第5章光电信息变换

1、第5章 光电信息变换 光信息 电学信息 第5章 光电信息变换 光电信息变换器 光 源 光 学 系 统 光 电 传 感 器 偏 置 电 路 处 理 电 路 5.l 光电信息变换的分类 5.1.1 光电信息变换的基本形式光电信息变换的基本形式 信息载荷于光源信息载荷于光源 信息载荷于透明体信息载荷于透明体 载荷于反射光载荷于反射光 载荷于遮挡光载荷于遮挡光 载荷于光学载荷于光学 量化器量化器 光通讯光通讯 方式方式 图5-1 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 频谱信息强度信息 钢水 温度 的探 测 光 谱 分 析 火 灾 报 警 武 器 制 导 夜 视 观 察 地形 地貌

2、普查 成 像 测 量 1. 信息载荷于光源的方式信息载荷于光源的方式 物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感 器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。为克服直流器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。为克服直流 放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰， 常采用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交常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。流信号，然后再解调出被测信息。 例：在全辐射测温应用中温度信息存在于光源的辐例：在全辐射测温应用中温度信息存在于

3、光源的辐 射出射度射出射度Me, ，物体的全辐射出射度，物体的全辐射出射度Me, 与物体温度与物体温度T的的 关系为关系为 ： Me, =Me, ，s= T4 US= mSGKMe, =Me, =T4 光电传感器的变换电路输出的电压光电传感器的变换电路输出的电压 通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体的通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体的 温度。温度。 信息可为透明体的透明度，透明体密度的分布，透明体的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。方式。 提

4、取信息方法是求解：提取信息方法是求解： l e 0 Cl e 0 2.信息载荷于透明体的方式 吸收系数吸收系数与介质的浓与介质的浓 度度C成正比即成正比即=C则： 变换电路的输出信号电压变换电路的输出信号电压 Cl eU 0s 利用此信号可以方便地得到介质的浓度利用此信号可以方便地得到介质的浓度C或厚度或厚度l等等 反射有镜面发射与漫反射两种，各具有不同的特点。反射有镜面发射与漫反射两种，各具有不同的特点。 镜面发射镜面发射用于测量物体的运动、转动的速度，相位等方面。用于测量物体的运动、转动的速度，相位等方面。 漫反射漫反射本身载荷物体表面性质的信息，例如反射系数载荷本身载荷物体表面性质的信息

5、，例如反射系数载荷 表面粗糙度及表面疵病的信息。表面粗糙度及表面疵病的信息。 在检测产品外观质量时，变换在检测产品外观质量时，变换 电路输出的疵病信号电压电路输出的疵病信号电压 US=E(r1-r2)B 式中式中E为被测表面的照度，为被测表面的照度，r1为正品（无疵病）表面的反射为正品（无疵病）表面的反射 系数，系数，r2为疵病表面的反射系数，为疵病表面的反射系数，B为光电器件有效视场内为光电器件有效视场内 疵病所占的面积，疵病所占的面积，为光电变换系数。为光电变换系数。 可以通过可以通过US判断表面疵病的程度和面积。判断表面疵病的程度和面积。 3.信息载荷于反射光的方式 物体部分或全部遮挡入

6、射光束，或以一定的速度扫过光电物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电 器件的视场，可实现信息载荷于遮挡光。器件的视场，可实现信息载荷于遮挡光。 例如：设光电器件光敏面的宽度为例如：设光电器件光敏面的宽度为b，高度为，高度为h，当被测，当被测 物体的宽度大于光敏面的宽度物体的宽度大于光敏面的宽度b时，物体沿光敏面高度方时，物体沿光敏面高度方 向运动的位移量为向运动的位移量为l，则物体遮挡入射到光敏面上的面积，则物体遮挡入射到光敏面上的面积 变化为变化为 A=bl 信号电压为信号电压为U=EA=E bl 可见，用这种方式可以检测被测物体的位移量可见，用这种方式可以检测被测物体的位移量l

7、、运动速、运动速 度度v和加速度等参数，又可以测量物体的宽度和加速度等参数，又可以测量物体的宽度b。 4.信息载荷于遮挡光的方式 直射式光电开关原理直射式光电开关原理 Object Receiver 直射式光电开关由 相互分离且相对安装的 光发射器和光接受器组 成。当被检测物体位于 发射器和接受器之间时， 光线被阻断，接受器接 受不到红外线而产生开 关信号。 被检测物体 光发射器 光接收器 光电开关在流 水线上的应用 送料器 定区域式光电开关定区域式光电开关 咖啡罐咖啡罐 流水线运行方向流水线运行方向 罐装高度检测罐装高度检测 储料仓储料仓 落料口落料口 遮断式光电开关遮断式光电开关 （计数）

