1、第第6章章 光電信號的變換光電信號的變換 及檢測技術及檢測技術 2 本章的主要內容本章的主要內容 6.1 光電信號檢測電路的噪聲光電信號檢測電路的噪聲 6.2 前置放大器前置放大器 6.3 常用電路介紹常用電路介紹 6.4 光電技術中的調制技術光電技術中的調制技術 3 光電檢測系統組成光電檢測系統組成 光電檢測系統組成 第第6章章 光電信號的光電信號的 變換及檢測技術變換及檢測技術 4 探測器接 測量 處理后 信號處理的重要性！信號處理的重要性！ 理想白光干涉信號 5 6.1光電檢測電路的噪聲光電檢測電路的噪聲 6.1.1 6.1.1 噪聲的分類及性質噪聲的分類及性質 6.1.2 6.1.2

2、主要的噪聲類型主要的噪聲類型 6.1.3 6.1.3 噪聲等效參量噪聲等效參量 6.1.4 6.1.4 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲 本節包括以下幾部分內容： 6 為什么要研究噪聲？為什么要研究噪聲？ 任何虛假的和不需要的信號稱為噪聲。任何虛假的和不需要的信號稱為噪聲。 噪聲總是伴隨著測量信號存在噪聲總是伴隨著測量信號存在 測量過程是一個去除噪聲、復原真實信號的測量過程是一個去除噪聲、復原真實信號的 過程過程 7 6.1.1 噪聲的分類及性質噪聲的分類及性質 外部干擾噪聲:人為造成的和自然造成的干擾。 內部噪聲:人為噪聲和固有噪聲兩類。 噪聲強度可采用噪聲電壓或噪聲電流的均方值 、 表示，

3、 有時簡化為 、 。而噪聲電壓或噪聲電流的均方根值則可用 和 表示。 2 n E 2 n I 2 n E 2 n I n E n I 固有噪聲是隨機過程，噪聲電壓的瞬時值可取不同值E1， E2， Ei，而對應出現的概率P(E1)，P(E2)，P(Ei)，其 分布規律符合高斯分布。n次采樣的算術平均值E為 nEEEEE ni / 21 (6-1) 8 均方值為 概率分布函數P(E)為 (6-2) nEEEEEE n / )()()( 22 2 2 1 2 2 2 2 )( exp 2 1 )( EE EP (6-3) 9 6.1.2 主要的噪聲類型主要的噪聲類型 1. 1. 電阻熱噪聲（電阻熱噪

4、聲（Thermal noise） 當電阻處于環境溫度高于絕對零度的條件下，自由電子的熱運 動形成起伏變化的噪聲電流。大小與極性隨機變化，且長時間的平 均值等于零。常用噪聲電流的均方值 表示 2 nT I R fkT InT 4 22/1 ) 4 ( R fkT InT 式中 R所討論元件的電阻值； k玻爾茲曼常數，k=1.380650510-23 J/K ； T 電阻所處環境的絕對溫度； f所用測量系統的頻帶寬度。 (6-4)(6-5) 10 圖6-1 電阻熱噪聲 圖6-2 電阻熱噪聲的等效電路 11 2. 2. 散彈噪聲（散彈噪聲（Shot noise） 又稱散粒噪聲。元器件中有直流電流通過

5、時，直流電流值只表 征其平均值，而微觀的隨機起伏形成散彈噪聲，并疊加在直流電平 上。 散彈噪聲的電流均方值為 fqII DCnsh 2 2 式中：q為電子電荷；IDC為流過 電流的直流分量。 散彈噪聲與電路頻率無關，因此它也是一種白噪聲。 (6-8) (6-9) 圖6-3 散彈噪聲的順勢變化 12 又稱閃爍噪聲，它也是元器件中的一種基本噪聲，通常是由元 器件中存在局部缺陷或有微量雜質所引起的。在探測器、電阻、晶 體管及電子管中均有這類噪聲。 3. 3. 噪聲（噪聲（Flicker noise） f 1 噪聲有以下經驗公式： f 1 f fIk In 1 2 式中：k1與元件有關的參數； 與流過

