第六章光电检测系统
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第六章 典型光电测试系统
莫尔条纹1的斜率为
jP2 iP 1 )ctg cos
（6-5）
jP2 iP 1ctg sin
yi , j y0,0 xi , j x0, 0 iP2 iP 1 ctg iP iP 1 sin 1
tg
P P cos 2 1 P 1 sin
济南大学物理科学与技术学院
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11
4. 编码计数型主动开关 光电开关可工作在开关状态，那么就很容易变换成计数状态或编 码控制状态。
测量照相机快门动作时间。发光管发出频率的光脉冲， 他放在快门的一边，光电接收管在快门的另一边。当快 门打开前计数器预先归零。快门打开时，光电转换后的 电脉冲使计数器计数。快门关闭时，计数停止。计数器 所计脉冲个数与脉冲周期之乘积就是快门开启时间。
主光栅与指示光栅各刻线交点的连线即构成了莫尔条纹。如果主光栅刻线序 列用i=0,1,2,3……表示，指示光栅刻线序列用j= 0,1,2,3……表示，则两 光栅刻线的交点为[i，j]，则莫尔条纹l由两光栅各同刻线交点[0，0]， [1， 1]， [2，2]……连线构成。设主光栅A的栅距为P1，指示光栅B的栅距为P2， 由图看出，主光栅A的刻线方程为
（6-6）
26
莫尔条纹1的方cos x P 1 sin
（6-7）
同样可以求得莫尔条纹2和3的方程
y2
P2 P P 1 cos x 2 P sin 1 sin
（6-8） （6-9）
P2 P P2 1 cos y3 x P sin 1 sin
频率测量 (1)计数测频法 计数测频法的基本思想就是在某一选定的时间间隔内对 被测信号进行计数，然后将计数值除以时间间隔（时基） 就得到所测频率。
jP2 iP 1 )ctg cos
（6-5）
jP2 iP 1ctg sin
yi , j y0,0 xi , j x0, 0 iP2 iP 1 ctg iP iP 1 sin 1
tg
P P cos 2 1 P 1 sin
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11
4. 编码计数型主动开关 光电开关可工作在开关状态，那么就很容易变换成计数状态或编 码控制状态。
测量照相机快门动作时间。发光管发出频率的光脉冲， 他放在快门的一边，光电接收管在快门的另一边。当快 门打开前计数器预先归零。快门打开时，光电转换后的 电脉冲使计数器计数。快门关闭时，计数停止。计数器 所计脉冲个数与脉冲周期之乘积就是快门开启时间。
主光栅与指示光栅各刻线交点的连线即构成了莫尔条纹。如果主光栅刻线序 列用i=0,1,2,3……表示，指示光栅刻线序列用j= 0,1,2,3……表示，则两 光栅刻线的交点为[i，j]，则莫尔条纹l由两光栅各同刻线交点[0，0]， [1， 1]， [2，2]……连线构成。设主光栅A的栅距为P1，指示光栅B的栅距为P2， 由图看出，主光栅A的刻线方程为
（6-6）
26
莫尔条纹1的方cos x P 1 sin
（6-7）
同样可以求得莫尔条纹2和3的方程
y2
P2 P P 1 cos x 2 P sin 1 sin
（6-8） （6-9）
P2 P P2 1 cos y3 x P sin 1 sin
频率测量 (1)计数测频法 计数测频法的基本思想就是在某一选定的时间间隔内对 被测信号进行计数，然后将计数值除以时间间隔（时基） 就得到所测频率。
第六章光电检测原理与系统
• 信噪比损失小； • 检测灵敏度高 NEP hf
例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极 限为１个光子。
系统对探测器性能的要求
• 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 – 响应频带宽 – 均匀性好 – 工作温度高
光电检测有关电路（p120）----前置放大器
通常在选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号 和噪声的大小。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏 置电路的输出信号,如图所示。同时用源电阻的热噪声来等效探 2 测器和偏置电路的总噪声 Ens 4kTn Rs f，用最小噪声系数原则设 计前置放大器。
光电子学法
磁光效应、空间光调制 、光纤传光与传感等
光电信号的变换方法与应用
• 几何光学变换法是利用几何光学意义上的光传播的直线性、
通光、遮光、反射、折射、成像等光学方法进行变换，在光 开关、光扫描、光学编码以及光电瞄准、测距、几何尺寸及
外观品质检验等技术中应用十分广泛；
• 物理光学变换法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光谱 等光学方法进行干涉计量、光谱分析、散斑全息测量等； • 光电子学法是利用光控器件及光导纤维光学等方法实现光调 制、光记录、光存储、光传输等。
光电检测技术
Ch6 光电检测原理与系统
吕勇 lvyong@
•光电检测系统相关概念 •直接（非相干）探测基本原理 •相干探测的基本原理 •光电探测有关电路 •数据处理与误差分析
光电信号变换
• 在光电系统中，通常要借助于几何光学、物理光学和光电子
学的方法对信号进行变换，包括将一种光量转换为另一种光 量，将非光量转换为光量或将连续光量转换为脉冲光量等。
非相干检测
如果光源是非相干光，但用光调制的方法使被 测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然 后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中 检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，把直 接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相 干光调制频率、振幅或相位的方法统称为非相干检 测。
第六章光电检测系统
• 长光栅莫尔条纹的形式
– 横向条纹:P1=P2, θ 很小; – 纵向条纹: P1~P2, θ =0; – 斜条纹: P1~P2, θ 很小.