8、（计数） 三维尺寸三维尺寸 检测检测 宽度宽度 测量测量 长度长度 测量测量 高度高度 测量测量 光幕用于光幕用于 自动收费系统的自动收费系统的 车辆检测车辆检测 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。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。 例如，将长度信息量例如，将长度信息量L经光学量化后经光学量化后 形成形成n个条纹信号，则长度信息个条纹信号，则长度信息L为为 L=qn 式中，式中，q称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有 关，量化器确定后它是常数。关，量化器确定后它是常数。 目

9、前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角目前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角 度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。 5.信息载荷于光学量化器的方式 这种方式，信息首先对光源进行调 制，发出载有各种信息的光信号， 通过光导显微传送到远方的目的地， 再通过解调器将信息还原。由于光 纤传输的媒体常为激光，它具有载 荷量大，损耗小，速度快，失真小 等特点现已广泛地用于声音和视频 图像等信息通讯中。 6.光通讯方式的信息变换 光通讯技术的实质是光电变换的一种基本形式， 称为光信息通讯的变换方式。 光电信息变换和信息处理方法可分为2类：一类称为

10、模 拟量的光电信息变换，例如前4种变换方式；另一类称为数 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 被测的非电量信息载荷于光信息量时，常为光度量的方 式送给光电器件，光电器件则以模拟电流Ip或电压Up信号 的形式输出。即输出信号量是被测信号量Q的函数： Ip=f(Q) 或 Up= f(Q) 为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系， 载体光度量必须稳定。另外，电路参数的变化，放大电路 的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。 5.1.2 光电信息变换的类型 2. 模-数光电变换 在这类光电变换中，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

11、和数字 代码等），再经光电变换电路输出。 模-数光电变换只要输出“0”和“1”（高、低电 平）两个状态的脉冲即可。输出信号数字信息量F 与被测信息量Q的函数关系为：F = f(Q) 显然，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。 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 拟和模-数两种类型。 5.2.1 模拟光电变换电路模拟光电变换电路 5.2 光电变换电路的分类 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

12、， 常采用简单照度计的变 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。 光电池 光电二极管 图5-2 为消除温度对测量的影响，采用具有温度补偿功能的 光电变换电路。下图中D1为测光光电二极管，D2为补偿光 电二极管，D1、D2及电阻、可变电阻器构成电桥。 在背景光照下调整可 变电阻器使电桥平衡，输 出电压表指示为“零”。 当测光光电二极管光敏面 上的光照度发生变化时， 电桥失去平衡，输出电压 表将指示出光敏面上的光 照度。 具有温度补偿功能的变换电路 图5-3 t be be 1 bet bet bet1be 1 )/( R r r I rR rR rRIU 热敏电阻Rt可以补

13、偿光电 二极管的电流I1受环境温 度的影响。 下图为利用温度补偿电阻对光电测量电路进行 温度补偿的电路，引入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。 设光电二极管的电流为I1，三极管的基极电压应为 图5-4 其中一路经被测溶液 入射到测量光电池D1 上，另一路经可调光 光阑、反光镜到补偿 光电池D2上，由光电 池D1与D2构成电路为 差分式光电变换电路。 图7-7所示为光电比色 计的电路原理图，这 是个电桥差分式的光 电变换电路。 差分式光电变换电路 图5-5 图5-6所示为双光路差分式光 电变换器的原理结构图。光源发 出的光通过反光镜分别进入参考 系统与测量光学系统。 D1与D

14、2的 特性参数应尽量一致。D1与D2按 图5-7所示的差分电路的形式连接。 另一种常用的双光路双器件光电 变换器如图5-8所示。 双光路双器件光电变换电路的输出信号与测量系统和参考 系统输出信号的差成正比，温度与光源的影响将被消除。 图5-6 图5-7图5-8 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式光电变换电路。 光外差式光电变换电路 (1)光外差方式的光电变 换电路具有超过常规光 电变换电路的灵敏度； (2)光外差方式采用激光 为变换媒体，而激光具 有很强的方向性和频率 选择性，使噪声带宽变 得很窄，信噪比得到很 大的提高。 两光束在分光器上相干，得到差拍信号。辐射到光电探

15、测器上的辐 射为 )(ee s j s ) s ( Lt tVREERe e ttj e 图5-9 模-数光电变换系统对光源和光电器件的要求不象模拟光 电变换那样严格，因此，电路的设计要比模拟光电变换电 路简单得多。 1. 激光干涉测位移 5.2.2 模-数光电变换电路 当M3沿着测量光 束的光轴移动时， 在M1上将出现亮 暗交替的干涉条 纹，其光强度的 变化有一定的规 律： 图5-10 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。光程差是动镜M3位 移量L的二倍。因此，被测 位移量为： L=n/2 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