6、元器件電流有關的常數，通常取2 與元器件材料性質有關的系數，約在0.81.3之間，常取 1。 噪聲的電流均方值與電路頻率f成反比，所以稱之為 噪聲，它不為 白噪聲，噪聲功率譜集中在低頻，有時又稱其為低頻噪聲。 (6-10) f 1 f 1 13 光電導探測器因光(或熱)激發產生載流子和載流子復合(或 壽命)這兩個隨機性過程，引起電流的隨機起伏形成產生復合 噪聲。該噪聲的電流均方值為 4. . 產生產生復合噪聲復合噪聲(gr噪聲，噪聲，Generation- Recombination noise ) 2 2 22 4( /) 14 c n qIf I f 式中I流過光電導器件的平均電流； 載流

7、子的平均壽命； e載流子在光電導器件兩電極間的平均漂移時間； F測量電路的帶寬。 產生復合噪聲與頻率f有關，屬于非白噪聲。但在相對低頻的條件 下，即 時，公式可簡化為 14 222 f fqII cn )/(4 2 該式與散彈噪聲表達式相類似，可認為是近似的白噪聲。 (6-12) (6-13) 14 這是熱敏器件因其溫度起伏所引起的噪聲，該噪聲用溫度 起伏的均方值表示 式中 k一波爾茲曼常數； T熱敏器件的絕對溫度； GQ器件的熱導。 5. . 溫度噪聲溫度噪聲 )1 ( 4 22 2 2 wG fkT T Q n (6-14) 6. 背景輻射的光子噪聲背景輻射的光子噪聲 探測器在接收目標輻射

8、的同時，也接收到目標以外其它物 體的輻射，這些輻射也是一種不連續的起伏過程。這種因背景 輻射起伏引起探測器產生的噪聲叫做背景輻射的光子噪聲。 15 6.1.3 噪聲等效參量噪聲等效參量 1. 1. 等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬 電網絡的等效噪聲帶寬是噪聲量的一種等效表示形式， 可定義為 帶通型網絡中等效帶 寬的物理意義 0 )()( 1 dffDfA A f P P AP(f) :放大器或網絡的相對功率 增益 AP為放大器或網絡功率增益的 最大值； D(f)為等效于網絡輸入端的歸一 化噪聲功率譜。 (6-15) 16 系統的等效噪聲帶寬還可以用調制傳遞函數He(f)來表示 0 2 )()(dffH

9、fDf e 對于白噪聲來說D(f)1，所以有 0 2 )(dffHf e 對于一個電壓放大電路有 VVe AfAfH/ )()( 式中，AV(f)電路電壓放大倍數的頻率響應；AV:中心頻率或零頻時的 電壓放大倍數。 于是有 0 2 2 0 2 )( 1 / )( dffA A dfAfAf V V VV (6-18) (6-19) 17 設有一低通型電壓放大器如圖，它由電壓放大倍數AV=50的放大器 與RC低通濾波器組成，其放大倍數的頻率響應為 該復數的模AV(f)為 圖6-5 低頻放大器 ( )/(1) VV AfAj CR 2 ( ) 1() V V A Af CR 所以 2 22 00

10、22 00 112500 ( ) 25001 () 1() 1 ()21 () 1 222 V V H fAfdf AwCR dfd wCR wCRCRwCR f CR 式中，fH= 為低通放大器的三分貝頻率。 (6-20) CR2 1 18 各種噪聲可能不屬于同一起因與類型，但是 為了計算和分析的方便，可以用一個電阻的熱噪 聲來等效，稱為等效噪聲電阻。 圖示的典型放大器，其噪聲可由三部分組成， 即輸入電阻Ri的熱噪聲；放大器噪聲和負載電阻 RL的噪聲。 2. 2. 等效噪聲電阻等效噪聲電阻 圖6-6 放大器等效噪聲電阻 19 2. 2. 等效噪聲電阻等效噪聲電阻 用電阻的熱噪聲 來等效放大器

