光电检测技术与应用-7光电检测系统浅析.ppt

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，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角θ而改变。θ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。 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，通常为25，50，100，250条/mm。被广泛地应用于： 光栅数显表 光栅传感器在位置控制中的应用 轴环式数显表 机械测长和数控机床中。 代表性产品： 德国Heidenhain（海德汉）： 封闭式：量程3000mm，分辨力0.1 ?m 开放式：量程1440mm，分辨力0.01?m 开放式：量程270mm 分辨力1nm 英国Renishaw（雷尼绍）： 量程：任意分辨力： 0.1 ?m 0.01 ?m 中国长春光机所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 ?m 5 光外差检测的基本原理 利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。 两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场,又称相干检测。只有激光才能进行相干检测。 输出信号中包含 的差频信号,因此称光外差检测 输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等； 转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高７－８数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号光功率小，但是本振光功率大） 良好的滤波性能　 信噪比损失小 检测灵敏度高 检测距离远 对探测器的要求比直接检测高 5 光外差检测的特性 光外差检测的空间和频率条件 空间条件： θ:两束光的夹角，l=d：检测器光敏面线度． 波长越短或口径越大，要求相位差角θ越小，越难满足要求． 频率条件： 要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。 　如何获得单频光和稳频光？ 信号光与本振光并非平行 而成一夹角θ 光外差检测系统 光外差检测与直接检测系统相比，具有如下优点： 测量精度高7-8个数量级； 灵敏度达到量子噪声极限，其NEP值可达10-20W。 可用于光子计数。 激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所 在外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用 阶段。 外差检测在高频（υ≥1016Hz）光波时不如直接检测有 用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技 术就可实现接近量子噪声限的检测。 光外差检测原理示意图 直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp： 显然光波直接检测只能测量其振幅值。 光外差检测原理如图，两束平行的相干光，经分光镜和可变光阑入射到检测器表面进行混频，形成相干光场，经检测器变换后，输出信号包含差频信号，故又称相干检测。 6.1 光外差检测原理 如图，光源经过稳频的二氧化碳激光器，由分束镜把入射光分成两路：一路经反射作为本振光波，频率为fL，另一路经偏心轮反射，经聚焦到可变光阑上作为信号光束。 偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为： ν 那么，入射到检测器上的总光场为： 光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为： 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为差频项，频率低得多，当差频信号(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为ωC/2π的光电流输出。 如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为： 中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为： 中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即： 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为： 这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 6.2 光外差检测特性 6.2.1 光外差检测可获得全部信息 外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。 6.2.2 光外差检测转换增益G高 光外差检测中频输出有