16、种结构的量化单位为/2。 测量头左右移动的方向可以 采用图5-11所示判断，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。 然后，采用可逆计数器进行 加、减计数。 图5-11 )2/sin(2 d m 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，称为莫尔条纹莫尔条纹(moire fringe)。 如图其中的aa线透光面积最大，形成条 纹的亮带，在bb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，则莫尔条纹的间隔m与d和的关系为 一般角很小， 上式可简化为 d m 2. 莫尔条纹测位移莫尔条纹测位移 d m 图5-12

17、 d m 当两光栅相对移动时，莫尔条纹就在移动的垂直方向上移 动。光栅每移一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹。只要计 量莫尔条纹移过的个数n，便可计算出光栅的位移量L，即 L= nd 图5-13所示为光柵测长的原理图。它先将位移量变换 成莫尔条纹信号，然后再用光电器件读取信息，这种光栅 又称为长光栅或长光栅付。它包含指示光栅与标尺光栅， 指示光栅固定，标尺光栅的长度由位移量决定，一般较长。 图5-13 图5-14所示为测角度用的圆光栅圆光栅的原理图。圆光栅付包括指示光栅 与圆光栅盘。圆光栅盘是在玻璃圆盘上等间隔地刻线制成。圆盘光 栅与指示光栅重叠产生莫尔条纹。圆盘光栅固定在转轴上，可以转 动。指示

18、光栅、光源、透镜、与光电器件构成固定的光电探测头。 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。 图5-14 细分技术在莫尔条纹信号变化一个周期内， 发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。如一个周期 内发出n个脉冲（n倍频），即可使测量精度提高 到n倍。 零位光栅在增量式光栅中，为了寻找坐标原 点、消除误差积累，在测量系统中需要有零位标 记（位移的起始点），因此在光栅尺上除了主光 栅刻线外，还必须刻有零位基准的零位光栅。 1透射式光栅传感器 2反射式光栅传感器 5.3几何光学方法的光电信

19、息变换 将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的 方法有投影放大法，激光三角测量法，光学灵敏杠杆测量 法，激光扫描测量法和差动测量法等。 1. 激光扫描法激光扫描法 激光扫描法是1972年发展起来的一种技术，有人称之 为Laser Shadow Gauge。如图5- 15所示为激光扫描法的原理 图。激光束经过透镜1后被反射镜反射，由于同步位相马达 的转动而形成扫描光束。 5.3.1 长、宽尺寸信息的光电变换 由于同步马达是匀速转动的，转速为m，平行扫描光束的扫描角速 度为L2m， 平行扫描光在扫描过程中被工件遮挡，光束经过透镜2后被位于焦平 面上的探测器D接收，得到一个随时间变化的光电信

20、号。再经过后续 的信号处理电路，就可以得出工件直径的测量值。 若在扫描光束被 遮挡的时间t内计 数器的计数为n， 晶振的时钟频率 为v0，分频数为N； 则被测工件直径 的计算式为 N f n v nfvVtd m 41 4 0 图5-15 将物体位移量变换成光电信号以便进行非接 触测量在工业生产和计量检测中的重要工作。用 线、面阵CCD图像传感器、CMOS图像传感器、象 限探测器、PSD位置传感器等器件与成像物镜配合, 很容易构成被测物像的位移信息变换系统，实现 物体位移量、运动速度、振动周期或频率等参数 的测量。 5.3.2 位移信息的光电变换 这是一种以聚焦光斑光密度分布的集中程度判断 物

21、体轴向位移的方法。 点光源通过成像镜头在被测物体表面成点像，该 像点作为新的发光物点，折回成像物镜的光路中， 在像面上成清楚像。像面的光照度分布呈衍射斑 的形式。当被测物表面相对理想物面前后移动时， 像点相对理想像面同方向地前后移动，像点的偏 移引起原像面上的离焦，使像面照度分布扩散。 如在初始像面设置针孔光栏，并使其直径小于光 斑直径，这时，前后移动光栏，通过针孔的光通 量将会改变。 1.像点轴上偏移检测的光焦点法 +Z -ZZ0 f +Z -Z/ I x a b c a b c E Z c b a X Y Z 光学编码器是一种集光、机、电为一体 的数字化检测装置。可分为增量式和绝对式 两类

