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1、第一章 光电信息技术物理基础其次节 光学基础1 光电转换器件：是指把光能（可见光或不行见光）的光电转换器件：是指把光能（可见光或不行见光）的变更转换为电量（电阻、电流、电压等）变更的器件。变更转换为电量（电阻、电流、电压等）变更的器件。光电传感器：用一个或几个光电器件把欲测的物理量光电传感器：用一个或几个光电器件把欲测的物理量（长度、宽度、直径、压力、转矩、温度、溶液浓度等）（长度、宽度、直径、压力、转矩、温度、溶液浓度等）转换成电量的装置。转换成电量的装置。光电测控系统：是指包含光电传感器的测控系统。光电测控系统：是指包含光电传感器的测控系统。调整调整对象对象光电传光电传感器感器比较比较器器
2、放大放大器器执行执行机构机构参考值参考值调节调节对象对象1.2.3 光调制光调制2 光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变更，以实现信息检测传送目的的方法。息的特征变更，以实现信息检测传送目的的方法。光调制的目的：光调制的目的：去背景信号去背景信号去噪声去噪声抗干扰抗干扰 调制类型：调制类型：强度调制强度调制相位调制相位调制偏振调制偏振调制频率和波长调制。频率和波长调制。3一、光强度调制一、光强度调制 光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变更的光信
3、号转换成以某一较快频素使待测的直流或缓慢变更的光信号转换成以某一较快频率变更的光信号，这样，就可接受沟通选频放大器放大，率变更的光信号，这样，就可接受沟通选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。然后把待测的量连续测量出来。41、调制盘（斩波器）、调制盘（斩波器）在圆形板上由透亮和不透亮的扇形区构成。在圆形板上由透亮和不透亮的扇形区构成。当当回回旋旋转转时时，通通过过盘盘的的光光脉脉冲冲周周期期性性的的变变更更，光光脉脉冲冲的的形态确定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形态。形态确定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形态。图1.2.3-1a 调制盘 5应用：空空导弹6空空导弹位标器78910
4、1:线光源线光源2:圆筒圆筒3:狭缝狭缝4:缝隙光阑缝隙光阑图图1.2.3-1b 调制线光源调制线光源112、利用电磁感应的机械调制、利用电磁感应的机械调制 如图所示是一种电磁感应的机械调制原理图如图所示是一种电磁感应的机械调制原理图12图1.2.3-3 受抑全反射调制器现象：在交变电压作用下，压电晶体周期性的变形，使入射光束分解现象：在交变电压作用下，压电晶体周期性的变形，使入射光束分解 为两束相互垂直相位相反的调制光。为两束相互垂直相位相反的调制光。3、受抑全反射调制器、受抑全反射调制器134、正弦波形调制器、正弦波形调制器 如图所示是一种旋转叶片正弦调制器原理图如图所示是一种旋转叶片正弦
5、调制器原理图2h2h14 利利用用外外界界因因素素变变更更光光波波的的相相位位，通通过过检检测测相相位位变变更更来测量物理量的原理称为光相位调制。来测量物理量的原理称为光相位调制。光光波波的的相相位位由由光光传传播播的的物物理理长长度度、传传播播介介质质的的折折射射率率及及其其分分布布等等参参数数确确定定，也也就就是是说说变变更更上上述述参参量量即即可可产产生生光波相位的变更，实现相位调制。光波相位的变更，实现相位调制。由由于于光光探探测测器器一一般般都都不不能能感感知知光光波波相相位位的的变变更更，必必需需接接受受光光的的干干涉涉技技术术将将相相位位变变更更转转变变为为光光强强变变更更，才才
6、能能实实现现对对外外界界物物理理量量的的检检测测，因因此此，光光相相位位调调制制应应包包括括两两部部分分：一是产生光波相位变更的物理机理；二是光的干涉。一是产生光波相位变更的物理机理；二是光的干涉。二、二、光相位调制光相位调制15图1.2.3-6 干涉调制原理1、利用干涉现象实现光相位调制、利用干涉现象实现光相位调制 16三、光偏振调制三、光偏振调制 利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简洁的方法是用两利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简洁的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为 I0：两偏振器主平面一样时所通过的光强；：两偏振器主平面一样
7、时所通过的光强；：两偏振器主平面间的夹角。：两偏振器主平面间的夹角。1、接受电光效应实现的光偏振调制、接受电光效应实现的光偏振调制 电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变更的各种现象。电光效应方面主要以电致旋光效应、克尔效应和泡更的各种现象。电光效应方面主要以电致旋光效应、克尔效应和泡克耳效应来获得光偏振调制。克耳效应来获得光偏振调制。17（1）利用电致旋光效应的光偏振调制）利用电致旋光效应的光偏振调制123451：光源；：光源；2：准直镜；：准直镜；3：起偏器；：起偏器；4：石英晶体；：石英晶体；5：检偏器；：检偏器；18
