光电直接检测系统.pptx

典型的光电检测系统典型的光电检测系统直接检测系统（光强调直接检测系统（光强调直接检测系统（光强调直接检测系统（光强调制）制）制）制）莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 激光测距仪激光测距仪激光测距仪激光测距仪 激光准直激光准直激光准直激光准直 环境污染检测系统环境污染检测系统环境污染检测系统环境污染检测系统光外差检测系统光外差检测系统光外差检测系统光外差检测系统 激光干涉测长仪（相位激光干涉测长仪（相位激光干涉测长仪（相位激光干涉测长仪（相位调制）调制）调制）调制）多普勒测速（频率调制）多普勒测速（频率调制）多普勒测速（频率调制）多普勒测速（频率调制）光外差通信光外差通信光外差通信光外差通信光电检测系统分类光电检测系统分类主动系统主动系统/被动系统被动系统(按信息光源分按信息光源分按信息光源分按信息光源分)红外系统红外系统/可见光系统可见光系统(按光源波长分按光源波长分按光源波长分按光源波长分)点探测点探测/面探测系统？面探测系统？(按接受系统分按接受系统分按接受系统分按接受系统分)模拟系统模拟系统/数字系统数字系统(按调制和信号处理按调制和信号处理按调制和信号处理按调制和信号处理方式分方式分方式分方式分)直接检测？直接检测？/光外差检测系统光外差检测系统？(按光波按光波按光波按光波对信号的携带方式分对信号的携带方式分对信号的携带方式分对信号的携带方式分)相干检测，相干检测，相干检测，相干检测，光源：相干光源光源：相干光源光源：相干光源光源：相干光源原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，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。检测时需要用光波相干原理。检测时需要用光波相干原理。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，频率调制调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制调制方法：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。测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。测量精度灵敏度）更高，作用距离更远。测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测，非相干检测，非相干检测，非相干检测，光源：非相干或相干光源光源：非相干或相干光源光源：非相干或相干光源光源：非相干或相干光源原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。电信号，解调电路检出信息。电信号，解调电路检出信息。电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、偏振调制调制方法：光强度调制、偏振调制调制方法：光强度调制、偏振调制调制方法：光强度调制、偏振调制直接检测是一种简单实用的方法。直接检测是一种简单实用的方法。直接检测是一种简单实用的方法。直接检测是一种简单实用的方法。光光外外差差检检测测直直接接检检测测光光电电检检测测系系统统5.1光电直接检测系统的基本工作原理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。电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还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。可经过频率滤波和空间滤波等处理。强度强度调制器调制器光学天线光学天线光学通道光学通道接收天线及光接收天线及光电检测器电检测器光电信号光电信号处理器处理器光源光源信号信号发射机发射机背景噪声场背景噪声场接收机接收机电路噪声电路噪声回收的回收的信息信息强度调制直接检测模型强度调制直接检测模型5.1 5.1 5.1 5.1 光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理假定入射光信号电场为：假定入射光信号电场为：5-15-1光场平均光功率为：光场平均光功率为：表示表示的时间平均值；的时间平均值；5-25-2光检测器输出电流为：光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数称为光电变换比例常数5-35-3光检测器的平方律特性：光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方，光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方电输出功率正比于入射光功率的平方。5.1 5.1 5.1 5.1 光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理若光检测器负载电阻若光检测器负载电阻R RL L，则光检测器输出电功率为：，则光检测器输出电功率为：5-45-4如果入射光是调幅波，即如果入射光是调幅波，即其中其中d(t)d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为为:5-55-5式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。5-65-65.2 5.2 光电直接检测系统的基本特性光电直接检测系统的基本特性5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏及灵敏度衡量模拟系统好坏及灵敏度衡量模拟系统好坏及灵敏度衡量模拟系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：5-75-7考虑到信号和噪声的独立性，有：考虑到信号和噪声的独立性，有：5-85-8由信噪比定义，输出功率信噪比为：由信噪比定义，输出功率信噪比为：5-95-95.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于统不适用于输入信噪比小于1 1或微弱光信号的检测。或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了比损失了3dB3dB。实际应用中可以接受。实际应用中可以接受。可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。得到广泛应用。(1)(1)若若，则有：，则有：5-105-10(2)(2)若若，则有：，则有：5-115-11在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用使用“误码率误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比来衡量。误码率仍然与信噪比有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分布规律考虑布规律考虑“概率问题概率问题”来衡量。来衡量。5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方法直接检测系统的检测极限及趋近方法直接检测系统的检测极限及趋近方法直接检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：率为：分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热噪声之和。为负载电阻和放大器的热噪声之和。5-125-12输出信噪比为：输出信噪比为：5-135-135.