22、。增量式编码器是将位移转换成周期性 的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲， 用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码 器的每一个位置对应一个确定的数字码，因 此它的示值只与测量的起始和终止位置有关， 而与测量的中间过程无关。 光学编码器 当将光束照射到被测物体时， 用成像物镜从另外的角度对物 体上的光点位置成像，通过三 角测量关系可以计算出物面的 轴向偏移大小。 2.像点轴外偏移检测的像偏移法（光切法） 驱动电路驱动电路 半导体 激光器 聚光 透镜 成像聚光镜 光学 滤光 片 PSD 器件 放大器 模拟 开关 取样放 大器 A/D变 换器 输出 BA BA II II KZ 电脑 Z 放大器

23、将电机等物体的转动速度、运行速度、信息 的变化速度等物理量变换成光电信号的过程称为 速度信息的光电变换。能够完成速度信息的光电 变换的方法有多种，其中利用光电耦合器（光电 开关）、旋转光闸、频闪式转速表等方法实现的 速度信息光电变换即简单又容易实现多种用途的 变换。 5.3.3 速度信息的光电变换 1.光电耦合器件（光电开关）测速 通过被测物体改变电路的通断状态，引起电路的通断，其 通断代表了“1”、“0”信号，因而又起到1bit的编码作用。 发光二极管 光电二极管 输出型号 栅格,滤光镜 码盘 常用编码器 增量编码器绝对值编码器 传送在一转中每一步的唯一的 位置信息 位置信息一直可用,即使在

24、掉 电或电源出现故障时 一般应用于角度测量及往复运 动 一般用来测试速度与 方向 也可以用角度测量， 但在掉电或电源出现 故障时位置信息丢失 增量编码器又称脉冲盘式编码器，在增量编码器的圆 盘上等角距地在两条码道上开有透光的缝隙，内外码道(A、 B码道)的相邻两缝距离错开半条缝宽 增量编码器的结构与工作原理 第三条码道是在最外圈只开有一个透光狭缝，表示码 盘零位。在圆盘两侧面分别安装光源和光电接收元件。当 码盘转动时，光源经过透光和不透光的区域，每个码道将 有一系列光脉冲由光电元件输出。 通道A 单通道信号编码器码盘 只有一圈光栅，编码器 有一对光电扫描系统， 输出一通道脉冲信号， 后续设备根

25、据单位时间 检测到的脉冲数及编码 器的分辨率计算出的角 速度及线速度 可以测试速度，不能测试旋转方向 信号输出如图： 通道A 通道 B 可以测试速度，可以测试旋转方向， 可以定位 3通道编码器 在双通道编码器的基础上增 加了一个零位信号，用于基 准点定位一般测长度使用该 信号，测速一般不使用该信 号。 信号输出如图： 通道Z 采用图示电路。经过放大整形后的A、B两相脉冲分别输入 到D型触发器的D端和CP端。由于A、B两列脉冲相差90， D触发器在A脉冲(CP)的上升沿触发。当正转时， B脉冲超 前A脉冲90，故Q=“1”，表示正转；当反转时，A脉冲超 前B脉冲90，D触发器在A脉冲(CP)上升

26、沿触发时，D输入 端的B脉冲为低电平“0”，故Q=“0”，而=“1”，表示反转。 旋转方向的判别 B A 绝对值编码器绝对值编码器Absolute Encoders 应用于角度测量及往复运动的测量 在0360的每一个角度位置传输一个唯一的信号 (单圈) 在测量的圈数中，每一圈，每一个位置都有唯一的信号（多圈） 即使在掉电或者电源出现故障时,位置信息一直可用.不必复零 ! 码盘材质一般为玻璃或高分子材料！ 绝对式接触式编码器演示 4 4位二进制位二进制 码盘码盘 +5V+5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 4个电刷个电刷 光电式绝对编码器的基本结构如图所

27、示，它由光源、绝对 式光码盘、接收光电元件及后续光电读出装置组成。 绝对码盘所能分辨的旋转角度，即码盘的分 辨力为 =360o /2n式中：n为码道数。 可见，码道数越多，能分辨的角度越小，就越 精确。为了提高角位移的分辨力，常规方法就是 增加码盘的码道数。当然这要受到制作工艺的限 制。为此，可以采用多级码盘，以达到提高分辨 力的目的。 为了提高精度，限制错码率，常用循环码盘。 循环码的特点是相邻两个数的代码只有一位码是 不同的，故用循环码(格雷码)来代替直接二进制码， 就可消除多位错码现象。 7 1 2 4 8 16 格雷码 二进制码 2.利用频闪式转速表测速 频闪测速法是利用人眼的频闪效应