8、（2）利用克尔效应的光偏振调制）利用克尔效应的光偏振调制 克尔效应指的是某些各向同性的介质在电场的作用下变成各向克尔效应指的是某些各向同性的介质在电场的作用下变成各向异性，光束通过将会产生双折射现象。异性，光束通过将会产生双折射现象。双折射现象：入射光正入射到晶体的表面，发觉光束分解成两双折射现象：入射光正入射到晶体的表面，发觉光束分解成两束，一束在晶体中沿原来的方向传播，叫寻常光束，一束在晶体中沿原来的方向传播，叫寻常光(简称简称o光光)，另一，另一束偏离了原来的方向，叫特别光束偏离了原来的方向，叫特别光(简称简称e光光)。但当光线沿着晶体的。但当光线沿着晶体的光轴传播时，光轴传播时，o光和
9、光和e光不分开。光不分开。1：单色光源；：单色光源；2：透镜；：透镜；3：起偏器；：起偏器；4：克尔电容器；：克尔电容器；5：检偏器；：检偏器；12345E+19（3）利用泡克耳效应的光偏振调制）利用泡克耳效应的光偏振调制 如图所示，在起偏器如图所示，在起偏器3和检偏器和检偏器5之间放置压电晶体磷酸二之间放置压电晶体磷酸二氢钾（氢钾（KDP）晶体）晶体2，光沿着晶体光轴，光沿着晶体光轴Z的方向进入晶体是不会的方向进入晶体是不会分成两束的。但假如沿着光轴的方向加上电场，则光线就被分成分成两束的。但假如沿着光轴的方向加上电场，则光线就被分成两束光，这一现象就叫做泡克耳效应。两束光，这一现象就叫做泡
10、克耳效应。1单色光源；单色光源；2透镜；透镜；3起偏器；起偏器；4压电晶体；压电晶体；5检偏器；检偏器；12345EZ202、接受磁光效应实现的光偏振调制、接受磁光效应实现的光偏振调制 磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变更的各种现象。目前在磁光效应方面，主性质发生变更的各种现象。目前在磁光效应方面，主要是利用要是利用“法拉第法拉第”旋光效应和科登旋光效应和科登穆顿效应来获穆顿效应来获得光偏振调制。得光偏振调制。（1）利用）利用“法拉第法拉第”旋光效应产生旋光效应产生光偏振调制光偏振调制 “法拉第法拉第”旋光效应指的是某些物质在磁场
11、的作用下，旋光效应指的是某些物质在磁场的作用下，能使通过该物质的偏振光振动面产生旋转的现象。能使通过该物质的偏振光振动面产生旋转的现象。P1P2J线圈线圈21四、频率和波长调制四、频率和波长调制 利用外界因素变更光的频率或光的波长，通过检测光的频率利用外界因素变更光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变更来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和或光的波长的变更来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。波长调制。1 1、频率调制、频率调制 光的频率调制，主要是指光学多普勒频移。光学中的多普勒光的频率调制，主要是指光学多普勒频移。光学中的多普勒现象是指由于观测者和运动目标的相对运
12、动，使观测者接收到的现象是指由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变更的现象。光波频率产生变更的现象。22SPQB21图1.2.3-16 多普勒频移23SPQB21图图1.2.3-16 多普勒频移多普勒频移则近似地求双重多普勒频移表达式为：则近似地求双重多普勒频移表达式为：光源光源S发出频率为发出频率为的光，的光，P观测到的频率为：观测到的频率为：得：得：24 设设一一束束散散射射光光与与另另一一束束参参考考光光的的频频率率分分别别为为+和和，到到达达光光电电探测器表面的电场强度分别为：探测器表面的电场强度分别为：式式中中E01、E02为为两两束束光光在在光光电电探探测测
13、器器表表面面处处的的振振幅幅；1 1、2为两束光的初相。为两束光的初相。若若两两束束光光为为相相干干光光，在在光光电电探探测测器器表表面面产产生生混混频频，其其合合成成的的总电场强度为总电场强度为 对对上上式式作作三三角角变变换换，略略去去光光学学频频率率项项，因因为为在在检检测测器器输输出出中不能视察到此频率，所以检测器输出光信号为中不能视察到此频率，所以检测器输出光信号为检测器输出的光信号检测器输出的光信号I(t)正比于总电场的平方，即：正比于总电场的平方，即：25图图1.2.3-17 热色物质颜色变更的波长调制热色物质颜色变更的波长调制2、波长调制、波长调制（1）利用热色物质的颜色变更进
14、行波长调制）利用热色物质的颜色变更进行波长调制26图图1.2.3-19 黑体辐射的波长调制黑体辐射的波长调制该系统不须要外加光源，而且简洁的由探头尖端（即黑体腔）该系统不须要外加光源，而且简洁的由探头尖端（即黑体腔）收集黑体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传收集黑体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送到分光仪或滤光片，依据普朗克提出的辐射亮度与波长的送到分光仪或滤光片，依据普朗克提出的辐射亮度与波长的关系随温度变更的公式，通过双波长或单波长检测就能测出关系随温度变更的公式，通过双波长或单波长检测就能测出黑体的温度。黑体的温度。（3）利用黑体辐射进行波长调制）利用黑体辐射进行波长调制27（4）利用滤光器参数的变更进行波长调制图1.2.3-20 滤光器参数变更的波长调制28