光電測試技術(shù)-非相干信號檢測技術(shù)講述

1、非相干信號檢測技術(shù),本章內(nèi)容時(shí)變光信號的直接檢測簡單光學(xué)目標(biāo)形位檢測復(fù)雜光學(xué)圖像掃描檢測,,直接檢測系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）(非相干)莫爾條紋測長儀激光測距儀激光準(zhǔn)直對光信號的直接檢測，就是對光通量的測量，了解和掌握光通量的一般測量方法，對于光電系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)是最基本的知識,第一節(jié) 時(shí)變光信號的直接檢測,一般光電系統(tǒng)所處理的輸入信號是輻射光通量的變化（光譜分析、偏光分析、成像分析等），因此，光信號的直接檢測，就是光通量的測量?？?/p>

2、以分為振幅型的，頻率型的＆相位型的。它們測量條件（直流或變化緩慢地信號采用振幅型，時(shí)間脈沖信號多采用其他兩種），測量誤差（振幅測量相對誤差為10－2～10－4，頻率測量相對誤差為10－6～10－8 ）不盡相同。,一、光通量的幅度測量（一）單通道測量系統(tǒng)1、定義：被測光通量沿單一光學(xué)通道傳送到光電接收器的系統(tǒng)通稱為單通道測量系統(tǒng)。2、原理：由輻射源產(chǎn)生的光輻射通量經(jīng)過置于光路上的被測樣品或標(biāo)準(zhǔn)樣品的部分吸收或散射，出射到接收器的光敏

3、面上。利用光電轉(zhuǎn)換＆信號放大器可以測量出載有信息的光通量，最后由指示電表顯式記錄下被測量的結(jié)果。3、測量方法（1）直讀法,,,,,被測樣品,光電接收器,,放大器,,電表,,ζ,,SI,,K,,M,Ф0,Ф,IФ,I,θ,Ф0,Ф,IФ,I,θ,,輪流放置標(biāo)準(zhǔn)樣品對電表值進(jìn)行標(biāo)定，然后將被測樣品放在光路中，即可由電表的指示直接得到被測樣品的透過率值。,,轉(zhuǎn)角示值,檢測器電流靈敏度,放大器增益,電表傳遞系數(shù),透過率,光通量,（2）指零

4、法 電路部分不用于讀數(shù)，而只是用作電表的指零，使被測量與已知量進(jìn)行比較測量。它可以消除由于輻射光通量，光檢測器＆放大器工作參數(shù)不穩(wěn)定造成的影響，只取決于讀數(shù)裝置的精度＆指零裝置的零位漂移。,,,,,起偏器,檢偏器,,放大,,電表,,樣品,,光電接收,,M,,,,SI,,K,,Ф0,Ф,ζ,θx,θ0,,θ,首先，檢偏器的偏振面相對起偏器轉(zhuǎn)成90°，此時(shí)檢測器光敏面上的光通量為零。在偏振器之間放置具有偏光

5、性質(zhì)的被測樣品，它引起偏振面的旋轉(zhuǎn)增大了透過光的數(shù)值，借助于指示表可以觀察到相對于零位的偏差。如轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，重新使電表指零，則檢偏器的轉(zhuǎn)角等于由被測樣品引起的偏振面的轉(zhuǎn)角。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（二）雙通道測量系統(tǒng),光輻射源,光檢測器,標(biāo)準(zhǔn)樣品,被測樣品,反射鏡,透鏡,放大器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1、差動(dòng)法,可變透過率的光屏（沿著各

6、截面鍍有吸收率不同膜層的玻璃平板）,伺服電機(jī),指針機(jī)構(gòu),差動(dòng)放大器,,,,在裝被測樣品之前，光屏處于最大吸收位置，并使兩通道的輸出光通量相等，處于平衡狀態(tài)。當(dāng)插入被測樣品之后，測量通道的光通量減小。此時(shí)，若移動(dòng)光屏改變透過率值使光屏上透過增大恰好等于被測樣品的吸收值，這就可以使兩個(gè)通道重新達(dá)到平衡。光屏的移動(dòng)或指針的位置就是被測透過率的量度值，并在兩通道的輸出光通量相等時(shí)讀出。兩個(gè)通道的光通量分別由檢測器接收，由差動(dòng)放大器得到增益。放

