光電檢測(cè)課程設(shè)計(jì) 孫浩

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)院理學(xué)院專(zhuān)業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名孫浩班級(jí)學(xué)號(hào)1009020213課程設(shè)計(jì)題目一種光電準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù)：（1） 選擇恰當(dāng)?shù)墓怆姍z測(cè)方法及光電器件，設(shè)計(jì)種光電準(zhǔn)直系統(tǒng)。（2） 設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖、裝置圖、電路圖；（3） 闡明工作原理，分析此方法的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明如何提高測(cè)量的準(zhǔn)確度；（4） 完成課程設(shè)計(jì)論文。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排：時(shí)間：十四~十五周，具體安排如下：（1） 理解題目要求，查閱資料，確定設(shè)計(jì)方案：3天；（2） 設(shè)計(jì)與繪制原理圖、裝置圖：2天；（3） 調(diào)整方案：1天；（4） 撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)：3天；（5） 答辯：1天。指導(dǎo)教師：201年月日專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人：201年月曰學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：201年月曰

成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名孫浩班級(jí)學(xué)號(hào)1009020213專(zhuān)業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目一種光電準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)組長(zhǎng)簽字：成績(jī)?nèi)掌?013年月日目錄TOC\o"1-5"\h\z1引言 4\o"CurrentDocument"2基本原理 5\o"CurrentDocument"3檢測(cè)原理 6\o"CurrentDocument"3.1光束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 63.1.1激光器的選擇 63.1.2光學(xué)元件的說(shuō)明 6\o"CurrentDocument"3.2光電探測(cè)器及處理電路 7\o"CurrentDocument"4設(shè)計(jì)說(shuō)明 8\o"CurrentDocument"4.1減小激光器輸出光束的漂移 84.1.1熱穩(wěn)定裝置 84.1.2光束補(bǔ)償裝置 94.1.3在激光管周?chē)鷮?duì)稱(chēng)地放置自動(dòng)控溫加熱器 9\o"CurrentDocument"4.2消除大氣擾動(dòng)的影響 10\o"CurrentDocument"5結(jié)果討論 10\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 111引言激光準(zhǔn)直廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)中，如大尺寸設(shè)備的裝配和制造的準(zhǔn)直、直線度的測(cè)試、多自由度準(zhǔn)直測(cè)量［1］。根據(jù)現(xiàn)有激光準(zhǔn)直原理的不同，可將激光準(zhǔn)直的方法分為振幅測(cè)量法、干涉測(cè)量法等。振幅測(cè)量法以激光束的強(qiáng)度中心作為直線基準(zhǔn)，在需要準(zhǔn)直的點(diǎn)上用光電探測(cè)器接收。缺點(diǎn)是易受光束截面上強(qiáng)度分布不對(duì)稱(chēng)、探測(cè)器靈敏度不對(duì)稱(chēng)的影響；干涉測(cè)量法是在以激光束作為直線基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，又以光的干涉原理進(jìn)行讀數(shù)來(lái)進(jìn)行直線度測(cè)量的⑵。缺點(diǎn)是只能在較短距離有好的精度，不適于較長(zhǎng)距離的準(zhǔn)直。本課設(shè)的光柵衍射干涉激光準(zhǔn)直裝置主要利用干涉測(cè)量法，實(shí)現(xiàn)在較短距離的準(zhǔn)直。2基本原理光柵衍射干涉激光準(zhǔn)直裝置以光柵做敏感元件，以雙面發(fā)射鏡組兩反射面夾角的中分線為直線基準(zhǔn)。