• 莫尔条纹演示
横向条纹 纵向条纹
莫尔条纹的特性
• 光栅的节距比光的波长大很多.
• 莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅 的节距P(mm)和夹角θ (rad)之 间的关系为：
典型的光电检测系统
• 直接检测系统（光强调 制）
– 莫尔条纹测长仪 – 激光测距仪 – 激光准直 – 环境污染检测系统
• 光外差检测系统
– 激光干涉测长仪（相位 调制）
– 多普勒测速（频率调制） – 光外差通信
5.3.1 莫尔条纹测长仪
• 莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(节距分别为P1和P2) 叠加在一起,并且两者的栅线成 很小的角度θ ,透过光栅能看到 如图所示的明暗相间的莫尔条 纹.这就是莫尔条纹的光强调制 作用．
相位激光测距仪的原理精主振f1高频和粗主振f2低频由开关控制依次对发光管供电进行两次测相??检相器只能工作于较低频率故设立精本振频率f1fc粗本振频率f2fc?基准混频器对本振电压和主振电压进基准混频器对本振电压和主振电压进行混频外差进行外差输出低频fc的基准电压精主振f1粗主振f2精本振f1fc粗本振ff2fcf开关开关发光管光电二极管放大器发射物镜接收物镜?信号混频器对本振电压和输出信号进行混频外差输出低频fc的信号电压?信号与基准电压的有相同的频率但相位差仍保持高频信号的相位差
光波对信号的携带方式分)
直接检测的基本原理
• 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的 光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换 为电信号的变化。
直接检测的基本特性
• 光探测器的平方律特性
光电检测系统
人眼视觉系统
机器视觉系统
• 机器视觉系统最重要的一个局部是图像处 理与决策模块，从逻辑上可分为三阶段： 图像的预处理、特征提取、模式识别和理 解。图像的预处理是将由成像设备获得的 低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经 过噪声过滤、 平滑处理、 图像增强等处理
变成易于进展特征提取等后续操作的过程。 图像特征提取就是从经过底层处理的图像 中提取有利于图像识别和理解的主要特征 量，用有限的特征来描述原始图像中的目
机器视觉技术与无损检测
• 机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量 和判断，它在半导体生产、汽车制造、医 药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。 在机器视觉系统中，机器视觉产品将被摄 取目标转换成图像信号，传输给图像处理 系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息， 转变成数字化信号，图像系统对这些信号 进展各种运算来抽取目标特征，从而得到 感兴趣的目标信息。
• 工业,农业
应用领域
• 军事,航天
• 家庭
• 医学
设计原理
• 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统 和信息处理与技术的提高，光电检测技术 作为一门研究光与物质相互作用开展起来 的新兴学科，已成为现代信息科学的一个 极为重要的组成局部。光电检测作为光电 信息技术的主要技术之一，它是以激光、 红外、光纤等现代光电子器件作为根底， 通过对被检测物体的光辐射，经光电检测 器承受光辐射并转换为电信号，由输入电 路、放大滤波等检测电路提取有用信息，
• X射线检测技术主要是获取部件的内部缺陷，
• 〔3〕远距离、大量程：光是最便于远距离 测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如
根据不同的应用对象和用户场 合可采用不同的无损光电检 测技术和相应的检测装置来 实现。
分类
• 红外光谱检测技术 • 拉曼光谱检测技术 • 机器视觉检测技术 • 超声波检测技术 • X射线检测技术 • 电子鼻和电子舌检测技术
光电检测系统课件
光电检测系统在物联网与人工智能领域的应用前景
要点一
总结词
要点二
详细描述
随着物联网和人工智能技术的快速发展，光电检测系统的 应用前景十分广阔。
在物联网领域，光电检测系统可以用于各种传感器的数据 采集，实现远程监控和实时反馈。在人工智能领域，光电 检测系统可以作为机器视觉和图像识别的重要组件，为人 工智能提供更准确、更可靠的数据支持。同时，光电检测 系统还可以与其他技术相结合，如光通信、激光雷达等， 拓展其在物联网和人工智能领域的应用范围。
特点
高精度、高灵敏度、非接触、实时性 等。
光电检测系统的应用领域
工业自动化