7、大器輸出電壓接到伺服電機(jī)的控制繞組上，當(dāng)兩個(gè)通道的光通量不等時(shí)，放大器的輸出端產(chǎn)生控制電壓使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光屏移動(dòng)，一直到輸出電壓為零停止。,從上式可看出比例因子K0與入射光通量無關(guān)，從而減少了光輻射源的不穩(wěn)定對測量誤差的影響。它的這種補(bǔ)償作用是由于它的入射光通量是以同樣的效果影響兩個(gè)通道，而它們的差值在準(zhǔn)確平衡的條件下接近于零，因而對測量結(jié)果無影響。,,,,,,,,,2、比較法不采用差動(dòng)放大器接收而用組成電橋的光敏電阻作為光電接收器

8、，我們稱其為比較測量法。它同樣具有抑制共模擾動(dòng)的作用。3、交替比較法采用一個(gè)光電接收器接收，并在光路中加有交替裝置，例如：帶有光孔的不透明轉(zhuǎn)盤和帶缺口的反射鏡。,二、光通量的頻率測量（一）波數(shù)測量,,干涉條紋光強(qiáng)ΔФ以?/2為周期變化，也就是當(dāng)Δx移動(dòng)?/2長度時(shí)引起ΔФ一個(gè)周期的變化。如將ΔФ變化的周期數(shù)用波數(shù)N來表示，可得位移x＆波數(shù)N的關(guān)系為,,在一般情況下，波數(shù)測量是將由被測量x引起的周期變化的光通量光電轉(zhuǎn)換為電脈沖，再用

9、電子計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)波數(shù)的變化N，最后根據(jù)公式計(jì)算出測量結(jié)果x。 x=m0N式中m0稱脈沖當(dāng)量，表示單位波數(shù)變化對應(yīng)的被測值。,（二）頻率測量如將被測物體安裝在測量臂上，并以速度v移動(dòng)。則它移動(dòng)了?/2距離的時(shí)間為 T= ?/2v=1/f故 v= ?/2?f我們可看出，運(yùn)動(dòng)速度與

10、光通量的變化頻率成正比，只要測得光通量的變化頻率即可計(jì)算出所需的運(yùn)動(dòng)速度。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三、光通量的相位＆時(shí)間測量,（一）相位測量,相位法光波測距,D,協(xié)作靶的反射鏡,光電接收器,,LD,,輻射光波初始相位于激勵(lì)電壓U0相同，若經(jīng)t （光波來回）時(shí)間后，則相位改變?yōu)?Ψ=2πf?c/2?D如設(shè)輻射光通量變化一周光波傳播距離為L＝c/f，

11、則有 D=L/2n?Ψ/2π其中，L/2n稱作測尺長度，它與相對相位差Ψ/2π的乘積即為被測距離。,,,,,,,,,（二）時(shí)間測量利用周期性光通量變化的時(shí)間周期或單個(gè)光脈沖間的時(shí)間間隔來測量信息方法。,脈沖激光測距儀或激光雷達(dá),功率為幾瓦的激光器,被測目標(biāo),接收系統(tǒng),主波脈沖＆回波脈沖的時(shí)間差。D=c/2f?N=K?NK為測距脈沖當(dāng)量，N為計(jì)數(shù)值。,第三節(jié) 簡單光學(xué)目標(biāo)的形位檢測,光學(xué)目標(biāo)：不考慮被測