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限 当热噪声是直接检测系统当热噪声是直接检测系统 的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：5-145-14 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限 制，信噪比为：制，信噪比为：5-155-15 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统 受背景噪声限制信噪比为：受背景噪声限制，信噪比为：5-165-165.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限假定光波长假定光波长=0.7=0.7 m m，检测器的量子效率，检测器的量子效率=1=1，测量带宽，测量带宽f=1f=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为 当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：5175-17该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称的量子极限，又称量子限灵敏度量子限灵敏度。若用等效噪声功率若用等效噪声功率NEPNEP值表示，在量子极限下，直接检测系值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：统理论上可测量的最小功率为：5-185-18在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加。程中使噪声增加。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，光电导器件极限信噪比低，NEPNEP较大。较大。5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限直接检测系统的检测极限5.2.3 5.2.3 5.2.3 5.2.3 直接检测系统的视场角直接检测系统的视场角直接检测系统的视场角直接检测系统的视场角直接检测系统视场角直接检测系统视场角检测器检测器物镜物镜视场角表示系统能检测到的空间视场角表示系统能检测到的空间范围，是检测系统的性能指标之一。范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检远处，且物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：测器位于焦平面上时，其半视场角为：或视场角立体角或视场角立体角为：为：从从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响：统的焦距，但对检测器会带来不利影响：增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。功率和面积的平方根成正比。减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。灵敏方式下降。因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。5-195-195.2.4 5.2.4 5.2.4 5.2.4 系统的通频带宽度系统的通频带宽度系统的通频带宽度系统的通频带宽度频带宽度频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例.对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽f：在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频率的（边频）频率的2倍。如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽倍。如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。度，保证有足够的边频分量通过系统。5-205-201.等效矩形带宽：等效矩形带宽：2.频谱曲线下降频谱曲线下降3dB的带宽的带宽3.包含包含90%能量的带宽能量的带宽5.3 5.3 直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用跟踪等系统中，通常用“检测距离检测距离”来评价系来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。离方程推演出来。直接检测系统分为被动检测和主动检测系直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。统，其距离方程不同。下面分别进行推导。强度强度调制器调制器光学天线光学天线光学通道光学通道接收天线及接收天线及光电检测器光电检测器光电信号光电信号处理器处理器光光源源信信号号发射机发射机背景噪声场背景噪声场接收机接收机电路噪声电路噪声回收的回收的信息信息1 1、被动检测系统的距离方程、被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图被动检测过程示意图大大气气传传播播接收光接收光学系统学系统信信号号处处理理接收机接收机接接收收信信息息光光电电检检测测被测被测目标目标设被测目标的光谱辐射强度为设被测目标的光谱辐射强度为经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为：为：入射到检测器上的光谱功率入射到检测器上的光谱功率 为：为：根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的的1 12 2的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：5-215-211 1、被动检测系统的距离方程、被动检测系统的距离方程1 1、被动检测系统的距离方程、被动检测系统的距离方程 都是波长的复杂函数，难有确切都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：的解析表达式。通常作如下简化处理：式中式中 取取1 1为被测距离为被测距离L L在光谱响应范围内的平均透过率在光谱响应范围内的平均透过率1 1。光学系统的透过率光学系统的透过率0 0对光谱响应范围内平均值。对光谱响应范围内平均值。把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为 常数常数R RV V，在其它区域为零。，在其它区域为零。根据物体的温度根据物体的温度T T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。将上述值代入将上述值代入5-225-22式，可得：式，可得：令检测器的方均根噪声电压为令检测器的方均根噪声电压为V Vn n，则，则它的输出信噪比为：它的输出信噪比为：5-225-225-235-23即：即：5-245-24又因为：又因为：5-255-25将上式代入将上式代入5-245-24，可得：，可得：5-265-26式中式中Ad为检测器面积；为检测器面积；f为系统为系统的带宽；的带宽；D*为检测器的归一化检为检测器的归一化检测度；测度；AoIe=P0是入射到接收光学是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功制特性，入射到探测器上的有效功率为：率为：S(S()为调制信号的功率谱为调制信号的功率谱为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数虑为对入射功率的利用系数k km m，则上式改写为：，则上式改写为：5-275-27第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；用距离的影响；第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。