光电技术第7章1节

1、第,7,章,光电信息变换,光学信息,电学信息,光电信息变换器,光,源,光,学,光,偏,处,系,电,统,传,置,理,感,电,电,器,路,路,解决问题,信,息,光,学,光,信,学,息,参,类,量,型,基本方法,第,7,章,光电信息变换,主要内容：,1,、光电信息变换的分类,*,2,、光电变换电路的分类（,差分变换电路、光外差检,测电路；激光干涉测位移、莫尔条纹测位移,）,3,、光电信号的变换方法：几何光学、,物理光学,和光,电子学。,4,、光电信号的时域调制变换,?,7.l,光电信息变换的分类,1,、按信息载入光学信息的方式分,2,、输出信号与信息的函数关系分：模拟光电变换与模数,-,光,电变换,

2、?,7.1.1,光电信息变换的基本形式,1.,信息载荷于光源的方式,为信息载荷于光源中的情况（或,光学信息,为光源本身,).,温度信息,频谱信息,火,灾,报,警,武,器,制,导,夜,视,观,察,强度信息,地形,地貌,普查,钢水,温度,的探,测,光,谱,分,析,成,像,测,量,特点：,1,、物体自身辐射通常是缓慢变化的,2,、光电传感器获得的电信号为缓变的信号或直流信号,3,、采用,光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交流信号，然后,再解调出被测信息,-,克服直流放大器的零点漂移、环境温度影响和背,景噪声的干扰,例：在全辐射测温应用中温度信息存在于光源的辐射出射度,M,e, ,，物体的全,辐

3、射出射度,M,e, ,与物体温度的关系为,M,e, ,=,M,e, ,，,s,= ,T,4,光电传感器的变换电路输出的电压信号为,U,S,=,mSGK,M,e,=,M,e,(7-2),(7-1),m,为光学系统的调制度，为光学系统的透过滤，,S,为光电器件的灵敏度，,G,为变换电路的变换系数，,K,为放大器的放大倍数，,=,mSGK称为系统,的光电变换系数。,U,S,=,T,4,?,2.,信息载荷于透明体的方式,信息可为透明体的,透明度,，透明体,密度的分布,，透明体的,厚度，,透,明体介质材料,对光的吸收系数,等都为载荷信息的方式。,提取信息的方法：常用光通过透明介质时光通量的损耗与入射,通

4、量及材料对光吸收的规律求解,。即,?,?,?,0,e,?,?,l,为透明介质对光的吸收系数，它与,介质的浓度,C,成正比，即,=,C,。显,（,7-4,）,然，为与介质性质有关的系数。,光电变换电路的输出电压,?,?,?,0,e,（,7-7,）,?,?,Cl,U,s,?,?,?,?,?,?,0,e,?,?,Cl,ln,U,s,=ln,U,0,Cl,（,7-5,）,?,3.,信息载荷于反射光的方式,反射：,镜面反射和漫反射,1,、在光电技术中常用,镜面反射,作合作目标，用它来,判断光信,号的有无,等信息的检测；镜面反射还用于测量物体的运动、,转动的速度，相位等方面。,2,、物体的,漫反射本身载荷

5、物体表面性质的信息,，例如反射系,数载荷表面粗糙度及表面疵病的信息，通过检测漫反射系数,可以检测物体表面的,粗糙度及表面疵病,的性质。,如：检测产品外观质量时，变换电路输出的疵病信号电压：,U,S,=,E,(,r,1,-,r,2,)B,E,为被测表面的照度，,r,1,为正品（无疵病）表面的反射系数，,r,2,为疵病表,面的反射系数，,B,为光电器件有效视场内疵病所占的面积，为光电变,换系数。当,E,，,r,1,和已知时，输出电压,U,S,是,r,2,和,B,的函数，因此，可以,通过输出信号电压,U,S,的幅度判断表面疵病的程度和面积。,?,4.,信息载荷于遮挡光的方式,物体部分或全部遮挡入射光