12、對象的物理本質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學(xué)反差的幾何形體或圖形景物。分為簡單光學(xué)目標(biāo)＆復(fù)雜圖形景物。應(yīng)用：大尺寸工件的安裝與加工、高速公路＆鋼軌的自動(dòng)鋪設(shè)、地下隧道的自動(dòng)掘進(jìn)等工程的自動(dòng)準(zhǔn)直測量；小尺寸測量中的目標(biāo)對準(zhǔn)＆位置偏移測量；激光制導(dǎo)等。,一、幾何中心檢測法（一）定義：光學(xué)目標(biāo)＆其襯底間的光學(xué)反差構(gòu)成了物體的外形輪廓，輪廓尺寸的中心位置稱作它的幾何中心（G0）。其坐標(biāo)為xG0=1/2?(x1+x2)通過測量物體的

13、輪廓分布確定物體中心位置的方法，稱作幾何中心檢測法。,,,,x1,x2,,xG0,（二）像分析＆像分析器1、像分析：通過分析被測物體在像面上的幾何中心相對于像面基準(zhǔn)的偏移情況，從而確定該物體在空間位置的方法。2、像分析器：（1）定義：一種能將幾何形位信息調(diào)制到載波光通量上形成光學(xué)調(diào)制的調(diào)制器，是幾何量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量的G/O變換器。（2）基本原理：將被測物體的光學(xué)像相對于像面基準(zhǔn)的幾何坐標(biāo)變換為通過該基準(zhǔn)某一取樣窗口的光通量，通

14、過檢測該光通量的變化來解調(diào)出物體的坐標(biāo)位置。,（3）典型的像分析器雙通道差分調(diào)制式像分析器采用兩個(gè)接收光路的雙通道結(jié)構(gòu)。其光路和工作原理圖見下頁。,,O,S,,G/O,,物空間,象空間,光信號,,光學(xué)系統(tǒng),,調(diào)制器,B(x,y,t),E(x,y,z,t),Ф(a1,a2,…an),,Ф0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,狹縫1,狹縫2,分光元件3,(a),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,－3l/2,－l,－l/2,0,l

15、/2,l,3l/2,?x,Ⅰ,Ⅱ,U1,Ⅰ-Ⅱ,?U,(b),雙通道差分調(diào)制式像分析器工作原理圖,在像面上共軛地放置兩個(gè)狹縫1和2，通過分光元件3得到的兩個(gè)線像分別成像于狹縫面上，狹縫中心距等于線像寬，兩個(gè)狹縫的定位特性具有類似的形狀，如上圖。將兩狹縫后的各自光電接收電路差分連接，則檢測器的差分輸出可利用非線性圖解法得到。在線性區(qū)內(nèi)，定位特性可表示為 ，其中，E0為照明光強(qiáng)，h為狹縫高，?x為線像中心相對

16、狹縫中心的偏移量。然后利用相敏檢波方法即可分離出被檢測的位置偏移。,,單通道掃描調(diào)制式像分析器 此種裝置在成像光路增設(shè)了周期振動(dòng)的光學(xué)零件或振動(dòng)狹縫，使像面上的目標(biāo)像相對狹縫作周期振動(dòng)。這時(shí)透過狹縫的光通量形成隨時(shí)間周期性變化的光載波。目標(biāo)像的位移信息將由于像分析而調(diào)制到載波上去，從而產(chǎn)生各種調(diào)制的光信號。這種使目標(biāo)像和測光窗口之間相對掃描運(yùn)動(dòng)的像分析器稱做掃描調(diào)制型像分析器。,,（三）掃描調(diào)制＆極值檢測被測鋼帶的邊緣通過鏡頭成

17、像于光欄上。它的橫向尺寸確定了物方的測量范圍。轉(zhuǎn)筒上刻有通光狹縫，其間隔與光欄長度相等，以形成等間隔的光脈沖。鋼帶邊緣的像位置可對光脈沖進(jìn)行脈寬調(diào)制，最后由光電元件接收。解調(diào)出脈寬調(diào)制函數(shù)即可確定鋼帶邊緣的位置變化。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,帶狹縫轉(zhuǎn)筒的掃描調(diào)制系統(tǒng),鏡頭,光欄,,光電元件,轉(zhuǎn)筒,鋼帶,,D,二、亮度中心檢測法一）定義 光學(xué)目標(biāo)的亮度分布是光輻射能量沿空間分布。將物體按輻射