28、来测量转速的。 频闪效应：物体在人视野中 过去后，人的视网膜能在一 段时间内保持视觉暂留现象。 一般暂留0.20.05。 频闪盘：测量转速所用的圆盘 当频闪盘转动频率是光源闪光 频率整数倍时，频闪像清晰。 如测出相邻两次频闪像清晰时的闪 频1和2，则频闪盘转速为： 21 21 nn znn n 频闪测速仪频闪测速仪 5.1光电信息变换有哪几种基本形式？全辐射测温属于哪种光电信息变换有哪几种基本形式？全辐射测温属于哪种 形式？在这种形式中应采用怎样的技术才能更好地将信息检形式？在这种形式中应采用怎样的技术才能更好地将信息检 测出来？测出来？ 答答:有有6 种光电信息变换的基本形式：种光电信息变换

29、的基本形式： 信息载荷于光源的方式；信息载荷于光源的方式； 信息载荷于透明体的方式；信息载荷于透明体的方式； 信息载荷于反射光的形式；信息载荷于反射光的形式； 信息载荷于遮挡光的形式；信息载荷于遮挡光的形式； 信息载荷于光学量化器的方式；信息载荷于光学量化器的方式； 光通信方式的信息变换。光通信方式的信息变换。 全辐射测温属于全辐射测温属于。由于物体自身辐射通常是缓慢变化的，。由于物体自身辐射通常是缓慢变化的， 经变换后的电信号为缓变信号或直流信号。为克服直流放大经变换后的电信号为缓变信号或直流信号。为克服直流放大 器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，常采用电器的零点漂移、环境温度影响

30、和背景噪声的干扰，常采用电 子斩波调制的方法将其变为交流信号，然后再解调出信息。子斩波调制的方法将其变为交流信号，然后再解调出信息。 5.2 如何测量透明薄膜的厚度？如何测量透明薄膜的厚度？ 答答: l e 0 根据：根据： l eU 0s 由光电变换由光电变换 求出求出 7.3 测量物体表面粗糙度及表面疵病可采用哪种光测量物体表面粗糙度及表面疵病可采用哪种光 电信息变换形式电信息变换形式 ？ 答答: 采用信息载荷于反射光的变换方式采用信息载荷于反射光的变换方式 5.5模拟光电变换与模数光电变换电路有什么区别？为什模拟光电变换与模数光电变换电路有什么区别？为什 么说模拟光电变换电路受环境条件影

31、响要比模数光电变么说模拟光电变换电路受环境条件影响要比模数光电变 换电路大？换电路大？ 答：答：模拟光电变换中被测的非电量信息载荷于光信息量模拟光电变换中被测的非电量信息载荷于光信息量 电器件以模拟电流电器件以模拟电流Ip或电压或电压 Up信号的形式输出。而模数信号的形式输出。而模数 光电变换中的光电变换电路只要输出光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和和“1”（高、低（高、低 电平）两种状态的脉冲即可，都是数字量。电平）两种状态的脉冲即可，都是数字量。 模拟光电变换为保证光电变换电路输出信号与被测信息量模拟光电变换为保证光电变换电路输出信号与被测信息量 Q的函数关系，载体光度量必须稳定。这

32、与光源、光学系的函数关系，载体光度量必须稳定。这与光源、光学系 统及机械结构等的性能有关。另外，各种电路参数的变化统及机械结构等的性能有关。另外，各种电路参数的变化 都将影响被测信号的稳定。必须采用各种措施解决这些技都将影响被测信号的稳定。必须采用各种措施解决这些技 术困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。而模数术困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。而模数 光电变换电路只要输出光电变换电路只要输出“0”和和“1”，电路就简单多了。，电路就简单多了。 5.8假设两块光栅的节距为假设两块光栅的节距为0.2 mm，两光栅的，两光栅的 栅线夹角为栅线夹角为1，求所形成莫尔条纹的间隔。若，求所形成

33、莫尔条纹的间隔。若 光电器件测出莫尔条纹走过光电器件测出莫尔条纹走过10个，求两光栅相个，求两光栅相 互移动的距离。互移动的距离。 )(46.11 180/ 2 . 0 )2/sin(2 mm dd m 条纹间隔 解解: 相互移动距离 L=N=100.2=2(mm) 5.9 假设调制波是频率为假设调制波是频率为500Hz、振幅为、振幅为5V、初相位为、初相位为0的的 正弦波，载波频率为正弦波，载波频率为10kHz、振幅为、振幅为50V，求调幅波的表，求调幅波的表 达式、带宽及调制度。达式、带宽及调制度。 解解: ttmVt m sin)(1 )( 0 则 9 . 0 50 550 m m m