大大气气传传播播接收光接收光学系统学系统信信号号处处理理接收机接收机回回收收信信息息光光电电检检测测强度强度调制器调制器发射光发射光学系统学系统光光源源信信号号发射机发射机反射反射目标目标2 2、主动检测距离方程、主动检测距离方程主动检测过程示意图主动检测过程示意图主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为P Ps s()；发射束发散立体角为发射束发散立体角为；发射光学系统透过率为；发射光学系统透过率为0101()，经调，经调制的光能利用率为制的光能利用率为k km m，则发射机发射的功率，则发射机发射的功率PT()为：为：激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为k()，经传播距离，经传播距离L后光斑面积为后光斑面积为SL=L2，光斑，光斑SL的辐射照度的辐射照度Ee为：为：设在距光源设在距光源L处有一目标，其反射面积为处有一目标，其反射面积为Sa。普通情况下把反射。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r。在。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度此条件下，单位立体角的反射光辐射强度Ie()为：为：2 2、主动检测距离方程、主动检测距离方程假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为k()，则接收功率为：，则接收功率为：式中，式中，D D0 0为光学系统接收口径；为光学系统接收口径；=D D0 02 2/4L/4L2 2为接收系统的立为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为体角。如果接收光学系统的透过率为0202()，则检测器上接收，则检测器上接收到的总功率为：到的总功率为：式中式中:检测器上的输出电压为：检测器上的输出电压为：式中：式中：R RV V()为检测器相对光谱响应度，将为检测器相对光谱响应度，将5-255-25式代入上式得距式代入上式得距离离L L为：为：如果目标反射面积如果目标反射面积S Sa a等于光斑照射面积等于光斑照射面积L L2 2，则上式可化为：，则上式可化为：可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。特性以及目标反射特性都将影响检测距离。在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。5.4 5.4 直接检测系统的举例直接检测系统的举例计量光栅可分为透射式光栅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、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，是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。和不透光区。5.4.1 5.4.1 莫尔条纹测长仪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，有很高的分辨力，可优的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于于0.1 m。黑白光栅黑白光栅计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺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（标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装）。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。在运动部件上所以两者之间可以形成相对运动。在透射式直线光栅中，把主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，和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角并使两者的栅线保持很小的夹角，光栅节距为，光栅节距为P P。在两光栅的刻。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，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。由于相互挡光作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间的这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹条纹称为莫尔条纹.莫尔条纹是周莫尔条纹是周期性函数期性函数。计量光栅计量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-动光动光栅栅莫尔条纹测长的数学表达莫尔条纹测长的数学表达横向莫尔条纹特征横向莫尔条纹特征当指示光栅沿当指示光栅沿x x轴（例如水平方轴（例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条向）自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而纹的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏示中就是我们的眼睛）。光敏元件元件“观察观察”到莫尔条纹的光到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距栅移动一个栅距P P，光强变化一，光强变化一个周期。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，当光栅移动了一个节距距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时时P，莫尔条纹移动了一个宽度，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式：。且满足关系式：莫尔条纹有如下特征：莫尔条纹有如下特征：1 1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，）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。刻线不均匀引起的误差。2 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动）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。指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。3 3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随）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着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。而改变。越小，越小，B B越大，相越大，相当于把微小的栅距当于把微小的栅距P P扩大了扩大了 倍。由此可见，计量光栅起倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。到光学放大器的作用。误差的平均效应误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的对线纹的刻划误差有平均抵消作用刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。例例W=0.02mm,接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm2,在在10mm范围内有范围内有500条刻线参条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。