18、能量相等的標(biāo)準(zhǔn)分割為兩部分，起中心位置稱作亮度中心。通過測量目標(biāo)物空間的亮度分布相對應(yīng)的像空間照度分布，確定目標(biāo)能量中心位置的方法稱作亮度中心檢測法。,二）原理將來自被測目標(biāo)的光輻射通量相對于系統(tǒng)的測量基準(zhǔn)軸分解到不同坐標(biāo)象限上，再根據(jù)這些圖像在各象限能量分布的比例，檢測出目標(biāo)的亮度中心位置。這種確定目標(biāo)空間位置的方法稱作象限分解法。實(shí)現(xiàn)輻射通量按坐標(biāo)象限分界采用的方法：光學(xué)像分解；利用象限檢測器。,（一）光學(xué)像分解在光學(xué)系統(tǒng)中附加

19、各種分光元件使入射光束分布向確定的不同方向傳播，再在各自終端安裝上有單一光敏面的光電元件。1、光學(xué)零件：正四面反射錐體：入射光束以錐尖為坐標(biāo)原點(diǎn)將光束分解為直角坐標(biāo)的四個(gè)象限。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光導(dǎo)纖維束 ：一束輸入端位于物鏡焦面上的光導(dǎo)纖維束，光纖束按截面的位置分為四個(gè)分束，每一個(gè)分束的輸出端裝置在光電接收器的敏感面上。,,,,,,,,,,2、分解方式中心孔式：測量光束1的一部分經(jīng)空心四棱錐體3的頂端中

20、心孔射向后置的反射錐體5上。中心孔直徑小于光束直徑。當(dāng)光束有一定傾角時(shí)，透過中心孔的光束以不同比例被反射體5分解。并由光電元件4接收，產(chǎn)生θx和θy的偏角信號。入射光束在中心孔以外的部分經(jīng)空心錐體反射，由四象限上布置的光電元件2形成x和y向的偏移信號。,,,,,,,,,,,1,2,3,4,5,分光式：基準(zhǔn)光束1透過半反射棱鏡2在四象限光電池4上形成x、y方向的偏移信號。反射的光束經(jīng)反射鏡3投射到四象限光電元件5上形成的θx和θy偏角信號

21、。,,,,,,,,,,1,2,4,3,5,反射式：光電元件2的光敏面與輸入光束相背布置。它的中央開有直徑和入射光束直徑相同的光孔。穿過光孔透過半透明反射鏡3，由光電元件4產(chǎn)生x、y方向偏移信號。反射部分的光束由光電元件2接收，形成的θx和θy偏角信號。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,4,全息分光式：基準(zhǔn)光束1采用激光，經(jīng)全息片2衍射為三個(gè)方向。其中直射光分量射向光電元件6，產(chǎn)生x、y向偏移信號。根據(jù)全息照相原理，

22、在3的方向形成會(huì)聚的光束，在7的方向形成平行的衍射光束?？梢苑謩e設(shè)置光電元件4和8，根據(jù)光點(diǎn)的位置計(jì)算出θx和θy偏角信號。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,7,8,3,4,5,6,（二）象限探測器象限探測器有多種形式，如：二象限、四象限的光電池＆光敏電阻；四象限的光電倍增管；八象限的半導(dǎo)體光電探測器；楔環(huán)狀獨(dú)立光敏面的半導(dǎo)體探測器；陣列式光電池；半導(dǎo)體光電位置傳感器等。象限探測器是在同一塊芯片上制成兩或四個(gè)探測器，中間

23、有溝道將它們隔開，因而這兩或四個(gè)探測器有完全相同性能參數(shù)。當(dāng)被測體位置發(fā)生變化時(shí)，來自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會(huì)引起象限間信號輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，同時(shí)可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。,1、四象限探測器四象限光電探測器實(shí)際由四個(gè)光電探測器構(gòu)成，每個(gè)探測器一個(gè)象限，目標(biāo)光信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測器上成像，如圖1。一般將四象限光電探測器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測