34、由 ttVsin ttmt m sinsin1 0 调制波是正弦波调制波是正弦波 题意：题意：=2500=1000 =2104 =0 又又 则 ttt 4 0 102sin501000sin9 .01 带宽: Bm=2Fmax=2500=1000Hz 5.4 物理光学方法的光电信息变换 衍射和干涉现象通常是发生在一定的空间域内，由此组成 各种衍射和干涉图样。衍射后的干涉现象组成了有名的莫 尔条纹。空间分布的光波间的干涉可以形成全息图样和散 斑图样。不同频率光波间的干涉会形成光学拍频，空间域 内的拍频分布构成光拍图形。 1. 光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几

35、何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向 和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。 5.4.1 干涉方法的光电信息变换 从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测 信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型 的干涉仪器或干涉装置是光频波的调制器和解调 器。可用最常见的干涉仪来说明这个模型。 图5-16 用单一光电器件检测干涉条纹可以在较小的空间 进行。检测对象一般是干涉条纹的波数或相位随 时间的变化。适用于测量物体整体位移或速度。 2.单频光相干的条纹检测 干涉条纹光强检测法 利用干涉仪的光干涉，以光电器件直接检测条纹的光强变 化来实现测量。 用光电接收器检测干涉条纹时，光电信号不仅

36、取决于条纹 的光强对比，而且决定于接收器的光阑尺寸和干涉条纹之 间宽度的比例关系。 采用两束不同频率的 相干光作光源，其中 一束频率已知，另一 束未知，则在干涉仪 中各自形成干涉条纹。 再经光电检测后形成 两种频率的电信号， 通过比较波长不同的 两束光干涉条纹频率 的变化来计算未知光 的频率，这种方法称 为干涉条纹比较法。 干涉条纹比较法 图5-17 在干涉仪测量镜位置 变化时，通过光电器 件实时地检测出干涉 条纹的变化。时间利 用控制系统使参考镜 沿相应方向移动，以 维持干涉条纹保持静 止不动，再由驱动参 考镜的电压得到测量 镜的位移，这种方法 称为干涉条纹跟踪法。 干涉条纹跟踪法 双频光差

37、频检测是将被测调制光和本机振荡光波在满足波 前匹配的条件下，在光电探测器上进行混频后输出两光波 的差频电信号。解调电信号获得被测物体的信息。 双频获得分两类： 被测量引起原光波频率分离。如：多普勒频移、萨格纳 克频移等。 人为产生光频差。如：声光控制的布喇格频偏盒和旋转 光栅等的外部频偏器，以及在气体激光器上加横向磁场产 生的塞曼效应的频率分裂等内部调制方法。 3.双频光相干的差频检测 光学多普勒（Doppler）差频检测 多普勒效应运动物体能改变入射于其上的波动性质的 现象。 多普勒频移f=fs-f0=V0(rs-r0)/ PD V0(rs-r0) V0 rs-r0 r0 f0 fs 入射光

38、入射光 散射光散射光 物体速度物体速度 ) 2 sin( 2 sin 2 v f 可推出 若=0，则入射光就有一部分穿越测点作为参考光束，参 考光与散射光形成进入光阑由透镜会聚到光电倍 增管的光电阴极上发生干涉，可获得运动物体的运动信息。干涉，可获得运动物体的运动信息。 只要测出散射光的频率， 就可以得到粒子的速度 激光多普勒测速的特点 动态响应快 空间分辨率高 流速测量范围宽 测量精度高 激光多普勒测速的应用 管道内水流流层研究； 流速分布亚音速或超音速气流旋流的测量 大气远距离测量； 风速测量 可燃气体火焰的流体力学研究； 水洞、风洞和海流测量 Sagnac效应原理图 在圆形环路（周长RL

39、2 ）中 光程差 CCWCW LLL CWCWCW cttRRL2 CCWCCWCCW cttRRL2 2 2 422 c R Rc R Rc R ttt CCWCW 由于环路面积 2 RA 亦即有光程差： c A L 4 萨格纳克效应光程差随转速而改变的现象 L L 在环形激光器中，激光束的基频纵模频率为： L c q 得频率差： L A 4 环形激光器测量 公式 由小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成 激光陀螺仪。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性 导航中作为光学陀螺仪使用。 接收器 激光器 激光陀螺示意图 1 R 2 R 3 R D 1）精度高(零漂稳定性优于0.001o/h

40、r)； 2）单轴灵敏度高； 3）可靠性好(无故障时间大于1万小时)； 4）不需要恒温（有腔长控制系统）； 5）动态环境造成的误差极小； 6）输入轴对准稳定性极高； 7）成本低（相对于同样精度的机电陀螺） 1、夫琅和费单缝衍射、夫琅和费单缝衍射 氦氖激光器发出的单色平行光垂直照射在宽为b的狭 缝AB上，经透镜在其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射 图样。 5.4.2 衍射方法的光电信息变换 当狭缝宽度b变 小时，衍射条 纹将对称于中 心亮点向两边 扩展，条纹间 距增大。激光 衍射图样明亮 清晰，衍射级 次可以很高。 S L x kL b k kxS k / 为相邻两衍射点的间距 图7-44所示为距