用于生产线上的质量检测、测量 和控制。
通信与信息处理
用于光纤通信、光信号处理、光 计算等领域。
医学诊断
用于光谱分析、荧光检测、内窥 镜等医疗设备。
环境监测
用于水质、气体成分、污染物等 的检测和分析。
光电检测系统的发展趋势
高速化
Part
05
光电检测系统的未来展望
新型光电材料与器件的研究与应用
总结词
随着科技的不断进步，新型光电材料与器件的研究与应用成为了光电检测系统发展的重 要方向。
详细描述
新型光电材料如钙钛矿、二维材料等具有优异的光电性能，为光电检测系统的性能提升 提供了新的可能。同时，新型光电器件如光电晶体管、光电传感器等在灵敏度、响应速
02 03
光电效应分类
光电效应分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应是指光子能量 足够大时，将电子从物质表面打出，内光电效应则是光子能量使物质内 部电子跃迁至激发态。
光电效应应用
光电效应在光电检测、光电器件、光电子技术等领域有广泛应用。
光电检测技术与应用 第6章 光外差检测系统2
eη PC = 2 Ps PL R L 光外差检测中频输出有效信号功率为： hν
2
eη 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 = Ps R L hν 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G = = P0 Ps
2
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
fs fL
转镜 输出
ν
可变光阑
反射镜
光电检测器
放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的 回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏 振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： ____ 2 V C2 eη PC = = 2 Ps PL R L RL hν 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ϕ L −ϕ s )]
8
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC (t )=iC (t ) RL =αAs AL RL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
2
eη 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 = Ps R L hν 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G = = P0 Ps
2
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
fs fL
转镜 输出
ν
可变光阑
反射镜
光电检测器
放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的 回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏 振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： ____ 2 V C2 eη PC = = 2 Ps PL R L RL hν 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ϕ L −ϕ s )]
8
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC (t )=iC (t ) RL =αAs AL RL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
光电检测系统原理
光电检测系统原理光电检测系统是一种常用的传感器，广泛应用于自动化控制领域，例如机械加工、纺织、食品处理、生物化学和医疗卫生等。
其原理是利用光电器件将光信号转换为电信号，通过电路处理后，将电信号转换成机械或其他可控制的信号，实现自动检测和控制。
本文将从光电器件、处理电路、应用领域等方面进行详细介绍。
一、光电器件光电器件是光电检测系统的核心部分，其主要功能是将光信号转化为电信号，其种类包括光敏二极管（PD）、光电二极管（PH）、光励磁二极管（PC）、光电晶体管（PT）、硅光电池（PD）等。
其中，PD是一种光敏半导体器件，应用范围十分广泛。
PD中的光信号通过PN结被掺杂之后，使之成为具有光电特性的二极管，根据入射光信号的强弱，PD产生的电流也随之变化。