24、器輸出的光電信號幅度不相同，比較四個(gè)光電信號的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位），若在四象限光電探測器前面加上光學(xué)調(diào)制盤，則還可以求出像點(diǎn)偏離四象限光電探測器中心的距離或θ角來。,2、光電位置傳感器半導(dǎo)體光電位置傳感器PSD( Position Sensitive Device) 是一種基于橫向光電效應(yīng)的光電位置敏感探測器。它是一種新型的半導(dǎo)體位置敏感探測器,除了具有光電二極管陣列和CCD的定位性能外,還

25、具有靈敏度高、分辯率高、響應(yīng)速度快和電路配置簡單等特點(diǎn)。因而逐漸被人們所重視。PSD的發(fā)展趨勢是高分辨率、高線性度、快響應(yīng)速度及信號采集處理等多功能集成。PSD可用于精密尺寸、三維空間位置和角度的測量,是近程(10m以內(nèi)) 實(shí)時(shí)測量飛行器位置和距離的極佳器件,如空中加油機(jī)等空間飛行器對接中可精確提供目標(biāo)的相對位置、距離及角度姿態(tài);空間光通信中位置誤差信號的提取等。隨著光電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)合,集成PSD器件系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛。,

26、如圖：當(dāng)入射光點(diǎn)照在光敏面上時(shí)由于光生載流子的流動(dòng)產(chǎn)生光生電流I，經(jīng)運(yùn)算后即可知光點(diǎn)的位置。,第四節(jié) 復(fù)雜光學(xué)圖像的掃描檢測,一、掃描的基本原理＆分類（一）光學(xué)圖像的掃描光電掃描技術(shù)：只用一個(gè)窄視場的光學(xué)系統(tǒng)＆一個(gè)光電檢測通道。當(dāng)使該裝置按一定的時(shí)間順序＆軌跡串行逐點(diǎn)掃視目標(biāo)物象空間的各點(diǎn)時(shí)，能獲得瞬時(shí)值與被測目標(biāo)的光學(xué)參數(shù)成比例的時(shí)序電信號，這個(gè)過程稱作掃描。反之，在掃描過程中用圖像電信號調(diào)制掃描光點(diǎn)的瞬時(shí)發(fā)光值可以得到再現(xiàn)的光學(xué)

27、圖像。,（二）最簡單的直線掃描,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I0(x),,X1=v1*t,S,E1(x1),,Ф(t)=SE1=Sf(x1)=Sf(v1*t),kФ,kb,B(t)=KbKФSf(v1*t),,,U(t)=KФSf(v1*t),,,,,,,,采集部,再現(xiàn)部,E2(x2,t)=KE?Kb?KФSf(v1/v2?x2)＝Kf(v1/v2?x2),,S為光欄截面積，KФ為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，Kb為電光

28、轉(zhuǎn)換系數(shù)，KE為光度變換系數(shù),K為灰度變換因子。,被測物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在成像在像面上，在像面上設(shè)置帶有取樣光欄的光電檢測元件組成的掃描單元沿像面與時(shí)間成正比地作鋸齒形直線運(yùn)動(dòng)，取樣光欄截取掃描某處的部分像面光強(qiáng)，得到光通量，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到時(shí)序電信號，這樣掃描單元實(shí)現(xiàn)了被測圖像光強(qiáng)分布的空間－時(shí)間＆光量－電量的變換。這個(gè)過程同時(shí)也是圖像數(shù)據(jù)的采集過程。然后，將圖像電信號經(jīng)過傳輸線送到再現(xiàn)端。在這里，發(fā)光器件在電信號激勵(lì)下產(chǎn)生隨圖像信號變化的

