光电检测技术8.ppt

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1、第八章 相干变换与检测方法,陈 翔 宇 Email D Tel 13986267362 QQ 552136081 电子信息工程系 2006-10,内容,第一节 相干变换与检测的原理 第二节 相干信号的相位检测 第三节 相干光外差检测原理,干涉测量技术基于光波干涉原理 相干检测利用光的相干性测量信息 灵敏度 精度,一、变换与检测的原理,1 光学干涉与干涉测量 不能直接探测光波的振幅、相位、频率以及偏振等的变化， 利用光的干涉现象转化为光强度的变化。 什么是光干涉？ 将可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动为 其中，

2、为光波的振幅， 为角频率， 为初始相位。,( 8-1),相干变换与检测的原理,两光束合成时，所形成干涉条纹的强度分布为 其中， 条纹光强的直流分量； 条纹的对比度； 光频差； 相位差。,( 8-2),相干变换与检测的原理,若 ，此时式8-2简化为 外差检测技术 在光频差不大时，检测光强变化，计算波面分布 若 ，此时干涉条纹以 的角频率随时间波 动，形成光学拍频信号（外差干涉信号） 同时，干涉条纹的强度还取决于相干光的相位差： (对均匀介质而言) 其中， 为光程， 为传输介质的折射率。,( 8-3),( 8-4),干涉条纹检测技术 对稳定的条纹记数 分析,相干变换与检测的原理,2 干涉测量中的调

3、制与解调 调制过程： 干涉仪或者干涉装置(称作光调制器)将被测物理量的有关信息以信号的形式叠加到光载波上去；光调制器能使光载波的特征参量随被测信号的变化而变化，成为调制光。 解调过程： 调制的反过程，解调器从被调制的光载波中以与被测参量成比例的光强信号或电信号形式检测出被测参量。 制造 检测 光程差,相干变换与检测的原理,Michelson干涉仪的调制与解调为例：,二、相干信号的相位调制与检测,1、引论 (如何实现相位调制？) 若相干光束的频率相同时，若被测量变化使相干光波的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称为单频光波的相位调制 2、主要涉及内容 1) 相

4、位调制的干涉系统 2) 干涉条纹的检测方法 条纹光强检测法、干涉条纹比较法及干涉条纹跟踪法 3) 二次相位调制与干涉图分析 阶梯波扫描干涉法、锯齿波扫描干涉法及波面相位调制和干涉图分析,根据公式(8-4)可知，引起相位变化的参量是光路长L和介质折射率n 因此相位调制通常利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、电子学等变换器件，将被测量的变化转换为光路长L和折射率n的变化，以用于检测几何和机械运动参量以及分析介质的物理特性。 2)常用的光学干涉仪有： 迈克尔逊(Michelson)干涉仪; 吉曼(Gell-Mann)干涉仪； 马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪； 萨古纳克(sagna

5、c)干涉仪； 法布里-玻罗(Fabry-Perot)干涉仪；,1、相位调制的干涉系统,(8-7),典型光学干涉仪-Michelson干涉仪,结构如图8-3a 基本工作原理及特点 1）双路干涉系统 2）测量镜位移的改变将引起 测量光路光程差的改变， 进而引起干涉条纹的变化。 3）测量分辨率为10-13m； 4）缺点在于输出光束可能回馈到激光器中，使激光器不能 正常工作。 （解决办法：设置偏振片）,典型光学干涉仪-Gell-Mann干涉仪,结构如图8-3b 基本工作原理及特点 1）双路干涉系统； 2）通过测量臂中光学介质折射率 的改变实现光程差的改变，进 而改变干涉条纹分布。 3）测量精度约为/5

6、0,n,n,典型光学干涉仪-Mach-Zehnder干涉仪,结构如图8-3c 基本工作原理及特点 1）双路干涉系统 2）在测量臂一路中引入被测物或 移动反射镜可改变光程差，进 而改变干涉条纹分布。 3）回馈到激光器的散射光较少，有利于降低激光器的不稳定噪声。,典型光学干涉仪-Sagnac干涉仪,结构如图8-3d 基本工作原理及特点 1）闭合回路系统 2）通过闭合回路的转动引起相反 方向传输光路光程差的改变， 进而实现干涉条纹分布的改变。 3）可测量转角及转速，测角精度为0.05“,典型光学干涉仪-Fabry-Perot干涉仪,结构如图8-3e 基本工作原理及特点 1）入射光在两平行板之间反射