PH、PC、PT相比PD更加敏感，其检测范围可以覆盖可见光和红外光谱区域，使用时需要更加谨慎，但其具有相对较高的灵敏度和更快的响应速度，可以满足更高的应用需求。
硅光电池具有较高的光电转换效率，但其使用条件较为苛刻，易受温度变化等环境因素影响。
二、处理电路处理电路是光电检测系统中的第二个核心部分，主要功能是对从光电器件收集的电信号进行处理和放大，以满足后续电路的工作需要。
处理电路一般分为前端电路和后端电路两大部分。
（一）前端电路前端电路是光电检测系统中的第一级信号处理电路，主要由前放电路、驱动电路、滤波电路和保护电路组成。
前放电路的作用是放大从光电器件获得的弱电信号；驱动电路是用于对光电器件进行驱动的电路，使其在有效频率范围内工作；滤波电路则可以用来滤除杂乱的高频或低频信号；最后，保护电路则可以将前端电路和后端电路隔离，防止过高电压或过电流对后续模块造成损害。
（二）后端电路后端电路是对前端电路处理后的信号进行进一步处理和放大的电路，主要由比较电路、微处理器、放大电路、输出电路、计时电路和显示电路组成。
后端处理电路可以根据应用需要设置不同的模块，例如可通过比较电路可以实现对输入信号的阈值比较，以触发输出信号；在微处理器中可以设置一定的软件算法，用于对信号进行更加复杂的处理。
光电检测系统原理
光电检测系统原理
光电检测系统是一种常用的检测技术，其原理基于光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被电子吸收，使电子获得足够的能量从而跳出原子的束缚，产生自由电子。
在光电检测系统中，一般采用光敏元件作为光电转换器件。
光敏元件根据其工作原理的不同可以分为光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。
当光照射到光敏元件上时，会产生光生电流或改变电阻值，这种电信号可以被测量、放大并进一步处理。
光电检测系统的光源也是至关重要的组成部分。
光源的选择要根据被检测物体的特性来确定，可以使用白光、激光、红外线等不同种类的光源。
在某些应用中，还需要使用滤光片来选择特定波长的光源。
此外，光电检测系统中还包含光电信号的处理与分析。
光电信号一般较弱，需要经过放大、滤波、调整等处理，以提高信号质量和准确性。
处理之后的信号可以用于后续的数据分析、控制指令等。
总的来说，光电检测系统通过利用光电效应将光信号转化为电信号，进而实现对被检测物体的非接触式检测。
这种检测方式具有灵敏度高、响应速度快、精度较高等特点，广泛应用于工业制造、生命科学、环境监测等领域。
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计数显示器
• 激光器发射激光脉冲被分为两 部分：参考信号和回波信号。
• 回波脉冲经光电探测器变换成 电信号，再经放大和整形后， 将电子门打开，使通过电子门 的时钟脉冲进入计数器开始计 时；当回波脉冲（负与门）到 来时，关闭电子们。
• 在参考和回波脉冲之间计数器 所接收到的时钟脉冲个数代表 来被测距离。
• 长光栅莫尔条纹的形式
– 横向条纹:P1=P2, θ 很小; – 纵向条纹: P1~P2, θ =0; – 斜条纹: P1~P2, θ 很小.
• 莫尔条纹演示
横向条纹 纵向条纹
莫尔条纹的特性
• 光栅的节距比光的波长大很多.
• 莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅 的节距P(mm)和夹角θ (rad)之 间的关系为：
• 两束相干光入射到探测器表面 进行混频，形成相干光场,又 称相干检测。只有激光才能进 行相干检测。
• 输出信号中包含
的差
频信号,因此称光外差检测
• 输出的中频功率正比fs 于fL 信号光
和本振光功率的乘积。
Pc 2S 2Ps PL RL
光外差检测的特性
• 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、 频率和相位等；
x NP
Ｎ：指示光栅移动距离中包含的 光栅线对数，δ ：小于１个光栅 节距的小数．
简单光栅读数头
１：灯，２：聚光镜，３：指 示光栅，４：长光栅，５：光 电探测器
莫尔条纹测长仪
• 光电探测器接收到的明暗 变化的光信号转换成电信 号；
• 通过对莫尔条纹的直接测 量，可以测的光栅的位移 量；
• 在较宽的莫尔条纹间隔内 安放细分装置进行细分， 可读取位移的分数，提高 测量的灵敏度和精度．
第五章 光电检测系统
• 光电检测系统的类型 • 直接检测 • 光外差检测(相干检测) • 典型的光电检测系统
光电检测系统分类
• 主动系统/被动系统(按信息光源分) • 红外系统/可见光系统(按光源波长分) • 点探测/面探测系统？(按接受系统分) • 模拟系统/数字系统(按调制和信号处
理方式分)
• 直接检测？/光外差检测系统？(按