6、束，或以一定的速度扫过光电器件,的视场，实现了信息载荷于遮挡光的过程。,设光电器件光敏面的宽度为,b,，高度为,h,，当被测物体的宽度,大于光敏面的宽度,b,时，物体沿光敏面高度方向运动的位移量为,l,，则物体遮挡入射到光敏面上的面积变化为,A,=,b,l,（,7-9,）,变换电路输出的面积变化信号电压为,U,=,E,A,=,E b,l,（,7-10,）,5.,信息载荷于光学量化器的方式,1,）、光学量化是指,通过光学的方法将连续变化的信息变换成有限个离散,量的方法。,2,）、光学量化器包含有,光栅摩尔条纹量化器、各种干涉量化器和光学码,盘量化器,等。,光源发出的光经光学量化器量化后送给光电器

7、件,转换成脉冲数字信号，再送给数字电路处理或送给,计算机进行处理或运算。,例如，将长度信息量,L,经光学量化后形成,n,个条纹信,号，量化后的长度信息,L,为,L,=q,n,式中，,q,称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有关。采用光栅摩尔条,纹变换器时，量化单位,q,等于光栅的节距，在微米量级；而采用激光干涉量化,器时，,q,为激光波长的,1/2,或,1/4,或,1/8,，视具体的光学结构而定。,6.,光通讯方式的信息变换,信息首先对光源进行调制，发出载有各种信息的光信号，通,过光导纤维传送到远方的目的地，再通过解调器将信息还原。,?,7.1.2,光电信息变换的类型,一、模拟量的光电信息

8、变换，例如前,4,种变换方式；,二、数字量的光电信息变换，例如后,2,种变换方式。,1.,模拟光电变换,光电器件的输出信号量是被测信号量,Q,的函数，或称输出信号,量与被测信号量之间的关系为模拟函数关系。可表示为,I,p,=f(Q),，,或,U,p,=,f,(Q),受载体的光度量和电路参数的影响,2.,模,-,数光电变换,被测信息量,Q,通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹,信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。,模,-,数光电变换中的光电变换电路只要输出,“,0,”,和“,1,”,（高、低,电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等,都可以载荷信息。因此，这类光电变

9、换电路的输出信号不再是电,流或电压，而是,数字信息量,F,。它与被测信息量,Q,的函数关系为,F,=,f,(Q),（,7-14,）,数字信息量,F,只取决于光通量变化的,频率、周期、相位和时间间隔,等信息参数，而与光的强度无关，也不受电源、光学系统及机械,结构稳定性等外界因素的影响。,?,7.2,光电变换电路的分类,光电变换电路输出信号的方式应与光电信息的函数关系,相一致，因此，光电变换电路也有,模拟,与,模,-,数,两种类型。,7.2.1,模拟光电变换电路,凡输出信号电流（或电压）与入射光度量具有,I,p,=,f,(Q),或,U,p,=,f,(Q),关系的变换电路都称为模拟光电变换电路。模拟

10、,变换电路通常分为,4,种类型。,?,1.,简单变换电路,在对测量精度要求不高的情况下,测量受照面的照度（例如测量教,室课桌表面的照度）时，常采用如图（,7-2,）所示的简单光电变换,电路，即简单照度计的变换电路。,调整电位器可使微安表的指针指示出光敏面上的照度。,设三极管放大倍率为,，则流过电阻,R,1,与,R,2,的电流,I,1,为,I,1,=,I,2,+,I,B,=,SE,V,+,I,B,（,7-15,）,设,I,1,I,B,U,bb,?,(,R,1,?,R,2,),I,1,I,B,?,(,R,3,?,R,4,)(,?,?,1,),U,bb,?,(,R,1,?,R,2,),SE,V,?,