7、（光光束干涉） 相干强度的变化为：,其中，R为反射镜的反射率，F为干涉条纹锐度， 是相邻反射光束间的相位差。而且 =4nd/0,2）可测量位移以及气体的折射率，测量精度达2X10-5nm,(8-6),(8-7),总 结,这些系统根据改变相干光束的相位差来改变干涉条纹分布，进而改变干涉条纹振幅分布，实现被测量的测量； 这些干涉仪的共同特点是相干光在空气中传播，环境温度的改变会引起空气折射率的扰动；大气湍流和声波干扰也会导致光程的变化，降低了工作的可靠性和测量精度； 因此，可采用光纤结构！,其中， 为两光束的相干度，0为平均值,2、干涉条纹的检测方法,(一)条纹光强检测法 1）在干涉场中确定的位置

8、上用光电元件 直接检测干涉条纹的光强变化 称为条纹光强检测法。 实例：一维干涉测长 2）单频光相干时，合成信号的强度为： 上式只有在检测时间内cos(t)为恒定时，才能得到确定的值。若(t)随时间变化，则合成光强是对t的积分： 等效处理为：,(8-8),(8-9),(8-10),3）分析 的物理意义？ 将(8-10)代入(8-9)得：,上式表明： 越大，光强随相位的变化越明显，而当=0时，合成光强是两光强分量的几何叠加，没有干涉现象。 因此， 是衡量干涉条纹光强对比度的重要指标。 对 的影响因素： A）光的单色性（时间相干性） 单色性和光程差 B）光源的光束发散角 附加光程差,(8-11),(

9、一)条纹光强检测法,C）光电接收器件的接收孔径光阑 照度和条纹间距,(一)条纹光强检测法,光电转换混频效率,(二)干涉条纹比较法,1）对应8-3所示的干涉仪，如果采用两束不同频率的相干光源，各自独立地组成干涉光路，使其中一束光频为已知，另一束为未知，则对应共用测量反射镜的同一位移，两光束各自形成干涉条纹。经光电检测后形成两组独立的电信号，通过电信号频率的比较可以计算出未知光波的波长。这种对应同一位移，比较不同波长的两个光束干涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹比较法。 2）例子：波长测量结构及原理,1-半反射镜 2、3- 圆锥角反射镜,未知波长为：,(8-12),(三)干涉条纹跟踪法,1）这是一

10、种平衡测量法。在测量仪测量镜位置变化时，通过光电接收器实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得到测量镜的位移。 2）例子： 省却相位测量装置 测量速度受限,3、二次相位调制与干涉图分析,1）引论 干涉测量中为了自动分析干涉条纹，通常将参考光的相位人为地随时间进行调制（即二次调制），使干涉图上各点处的光学相位变换为相应点处时序电信号的相位，以进行动态相位检测。利用扫描或阵列检测器分别测得各点的时序变化，就能以优于/100 的相位精度和100线对/mm的空间分辨率测得干涉条纹的相位分布，从而实现了实时

11、、高精度和自动化检测。 直接测量光强 比较时序相位 2）常用的方法主要有锁相干涉法和条纹扫描法，下面重点介绍阶梯波扫描干涉法和锯齿波扫描干涉法。,1、阶梯波扫描干涉法,1）基本结构和基本原理 a) 利用压电陶瓷等驱动装置驱动参考反射镜周期性地随时间成比例地移动 /2，干涉条纹的各点上将形成同样周期的正弦型强度变化。 b) 在不同位置上时序信号的初始相位与该点被测波面的初始相位对应。 c) 用光电方法比较各点被测波面的相位就可以计算出被测表面的形状分布。,2) 在工程上，为了便于采集数据，常使参考光路按阶梯波形变化，在参考镜所处的每一个阶梯位置上用CCD 摄像机对干涉面上各点的光强值取样，对于每