11、的噪聲，負載電阻 RL的熱噪聲為 fkTRE LnL 4 2 0fARkTE VnL )/(4 2 1 2 0 2 1 / V AR 2 / VLeqieq ARRRR eq R 圖6-6 放大器等效噪聲電阻 (6-21) 對應總輸入噪聲為 fARRRkTfkTRE VLeqieqni )/(44 22 對應等效電阻為 。 等效到輸入端 總等效電阻: 20 這是一種將各噪聲等效為放大器輸入源電阻因等效 升溫而附加熱噪聲的方法。Ri為源電阻，用Ri的熱噪聲 表示輸入源的噪聲 3. 3. 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 fRkTE snT 0 2 4 式中,T0為參考溫度(工作室溫)。 圖6-7 放大器

12、等效噪聲溫度 21 假設放大器的噪聲也等效到電阻RS上，相當 于附加一個溫差Teq在RS產生的熱噪聲,把Teq叫作 等效噪聲溫度。于是等效在輸入端的總噪聲為 fRTTk fRkTfRkTE seq seqsni )(4 44 0 0 2 (6-23) 圖6-7 放大器等效噪聲溫度 22 6.1.4 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲 Rs是信號源內阻；Es是信號源電動勢；RL是輸出負載；Pi ，P0分別 是輸入、輸出的信號功率；Ni是加到輸入端的噪聲功率；No是輸 出端的總噪聲功率；于是噪聲系數可定義為 1. 1. 噪聲系數噪聲系數( (F , noise factor) ) 輸入信噪比與輸出信

13、噪比的比值 00 / / NP NP F ii 圖6-8 線性四端網絡下面對其有關特性進行討論： (1)對于理想無噪聲的網絡有P0N0PiNi，即F1。當網絡存 在噪聲時，P0N0PiNi，即F1。 (6-26) 23 (2)噪聲系數常用其分貝數FdB來表示 oo ii dB NP NP FF / / lg10lg10 (3)將網絡功率增益AP引入上式，并設Ni經網絡后輸出噪聲 為Nio=APNi，則有 io o iP o io oi N N NA N NP NP F 所以，噪聲系數又可定義為有噪聲網絡與無噪聲網絡輸 出噪聲功率之比。 (6-28) (6-29) 如設網絡內部產生的噪聲功率在輸

14、出端為Nn，則 nioo NNN io n N N F1 (6-27) 24 如何選擇信號源電阻使半導體 三極管的噪聲系數最小？ 半導體三極管的噪聲主要包括 散彈噪聲、分配噪聲、熱噪聲 和1/f(閃爍)噪聲。 圖6-9 三極管噪聲等效電路 2. . 半導體三極管的噪聲系數半導體三極管的噪聲系數 恒壓等效 噪聲源 輸入信號 源電阻 恒流等效 噪聲源 基區電阻 輸入信號 源電壓 分配噪聲只存在于三極管中，是由于基區載流子分配噪聲只存在于三極管中，是由于基區載流子 的復合率有起伏，使得集電極電流和基極電流的的復合率有起伏，使得集電極電流和基極電流的 分配有起伏，從而使集電極電流產生起伏。分配有起伏，

15、從而使集電極電流產生起伏。 恒壓等效噪聲源：基區電阻熱噪聲和分配噪聲恒壓等效噪聲源：基區電阻熱噪聲和分配噪聲 恒流等效噪聲源：發射結的散彈噪聲和分配噪聲恒流等效噪聲源：發射結的散彈噪聲和分配噪聲 25 圖6-9 三極管噪聲等效電路 2. . 半導體三極管的噪聲系數半導體三極管的噪聲系數 在所考慮的頻帶范圍內，如果 噪聲頻譜是均勻的，三極管噪 聲系數為： 2 222 )( 1 ns bbsnn E rRIE F 式中， 是Rs熱噪聲的均方值。 fRkTE snns 4 2 恒壓等效 噪聲源 輸入信號 源電阻 恒流等效 噪聲源 基區電阻 輸入信號 源電壓 26 圖6-9 三極管噪聲等效電路 (6-