29、發(fā)光亮度；當(dāng)發(fā)光器件連同透光光欄作掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，在再現(xiàn)光屏上形成隨時(shí)間＆位置變化的照度分布。,（三）掃描系統(tǒng)的分類＆工作參數(shù)1、分類：按掃描方式分 直線掃描、光柵掃描、圓周掃描、螺旋掃描按掃描方法分 機(jī)械掃描、光學(xué)掃描、衍射光柵掃描、電子束掃描、電光掃描、磁光掃描、聲光掃描、電子機(jī)械掃描、移位電場掃描、壓電掃描。,,2、基本參數(shù)：掃描周期TK：掃描給定視場并使掃描線恢復(fù)初始位置所需的時(shí)間；掃描線密度d＆空間分辨率F：掃描裝置能

30、分辯的最小寬度稱作掃描線密度；能分辯的單位長度內(nèi)的最高黑白線對數(shù)稱作空間分辨率。掃描變換的直線性＆動(dòng)態(tài)范圍：輸出圖像信號的幾何畸變＆灰度畸變低于容許限度內(nèi)的最大輸入光度＆輸出電平；,圖像信號的頻帶寬度：取決于掃描線寬＆掃描頻率；掃描數(shù)據(jù)率：在單位時(shí)間內(nèi)掃描裝置所能發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)總數(shù)；掃描精度：時(shí)序的圖像信號與圖像的光密度空間分布的正確對應(yīng)關(guān)系。,,二、光束的調(diào)制（一）光束調(diào)制原理 要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加

31、到激光上去的問題，這種將信息加載于激光的過程稱為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中激光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。1、光束調(diào)制的分類實(shí)現(xiàn)激光束調(diào)制的方法，根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系可以分為內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)和外調(diào)制兩種。,內(nèi)調(diào)制是指加載信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制是指激光形成之后，在激光器的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理性能

32、，當(dāng)激光束通過調(diào)制器時(shí)，使光波的某個(gè)參量受到調(diào)制。光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。（1）振幅調(diào)制 振幅調(diào)制就是載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。,若調(diào)制信號是一時(shí)間的余弦函數(shù)，即,調(diào)幅波的表達(dá)式為,,調(diào)幅波的頻譜為,頻譜由三個(gè)頻率成分組成，第一項(xiàng)是載頻分量，第二、三項(xiàng)是稱為邊頻分量。,（2）頻率調(diào)制和相位調(diào)制調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩。因?yàn)檫@兩

33、種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角?(t)的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。對頻率調(diào)制來說，就是其中的角頻率?c隨調(diào)制信號變化,,則調(diào)制波的表達(dá)式為,,同樣，相位調(diào)制就是 相位角?c隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，則調(diào)相波的表達(dá)式為,由于調(diào)頻和調(diào)相實(shí)質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可寫成統(tǒng)一的形式,應(yīng)用三角公式，展開得,,可見，在單頻余弦波調(diào)制時(shí)，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻組成。,（3） 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制使光載波的強(qiáng)

34、度(光強(qiáng))隨調(diào)制信號規(guī)律變化的激光振蕩，如圖2所示。光束調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制形式，這是因?yàn)榻邮掌饕话愣际侵苯禹憫?yīng)其所接收的光強(qiáng)。,光束強(qiáng)度定義為光波電場的平方,,于是，強(qiáng)度調(diào)制的光強(qiáng)可表示為,,仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波，則,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I(t),t,調(diào)制信號,載波,圖2 強(qiáng)度調(diào)制,以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩波，統(tǒng)稱為模擬調(diào)制。,（4）脈沖調(diào)制

35、目前廣泛采用一種不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制(脈沖編碼調(diào)制)。它們一般是先進(jìn)行電調(diào)制，再對光載波進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制。脈沖調(diào)制是用間歇的周期性脈沖序列作為載波，并使載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。即先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列，如圖3所示。然后再用這已調(diào)電脈沖序列對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。脈沖調(diào)制

