光电技术07光电信息变换

1、第7章 光电信息变换 7.l 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 7.1.1 光电信息变换的基本形式 光电信息变换的分类可从两个方面来分，一方面根据信息载入光学信息的方式分为6种光电信息变换的基本形式；另一方面根据光电变换电路输出信号与信息的函数关系分为模拟光电变换与模-数光电变换两类。 1. 信息载荷于光源的方式信息载荷于光源的方式 物体的全辐射出射度Me, 与物体温度的关系为 Me, =Me, ，s= T4 (7-1) 式中Me, ，s为同温度黑体的辐射出射度，为物体的发射系数，与物体的性质、温度及表面状况有关。T为被测体的温度，即测量的信息量。 近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感

2、器的变换近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感器的变换 电路输出的电压信号为电路输出的电压信号为 US= mSGKMe, =Me, (7-2) m-光学系统的调制度，光学系统的调制度，-光学系统的透过滤，光学系统的透过滤，S-光电器件的灵敏度，光电器件的灵敏度，G-变换电路的变换系数，变换电路的变换系数，K-放大器的放大倍数，放大器的放大倍数，= mSGK称为系统的光电变换系数。称为系统的光电变换系数。 US=T4 （7-3） 2. 信息载荷于透明体的方式 信息载荷于透明体中的情况。 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量及材料对光吸收的规律求解。即 le0（7-4） -为

3、透明介质对光的吸收系数，=C。Cle0（7-5） 采用如图7-1(a)所示的变换方式，变换电路的输出信号电压Us为即将变换电路的输出信号电压Us送入对数放大器后，便可以获得与介质的浓度C与介质的厚度l有关信号。0sUCle（7-6） 两边取自然对数后 lnUs=lnU0Cl （7-7） 在检测产品外观质量时，变换电路输出的疵病信号电压 US=E(r1-r2)B （7-8）E-被测表面的照度，r1-正品表面的反射系数，R2-疵病表面的反射系数，B-光电器件有效视场内疵病所占的面积，-光电变换系数。 这种方式可应用电视摄像、文字识别、激光测距、激光制导等方面。 3. 信息载荷于反射光的方式 4.

4、信息载荷于遮挡光的方式信息载荷于遮挡光的方式 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=bl （7-9）变换电路输出的面积变化信号电压为 U=EA=E bl （7-10） 可以用这种方式用于产品的光电计数，光控开关，和主动式防盗报警等。 5. 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 光信息量化的变换方式在位移量（长度、宽度和角度）的光电测量系统中得到广泛的应用。 L L=q=qn n （7-117-11）q-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

5、数。例如，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1/4或1/8，视具体的光学结构而定。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。 6. 光通讯方式的信息变换 目前，光通讯技术正在蓬勃地发展，信息高速公路的目前，光通讯技术正在蓬勃地发展，信息高速公路的主要组成部分为光通讯技术。光通讯技术的实质是光电变主要组成部分为光通讯技术。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。如图换的一种基本形式，称为光信息通讯的变换方式。如图7-7-1(f)1(f)所示，信息首先对光源

6、进行调制，发出载有各种信息所示，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。于声音和视频图像等信息通讯中。 7.1.2 光电信息变换的类型光电信息变换的类型 光电信息变换和信息处理方法可分为2类：一类称为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

7、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（如温度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照度和出射度等）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。 Ip=f(Q) （7-12） Up= f(Q) （7-13）2. 模-数光电变换 这类光电变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）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。 7

8、.2 7.2 光电变换电路的分类光电变换电路的分类 7.2.1 7.2.1 模拟光电变换电路模拟光电变换电路 凡输出信号电流（或电压）与入射光度量具有式（7-12）或（7-13）所述关系的变换电路都称为模拟光电变换电路。根据光电信息变换的内容和精度要求，模拟变换电路又分为4种类型。下面分别讨论： 1. 简单变换电路 调整电位器可使微安表的指针指示出光敏面上的照度。 放大倍率为，则流过电阻R1与R2的电流I1为 I1=I2+IB=SEV+IB （7-15）设I1IB，可以推出)()() 1)()(43V21bb43121bbBRRSERRURRIRRUI（7-16）集电极电流IC为 由（7-17

