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1、第五章第五章 光电直接检测系统光电直接检测系统7/27/20247/27/20241 1光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件典型的光电检测系统典型的光电检测系统直接检测系统（光强调直接检测系统（光强调制）制） 莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 激光测距仪激光测距仪 激光准直激光准直 环境污染检测系统环境污染检测系统光外差检测系统光外差检测系统 激光干涉测长仪（相位激光干涉测长仪（相位调制）调制） 多普勒测速（频率调制）多普勒测速（频率调制） 光外差通信光外差通信7/27/20247/27/20242 2光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接
2、检测系统课件系统课件光电检测系统分类主动系统/被动系统( (按信息光源分按信息光源分) )红外系统/可见光系统( (按光源波长分按光源波长分) )点探测/面探测系统？( (按接受系统分按接受系统分) )模拟系统/数字系统( (按调制和信号处理按调制和信号处理方式分方式分) )直接检测？/光外差检测系统？( (按光波按光波对信号的携带方式分对信号的携带方式分) )7/27/20247/27/20243 3光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件相干检测，相干检测，光源：相干光源光源：相干光源原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，原理：利用光的振幅、频率、相位
3、携带信息，检测时需要用光波相干原理。检测时需要用光波相干原理。调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测，非相干检测，光源：非相干或相干光源光源：非相干或相干光源原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、偏振调制调制方法：光强度调制、偏振调制直接检测是一种简单实用的方法。直接检测是一种简单实用的方法。光外差检测直接检测光电检测系统7/27/20247/27/20
4、244 4光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.1光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息强度调制直接检测模型强度调制直接检测模型7/27/20247/27/20245 5光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.1 5.1 光电
5、直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理假定入射光信号电场为：5-1光场平均光功率为：表示的时间平均值；5-2光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数5-37/27/20247/27/20246 6光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方。5.1 5.1 光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：5-4如果入射光是调幅波，即其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:5-5式中第一项为
6、直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。5-67/27/20247/27/20247 7光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.2 光电直接检测系统的基本特性5.2.1 5.2.1 直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏及灵敏度衡量模拟系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：5-7考虑到信号和噪声的独立性，有：5-8由信噪比定义，输出功率信噪比为：5-97/27/20247/27/20248 8光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件
7、5.2.1 5.2.1 直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。(1)若，则有：5-10(2) 若，则有：5-117/27/20247/27/20249 9光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用“误码率”来衡量。误
8、码率仍然与信噪比有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分布规律考虑“概率问题”来衡量。7/27/20247/27/20241010光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.2.2 5.2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方法直接检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热噪声之和。5-12输出信噪比为：5-137/27/20247/27/20241111光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.2.2 5.2.2 直
9、接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限 当热噪声是直接检测系统 的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：5-14 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限 制，信噪比为：5-15 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统 受背景噪声限制，信噪比为：5-167/27/20247/27/20241212光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.2.2 5.2.2 直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限假定光波长=0.7m，检测器的量子效率=1，测量带宽f=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为 当入射信号光
10、波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：5-17该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度。若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：5-187/27/20247/27/20241313光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。系统趋近于量子极限意味