36、有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和脈沖位置調(diào)制等。,5.脈沖編碼調(diào)制這種調(diào)制是把模擬信號先變成電脈沖序列，進(jìn)而變成代表信號信息的二進(jìn)制編碼，再對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過程：抽樣、量化和編碼。⑴抽樣。抽樣就是把連續(xù)信號波分割成不連續(xù)的脈沖波，用一定的脈沖列來表示，且脈沖列的幅度與信號波的幅度相對應(yīng)。也就是說，通過抽樣，原來的模擬信號變成一脈幅調(diào)制信號。按照抽樣定理，只要取樣頻率比所傳遞信號的最高

37、頻率大兩倍以上，就能恢復(fù)原信號。,⑵量化。量化就是把抽樣后的脈幅調(diào)制波作分級取“整”處理，用有限個(gè)數(shù)的代表值取代抽樣值的大小。經(jīng)抽樣再通過量化過程變成數(shù)字信號。⑶編碼。編碼是把量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼的過程。即用一組等幅度、等寬度的脈沖作為“碼子”，用“有”脈沖和“無”脈沖分別表示二進(jìn)制數(shù)碼的“1”和“0”。再將這一系列反映數(shù)字信號規(guī)律的電脈沖加到一個(gè)調(diào)制器上，以控制激光的輸出，由激光載波的極大值代表二進(jìn)制編碼的“1”，而

38、用激光載波的零值代表“0”。這種調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在數(shù)字激光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。,（二）電光調(diào)制以KDP電光晶體為例討論電光調(diào)制的基本原理和電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。1. 電光強(qiáng)度調(diào)制利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實(shí)現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制，本節(jié)主要講利用縱向電光效應(yīng)得縱向電光調(diào)制器及其工作原理。縱向電光強(qiáng)度調(diào)制起的結(jié)構(gòu)如圖4所示。,進(jìn)入晶體后被分解為沿x?和y?方向的兩個(gè)分量，其振幅和相位都相同，分別為,,,,,,,,,,,

39、,,,,,,,,,,,,,,,,,,入射光,P1,Ii,x,y,z,x?,y?,P2,Io,調(diào)制光,~V,L,起偏器,?/4波片,檢偏器,圖4 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制,,入射光強(qiáng)度為,通過長度為L的晶體之后，,,和,兩個(gè)分量之間產(chǎn)生了一相位差,，則有,,,,那么，通過檢偏器后的總電場強(qiáng)度是,,,和,在y方向的投影之和：,,與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為,,調(diào)制器的透過率,,光強(qiáng)調(diào)制特性曲線如圖所示。,2、電光相位調(diào)制圖5所示的是一電光相位調(diào)制的原理

40、圖，它由起偏器和電光晶體組成。外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位。,3、電光波導(dǎo)調(diào)制器,4、電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制 ：電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)類似于馬赫一曾德（MZ）干涉儀。MZ干涉型調(diào)制器示意圖如圖所示。假定在波導(dǎo)的輸入端激勵(lì)一TE模，在外加電場的作用下，在分叉的波導(dǎo)中傳輸?shù)膶?dǎo)模由于受到一大小相等、符號相反的電場Ec的作用（因?yàn)閮煞种?dǎo)結(jié)構(gòu)完全對稱），則分別產(chǎn)生?? 和??? 的相位變化。在輸出的第二個(gè)分叉匯合處，兩束光相干合成的光

41、強(qiáng)將隨相位差的不同而異，從而獲得強(qiáng)度調(diào)制。,（三）聲光調(diào)制1、聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。,2、類型,3、聲光波導(dǎo)調(diào)制器聲光布喇格衍射型波導(dǎo)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。相對于聲波波前以?B 入射的波導(dǎo)光波穿過輸出棱鏡

42、時(shí)，得到與入射光束成2?B 角的1級衍射光。其光強(qiáng)為,,?? ：在電場作用下導(dǎo)波光通過長度為L距離的相位延遲；B是一比例系數(shù)，它取決于波導(dǎo)的有效折射率neff等因素。表明，衍射光強(qiáng)I1隨電壓V的變化而變化，從而可實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)光的調(diào)制。,（四） 磁光調(diào)制 磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 1、 磁光體調(diào)制器磁光體調(diào)制器的組成如圖5所示。為了獲得線性調(diào)制，在垂直