B P P
2 tan 2
• 当两光栅沿垂直于栅线的方向 相对移动时，莫尔条纹将沿平 行于栅线的方向移动．光栅每 移动一个节距Ｐ，莫尔条纹移 动一个宽度Ｂ．
• 因为θ 很小，放大倍数Ｋ很 大．例如: θ =20’,K=172
斜向条纹
KB1 P
莫尔条纹测长仪
• 两块光栅：一块为指示光栅与 工作台固定．一块为长光 栅．工作台前后移动的距离由 两块光栅形成的莫尔条纹进行 计数得到．指示光栅相对移动 一个节距，莫尔条纹变化一 周．指示光栅移动的距离为：
Sp
I
2 p
RL
ห้องสมุดไป่ตู้
q h
2
P 2 RL
• 信噪比：表征检测系统的灵敏度
• 视场角: 表征系统能“观察”到的空间范围
• 通频带宽度: 频带宽度越宽，通过信号的能量越大，
系统的噪声功率也越大
• 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标．
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光外差检测的基本原理
• 利用光波的振幅、频率、相位 携带信息，而不是光强。
• 时钟频率越高，测量的分辨率 越高。但分辨率最终取决于激 光脉冲的上升时间。
5.3.2 激光测距仪
• 激光测距仪的类型
– 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪
• 激光测距仪的特点
– 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大
• 激光测距仪广泛应用于工业、国防军 事、科学技术。
一、脉冲激光测距仪
• 测距原理： 由激光器对被测目标发射一 个光脉冲，然后接受目标反 射回来的光脉冲，通过测量 光脉冲往返所经过的时间来 计算出目标的距离。
• 测距仪原理：
由激光发射系统、接受系统， 门控电路、时钟脉冲振荡器 和计数器等组成。
脉冲激光测距仪的原理框图
激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模）
发射系统 电源
脉 冲 激 光 测
接收系统
发射望远系统 物镜
接收光学系统 小孔光阑
光电探测器
干涉滤光片
低噪声宽带放大器
整形电路
距
门控电路
仪 时钟脉冲振荡器
典型的光电检测系统
• 直接检测系统（光强调 制）
– 莫尔条纹测长仪 – 激光测距仪 – 激光准直 – 环境污染检测系统
• 光外差检测系统
– 激光干涉测长仪（相位 调制）
– 多普勒测速（频率调制） – 光外差通信
5.3.1 莫尔条纹测长仪
• 莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(节距分别为P1和P2) 叠加在一起,并且两者的栅线成 很小的角度θ ,透过光栅能看到 如图所示的明暗相间的莫尔条 纹.这就是莫尔条纹的光强调制 作用．
光波对信号的携带方式分)
直接检测的基本原理
• 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的 光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换 为电信号的变化。
直接检测的基本特性
• 光探测器的平方律特性
– 光电流正比于光电场振幅的平方
Ip
SP
q h
E2 (t)
q 2h
A2
– 输出的电功率正比于入射光功率的平方
光栅输出信号波形
莫尔条纹测长仪的应用
• 工业自动化中的核心测控部件 • 小型智能化的长度测试仪器，
用于对长度、直径、厚度、表 面形状、粗糙度等多种参数的 测量。 • 新一代的计量测试工具 • 某些几何量计量检测仪器的核 心转换系统 • 某些物理量的计量检测仪器的 核心转换系统 • 纳米级测量的重要仪器 • 非接触在线测量控制仪器
• 转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高７－８数 量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号光功率小，
但是本振光功率大）
• 良好的滤波性能 • 信噪比损失小 • 检测灵敏度高 • 检测距离远 • 对探测器的要求比直接检测高
光外差检测的空间和频率条件
sin L
• 空间条件： l
θ :两束光的夹角，l：检测器 光敏面线度．
波长越短或口经越大，要求相 位差角θ 越小，越难满足要 求．
• 频率条件：
要求信号光和本振光具有高度 的单色性和频率稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
信号光与本振光并非平行 而成一夹角θ
5.3 典型的光电检测系统
• 你所知道的光电检测 系统???
• 你能讲一讲光电检测 系统???
• 你能评一评光电检测 系统???