11、着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，NEP较大。5.2.2 5.2.2 直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限7/27/20247/27/20241414光电检测技术与应用光电直接检测
12、光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.2.3 5.2.3 直接检测系统的视场角直接检测系统的视场角直接检测系统视场角检测器物镜视场角表示系统能检测到的空间范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：或视场角立体角为：从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响： 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。因此在系统设计时，在检测到信号
13、的基础上尽可能减小系统视场角。5-197/27/20247/27/20241515光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.2.4 5.2.4 系统的通频带宽度系统的通频带宽度频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例.对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽f：在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频率的2倍。如果是调频波，则要求滤
14、波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。5-201.等效矩形带宽：2.频谱曲线下降3dB的带宽3.包含90%能量的带宽7/27/20247/27/20241616光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.3 直接检测系统的距离方程光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用“检测距离”来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景
15、噪声场接收机电路噪声回收的信息7/27/20247/27/20241717光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件1、被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图大气传播接收光学系统信号处理接收机接收信息光电检测被测目标7/27/20247/27/20241818光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件设被测目标的光谱辐射强度为经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为：入射到检测器上的光谱功率 为：根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的12的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：5-
16、211、被动检测系统的距离方程7/27/20247/27/20241919光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件1、被动检测系统的距离方程 都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：式中 取1为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率1。 光学系统的透过率0对光谱响应范围内平均值。 把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为 常数RV，在其它区域为零。根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度， 再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。将上述值代入5-22式，可得：令检测器的方均
17、根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：5-227/27/20247/27/20242020光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5-23即：5-24又因为：5-25将上式代入5-24，可得：5-26式中Ad为检测器面积；f为系统的带宽；D*为检测器的归一化检测度；AoIe=P0是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功率为：S()为调制信号的功率谱7/27/20247/27/20242121光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对
18、入射功率的利用系数km，则上式改写为：5-27第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。7/27/20247/27/20242222光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件大气传播接收光学系统信号处理接收机回收信息光电检测强度调制器发射光学系统光源信号发射机反射目标2、主动检测距离方程主动检测过程示意图7/27/20247/27/20242323光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件主动检测系统的光源主
19、要为激光光源。令其发射功率为Ps()；发射束发散立体角为；发射光学系统透过率为01()，经调制的光能利用率为km，则发射机发射的功率PT()为：激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为k()，经传播距离L后光斑面积为SL=L2，光斑SL的辐射照度Ee为：设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度Ie()为：2、主动检测距离方程7/27/20247/27/20242424光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件假定接收机和发射机在一处，反
20、射光经大气传输到接收器的过程仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为k()，则接收功率为：式中，D0为光学系统接收口径；=D02/4L2为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为02()，则检测器上接收到的总功率为：式中:检测器上的输出电压为：7/27/20247/27/20242525光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件式中：RV()为检测器相对光谱响应度，将5-25式代入上式得距离L为：如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积L2，则上式可化为：可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。在前面计算距离时，在被