形状基本无影响。对应关系对应关系莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征放大作用放大作用放大作用放大作用放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小,B B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.12/360 =0.1=0.12/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592mm。例，对例，对2525线线/mm/mm的长光栅而言，的长光栅而言，P P0.04mm0.04mm，若，若=0.016rad=0.016rad，则，则B B=2.5mm.=2.5mm.，光敏元件可以分辨，光敏元件可以分辨2.5mm2.5mm的间隔，的间隔，但无法分辨但无法分辨0.04mm0.04mm的间隔。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尺寸，安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。否则光敏元件无法分辨光强的变化。4 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用如，采用100100线线/mm/mm光栅时，若光栅移动了光栅时，若光栅移动了x x mmmm（也就是移过（也就是移过了了100100 x x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是也是100100 x x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。知道移动的实际距离了光电传感器输出信号波形光电传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：变化，其输出波形如图：由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变化是位移在现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；精度低；分辨力只为一个栅距精度低；分辨力只为一个栅距P。辨向原理：辨向原理：用两个光电元件相距用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差安装（相当于相差90空间角，空间角，B:2=B/4:/2），如图所示，可以解决辨向问题。），如图所示，可以解决辨向问题。当条纹上移时，当条纹上移时，V2落后于落后于V190。当条纹下移时，当条纹下移时，V2超前于超前于V190。因此，由因此，由V1、V2之间的相位关系可以之间的相位关系可以判别运动方向。判别运动方向。四倍频细分判向原理四倍频细分判向原理指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫尔条纹变化一周指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫尔条纹变化一周指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫尔条纹变化一周指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫尔条纹变化一周.工工工工作台进行长度测量时作台进行长度测量时作台进行长度测量时作台进行长度测量时,指示光栅的移动距离为指示光栅的移动距离为指示光栅的移动距离为指示光栅的移动距离为 x=NP+x=NP+其中其中其中其中P P为光栅节距为光栅节距为光栅节距为光栅节距,N,N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对为指示光栅移动距离中包含的光栅线对为指示光栅移动距离中包含的光栅线对为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数数数数;为小于为小于为小于为小于1 1一个光栅节距的小数一个光栅节距的小数一个光栅节距的小数一个光栅节距的小数.最简单的形式是以指示光栅移过的光栅对数最简单的形式是以指示光栅移过的光栅对数最简单的形式是以指示光栅移过的光栅对数最简单的形式是以指示光栅移过的光栅对数N N直接进行计数直接进行计数直接进行计数直接进行计数.但实际系统并不单独计数但实际系统并不单独计数但实际系统并不单独计数但实际系统并不单独计数,而是利用电子学的方法而是利用电子学的方法而是利用电子学的方法而是利用电子学的方法,把莫尔条把莫尔条把莫尔条把莫尔条纹的一个周期进行再细分纹的一个周期进行再细分纹的一个周期进行再细分纹的一个周期进行再细分,于是可以读出小数部分于是可以读出小数部分于是可以读出小数部分于是可以读出小数部分,使系统的使系统的使系统的使系统的分辨能力提高分辨能力提高分辨能力提高分辨能力提高.电子细分可分到几十分之一到百分之一电子细分可分到几十分之一到百分之一电子细分可分到几十分之一到百分之一电子细分可分到几十分之一到百分之一.细分方法有细分方法有细分方法有细分方法有:幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换等方法。等方法。等方法。等方法。常见的四倍频细分判向原理常见的四倍频细分判向原理常见的四倍频细分判向原理常见的四倍频细分判向原理细分技术细分技术（解决精度问题）（解决精度问题）当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。其电路框图如图所示。莫尔条纹的应用莫尔条纹的应用莫尔条纹的应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，莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，通常为通常为通常为通常为2525，5050，100100，250250条条条条/mm/mm。被广泛地应用于：。被广泛地应用于：。被广泛地应用于：。被广泛地应用于：1.1.光栅数显表光栅数显表光栅数显表光栅数显表2.2.光栅传感器在位置控制中的应用光栅传感器在位置控制中的应用光栅传感器在位置控制中的应用光栅传感器在位置控制中的应用3.3.轴环式数显表轴环式数显表轴环式数显表轴环式数显表4.4.机械测长和数控机床中。机械测长和数控机床中。机械测长和数控机床中。机械测长和数控机床中。代表性产品：代表性产品：德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m开放式：量程开放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01 m开放式：量程开放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）：量程：任意分辨力：量程：任意分辨力：0.1 m 0.01 m中国长春光机所：中国长春光机所：量量程：程1000mm分辨力：分辨力：0.01 m5.4.2 5.4.2 5.4.2 5.4.2 激光测距仪激光测距仪激光测距仪激光测距仪1 1 1 1、脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，此瞬时功率很大，此瞬时功率很大，此瞬时功率很大，般可达兆瓦级。由于上述两般可达兆瓦级。由于上述两般可达兆瓦级。由于上述两般可达兆瓦级。由于上述两点，脉冲激光测距在有反射器的情况下，可以达点，脉冲激光测距在有反射器的情况下，可以达点，脉冲激光测距在有反射器的情况下，可以达点，脉冲激光测距在有反射器的情况下，可以达到极远的测程；进行近距离到极远的测程；进行近距离到极远的测程；进行近距离到极远的测程；进行近距离(几公里几公里几公里几公里)测量时，如测量时，如测量时，如测量时，如果测量精度要求不高