(zhǔn)直、共軸以外，還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度。一般情況下，為了獲得單色性好的激光輸出，必須選用單模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器作為相干檢測的光源。信號光和本振光的頻率漂移如不能限制在一定的范圍內(nèi)，則光外差檢測系統(tǒng)的性能就會變壞。所以，在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號光和本振光的頻率和相位。通常兩束光取自同一激光器，通過頻率偏移取得本振光，而信號光用調(diào)制的方法得到。通過頻率偏移獲得本振光的方法：1.利用塞曼效應(yīng)使激光器輸出的激光發(fā)生分裂，獲得頻移（1.5～1.8）

MHZ的本振光；2.利用半導(dǎo)體激光器注入電流變化來獲得偏頻；3.利用聲光調(diào)制器改變聲頻使一級衍射光產(chǎn)生頻移；4.利用光入射到旋轉(zhuǎn)的衍射光柵或波片來獲得偏頻。3．光外差檢測的偏振條件在光混頻器上要求信號光與本振光的偏振方向一致，這樣兩束光才能按光束疊加規(guī)律進(jìn)行合成。一般情況下都是通過在光電接收器的前面放置檢偏器來實現(xiàn)的。分別讓兩束信號中偏振方向與檢偏器透光方向相同的信號通過，以此來獲得兩束偏振方向相同的光信號。4．外差檢測的功率穩(wěn)定外差檢測的信噪比，式中為本機(jī)振蕩功率，它若不穩(wěn)定將會引起很大的噪聲，因此外差檢測要求本振光功率要穩(wěn)，除了采用穩(wěn)頻率和穩(wěn)功率技術(shù)來穩(wěn)定之外，在光路中采用雙通道混頻技術(shù)來減小的影響是十分有效的。第七節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計舉例—激光干涉儀的設(shè)計干涉儀是基于光波干涉原理設(shè)計成的儀器，干涉測量的最大特點(diǎn)是它具有很高的靈敏度和精度。本節(jié)以激光干涉儀設(shè)計為例說明光電系統(tǒng)設(shè)計的方法。一、干涉儀的一般特性與設(shè)計要點(diǎn)

一般干涉儀主要由四部分組成：光源及照明系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、觀察接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。

干涉儀按其用途，可分為兩類：一類是用來測量條紋的彎曲量；另一類是用來測量干涉場指定點(diǎn)上條紋的移動量。在干涉儀中，將限制光源大小的光闌稱為干涉儀的入射光瞳，可觀測干涉圖的平面稱為出射窗或干涉場（見圖6-53）。圖6-53干涉儀的瞳和窗

干涉儀是利用干涉條紋來進(jìn)行測量的儀器，設(shè)計時首先先應(yīng)使儀器能方便地調(diào)出所需要的干涉條紋。因此，必須研究干涉儀中光學(xué)元件運(yùn)動與條紋的形狀、間隔、方向變化等因素的關(guān)系，從中找出規(guī)律，指導(dǎo)干涉儀的設(shè)計。