11、(,R,3,?,R,4,),?,（,7-16,）,集电极电流,I,C,为,1,I,C,?,?,I,B,?,U,bb,?,(,R,1,?,R,2,),SE,V,R,3,?,R,4,（,7-17,）,当入射光很弱时，,E,V,0，流过光电三极管,3DU,2,的电流,近似为,0,，,I,C,为最大值,I,CM,1,I,C,?,?,I,B,?,U,bb,?,(,R,1,?,R,2,),SE,V,R,3,?,R,4,I,?,U,bb,CM,R,3,?,R,4,（,7-18,）,集电极电流,I,C,随光照度的增大而降低,如何调整照度计？,I,1,R,e,S,?,V,R,e,I,B,?,?,r,be,?,R

12、,B,r,be,?,R,B,S,V,R,e,R,C,U,O,?,U,bb,?,I,C,R,C,?,U,bb,?,?,r,be,?,R,B,(,设,I,1,I,B,),（,7-19,）,（,7-20,）,放大电路稳定性差,必须进行温度补偿,e,电压输出型光通量测量电路,故，输出电压,U,O,为,2.,具有温度补偿功能的变换电路,1,）、补偿光电二极管,D,2,被遮蔽并被与,光电二极管,D,1,封装在同温槽中，且要,求,D,1,与,D,2,的特性极为接近。,2,）、温度变化使两个光电二极管的温,度漂移基本相同，又分别处于两个桥,臂，相互补偿，达到消除温度对测量,电路造成的影响。,如何工作？如何进行

13、温度补偿？,利用,热敏电阻对光电测量电路进行温度补偿的电路,负温度系数,的热敏电阻能够对光电变换电路进行温度补偿,R,t,r,be,r,be,U,be,?,I,1,(,R,t,/,r,be,),?,I,1,?,I,1,r,be,R,t,?,r,be,1,?,R,t,热敏电阻,R,t,如何补偿光电二极管的电流,I,1,受环境温度的影响？,缺点：补偿有限,即使将热敏电阻与光电二极管装在同一个温度槽内也不可能达到完,全补偿的目的。,?,3.,差分式光电变换电路,三次调零：调电桥平衡,优点：,1,、减小暗电流的影响,2,、减小温度影响,3,、较小光源的漂移和波动影响,4,、消除检流计的指示误差,双光路

14、差分式光电变换器,设参考系统光电器件,D,1,的输,出电压为,U,D1,，测量光学系统,光电器件,D2,的输出电压为,U,D2,，,则变换电路的输出信号电压,为,:,U,O,=,K,（,U,D2,U,D1,）,K,为放大器的放大倍率,（,7-22,）,双光路单光电器件,的光电检测系统,1,、光电器件,D,分时,接收到参考光,信号和测量光信号,2,、输出的信号差即为被测信号,?,4.,光外差式光电变换电路（,重点掌握,）,对于微弱辐射信号的探测常采用光外差式光电变换电路。光,外差探测器的特点是：探测器,灵敏度高,（达到量子噪声限，,NEP,可,达,10,20,W,）且具有,很高的信噪比,。,设,

15、被测,信,号与,本,机,振,荡信号光束为,E,s,cos,s,t,和,E,L,cos(,s,+,),t,，其中,e,s,e,L,E,s,和,E,L,为光束的振幅，,且差频,s,。,辐射到光电探测器上的辐射为,e,t,?,E,L,cos(,?,s,?,?,),t,?,E,s,cos,?,s,t,?,R,e,E,L,e,j,(,?,s,?,?,),t,?,E,s,e,j,?,s,t,?,R,e,V,(,t,),(7-23),一般采用,平方律探测器,，则光电探测器输出的电流为：,i,0,(,t,),?,V,(,t,),V,*(,t,),i,0,(,t,),?,?,(,E,?,E,?,2,E,L,E,

16、S,cos,t,),式中,?,为比例系数（,光电灵敏度,）。,2,L,2,S,(7-24),?,?,q,?,/,h,?,?,i,0,(,t,),?,?,(,E,?,E,?,2,E,L,E,S,cos,t,),2,L,2,S,s,E,L,，式（,7-24,）变为,2,i,2,E,S,E,S,o,?,aE,L,(1,?,E,2,?,2,cos,L,E,t,),L,?,aE,2,L,(1,?,2,E,S,E,cos,t,),L,e,L,?,E,2,L,e,S,?,E,2,S,i,?,eL,q,?,?,es,o,?,h,?,(1,?,2,?,cos,?,t,),eL,(7-26),若,E,(7-25)