21、动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。7/27/20247/27/20242626光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.4 直接检测系统的举例计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。5.4.1 莫尔条纹测长仪在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅
22、主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于0.1m。黑白光栅7/27/20247/27/20242727光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角，光栅节距为P。在两光栅的
23、刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹.莫尔条纹是周期性函数。 计量光栅7/27/20247/27/20242828光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件莫尔条纹光栅原理莫尔条纹光栅原理 构成：构成： 主光栅主光栅-标尺光栅，标尺光栅，定光栅定光栅指示光栅指示光栅-动光动光栅栅莫尔条纹测长的数学表达7/27/20247/27/20242929光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件横向莫尔条纹特征当指示光栅沿x轴（例如水平方向）自
24、左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距P，光强变化一个周期。由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式：7/27/20247/27/20243030光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件莫尔条纹有如下特征： 1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误
25、差。 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。 3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。7/27/20247/27/20243131光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件误差的平均效应误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用
26、。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的对线纹的刻划误差有平均抵消作用刻划误差有平均抵消作用, 几条刻线的栅距几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。 例例W=0.02mm, 接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm2,在在10mm范围内有范围内有500条刻线参条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。形状基本无影响。7/27/20247/27/20243232光电检测技术与应用光电
27、直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件对应关系7/27/20247/27/20243333光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征放大作用放大作用放大作用放大作用放大倍数为放大倍数为 1/, 1/,越小越小, , B B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.12/360 =0.1=0.12/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592mm。7/27/20247/27/2
28、0243434光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件例，对25线/mm的长光栅而言，P0.04mm，若=0.016rad，则B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨0.04mm的间隔。 计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x mm（也就是移过了100x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被
29、光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。7/27/20247/27/20243535光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件光电传感器输出信号波形光电传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：变化，其输出波形如图： 由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实由此可知，只要计算输出电压的
30、周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变化是位移在现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题： 辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向； 精度低；分辨力只为一个栅距精度低；分辨力只为一个栅距P。7/27/20247/27/20243636光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系
31、统课件系统课件辨向原理：辨向原理： 用两个光电元件相距用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差安装（相当于相差90空间角，空间角，B: 2=B/4: /2），如图所示，可以解决辨向问题。），如图所示，可以解决辨向问题。 当条纹上移时，当条纹上移时，V2落后于落后于V1 90。 当条纹下移时，当条纹下移时，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之间的相位关系可以之间的相位关系可以 判别运动方向。判别运动方向。7/27/20247/27/20243737光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件四倍频细分判向原理指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫
32、尔条纹变化一周指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫尔条纹变化一周. .工工作台进行长度测量时作台进行长度测量时, ,指示光栅的移动距离为指示光栅的移动距离为 x=NP+x=NP+ 其中其中P P为为光光栅节栅节距距,N,N为为指示光指示光栅栅移移动动距离中包含的光距离中包含的光栅线对栅线对数数;为为小于小于1 1一个光一个光栅节栅节距的小数距的小数. .最最简单简单的形式是以指示光的形式是以指示光栅栅移移过过的光的光栅对栅对数数N N直接直接进进行行计计数数. .但但实际实际系系统统并不并不单单独独计计数数, ,而是利用而是利用电电子学的方法子学的方法, ,把莫把莫尔尔条条纹纹的一个周期的一个周
33、期进进行再行再细细分分, ,于是可以于是可以读读出小数部分出小数部分, ,使系使系统统的分的分辨能力提高辨能力提高. .电电子子细细分可分到几十分之一到百分之一分可分到几十分之一到百分之一. .细细分方法有分方法有: :幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换等幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换等幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换等幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换等方法。方法。方法。方法。常见的四倍频细分判向原理常见的四倍频细分判向原理7/27/20247/27/20243838光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件细分技术细分技术（解
34、决精度问题）（解决精度问题） 当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。其电路框图如图所示。7/27/20247/27/20243939光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件
35、莫尔条纹的应用莫尔条纹的应用莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，通常为通常为2525，5050，100100，250250条条/mm/mm。被广泛地应用于：。被广泛地应用于： 1. 1.光栅数显表光栅数显表2. 2.光栅传感器在位置控制中的应用光栅传感器在位置控制中的应用3. 3.轴环式数显表轴环式数显表4. 4.机械测长和数控机床中。机械测长和数控机床中。7/27/20247/27/20244040光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件 代表性产品：代表性产品： 德国德国Heidenhain
36、（海德汉）：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m开放式：量程开放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m开放式：量程开放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m中国长春光机所：中国长春光机所： 量量 程：程：1000mm分辨力：分辨力：0.01 m7/27/20247/27/20244141光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件5.4.2 5.4.2 激光测距仪激光测距仪1 1 1 1、 脉冲激光测距仪脉
37、冲激光测距仪脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，此瞬时功率很大，般可达兆瓦级。由于上述两般可达兆瓦级。由于上述两点，脉冲激光测距在有反射器的情况下，可以达点，脉冲激光测距在有反射器的情况下，可以达到极远的测程；进行近距离到极远的测程；进行近距离( (几公里几公里) )测量时，如测量时，如果测量精度要求不高，不必使用反射器，利用被果测量精度要求不高
38、，不必使用反射器，利用被测目标对脉冲激光的反射取得反射信号，也可以测目标对脉冲激光的反射取得反射信号，也可以进行测距。进行测距。 7/27/20247/27/20244242光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件在在在在1 1处产生的激光，经过待测的路程射向处产生的激光，经过待测的路程射向处产生的激光，经过待测的路程射向处产生的激光，经过待测的路程射向2 2处。在处。在处。在处。在2 2处装处装处装处装有向有向有向有向1 1处反射的装置，处反射的装置，处反射的装置，处反射的装置，1 1处至处至处至处至2 2处间的距离处间的距离处间的距离处间的距离D D是待
39、测的。如果是待测的。如果是待测的。如果是待测的。如果在在在在1 1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从处有一种装置，它能够测出脉冲激光从处有一种装置，它能够测出脉冲激光从处有一种装置，它能够测出脉冲激光从1 1处到达处到达处到达处到达2 2处再返处再返处再返处再返回回回回1 1处所需要的时间处所需要的时间处所需要的时间处所需要的时间t t，则，则，则，则式中式中式中式中 c c 为光的传播速度。为光的传播速度。为光的传播速度。为光的传播速度。脉冲激光测距的工作原理脉冲激光测距的工作原理7/27/20247/27/20244343光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件
40、系统课件脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调（调Q/锁模）锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片7/27/20247/27/20244444光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路等组成.7/27/20247/27/20244545光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件 由由由由光光光光电电电电器器器器件件件件得得得得到到到到的的的的电电电电脉
41、脉脉脉冲冲冲冲，经经经经放放放放大大大大器器器器以以以以后后后后，输输输输出出出出一一一一定定定定形形形形状状状状的的的的负负负负脉脉脉脉冲冲冲冲至至至至控控控控制制制制电电电电路路路路。由由由由参参参参考考考考信信信信号号号号产产产产生生生生的的的的负负负负脉脉脉脉冲冲冲冲A(A(图图图图(d)(d)经经经经控控控控制制制制电电电电路路路路去去去去打打打打开开开开电电电电子子子子门门门门。这这这这时时时时振振振振荡荡荡荡频频频频率率率率一一一一定定定定的的的的时时时时钟钟钟钟振振振振荡荡荡荡器器器器产产产产生生生生的的的的时时时时钟钟钟钟脉脉脉脉冲冲冲冲，可可可可以以以以通通通通过过过过电电
42、电电子子子子门门门门进进进进入入入入计计计计数数数数显显显显示示示示电电电电路路路路，计计计计时时时时开开开开始始始始。当当当当反反反反射射射射回回回回来来来来经经经经整整整整形形形形后后后后的的的的测测测测距距距距信信信信号号号号B B到到到到来来来来时时时时，关关关关闭闭闭闭电电电电子子子子门门门门，计计计计时时时时停停停停止止止止。计计计计数数数数和和和和显显显显示示示示的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲数数数数如如如如图图图图(g)(g)所所所所示示示示。从从从从计计计计时时时时开开开开始始始始到到到到计计计计时时时时停停停停止止止止的的的的时时时时间间间间正正正正比比比比于参考信号与测距信号之