9、）式可见，当入射光很弱时，EV0，流过光电三极管3DU2的电流近似为0，IC为最大值ICM )(1V21bb43BCSERRURRII（7-17）43CCMRREI（7-18） be2Vbe21BrRSrRII（7-19） 2. 具有温度补偿功能的变换电路 故，输出电压UO为 beC1VbbCCbbOrRRSURIUU（7-20） 图7-4所示为具有温度补偿功能的光电变换电路，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。 从（7-20）式得到输出电压UO不仅与三极管的电流放大倍率有关，而且与三极管的基射结电阻rbe有关。而与rbe均为环境温度T的函数，

10、表明放大电路的稳定性较差。为了提高测量电路的稳定性，需要引入温度补偿环节 。 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。 补偿光电二极管D2被遮蔽并被与光电二极管D1封装在同温槽中，且要求D1与D2的特性极为接近。 这样，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。 设光电二极管的电流为I1，三极管的基极电压应为Ubetbebe1betbetbet1be1)/(RrrIrRrRrRIU热敏电阻Rt可以补偿光电二极管的电

11、流I1受环境温度的影响。 即便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。提出了差分式光电变换电路方暗。 3. 差分式光电变换电路差分式光电变换电路 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D2的特性参数应尽量一致。D1与D2按图7-9所示的差分电路的形式连接。设参考系统光电器件D1的输出电压为UD1，测量光学系统光电器件D2的输出电压为UD2，则变换电路的输出信号电压为UO=K（UD2UD1） （7-22） 式中K为放大器的放大倍率。 常用的双光路双器件光电变换器： 两个光电二极管的输出信号可以进行差分比较，测

12、量被测面的颜色与标准色板的差；也可以采用分别输出的方式，并将测量结果经A/D数据采集后送计算机进行分析。 由于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，因此，测量系统和参考系统随温度与光源的影响将被消除。 双光路单光电器件的光电检测系统 ： 4. 光外差式光电变换电路 两光束在分光器上相干，得到差拍信号 辐射到光电探测器上的辐射为 )(eesjs)s(LttVREEReettje光电探测器输出的电流为 tEEEEtVtViSLSLcos2)(*)( 220(7-23) (7-24) 若Es EL，式（7-24）变为 )cos21 (2tEEaEiLSLo(7-2

13、5) 式中a为比例系数。 由于辐射通量， ，所以 2SS eE)cos21 (hqtieLeseLo(7-26) 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 tieseLscoshq2假设直接变换的输出信号的交流分量为 tiesscoshq 则，可以得到光外差式和直接式变换灵敏度的比值Gs=(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103104数量级。 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 22)hq(2eSeLsI（7-28） (7-27)feLhq NEPhchS/NfffIeLnhqq22输出噪声电流主要是散

14、粒噪声，忽略暗电流后为 故，信噪比与噪声等效功率分别为 （7-30）采用CO2激光器，波长=10.6m，带宽f=107Hz，量子效率=50%，则得出 W1075. 35 . 0106 .10101031062. 6NEP1367834而直接探测的情况，在不考虑背景和暗电流情况下， fNSesh2/2hcNEPf（7-33） （7-32）比较式（7-30）和式（7-32），可见光外差式的S/N提高了一倍。如果考虑背景噪声，光外差式的S/N提高得更高。 7.2.2 模模-数光电变换电路数光电变换电路 1. 激光干涉测位移 激光单路干涉测位移的原理图：He-Ne激光器发出的光入射到反射镜M1（分光器

15、）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M2与M3回到M1，并在M1处产生干涉。 Iv=Iov+IovKIcos(2/) (7-34) Io-平均光强度，KI-干涉条纹的对比度。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。这种结构的量化单位为/2。 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，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

16、白线条等宽，光栅的节距（光栅常数）为等间隔的。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。 )2/sin(2dm 一般角很小，上式可简化为 dm （7-36） （7-37） 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个数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。 光柵测长的原理：先将长度量变换成莫尔条纹信号，然后再用光电器件读取长度信息，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

17、栅的长度由位移量决定，一般较长。 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，即一路为sin，另一路为cos。 显然，这种装置只能测量角度的变化量，不能得到角度的绝对值。因此，称它为增量式编码器。 转轴旋转的角度，即 =qn (7-39) 莫尔条纹法进行几何量的测量有如下优点： 1、 位移量的放大作用将莫尔条纹间隔与光栅距之比定义为光栅付的放大倍数，对于微小倾角有 光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线n的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为时，则光电器件输出的总误差 （7-41）01n2 2