He-Ne激光器1發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)2、分光鏡3、射向光柵4,光柵4的刻線方向垂直于紙面，平行于拖板7的底面。入射光經(jīng)光柵調(diào)制，產(chǎn)生各級(jí)衍射光，其中+1和-1級(jí)衍射光分別垂直投射到雙面反射鏡組6的兩個(gè)反射面上（雙面反射鏡組6的兩個(gè)反射面之間的夾角設(shè)計(jì)成與土級(jí)衍射光之間的夾角互補(bǔ)）。這樣土1級(jí)衍射光經(jīng)雙面反射鏡組反射面反射后，沿原路返回到光柵，再次經(jīng)光柵衍射，+1級(jí)的+1級(jí)衍射光（+1，-1）與-1級(jí)的-1級(jí)衍射光（-1,-1），沿原入射光方向反向射出并產(chǎn)生干涉。1-He-Ne激光器2-擴(kuò)束系統(tǒng)3-分光鏡4-光柵5-石英晶體6-雙面反射鏡7-拖板8-滑板9-偏振分光鏡10,11-光電探測(cè)器圖1光柵衍射干涉激光準(zhǔn)直裝置原理圖光路中石英晶片5的作用是利用石英晶體的雙折射性能產(chǎn)生偏振方向相互垂直的兩路偏振光，并使這兩路偏振光發(fā)生移相，兩路相干光經(jīng)分光鏡3反射后投射到偏振分光鏡9上，由分光鏡9將偏振方向互相垂直且相移為90的兩路相干光束分開(kāi)，分別由光電探測(cè)器10及11接收。測(cè)量時(shí)，可令光柵4固定在拖板7上，滑板8勻速地從導(dǎo)軌的一端移向另一端，導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度偏差使滑板8及光柵4隨之有垂直于光柵方向的上下位移，即柵線相對(duì)于雙面反射鏡組6的兩反射面夾角的平分線上有上下位移，于是干涉光強(qiáng)信號(hào)發(fā)生變化。當(dāng)光柵位移量x等于以1個(gè)光柵系數(shù)d時(shí)，光強(qiáng)信號(hào)有4個(gè)周期的變化，即干涉光強(qiáng)信號(hào)變化一個(gè)周期k，相當(dāng)于光柵上下位移1/4個(gè)光柵常數(shù)⑶：

丫dk=_3檢測(cè)原理3.1光束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1激光器的選擇利用激光束的能量中心照射在光電探測(cè)器上，因此需要光場(chǎng)能量分布均勻所以激光器電光源采用單模輸出的He-Ne激光器⑷，功率不需要太大，l~2mW就能滿足測(cè)量需要,波長(zhǎng)為632.8nm。3.1.2光學(xué)元件的說(shuō)明光柵最重要的作用是作為分光元件，這里作用是把入射光調(diào)制成各級(jí)衍射光，且衍射分級(jí)關(guān)于中心亮紋對(duì)稱(chēng)。d（sin甲土sin0）=m九 ⑵由光柵方程可見(jiàn)，對(duì)于給定光柵常數(shù)d的光柵，當(dāng)用復(fù)色光照射時(shí)，除零級(jí)衍射光外，不同波長(zhǎng)的同一級(jí)衍射光不重合，即發(fā)生“色散”現(xiàn)象，這就是衍射光柵的分光原理。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的各級(jí)亮線稱(chēng)為光柵譜線，不同波長(zhǎng)光譜線的分開(kāi)程度隨著衍射級(jí)次的增大而增大，對(duì)于同一衍射級(jí)次而言，波長(zhǎng)大者，0大，波長(zhǎng)小者，0?、伞D2透射光柵的衍射石英晶體是各向異性介質(zhì)，當(dāng)一束單色光在各向異性晶體的界面折射時(shí)，可以產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雙折射。在兩束折射光中，有一束總是遵循折射定律，稱(chēng)為尋常光，用符號(hào)o表示；另一束則不然，一般情況下，即使入射角為零，其折射角也不等于零，稱(chēng)它為非常光，用符號(hào)e表示。且o光和e光為偏振方向互相垂直的偏振光⑹。偏振分光鏡的作用是使偏振方向互相垂直的光束分成沿原來(lái)傳播方向的光束和沿鏡面反射方向的光束⑺。3.2光電探測(cè)器及處理電路四象限光電池一般由4個(gè)扇形的硅光電池組成，也有的是一片整個(gè)的硅光電池，正交切開(kāi)N或P層形成具有公共基底的四象限，如圖3(a)所示。四象限探測(cè)器中每片硅光電池的轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該一致，它們之間的相對(duì)位置也應(yīng)準(zhǔn)確。但實(shí)際上，兩片光電池的轉(zhuǎn)換效率往往差很遠(yuǎn)，有的可能20%。因此，所使用的光電池必須精心挑選，使每組的轉(zhuǎn)換效率一致。處理電路一般采用如圖3(b)所示的加、減運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，這時(shí)水平方向和垂直方向的輸出電壓分別為：U二(U+U)-(U+U)TOC\o"1-5"\h\zx 1 4 2 3 (2)\o"CurrentDocument"U二(U+U)-(U+U) (2)y 1 2 3 4式中，U,U,U,U分別為光電池4個(gè)電極的輸出電壓。