16、32) 2. . 半導體三極管的噪聲系數半導體三極管的噪聲系數 2 222 )( 1 ns bbsnn E rRIE F 如果忽略電阻 則 ，需要討論 在什么條件下噪聲系數最小，即 求dFdRs0的條件。經微分計 算并整理則有 bb r nncopts IERR/ 2 2 22 )( 1 ns snn E RIE F 要使噪聲系數最小，應選用輸入信號源電阻等于三要使噪聲系數最小，應選用輸入信號源電阻等于三 極管等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！極管等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！ 27 要使噪聲系數最小，應選用輸入信號源電阻等于三要使噪聲系數最小，應選用輸入信號源電阻等于三 極管

17、等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！極管等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！ 2. . 半導體三極管的噪聲系數半導體三極管的噪聲系數 OP27運算放大器的性能參數表 28 6.2 前置放大器前置放大器 1.1. 選定探測器和相應的偏置電路以后就可知所獲信號和噪聲的大小。選定探測器和相應的偏置電路以后就可知所獲信號和噪聲的大小。 2.2. 用恒壓信號源或恒流信號源來等效探測器和偏置電路的輸出信號。用恒壓信號源或恒流信號源來等效探測器和偏置電路的輸出信號。 3.3. 同時用源電阻的熱噪聲來等效探測器和偏置電路的總噪聲同時用源電阻的熱噪聲來等效探測器和偏置電路的總噪聲 4.4. 用最小噪聲系

18、數原則設計前置放大器。用最小噪聲系數原則設計前置放大器。 fRkTE snns 4 2 圖6-16 探測器與偏置電路的等效 29 6.2 前置放大器前置放大器 1.輸出信號較強時，前置放大器及后續放大器的設計 主要考慮：增益、帶寬、阻抗匹配和穩定性。 2.輸出信號弱時，應主要考慮抑制噪聲。 圖6-16 探測器與偏置電路的等效 30 1. 1. 前置放大器設計的大致步驟前置放大器設計的大致步驟 （2）從）從噪聲匹配噪聲匹配原則出發，原則出發， 選擇前置放大器第一級的管型，選擇前置放大器第一級的管型， （3 3）在管型選定后，第一，二級應采用噪聲盡可能低的器件，）在管型選定后，第一，二級應采用噪聲

19、盡可能低的器件， 按照最佳源電阻的原則來確定管子的工作點，并進行工作頻率，按照最佳源電阻的原則來確定管子的工作點，并進行工作頻率， 帶寬等參量的計算及選擇。帶寬等參量的計算及選擇。 （1 1）測試或計算光電探測器及偏置電路的源電阻）測試或計算光電探測器及偏置電路的源電阻Rs； 圖6-17 選用第一級放大器件的準則 31 （1）根據所采用的光電探測器的噪聲譜和選定放大器的典型噪 聲譜，確定工作(調制)頻率。 2. 2. 放大器設計中頻率及帶寬的確定放大器設計中頻率及帶寬的確定 典型探測器的噪聲譜 （2）光電檢測系統中按照白噪聲的特點，工作頻率選定后，應 盡可能減小電路的頻帶寬度。 32 （3）當

20、信號頻率在一定范圍內變化，不能選用固定頻率的窄帶濾 波方式工作時，除確定必要的窄帶外，可采用設計選通積分器的方法 來抑制噪聲。 圖6-19 帶寬對矩形脈沖波形和復制的影響 （4）在某些系統如脈沖系統中，為保持信號的波形，必須采用 頻帶寬度較寬的處理電路，適當犧牲高頻。下圖說明了所需保持波 形和電路3dB帶寬f之間的關系。 積分具有平均的作用 33 3. 放大器設計中的其它考慮放大器設計中的其它考慮 （1）按）按最小噪聲系數原則最小噪聲系數原則設計前置放大器時，為減少后面各設計前置放大器時，為減少后面各 放大級噪聲對總噪聲的影響，其電壓放入倍數放大級噪聲對總噪聲的影響，其電壓放入倍數AV1不應小