12、一个点，用傅立叶和式累加各个阶梯上的测量结果可拟合出正弦变化曲线，由此得到干涉面上各点的相对相位分布。,3）下面讨论一维的情况：干涉面上任意一点x的光强度可表示为：,将上式看成r的余弦函数，并表示成直流分量和基波分量的傅立叶级数形式：,(8-13),(8-14),令在2周期内每次改变1/n周期，共采样p个周期，即,(8-15),则与rj对应的干涉强度可用式(8-14)表示，只是r用rj代替而已。,应用三角函数的正交关系，I(x,rj)的各系数为：,(8-16),上式是在最小均方意义上对干涉面上光强正弦变化的最佳拟合。由此，各点处的相位值可用两个加权平均值给出，即,(8-17),上式是对p次周期

13、测量数据的累加平均；利用上式对每个测量点分别测得np个数据，可得到被测面形的相位分布图。,相位连续变化,2、锯齿波扫描干涉法,1）与阶梯波扫描干涉法相比，该方法使参考光路按锯齿波形变化。 2）基本原理 锯齿波扫描相位调制信号的光强可表示为,又因为,并选用积分型光电器件接收扫描调制波的光信号,则输出为:,(8-18),(8-19),(8-20),令=at,设每次积分相依中心值为,对上式作积分有:,上式中的s1、s2、/2和 都是未知数，可以采用多次积分数据优化求解，最终确定被测面形的相位分布图。,总结：二次相位调制用测量并比较时序信号的相位来代替测量光强度的空间分布，这种方法不受幅度变化的影响，

14、同时受波动、背景光和某些噪声的影响也小，因此测量更稳定，测量精度更高。,(8-21),2、锯齿波扫描干涉法,3、波面相位调制与干涉图分析,1）引论： 将相干光束扩束成平面波或其他规则波面照射到被测物体上时，干涉场的相干场是一组二维干涉图，对二维干涉图进行分析，可以得到被测物表面的微细面形分布或透射介质的折射率分布，称为干涉图分析。 2）波面相位调制（了解） 能实现波面相位调制的干涉仪； 3）干涉图分析方法（了解） 数字图像处理技术；,波面相位调制,物面变形,折射率,干涉图分析,图像处理技术 1 降噪预处理 增强 复原 2 边缘检测 3 中心提取 提取 细化 4 图像拟和 5 检测值计算,三、相

15、干光外差检测原理与方法,1、引论 相干探测主要是外差探测；光外差探测在很多方面，包括激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面有着广泛的应用。主要的特点在于： 1）外差探测比直接探测的作用距离远，测量精度高； 2）外差探测对光源的相干性要求极高。 2、本节主要内容 1）光学外差检测原理 2）外差检测的调频方法 3）外差检测方法,1、光学外差检测原理,1）外差检测原理概括 光学外差探测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波， 在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行光学混频。 探测器的输出是两光波光频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。通过检测拍频信号能

16、最终解调出被传送的信息。,光学外差信号,参考光信号 a0 v0 0 不变,2）外差检测原理的数学分析,a)设入射信号光波的复振幅和参考光波的复振幅分别为：,在光混频器上的输出光强为：,可见，混频后的光电信号包含直流分量、二倍参考光频和二倍信号光频以及参考光和信号光的合频和差频分量。,因为光电探测器具有低通性质，因此输出信号（光学外差信号）为：,(8-32),(8-33),(8-34),* 由上式可知，在保持本振光的振幅0、频率0和相位0不变的前提下，外差信号的振幅K0s 、频率 =s-0和相位 =s-0可以表征信号光波的特征参量s、s和s；也就是说外差信号能以时序电信号的形式反映相干场上各点处

17、信号光波的波动性质。 b) 当信号光受被测信息调制时，外差信号也能无畸变地精确复制这些调制信号，举例如下：（调幅）,其中，A0是调制信号振幅，mn、n、n分别是调制信号各频谱分量的调制度、角频率和相位。将上式带入(8-24)，则外差信号为：,(8-35),(8-36),2）外差检测原理的数学分析,零差探测信号,只反映振幅和相位的变化,稳定的干涉条纹,频差为零的特殊情况,2）外差检测原理的数学分析,频谱分析,若令本振光频率和信号光频率相同(注意了！这对应的是直接检测的情况！)，并令=0，则(8-36)变为：,这就是零差探测的表达式；反映当信号光被调制时，零差信号也能无畸变地反映调制信息。,(8-