43、间的时间。于参考信号与测距信号之间的时间。于参考信号与测距信号之间的时间。于参考信号与测距信号之间的时间。 则被测距离为：则被测距离为：则被测距离为：则被测距离为：7/27/20247/27/20244646光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件2 2、 相位激光测距仪相位激光测距仪测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为f，光速为c，则波长可由式=c/f求出。光波每前进一个波长相当于相位变化了2则距离D可表示为：“ “光尺光尺” ”测量距离原理测量距离原理图图测距时，调制激光照在合作目标上，被反回接收经光电转换后得到相同的电信号，与光源的驱动电压相比较
44、，测得相位差，由相位差可算得所测距离。7/27/20247/27/20244747光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件为为了了便便于于理理解解测测距距仪仪的的测测相相系系统统对对光光波波往往返返二二倍倍距距离离后后的的相相位位移移进进行行测测量量，图图中中说说明明了了光光波波在在距距离离L L上往返后的相位变化。上往返后的相位变化。如如果果设设光光波波从从A A到到AA点点的的传传播播过过程程中中相相位位变变化化( (又又称称为为相相位位移移) )为为，则由图看出，被测距离为：，则由图看出，被测距离为：由上分析可知，如果测得光波相位移中2的整数N和小数n
45、，就可以确定出被测距离值，所以调制光波可以被认为是一把“光尺”，其波长就是相位式激光测距仪的“测尺”长度。7/27/20247/27/20244848光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件式中当式中当N N等于等于0 0时，时， 可可由由检检相相器器检检出出，得得被被测测距距离离，但但当当N N不不等等于于0 0时时，N N的的大大小小不不能能确确定定，出出现现测测量量误误差差。目目前前的的相相位位测测距距仪仪只只可可测测相相位位尾尾数数，不不能能求求整整周周期期数数N N，因因此此在在测测距距离离较较长长时时，选选用用较较低低的的测测尺尺频频率率便便会会
46、有有很很大大的的误误差差（多多值值解解），而而且且由由于于仪仪器器存存在在测测量量误误差差，选选用用大大的的测测尺尺长长度度愈愈大大测测距距误误差差越越大大。解解决决方方法法就就是是采采用用几几个个精精度度不不同同的的“光光尺尺”配配合合使使用用。即即除除了了基基本本测测尺尺长长度度L L外外，再再选选一一个个或或几几个个辅辅助助测测尺尺L Lsbsb，然然后后将将各各测测尺尺的的测测距距读读数数组组合合起起来来得得到到单单一一的的和和准准确确的距离值。的距离值。 例例如如：选选用用两两把把测测尺尺，其其中中基基本本测测尺尺L Lsasa=1000m=1000m，辅辅助助尺尺L Lsbsb=1
47、0m=10m，可用它来测量某一段长度为，可用它来测量某一段长度为386.57m386.57m。7/27/20247/27/20244949光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件差频相位检测原理调制频率越高,测量精度越高.但是,一般相位计工作在低频区.差频后两信号都工作在低频区,但相位差仍保持高频信号的相位差s.差频后差频后:7/27/20247/27/20245050光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件相位测距仪原理相位测距仪原理相位测距仪原理相位测距仪原理如图采用两个测尺，长度分别如图采用两个测尺，长度分别如图采用
48、两个测尺，长度分别如图采用两个测尺，长度分别为为为为10m10m10m10m和和和和1000m1000m1000m1000m，对应的精度分，对应的精度分，对应的精度分，对应的精度分别为别为别为别为1cm1cm1cm1cm和和和和1m1m1m1m。取相应的频率。取相应的频率。取相应的频率。取相应的频率为为为为f f f f1 1 1 1=15MHz=15MHz=15MHz=15MHz和和和和f f f f2 2 2 2=150kHz=150kHz=150kHz=150kHz。 由开关依次控制发光二极管供由开关依次控制发光二极管供由开关依次控制发光二极管供由开关依次控制发光二极管供电，发射测距信号
49、，进行两次测距。电，发射测距信号，进行两次测距。电，发射测距信号，进行两次测距。电，发射测距信号，进行两次测距。而最后比较驱动信号和光电二极管而最后比较驱动信号和光电二极管而最后比较驱动信号和光电二极管而最后比较驱动信号和光电二极管输出信号的检相器只能工作在较低输出信号的检相器只能工作在较低输出信号的检相器只能工作在较低输出信号的检相器只能工作在较低频率。因而需要将高频电压转换到频率。因而需要将高频电压转换到频率。因而需要将高频电压转换到频率。因而需要将高频电压转换到低频电压。低频电压。低频电压。低频电压。所以在电路有又设两个本振信号发生器，频率分别为：所以在电路有又设两个本振信号发生器，频率
50、分别为：所以在电路有又设两个本振信号发生器，频率分别为：所以在电路有又设两个本振信号发生器，频率分别为：与主振频率分别通过基准与主振频率分别通过基准与主振频率分别通过基准与主振频率分别通过基准 和信号混频器进行外差，输出和信号混频器进行外差，输出和信号混频器进行外差，输出和信号混频器进行外差，输出f f f fC C C C的低频基准电压和的低频基准电压和的低频基准电压和的低频基准电压和信号电压。信号电压。信号电压。信号电压。 信号电压和基准电压都降为信号电压和基准电压都降为信号电压和基准电压都降为信号电压和基准电压都降为4kHz4kHz4kHz4kHz，但其相位仍保持高频信号的相，但其相位仍
51、保持高频信号的相，但其相位仍保持高频信号的相，但其相位仍保持高频信号的相位。这两个信号进入检相电路检出相位差，最后进入计算电路计算，将位。这两个信号进入检相电路检出相位差，最后进入计算电路计算，将位。这两个信号进入检相电路检出相位差，最后进入计算电路计算，将位。这两个信号进入检相电路检出相位差，最后进入计算电路计算，将f f f f1 1 1 1和和和和f f f f2 2 2 2两次测量结果在计算电路综合以后，显示出来。两次测量结果在计算电路综合以后，显示出来。两次测量结果在计算电路综合以后，显示出来。两次测量结果在计算电路综合以后，显示出来。7/27/20247/27/20245151光电
52、检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件为消除内部光学及电子学系统的误差，在测量之前，把三角棱镜为消除内部光学及电子学系统的误差，在测量之前，把三角棱镜放大发光二极管前面并对内光路测一次。然后再以后的测量结果放大发光二极管前面并对内光路测一次。然后再以后的测量结果中减去。即得到校正值。中减去。即得到校正值。7/27/20247/27/20245252光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件范围：范围：0.2 300m 分辨力：分辨力： 3mm德国俫卡手持式：德国俫卡手持式：范围：范围：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美国美国bushwell 单目军用单目军用范围：范围：1000m分辨力：分辨力：1m7/27/20247/27/20245353光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件本章结束作业题：P133,T6、8、9、107/27/20247/27/20245454光电检测技术与应用光电直接检测光电检测技术与应用光电直接检测系统课件系统课件