21、于不應小于10倍，倍， 從而使從而使F F1。 （2）采用多級級聯放大器時，總放大倍數）采用多級級聯放大器時，總放大倍數AV可分配到各級可分配到各級 中，中， 。 （3）級間加入不同形式的負反饋電路，可以起到提高電路的）級間加入不同形式的負反饋電路，可以起到提高電路的 穩定性，調整輸入阻抗、調整放大倍數和改變帶寬等作用。穩定性，調整輸入阻抗、調整放大倍數和改變帶寬等作用。 （4）大部分光電檢測系統要求有好的線性度和寬的動態范圍，）大部分光電檢測系統要求有好的線性度和寬的動態范圍， 在電路設計中應予考慮。在電路設計中應予考慮。 （5）完成電路設計前應驗證設計是否滿足）完成電路設計前應驗證設計是否

22、滿足噪聲系數、電壓放噪聲系數、電壓放 大倍數、頻帶寬度、穩定性、阻抗匹配、線性度、動態范圍等大倍數、頻帶寬度、穩定性、阻抗匹配、線性度、動態范圍等要要 求。如不滿足則應反復修正。求。如不滿足則應反復修正。 VnVVV AAAA 21 34 4. 前置放大器的實例前置放大器的實例 圖示為光電導探測器電路中的前置放大器電路圖。它具有良好 的線性度，電路是由A 702A和A716兩個集成器件構成。 圖6-20 前置放大器電路實例 35 6.3 常用電路介紹常用電路介紹 6.3.1 選頻放大器選頻放大器 6.3.2 相敏檢波器相敏檢波器( (相敏整流器、相敏解調器相敏整流器、相敏解調器) ) 6.3.

23、3 相位檢測器（鑒相器）相位檢測器（鑒相器） 6.3.4 鑒頻器鑒頻器 6.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 6.3.6 積分微分運算器積分微分運算器 6.3.7 鎖相環及鎖相放大器鎖相環及鎖相放大器 本節包括以下幾部分內容： 36 6.3.1 選頻放大器選頻放大器 為突出信號和抑制噪聲，常采用選頻放大器。為突出信號和抑制噪聲，常采用選頻放大器。 將放大器的選放頻率與光電信號的調制頻率保持一致，同時將放大器的選放頻率與光電信號的調制頻率保持一致，同時 限制帶寬，使所選頻率間隔外的噪聲盡可能濾除，達到提高限制帶寬，使所選頻率間隔外的噪聲盡可能濾除，達到提高 信噪比的目的。信噪比的目的。 一類

24、選頻放大器是利用一類選頻放大器是利用LC振蕩電路，通過諧振的方式對所需振蕩電路，通過諧振的方式對所需 頻率的信號直接進行放大輸出。放大電路中接有頻率的信號直接進行放大輸出。放大電路中接有LC并聯的諧并聯的諧 振回路，最后用變壓器輸出。振回路，最后用變壓器輸出。 圖6-23 LC振蕩選頻放大電路 37 6.3.2 相敏檢波器相敏檢波器(相敏整流器、相敏解調器相敏整流器、相敏解調器) 圖中 為振幅調制信號，即待測的振幅緩慢變化 的信號。乘法器另一輸入 是本機振蕩或參考振 蕩信號，乘法器的輸出信號為 )cos()(tutu LL 由模擬乘法器和低通濾波器構成 ttutuicos)()( )2cos(

25、cos)( 2 1 )cos(cos)()( 1 tutKM tuttKmtu Lu Lu 低通濾波器濾去高頻2 的分量，其輸出量為 圖6-27 相敏檢波器方框圖 cos)( 2 1 )( 0LM utuKKtu 式中，K為低通濾波器的傳輸系數。 38 圖示的相位檢測器的相位范圍為 ，且輸出電壓與相位差成線性 關系。 6.3.3 相位檢測器（鑒相器）相位檢測器（鑒相器） 圖6-30 相位檢測器框圖 180 39 圖6-31 相位檢測器各環節的波形 uAuB同相同相 uA領先領先uB90 uA落后落后uB90 40 6.3.4 鑒頻器鑒頻器 鑒頻器的種類很多，這里介紹時間平均值鑒頻器。 其工作波