17、,如果采用选频放大器放大探测器的输出信号，其交流分量为,?,eL,?,es,q,?,i,s,?,2,cos,?,t,?,2,?,?,eL,?,es,cos,?,t,h,?,采用直接探测的输出信号为,(7-27),?,es,q,?,i,s,?,cos,?,t,?,?,?,es,cos,?,t,h,?,?,eL,q,?,?,es,i,o,?,(1,?,2,cos,?,t,),h,?,?,eL,在信号光通量相同的情况下，可以得到光外差式和直接变换式灵,敏度的比值,G,s,=2,(,eL,/,es,),1/2,。因为,eL,es,，所以外差式变换电,路的灵敏度比直接式变换要高得多，一般要高,10,3,

18、10,4,数量级。,对光外差：假设光电探测器为硅光电二极管，其输出信号电流的,均方值为,?,eL,?,eS,q,?,2,2,I,?,2(,),?,2,?,?,eL,?,eS,（,7-28,）,h,?,2,s,输出噪声电流主要是散粒噪声，忽略暗电流后为,?,eL,q,?,2,I,n,?,2,q,?,f,(,见式（,3,9,）,),h,?,信噪比与噪声等效功率分别为,e,s,?,eL,?,eS,q,?,2,2,2,S,/,N,?,I,s,?,2(,),?,2,?,?,eL,?,eS,h,?,f,h,?,（,7-30,）,h,?,f,hc,?,f,NEP,?,?,?,如：采用,CO,2,激光器，波长

19、=10.6m，带宽,f,=10,7,Hz,，,量子效率=50%，则得出,6.62,?,10,?,3,?,10,?,10,?,13,NEP,?,?,3.75,?,10,W,?,6,10.6,?,10,?,0.5,?,34,8,7,?,es,q,?,I,?,2,q,?,f,h,?,2,n,而直接探测的情况，在不考虑背景和暗电流情况下，,?,es,q,?,i,s,?,?,?,?,es,（,7-32,）,es,h,?,S,/,N,?,(,见式（,3,9,）,),2,h,?,f,e,s,S,/,N,?,h,?,f,h,?,f,hc,?,f,NEP,?,?,?,NEP,?,（,7-30,）,2,hc,?,

20、f,?,（,7-33,）,比较式（,7-30,）和式（,7-32,），可见光外差式的,S/N,提高了一倍。,如果不考虑背景噪声，光外差式的,S/N,提高得更高。,思考：采用光外差探测时,E,L,是不是越大越好？,思考：采用光外差探测时,E,L,是不是越大越好？,讨论：,1,、,E,L,增大，散粒噪声增大，信噪比下降，,因此,E,L,应选择适当；,2,、在满足信号处理的前提下，,?,f,小好；,3,、光外差探测可获得光信号的全部信息，直接探测,仅为,E,s,；,4,、光外差探测滤波性能好：空间滤波，光谱滤波。,?,eL,q,?,I,?,2,q,?,f,h,?,2,n,?,7.2.2,模,-,数光

21、电变换电路,1.,激光干涉测位移,He-Ne,激光器发出的光入,射到反射镜,M,1,（分光器）,上分成两束，一束为参,考光束，另一束为测量,光。两束光分别经全反,射镜,M,2,与,M,3,回到,M,1,，并在,M,1,处产生干涉。,干涉条纹被光电器件接收，形成脉冲信号。反射镜,M,3,的,位置量的模拟信息将载于脉冲信号。,当参考光束与测量光束的光程差是波长的整数倍时，即,K,入,(K=0,，,1,，,2,，,3,),时，两束光波的相位相同，,M,1,处的光强度,最大,(,出现亮点,),，光电器件输出高电平；当光程差,(K,十1/2) ,时，两束光波的位相差为，,M,1,处的光强度为零,(,出现