43、于光傳播的方向上加一恒定磁場Hdc，其強(qiáng)度足以使晶體飽和磁化。工作時(shí)，高頻信號電流通過線圈就會(huì)感生出平行于光傳播方向的磁場，入射光通過YIG晶體時(shí)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強(qiáng)度H。,,?s：是單位長度飽和法拉第旋轉(zhuǎn)角； 是調(diào)制磁場。如果再通過檢偏器，就可以獲得一定強(qiáng)度變化的調(diào)制光。,,2、 磁光波導(dǎo)調(diào)制器我們以磁光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器為例討論磁光波導(dǎo)調(diào)制器的原理。圖6所示為磁光波導(dǎo)

44、模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，圓盤形的釓鎵石榴石（Gd3Ga5O12-GGG）襯底上，外延生長摻Ga、Se的釔鐵石榴石（YIG）磁性膜作為波導(dǎo)層。在磁性膜表面用光刻方法制作一條金屬蛇形線路，當(dāng)電流通過蛇形線路時(shí)，蛇形線路中某一條通道中的電流沿y方向，則相鄰?fù)ǖ乐械碾娏餮?y方向，該電流可產(chǎn)生?z、?z方向交替變化的磁場，磁性薄膜內(nèi)便可出現(xiàn)沿?z、?z方向交替飽和磁化。蛇形磁場變化的周期為,,??：TE模和TM模傳播常數(shù)之差?？蓪⑤斎隩M模的

45、（?=1.52?m）52%的功率轉(zhuǎn)換到TE模上去。磁光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器的輸出耦合器一般使用具有高雙折射的金紅石棱鏡，使輸出的TE和TM模分成兩條光束。,三、光束的掃描技術(shù)光束掃描技術(shù)根據(jù)應(yīng)用目的不同可分為兩種類型：一種是光的偏轉(zhuǎn)角連續(xù)變化的模擬式掃描，它能描述光束的連續(xù)位移；另一種是不連續(xù)的數(shù)字掃描，它是在選定空間的某些特定位置上使光束的空間位置“跳變”。前者主要用于各種顯示，后者則主要用于光存儲(chǔ)。1. 機(jī)械掃描機(jī)械掃描技術(shù)是目

46、前最成熟的一種掃描方法。如果只需要改變光束的方向，既可采用機(jī)械掃描方法。機(jī)械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。圖7所示為一簡單的機(jī)械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動(dòng)的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平面鏡反射的激光束的方向就會(huì)發(fā)生改變，達(dá)到光束掃描的目的。,機(jī)械掃描方法雖然原始，掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小，光的損耗小，而且適用于各種光波長的掃描。因此，機(jī)械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方

47、法。它不僅可以用在各種顯示技術(shù)中，而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。,激光外徑掃描儀,激光外徑掃描儀原理圖,2、電光掃描電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖8所示。,光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標(biāo)x的線性函數(shù)，即,,用折射率的線性變化,,代替了,,那么光束射出晶體后的偏轉(zhuǎn)角? 可根據(jù)折射定律求得。設(shè),,則,式中的負(fù)號是由坐標(biāo)系引進(jìn)的，即? 由y轉(zhuǎn)向x為負(fù)。,3、電光數(shù)

48、字式掃描。它是由電光晶體和雙折射晶體組合而成，其結(jié)構(gòu)原理如圖9所示。圖中S為KDP晶體，B為方解石雙折射晶體（分離棱鏡），它能使線偏振光分成互相平行、振動(dòng)方垂直的兩束光，其間隔 b為分裂度，?為分裂角（也稱離散角）。上述電光晶體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個(gè)一級數(shù)字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體上加和不加半波電壓而分別占據(jù)兩個(gè)“地址”之一，分別代表“0”和“l(fā)”狀態(tài)。若把n個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級數(shù)字式掃描。圖10所