41、离屏 幕的距离L为1m处， 不同狭缝宽度b (0.010.5mm)所形成 的衍射图样。 由于b值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化，因 此可以用光电的方法测量出条纹间距，从而求得b值或其变 化量。利用物体的微小间隔、位移或振动等代替狭缝或狭 缝的一边，则可测量物体的微小间隔、位移或振动等。 屏幕离开狭缝的距离L 远大于狭缝宽度b时有 S f d 当d变化时，各 条纹位置和间 距随之变化。 因此可根据亮 点或暗点间的 距测出细丝的 直径。 2 夫琅和费细丝衍射 如图7-45所示，由氦氖激光器发出的激光束照射细丝（被 测物）时，其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为f的 透镜的焦平面处）上形

42、成夫琅和费衍射图样。 相邻两暗点或亮点间隔S与细丝直径d的关系为 测量范围约为0.010.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm 利用激光衍射传感器可以测量微小间隔（如 薄膜材料表面涂层厚度），微小直径（如漆包线， 棒料直径变化量），薄带宽度（如钟表游丝）， 狭缝宽度，微孔孔径，微小位移以及能转换成位 移的物理量如重量、温度、振动、加速度、压力 等。 3 . 应用举例 （1）转镜扫描式激光衍射测径仪 激光照射被测细丝，在反射镜处形成衍射图样。同步电机 带动反射镜转动，使衍射图样亮暗条纹相继扫过狭缝 被光电倍增管接收转换为电信号。 设狭缝的初始宽度为b、光电器件置于第k（一般取2

43、或3） 级条纹的暗点处，距零级中心线为xk，xk=kL/b。当被测 物作简谐振动时，振动方程为x=XMsint，则狭缝宽度变为 b=XMsint，衍射条纹位置 tXb kL xk sin M 由于光电器件 的位置固定， 即xk为定值，xk 的变化使光电 器件所接收的 光强随之变化。 若满足XM 1/2 条件，便可以直接测出物体振动的幅度。 （2）激光衍射振幅测量仪 图5-18 5.5 时变光电信息的调制 1. 载波与调制载波与调制 调制使载波信号中的一个或几个特征参数按被传送信 息的特征变化以实现信息传送目的的方法。 二次调制使调制后的载波再使其特征参数随被测信息 而改变。 调制增加了复杂性，

44、但能更好地从背景噪声和干扰中分离 出有用的信号，提高信噪比和测量灵敏度。此外，调制信 号还能简化检测系统的结构，改善系统的工作品质，扩大 目标定位系统的视场和搜索范围。 5.5.1 调制的基本原理与类型 调制器在辐射源或光路系统中进行光通量调制的装置 解调从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢 复原始信息的过程。 （1）按时空状态分类 时间调制：载波随时间和信息变化。 空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。 时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。 2. 光电信息调制的分类 直流载波：不随时间而只随信息变 化的调制； 交变载波：载波随时间周期变化的 调制。又分： a.连续载

45、波： 调幅波、调频波、调相波。 b.脉冲载波： 脉冲调宽、调幅、调频。 调频调频 (2) 按载波波形和调制方式分类 图5-19 (1) 连续波调制 连续波调制的光载波通常具有谐波的形式 )sin()( 0 tt m 式中0为光通量的直流分量，一般不载荷任何信息； m和为载波交变分量的振幅和频率。 由于光载波不可能是负值，所以载波的交变分 量总是叠加在直流分量之上，被测信息可以对交流 分量的振幅、频率或者初相位等参数进行调制，使 之随信息变化。 3. 典型的调制方法 )()()(sin()( 0 tVttVtVt m 式中，V（t）为由被测信息决定的调制函数，根 据调制参量的不同可以分为： 振幅

46、调制（AM）：调制参量为交流幅度mV(t) 频率调制（FM）：调制参量为圆频率 V(t) 相位调制（PM）：调制参量为初始相位V(t) 一般情况下，调制后的载波信号的形式为 光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例 （线性）变化，而频率、相位保持不变 mm tmVtV)(1 )( 则 ttmVt m sin)(1 )( 0 式中V（t）是调制函数，规定；m是调制度或调 制深度，表示V（t）对载波幅度的调制能力 1 载波幅度 化被调制波的最大幅度变 m m m 振幅调制 式中=2F为被测信息的谐波角频率；F、为相应的频 率和初相位。显然被调制的载波信号为 ttVsin ttmt m sinsin1