18、、误差的平均效应、误差的平均效应 1dm（7-40） 7.3几何光学方法的光电信息变换几何光学方法的光电信息变换 7.3.1 长、宽尺寸信息的光电变换 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。 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。1975年推出了第一台仪器并申请了专利。这种方法使用至今，现在已经有很多不同型号的仪器产品。如图7- 25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。f

19、vffVmmL42(7-46) 7.3.2 位移信息的光电变换 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。 NfnvnfvVtdm4140(7-47) 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

20、简单又容易实现多种用途的变换。 7.3.3 速度信息的光电变换速度信息的光电变换 7.4 物理光学方法的光电信息变换 7.4.1 干涉方法的光电信息变换干涉方法的光电信息变换 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。 干涉测量的调制和解调过程可以是时间性的，也可以是空间性的。根据调制的方式不同，形成了各种类型的光学图样。这种以光波的时空相干性为基础，受被测信息调制的光波时空变换称作相干光学信息。它的形成和检测过程就是光载波受待测信息调制和已调制光波解调再现为信息的过程。根据

21、相干光学信息的时空状态和调制方式，可以分为：局部空间的一维时间调制的光信号和在二维空间内时间或空间调制光信号。 2 单频光相干的条纹检测 （3）干涉条纹跟踪法干涉条纹跟踪法为平衡测量的方法。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。同时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。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可以直接得到测量镜的位移。图7-34所示为利用这种原理测量微小位移的干涉测量装置。 这种方法能避免干涉测量的非线性的影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是所用跟踪系统的固有惯性限制了测量的速度，只能测量10kHz以下的位移变化。 7.4.2

22、 衍射方法的光电信息变换衍射方法的光电信息变换 1、夫琅和费单缝衍射夫琅和费单缝衍射 sinbBC （7-72） 2) 12(sin22sinsinkbkbb（7-73） SLxkLbk（7-74） 2 夫琅和费细丝衍射 Sfd（7-75） 点间的距测出细丝的直径。3 . 应用举例应用举例 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。 （2）激光衍射振幅测量仪）激光衍射振幅测量仪 tXbkLxksinM(7-76) 2. 光电信

23、息调制的分类 光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型。 （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。 7.5 时变光电信息的调制 7.5.1 调制的基本原理与类型 1. 载波与调制载波与调制 3. 典型的调制方法 (2) 按载波波形和调制方式分类 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。交变载波又分为连续载波与脉冲载波方式。连续载波调制方式包括调幅波、调频波、调相波。脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频等内容。光通量的调制可以在辐射源或光

24、路系统中进行，能实现调制作用的装置称作调制器。从己调制信号中分离或提取有用信息的过程称作解调。 (1) 连续波调制连续波调制的光载波通常具有谐波的形式，用下列函数描述 ttmsin)(0)()()(sin()(0tVttVtVtm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： 振幅调制（AM）：调制参量为； 频率调制（FM）：调制参量为； 相位调制（PM）：调制参量为载波的初始相位。 （7-77） 振幅调制 mmtmVtV)(1 )(（7-78） 则式（7-78）变成 ttmVtmsin)(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

25、幅度的调制能力，并且 1载波幅度化被调制波的最大幅度变mmm（7-79） 以最简单的正弦调制函数为例讨论幅度调制的一般规律，分析调幅波的形成过程和它的频谱分布。 ttmtmsinsin10（7-80） 调幅波的频谱 ： ttmttmmcoscos21sin0（7-81） 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

26、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Bm=2 Fmax，其中Fmax是调制信号的最高频率（图中虚线）。 调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。如若载波频率为f0=10 kHz，调制信号频率为F0500Hz，则调幅后的载波频谱分布在fL（100.5）kHz9.5kHz和fH（100.5）kHz10.5kHz之间，也就是调幅波的带宽为Bm=1kHz。因此，检测通道的带宽满足Bm的要求，对带宽外的信号进行有选择地滤波，以便减少噪声和干扰，有利于提高信噪比。 频率调制 频率调制是指载波的频率按调制信号的幅度改变，使调制后的调频波频率偏离原有的载波频率，而偏离值与调制信号幅度瞬时值成正比，简称为调频。式（7-77）中的调制项为 tVtV0（7-82） tmdttVtt000s