22、暗点,),，光,电器件输出低电平。,当,M,3,沿着测量光束的光轴,移动时，在,M,1,上将出现亮,暗交替的干涉条纹，其光,强度的变化规律为,I,v,=I,ov,(1+K,I,cos(2/),I,v,=,I,ov,+,I,ov,K,I,cos(2,/,) (7-34),式中，,I,o,为平均光强度，,K,I,为干涉条纹的对比度。,光程差每变化波长时，干涉条纹暗亮变化一次，当干涉,条纹变化,n,次时,，,光程差n,。对于图,7-14,所示结构，,光程差是动镜,M,3,位移量,L,的二倍。因此，被测位移量,L=n/2,( 7-35),只要计量干涉条纹的个数,n,，便可测出测量头移动的长度。,这种结

23、构的,量化单位为/,2,。,根据两个光电器件,输出脉冲的先后判,断测量头的移动方,向（,即条纹是由亮,变,黑,还,是,由,黑,变,亮,）,。然后，采用,可逆计数器进行加、,减计数。,信号处理电路,当动镜移动时，光,电接收器输出近似,的正弦信号，经放,大后由施密特比较,器进行整形。如条,纹右移，则,相位超前,V,1,的,输出为“,可逆计数器做加法,1,90,0,”,，控制,，,V,0,计数，反之则,相位超前,输出为“,90,0,V,2,的,制可逆计数器做减,0,”,，,，,V,控,0,法计数。,?,2.,莫尔条纹测位移,两块光栅以微小角度重叠时，在与光栅大致垂直的方向上，将看,到明暗相间的粗条纹

24、，称为,莫尔条纹,(moire fringe),。,如图,7-16,所示为两种计量光栅示意图。其中图（,a,）为刻划光栅。,图,7-16(b),为用腊腐蚀或,照相腐蚀的方法制成的黑白,光栅。计量光栅的黑白线条,等宽，,光栅的节距,（光栅常,数，,组成莫尔条纹的两块计,量光栅的相邻刻线之间的宽,光栅的节距,大于,0.01mm,度,）为等间隔的。,图,7-17,中的,a,a,线透光面积最大，形成条纹的亮带，在,b,b,线上，,光线被暗条相互遮挡，形成暗带。,假设光栅的节距为,d,，两光栅的栅线夹角为,，则条纹的间隔（宽度）,m,与,d,和,的关,系为,d,m,?,2,sin(,?,/,2,),（,

25、7-36,）,一般,角很小,m,?,d,?,（,7-37,）,从条纹的形状可以看出，,莫尔条纹的位置在两光栅刻线夹角,的补,角平分线上,。当两光栅相对移动时，莫尔条纹就在移动的垂直方,向即,角的平分线上移动。,光栅每移一个栅距，莫尔条纹移过一个间隔,（即一个条纹）。,因此，只要计测条纹移过的数量,n,，便可计算出光栅的位移量,L,，,即,L=nq,(7-38),式中,q,=d,为量化单位，表示每条纹的长度量。,莫尔条纹信号通过狭逢入射到光电器件上，它输出的光电信号近,似于正弦波。用两个光电器件输出的信号可以判断光栅移动的方,向。,两路光电信号的相位差为/,2,（放置间距调整为莫尔条纹间,距的,1/4,）。,长光栅莫尔条纹,播放动画,长光栅莫尔条纹,长光栅光闸莫尔条纹,特例：当,?,=0, d1=d2, m=,?, 光闸莫尔条纹,播放动画,长光栅纵向莫尔条纹,特例：,当,?,=0, d,1,d,2, 纵向莫尔条纹,当光栅转盘旋转时，指示光栅,与圆盘光栅产生的,莫尔条纹将,沿圆盘径向移动,，光电探测头,读出并判断莫尔条纹的移动量,和方向，便将角度量变换成莫,尔条纹信号。,只能测量角度的