搜索
第一章光电信息技术物理基础第二节光学基础•光电转换器件：是指把光能（可见光或不可见光）的变化转换为电量（电阻、电流、电压等）变化的器件。•光电传感器：用一个或几个光电器件把欲测的物理量（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。•光电测控系统：是指包含光电传感器的测控系统。调节对象光电传感器比较器放大器执行机构参考值调节对象1.2.3光调制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化，以实现信息检测传送目的的方法。•光调制的目的：•去背景信号•去噪声•抗干扰•调制类型：•强度调制•相位调制•偏振调制•频率和波长调制。一、光强度调制光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。1、调制盘（斩波器）在圆形板上由透明和不透明的扇形区构成。当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期性的变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。图1.2.3-1a调制盘应用：空－空导弹空－空导弹位标器1:线光源2:圆筒3:狭缝4:缝隙光阑图1.2.3-1b调制线光源2、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，使入射光束分解为两束相互垂直相位相反的调制光。3、受抑全反射调制器4、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2h2h利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制。光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化，实现相位调制。由于光探测器一般都不能感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化，才能实现对外界物理量的检测，因此，光相位调制应包括两部分：一是产生光波相位变化的物理机理；二是光的干涉。二、光相位调制图1.2.3-6干涉调制原理1、利用干涉现象实现光相位调制三、光偏振调制利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单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I0：两偏振器主平面一致时所通过的光强；α：两偏振器主平面间的夹角。1、采用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，其光学性质发生变化的各种现象。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。（1）利用电致旋光效应的光偏振调制~123451：光源；2：准直镜；3：起偏器；4：石英晶体；5：检偏器；（2）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，发现光束分解成两束，一束在晶体中沿原来的方向传播，叫寻常光(简称o光)，另一束偏离了原来的方向，叫非常光(简称e光)。但当光线沿着晶体的光轴传播时，o光和e光不分开。1：单色光源；2：透镜；3：起偏器；4：克尔电容器；5：检偏器；12345E+–（3）利用泡克耳效应的光偏振调制如图所示，在起偏器3和检偏器5之间放置压电晶体磷酸二氢钾（KDP）晶体2，光沿着晶体光轴Z的方向进入晶体是不会分成两束的。但如果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。1单色光源；2透镜；3起偏器；4压电晶体；5检偏器；12345EZ2、采用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，其光学性质发生变化的各种现象。目前在磁光效应方面，主要是利用“法拉第”旋光效应和科登—穆顿效应来获得光偏振调制。（1）利用“法拉第”旋光效应产生光偏振调制“法拉第”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。P1P2J线圈四、频率和波长调制利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。1、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化的现象。βSPQBθ2ανθ1图1.2.3-16多普勒频移βSPQBθ2ανθ1图1.2.3-16多普勒频移则近似地求双重多普勒频移表达式为：光源S发出频率为ν的光，P观测到的频率为：得：设一束散射光与另一束参考光的频率分别为ν+△ν和ν，到达光电探测器表面的电场强度分别为：式中E01、E02为两束光在光电探测器表面处的振幅；φ1、φ2为两束光的初相。若两束光为相干光，在光电探测器表面产生混频，其合成的总电场强度为对上式作三角变换，略去光学频率项，因为在检测器输出中不能观察到此频率，所以检测器输出光信号为检测器输出的光信号I(t)正比于总电场的平方，即：图1.2.3-17热色物质颜色变化的波长调制2、波长调制（1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制图1.2.3-19黑体辐射的波长调制该系统不需要外加光源，而且简单的由探头尖端（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送到分光仪或滤光片，根据普朗克提出的辐射亮度与波长的关系随温度变化的公式，通过双波长或单波长检测就能测出黑体的温度。（3）利用黑体辐射进行波长调制（4）利用滤光器参数的变化进行波长调制图1.2.3-20滤光器参数变化的波长调制