18、37),3）光外差检测的条件,A）光外差检测的空间条件,假设信号光与本振光都是平面波,如图所示,两者的波前有一个夹角。为简单起见，假定探测器的光敏面是边长为d的正方形；若本振光垂直入射，则有：,(8-47),信号光与本振光的波前必须重合， 即必须保持信号光和本振光在空间上的角准直 *分析如下 (什么是波前?),3）光外差检测的条件,信号光斜入射到光探测器表面时， 同一波前到达光探测器光敏面的时间不同， 可等效于在x方向以速度x行进， 所以在光敏面不同点处形成波前相差， 则信号光写为：,则光敏面总光场为：,(8-49),(8-50),经中频滤波器后输出瞬时中频电流为：,光混频器输出的瞬时电流为：

19、,将上式积分处理得：,由此可知，当=0时，上式最大。 为获得尽可能大的瞬时中频电流，应要求 d1/21，即sins/d。 举例如下：当d=1mm, s=0.63m时， 41”！ 因此，外差探测的空间准直要求是十分苛刻的。,(8-51),(8-52),(8-54),B）光外差探测的频率条件,信号光和本振光必须具有高度的单色性和频率稳定性， 而且频率漂移必须限制在一定范围内 *分析如下 从物理光学的角度看，光外差检测是两束光波迭加后产生干涉的结果；这种干涉要求信号光与本振光具有很好的单色性和频率稳定性。因此，为了获得好的单色性激光输出，必须选用单纵模运转的激光器作为相干探测的光源。 另外，任何光电

20、探测器及其后续光电检测电路都有一个特定的通频带宽，这要求信号光与本振光的频率相对漂移不能太大。因此，在光外差探测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率和相位。 C）光外差检测的偏振条件 在光混频器上信号光与本振光偏振方向不垂直， 通常放置偏振器使两者偏振方向一致,3）光外差检测的条件,4）光外差检测的特性,A）探测能力强； 检测信号光的振幅、频率和相位 B）转换增益高； C）信噪比高； D）滤波性好； 频带固定的外差信号易于滤波 E）稳定性和可靠性高； 不易受绝对光强变化影响,2、外差检测的调频方法,1）为了形成外差检测的光频差，需要采用频率调制技术。 2）根据光频差获得方式的不同，外差

21、调制可以分为 A）运动参量调频 B）固定频移 C）直接调频法,1）运动参量的频率调制,a) 光学多普勒效应和运动差频运动物体能改变入射于其上的光波的频率的现象即为多普勒效应。,* 对运动参量进行检测时,被测运动 参量直接对参考光波的频率进行调制, 形成与参考光有一定频差的信号光,(8-60),基于多普勒效应的频率调制方式： (1)参考光束方式； (2)对称互差方式； (3)干涉条纹方式；,1）运动参量的频率调制,Sagnac效应,1、当Sagnac干涉仪转动时，顺时针光路和逆时针光路的光程差是：,其中， A-封闭光路包围的面积； -封闭光路的转动角速度； C-光速； -角速度矢量和面积A法线之

22、间的夹角； 2、解释（如图8-17） 3、结论： 闭合光路的反向光程差随转速改变的现象即为Sagnac效应！,(8-63),b）萨古纳克效应和转动差频,什么是Sagnac效应？ 如何实现转动频差？,1、在环型激光器中，激光束的基频纵模频率为：,2、对于转动的环型激光器，则频差为：,Sagnac效应,N 光频率差记数累加积分值,2）固定频移的频率调制,a) 塞曼效应 b) 声光效应 c) 旋转波片 d) 旋转光栅,实现频移的方式：,*使用频移器件使参考光形成一定的频率偏移，或使用双频光源形成有一定频差的两相干光束的频率调制方法,3）直接光频调制,利用可调频的激光器产生随时间变化的调频参考光束的频率调制方法。 1、半导体激光器的直接频率调制 2、直接调频光干涉装置,3、外差检测方法,1）零差检测（了解） 2）双频干涉法 （ 对比 ） 3）直接光频率调制的外差检测（了解）,1）零差检测,1）零差检测,1）零差检测,双频干涉法,1）光学超外差 利用固定频移法进行调频时，被测信号对其中一束光波进行调频与调相，通过检测差频信号可以测定被测参量值,1、工作原理如左图 2、数学解释 光学差频为： 波数累积： 则测量距离为：,2）双频激光干涉测量,2）双频激光干涉测量,3）直接光频率调制的外差检测,3）直接光频率调制的外差检测,