26、形如圖所示,圖中給出了兩個不同頻率調頻波的有關波形， 以便比較。 圖6-33 鑒頻器原理框圖 41 尖脈沖數目與頻率有關，頻率越高，尖脈沖數目與頻率有關，頻率越高， 尖脈沖越多，輸出越高尖脈沖越多，輸出越高 圖6-34 鑒頻器各環節波形 42 6.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 在光電檢測技術中，有時需要在不同寬度的脈沖中，選出 脈寬在某個特定值T附近的控制脈沖，即TTPTP。TP為特 定的持續期，TP為允許偏差。實現該功能的方案之一如圖所 示。相應的工作波形如下頁圖所示。 圖6-36 脈寬鑒別器 43 圖6-37 脈寬鑒別器各環節的波形 或非 （全零則1） 輸入信號輸入信號 電平檢測電

27、平檢測1 1 積分積分 電平檢測電平檢測2 2 或非或非 單穩單穩2 2 單穩單穩1 1 44 6.3.6 積分微分運算器積分微分運算器 1. 1. 積分運算器積分運算器 積分運算器的電路如圖所示, 。這時輸出信號u0與輸入信號ui的 關系為 dttu CR tu i ff )( 1 )( 0 (6-48) (6-49) 這時輸出電壓正比于輸入電壓對時間的積分，比例常數與反饋 電路的時間常數有關而與運算放大器的參數無關。 fff CR 圖6-39 積分運算器 45 2. 微分運算器微分運算器 基本微分運算器的電路。待微分 信號輸入反相端，輸出信號u0與輸入 信號ui間的關系為 圖6-42 基本

28、微分運算器 dttduCRtu iff / )()( 0 在運算放大器的反相端和同相端 接成平衡對稱的RC微分電路，可構成 差動微分運算器，其輸出與輸入間的 關系為： dttutudCRtu iiff /)()()( 210 圖6-43 差動微分運算器 (6-52) (6-53) 46 6.3.7 鎖相環及鎖相放大器鎖相環及鎖相放大器 使一個簡諧波自激振蕩的相位受基準振蕩的控自激振蕩的相位受基準振蕩的控 制制，保持特定的關系，叫作“相位鎖定”，簡 稱“鎖相” 圖6-44 鎖相環方框圖 47 6.3.7 鎖相環及鎖相放大器鎖相環及鎖相放大器 輸入與輸出信號頻率不同會導致產生不斷變化的相位差輸入與

29、輸出信號頻率不同會導致產生不斷變化的相位差 ！ 鑒相器：將壓控振蕩器輸出的信號和輸入信號之間的 相位差轉換為誤差電壓。 )()(tKtu n d d 式中,Kd鑒相器靈敏度，n(t) 相位差。 低通濾波器：常叫環路濾波器,濾除高頻成分。 壓控振蕩器：電壓頻率變換的作用。 (6-54) 48 6.4 光電技術中的調制技術光電技術中的調制技術 6.4.1 一般光電信號的調制一般光電信號的調制 6.4.2 專用調制盤專用調制盤 6.4.3 利用物理光學原理實現的光調制技術利用物理光學原理實現的光調制技術 本節包括以下幾部分內容： 49 6.4.1 一般光電信號的調制一般光電信號的調制 1 1調制檢測

30、光信號的優點調制檢測光信號的優點 (1)減少自然光或雜散光對檢測結果的影響。減少自然光或雜散光對檢測結果的影響。 -噪聲多以直流量和低頻量出現噪聲多以直流量和低頻量出現 (2)消除光電探測器暗電流對檢測結果的影響。消除光電探測器暗電流對檢測結果的影響。 (3)交流信號處理方便、穩定，沒有直流放大交流信號處理方便、穩定，沒有直流放大 器零點漂移問題。器零點漂移問題。 (4)提供多種調制方案，如調幅、調頻和調相提供多種調制方案，如調幅、調頻和調相 等，從而擴大了應用范圍。等，從而擴大了應用范圍。 50 2. 光電信號調制的途徑光電信號調制的途徑 （1）對）對光源發光光源發光進行調制進行調制 （2）