圖3(b)中，A1~A6為12 3 4放大器⑻。圖3(a圖3(a)四象限探測(cè)器圖3(b)四象限探測(cè)器的處理電路4設(shè)計(jì)說(shuō)明4.1減小激光器輸出光束的漂移采用小功率單模He-Ne激光器，對(duì)這種激光器的要求，主要是光束方向的漂移要盡可能小。光束方向漂移的大小取決于組成諧振腔的兩塊反射鏡的穩(wěn)定性。由于諧振腔反射鏡支架的變形、激光器的發(fā)熱（一般可達(dá)60。?70。）及周?chē)h(huán)境溫度的變化，引起激光器毛細(xì)管彎曲或諧振腔變形，都可能引起光束方向的漂移。普通的He-Ne激光器，光束方向穩(wěn)定性為10-4?10-6rad；性能良好的外腔式激光器，技術(shù)參數(shù)為：光束方向穩(wěn)定性為2.5x10-7rad，對(duì)于1m長(zhǎng)的測(cè)量光程，其光束漂移量為0.1至數(shù)微米。減小激光器輸出光束的漂移，可以采用以下幾項(xiàng)措施：4.1.1熱穩(wěn)定裝置1-He-Ne激光器2-波形管3-絕熱材料4-套筒圖5激光器熱穩(wěn)定裝置示意圖熱穩(wěn)定裝置如圖5所示，在激光器外面放一個(gè)波形管，其作用是與激光器外表面保持良好的彈性接觸。同時(shí)，波形管是用導(dǎo)熱性比較好的金屬材料做成的，如不銹鋼或磷青銅。波形管周?chē)畛渲哂邢喈?dāng)?shù)偷膶?dǎo)熱系數(shù)和相當(dāng)高的比熱容的絕緣材料，如顆粒狀的氧化鎂。在氧化鎂外面是導(dǎo)熱較好的材料做成的套筒。兩端用絕熱材料環(huán)將波形管與套筒之間的絕熱材料封閉住。整個(gè)裝置的作用是使激光器沿長(zhǎng)度方向的溫度梯度減少，同時(shí)使裝置維持在較低的工作溫度上，從而減少變形⑼。4.1.2光束補(bǔ)償裝置圖6所示為光束補(bǔ)償裝置。不透明管用來(lái)阻擋雜散光和灰塵；角錐棱鏡使反射到激光諧振腔平面反射鏡上的光束總是平行于布儒斯特窗上的入射光束。同樣，在布儒斯特窗上的輸出光束總是平行于出射窗的入射光束。因此當(dāng)有一個(gè)扭力使角錐棱鏡變動(dòng)時(shí)，它所反射的激光束并不改變?cè)瓉?lái)的路程。而且，凹面腔反射鏡和平面腔反射鏡的位置靠的很近，實(shí)際上具有相同的環(huán)境條件，因此兩個(gè)面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是很小的。所以，當(dāng)激光器殼體變形時(shí)，輸出激光束對(duì)原來(lái)的位置只產(chǎn)生很小的橫向位移和角度偏移。1-激光管2-準(zhǔn)直儀主體3-不透明管4-角錐棱鏡5-平面腔反射鏡6-布儒斯特窗7-出射窗8-凹面腔反射鏡圖6外腔管的光束補(bǔ)償裝置4.1.3在激光管周?chē)鷮?duì)稱(chēng)地放置自動(dòng)控溫加熱器1-激光管2,3,4,5-四組加熱器6四象限硅光電池圖7溫控補(bǔ)償光束漂移裝置若光束漂移，則四象限光電池將光信號(hào)輸出給自動(dòng)控溫裝置，使一組加熱器開(kāi)始工作，以使管殼形成微小變形來(lái)校正光點(diǎn)回到硅光電池零位［9］。4.2消除大氣擾動(dòng)的影響激光準(zhǔn)直光束在空氣中的傳播路徑作為測(cè)量基準(zhǔn)直線，如大氣的熱流、風(fēng)速、密度變化會(huì)引起大氣折射率的變化，從而使激光束在傳播過(guò)程中偏離直線。常用方法有以下幾種：在光束傳輸路程上避免有熱源、溫度梯度、及氣流等的影響。將光束用套管屏蔽，甚至將管子抽成真空。沿著激光束前進(jìn)的方向以適當(dāng)流速的空氣流噴射，因?yàn)榭諝饬鲗⑻岣呖諝鈹_動(dòng)的頻率，可用時(shí)間常數(shù)比較小的低通濾波器，消除輸出信號(hào)的交變成分。對(duì)頻率為50?60Hz的擾動(dòng)可采取積分電路消除⑼。5結(jié)果討論本課設(shè)的光柵衍射干涉激光準(zhǔn)直裝置主要利用干涉測(cè)量法，實(shí)現(xiàn)在較短距離的準(zhǔn)直。該激光準(zhǔn)直儀的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高；裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：該準(zhǔn)直儀測(cè)量距離較短。在測(cè)量過(guò)程中由于激光器的發(fā)熱會(huì)造成激光器毛細(xì)管彎曲或諧振腔變形引起激光束方向的漂移，此外空氣擾動(dòng)造成的光斑跳動(dòng)等也會(huì)影響測(cè)量精度。所以在上面提出了三種減小激光束漂移的方法和四種減小空氣擾動(dòng)的方法。裝置中采用四象限光電池暗電流較大，各個(gè)單元的轉(zhuǎn)換效率不可能做到一致，使光強(qiáng)的探測(cè)不夠準(zhǔn)確。因此所使用的光電池必須精心挑選，使每組的