光电直接检测系统莫尔条纹2013

1、光电直接检测系统光电直接检测系统相干检测，光源：相干光源原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 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。非相干检测，光源：非相干或相干光源原理：利用光强度光强度携带信息，将光强度转换为 电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、偏振调制光强度调制、偏振调制。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6.1 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。

2、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上页上页下页下页后退后退直接探测系统直接探测系统 光电探测器的平方律特性光电探测器的平方律特性 2( )( )ssi te t假定入射信号光的电场假定入射信号光的电场 es(t)=Escosst 是等幅正弦变化，是等幅正弦变化， 这里这里s是光频率。是光频率。 因为光功率因为光功率 Ps(t)e2(t)， 所以由光所以由光电探测器的电探测器的光电转换定律光电转换定律：

3、E对对e2s(t)的时间平均是因为光电探测器的响应时间远远的时间平均是因为光电探测器的响应时间远远大于光频变化周期，大于光频变化周期， 所以光电转换过程实际上是所以光电转换过程实际上是对光对光场变化的时间积分响应。场变化的时间积分响应。时间平均时间平均ehv上页上页下页下页后退后退直接探测系统直接探测系统E式中式中Ps是入射信号光的平均功率。若探测器的负载电是入射信号光的平均功率。若探测器的负载电阻是阻是RL，那么，光电探测器的，那么，光电探测器的电输出功率：电输出功率：2220sLsLPi RP R212sssiEP 将正弦变化的入射信号光场将正弦变化的入射信号光场 es(t)=Escoss

4、t 代入，则：代入，则：E该式说明，该式说明，探测器的电输出功率正比于入射光功率的平探测器的电输出功率正比于入射光功率的平方方。所以，我们应该建立这样的观念：光电探测器的平。所以，我们应该建立这样的观念：光电探测器的平方律特性包含着两层含义：方律特性包含着两层含义：E其一是光电流正比于光电场振幅的平方；其一是光电流正比于光电场振幅的平方； E其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。上页上页下页下页后退后退直接探测系统直接探测系统如果入射光场是调幅波如果入射光场是调幅波: :( )1( )cosssse tEKV tt221( )( )2sssi tEE

5、KV t交流成份中交流成份中包含调制信包含调制信号信息号信息E若光探测器输出有若光探测器输出有隔直流电容，隔直流电容，则输出光电流只包含第则输出光电流只包含第二项，即直接探测的基本物理过程。二项，即直接探测的基本物理过程。E注意：探测器响应的是光场的包络，目前尚无直接响应注意：探测器响应的是光场的包络，目前尚无直接响应光频率的探测器。光频率的探测器。直流项直流项上页上页下页下页后退后退直接探测系统直接探测系统信噪比性能分析信噪比性能分析E考虑到信号和噪声的独立性，考虑到信号和噪声的独立性， 应用应用 2oisksv 设输入光电探测器的信号光功率为设输入光电探测器的信号光功率为 si ，噪声功率

6、为，噪声功率为ni ， 光电探测器的输出电功率为光电探测器的输出电功率为 so ， 输出噪声功率为输出噪声功率为no，则，则总的输入功率为总的输入功率为(si+ni)，总的输出功率为，总的输出功率为(so+no)。由光电。由光电探测器的平方律特性探测器的平方律特性so+no=k(si+ni)2 =k(s2i+2sini+n2i)2i(2)oiinks nn上页上页下页下页后退后退直接探测系统直接探测系统v 输出功率信噪比为：输出功率信噪比为： 222(/)()212(/)oiiioiiiiiisssnSNRss nnsnE从上式可以得出如下结论：从上式可以得出如下结论： 若若 si/ni1,

7、则则E 输出信噪比近似等于输入信噪比的一半，输出信噪比近似等于输入信噪比的一半，即经光电转即经光电转换后信噪比损失了换后信噪比损失了3dB，适于实际应用；，适于实际应用； 直接探测方式不能改善输入信噪比，但适宜于较直接探测方式不能改善输入信噪比，但适宜于较强光强光信号的探测，且探测方法简单、易于实现、可靠性高，信号的探测，且探测方法简单、易于实现、可靠性高，成本较低，成本较低，因此应用广泛。因此应用广泛。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

8、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。莫尔条纹测长仪在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量位移测量，有很高的分辨力，可优于0.1m。 黑白光栅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-动光栅动光栅 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相对运

9、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，并使两者的栅线保两者的栅线保持很小的夹角持很小的夹角，光栅节距为P。在两光栅的刻线重合处，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。莫尔条纹是周期性函数。 计量光栅主光栅q指示光栅这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直(?)。通常在光栅的适当位置安装光敏元件，即可检测到亮暗变化。 当指示光栅沿x轴（例如水平方向）自左向右移动时，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

10、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： qsinPB莫尔条纹演示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扩大了扩大了 倍倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。qsin/ 1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