31、對）對光電器件光電器件產生的光電流進行調制產生的光電流進行調制 （3）在光電器件在光電器件輸出至放大器間輸出至放大器間進行光電信號的調制進行光電信號的調制 （4）在）在光源與光電器件的途徑中光源與光電器件的途徑中進行調制進行調制 51 2. 光電信號調制的途徑光電信號調制的途徑 （1）對光源發光進行調制）對光源發光進行調制 該方法要求光源具有極小的惰性。 常用的光源有激光器、發光二極管、氖燈及氫燈等，通過調制電源來 調制發光。 多諧振蕩器及功率放大器組成。 圖6-49 發光二極管的脈沖供電 52 （2）對光電器件產生的光電流進行調制）對光電器件產生的光電流進行調制 在光電管中，通過在陰極和陽極

32、間側向附 加交變的電場或磁場實現。 在光電倍增管中，光電信號的調制可以 在任何一級二次極上通過施加交變電壓來完 成，其調制頻率可達105107Hz左右。 在光電三極管中，光電信號的調制可以在 基極上加調制電壓或電流 53 （2）對光電器件產生的光電流進行調制）對光電器件產生的光電流進行調制 在光敏電阻或光電二極管中，調制可在電 橋電路中采用交變電壓供電來完成。 圖6-50 光敏電阻的調制電路 54 （3）在光電器件輸出至放大器間進行光電信號的調制在光電器件輸出至放大器間進行光電信號的調制 對信號電流或電壓進行調制，又叫做電路調制。 如晶體管調制器、場效應管調制器等，把直流 電量轉換為交變電量。

33、 （4）在光源與光電器件的途徑中進行調制）在光源與光電器件的途徑中進行調制 在光電檢測中應用最多，如機械調制法、干涉 調制法、偏振面旋轉調制法、雙折射調制法和 聲光調制法等。 重點介紹 55 3. 常用的機械調制法常用的機械調制法 （1）調制盤及調制波形）調制盤及調制波形 最簡單的調制盤，有時叫做斬波器。 在圓形的板上由透明和不透明相間的扇形區構成。 當以圓盤中心為軸旋轉時，就可以對通過它的光束M進行調制。 調制頻率f由調制盤中透光扇形的個數N和調制盤的轉速n決定，f Nn/60(Hz)。 圖6-51 調制盤 56 調制盤實物圖調制盤實物圖 57 調制光輸出波形與光束截面的關系。 u調制盤的圖

34、形近似為方形，束截面為寬度不等的矩形 u所形成的調制波形是方波、梯形波和三角波等。 圖6-52 光孔及波形 58 （2）調制盤的特點調制盤的特點 優點：優點： 方法簡單；方法簡單； 造價低廉；造價低廉； 缺點：缺點： 體積大，大部分盤區處在待工作狀態體積大，大部分盤區處在待工作狀態 機械轉動容易帶來震動，在某些場合不適合機械轉動容易帶來震動，在某些場合不適合 59 （3）利用電磁感應的機械調制利用電磁感應的機械調制 激磁線圈中加入交變電流。激磁線圈中加入交變電流。 線圈磁場線圈磁場S S和和N N極交變。極交變。 圖6-54 電磁感應調制器 60 （4）受抑全反射調制器受抑全反射調制器 利用全

35、反射條件成立與否可實現光調制。 可將一束入射光分解為兩束調制光輸出。 圖6-56 受抑全反射調制器 61 （5）移動光軸的調制器移動光軸的調制器 移動光軸由固定狹縫和運動反射鏡構成。移動光軸由固定狹縫和運動反射鏡構成。 圖6-57 移動光軸的調制器 旋轉旋轉 擺動擺動 62 （6）正弦波形調制器正弦波形調制器 旋轉葉片與雙三角形光闌構成的正弦調制器。三角 形底邊長為b，高為h當葉片與光闌平行時， 0， 通光面積S0時作為起始計算點。按三角關系知 ， cos hh cos)/( bhhbb )2cos1 ( 2 1 cos 2 hbhbhbS 圖6-58 旋轉葉片正弦調制器 通光面積： h b