47、 0 如按单一谐波规律变化的被传送信息 用三角公式展开，得到调幅波的频谱 ttmtt mm coscos 2 1 sin 0 可见，正弦调制函数的 调幅信号除了零频率分 量外还包含有三个谐波 分量，即以f0为中心频率 的基频和基波振幅之半、 频率分别为（f0+F0）、 （f0-F0）的两个分量。 对于频谱分布在F0F（=2F0）范围 内的任意函数V(t) ，所对应的调幅波频谱 是由以载波频率f0为中心的一系列边频组 成，分别为f0F1；f0F2；f0F。式 中F1，F2均为F内的频谱分量；频谱图 如图7-48(e)所示。若调制信号具有连续的 带宽Fmax，则调幅波的频带是f0Fmax，带 宽为

48、Bm=2 Fmax，其中Fmax是调制信号的最 高频率（图中虚线）。 图5-20 调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。 例例若载波频率为f0=10 kHz，调制信号频率为 F0500Hz，求调幅后载波频谱分布和带宽。 载波频谱分布在fL和fH之间 fL（100.5）kHz9.5kHz fH（100.5）kHz10.5kHz 调幅波的带宽：Bm=1kHz。 解：解： 1. 机械调器机械调器 旋转光闸（调制盘） 5.5.2信号的调制 最简单的调制盘，有时叫做斩 波器。在圆形的板上由透明和 不透明相间的扇形区构成。 当以圆盘中心为轴旋转时，就 可以对通过它的光束M进行调 制。调制光束的频率f由调

49、制盘 中透光扇形的个数N和调制盘 的转速n决定，fNn/60(Hz)。 若调制盘的图形局部透光区域近似为方形，而光束截面为宽度不 等的矩形，所形成的调制波形是方波、梯形波和三角波等。 经调制后的波形是由调制盘图形、光束和探测器的截面 形状和大小，照在调制盘上的位置决定。 t t t t 调幅型调制原理可用所谓初升太阳式 调制盘来说明，其原理如图7-13所示。在 圆形调制盘上分为两半，上半部是由透光 与不透光的等间隔扇形面相间组成，下半 部制成半透区，对目标进行调制时将调制 盘置于像面像面即物镜焦面上。 某目标像点落在调制盘某A点处，所占透明区的面积不同，透过的通 量W也不同。其规律是离轴心愈远

50、占透明区的面积S愈大。 调制型调制盘原理 （1）调幅型调制的实现）调幅型调制的实现 调 幅 型 波 形 实际中使用的调幅式调制盘还要复杂些。例如在制导中所用 的调制盘，如图所示。其图案作了两方面的修改，一方面是将半 透明的下半区改成透光与不透光等宽的同心半圆环，且带环甚密， 使得不论何等待测大小的目标通过该区时，透射比均为50。另 一方面是将上半区中的扇形面沿盘的径向再行分格，每个格子的 面积大小相等。这一改进的重要作用是抑制非目标的背景。 实用 调幅 式调 制盘 它由四个同心环带组成，由内 向外每增一个环带其格子数增加 一倍，只要目标像偏离该调制盘 的中心，盘转动时就将产生调制 信号。从调制

51、信号的频率不同就从调制信号的频率不同就 可得知目标像所处调制盘上的位可得知目标像所处调制盘上的位 置，就可获得偏离量的大小。置，就可获得偏离量的大小。 上图调制盘不能反映目标所在 的方位信息。为此设计了下图调 频式调制盘，从中心向外每个环 带所分格子数成倍增加，而在每 个环带中透光格子的密度不均匀， 其规律是按正弦关系分配。 （2）调频型调制的实现 以R为半径将圆盘分为两个区域，每个区域中都采用初升太阳式 调制图案，两区相位相差。当目标像落在内圈、外圈及两区边界上 时，将产生如右图所示的调制波形，通过鉴相电路就可解调出目标 的偏离信号，但不能反映偏离的方位角。 调相式调制盘调相式调制盘 调制波形调制波形 （3）调相型调制的实现 有些场合又可 用反射和透射 扇形构成调制 盘，如图是比 较光路中的机 械调制方案。 为消除可能引 起的系统误差， 在许多光电检 测系统中采用 双光路法。 比较光路中的调制 它由固定狭缝和运动反射镜构成。下图是 两种调制器的原理图，一种是通过旋转反射镜 完成调制；另一种是通过摆镜实施调制。 转动转动反射镜的调制器的调制器 光控调制利用晶体双折