36、63 （6）正弦波形調制器正弦波形調制器 利用半徑不同的兩內接圓所構成新月形的孔，對線狀光束 實現調制。 圖6-59 新月形正弦調制器 05101520253035 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 64 6.4.2 專用調制盤專用調制盤 用于跟蹤和瞄準的光電系統用于跟蹤和瞄準的光電系統 中，利用對目標發出的光輻射中，利用對目標發出的光輻射 進行特別調制可以獲取目標偏進行特別調制可以獲取目標偏 離軸線的誤差信號；離軸線的誤差信號； 控制光電系統修正軸線可以控制光電系統修正軸線可以 正確跟蹤和瞄準。正確跟蹤和瞄準。 此時往往用到此時往往用到專用調制盤專用

37、調制盤。 (6-59) 海基導彈跟蹤雷達 65 6.4.2 專用調制盤專用調制盤 1 1調制波及調制的分類調制波及調制的分類 設某交流波的瞬時值 由下式表示)(ta sin)2sin()sin()( 000 aftatata 交流波振幅交流波振幅 圓頻率圓頻率 頻率頻率 初相角初相角 相位相位 角角 調制可分為三類，調幅( )、調頻( 或 )和調相( )。 0 af (6-59) 66 6.4.3 利用物理光學原理實現的光調制技術利用物理光學原理實現的光調制技術 1利用干涉現象實現光調制利用干涉現象實現光調制 干涉條紋及其變化的是相干光束間在干涉場中產生的相位差 ， 或與其對應的光程差 ，兩者

38、間的關系為 /2 式中，為干涉所采用光束的波長。 圖6-69 干涉調制原理 (6-63) 67 2利用偏振光振動面旋轉進行光調制利用偏振光振動面旋轉進行光調制 （1 1）利用電場作用下晶體的旋光產生光調制）利用電場作用下晶體的旋光產生光調制 在石英晶片上施加以 為圓頻率的正弦電壓， ，偏振光振動面旋轉角度也是一個隨時間變化 的正弦函數 tUUsin 0 t m sin(6-64) 為在外加電壓時對應的最大旋轉角； m 68 )sin(cos 2 0 tII m (6- 65)式中， 為起、檢兩偏振器主方向 和 間的夾角； 圖6-71所示是 和 時各量間的關系。實際使用中常采 用 的方式，此時

39、)sin(sin 2 0 tII m 2 0 21 PP (6- 66) 1 P 2 P 圖6-70 利用旋光進行光調制裝置 圖6-71 兩種放置方法 69 （2 2）利用）利用“法拉弟法拉弟”旋光效應產生的光調制旋光效應產生的光調制 某些物質在磁場的作用下，能使通過該物質的偏 振光振動面產生旋轉，這就是“法拉弟”旋光效應。 這些物質叫做磁偏物質。 該效應使偏振面旋轉的角度 為 VHL 式中，V為物質的費爾德常數，它表征磁偏物質的旋光能力；H為 磁場強度；L為在磁場中光經過的長度。 圖6-72 利用磁旋光實現光調制 (6-67) 70 磁偏物質中的交變磁場B是由交變電流通過線圈產生，如果 交變

40、電流 ，則B為 tIIsin 0 tBBsin 0 旋光轉角 為 tVLBt m sinsin 0 造成輸出調制光強為)sin(cos 0 2 0 tVLBII 當 時 2 )sin(sin 2 0 tII m 71 可從三個方面提高該效應可從三個方面提高該效應 的效果。的效果。 (1)選擇磁旋系數選擇磁旋系數V強的物質強的物質; (2)加大線圈的匝數以增加磁加大線圈的匝數以增加磁 感應強度感應強度B，但這會使結構笨，但這會使結構笨 重，增大電感性的惰性，對工重，增大電感性的惰性，對工 作不利；作不利； (3)增加光在磁場中的路途長增加光在磁場中的路途長 度。如圖。度。如圖。 圖6-73 延長作用 距離的方案 72 3利用雙折射進行光調制利用雙折射進行光調制 當光束通過非對稱晶體時，會產生雙折射，即產生 以折射率為n0的尋常光和折射率為ne的非尋常光。 這兩束光經過晶體后，形成一定的相位差 2 )( 0e nnd 圖6-74 利用晶體雙折射實現調制原理 d