第7章光电信息变换

1、第7章 光电信息变换 光电器件可以将光信号转换成电信号，通光电器件可以将光信号转换成电信号，通过对电信号的测量可以检测那些物理量呢？过对电信号的测量可以检测那些物理量呢？ 物体温度、表面的反射率、物理运动速度、位移、地质地貌？7.l 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 1. 信息载荷于光源的方式信息载荷于光源的方式 光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的强度信息等。根据这些信息可以进行钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器制导、夜视观察、地形地貌普查和成像测量等的应用。 全辐射测温为例讨论信息存在于光源中这类问题的处理方法。在全辐射测温应用中温度信息存在于光源的辐射出射度Me, ，由第1章

2、中的式（1-42）可知物体的全辐射出射度Me, 与物体温度的关系为 Me, =Me, ，s= T4 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。 光电传感器的变换电路输出的电压信号为US= mSGKMe, =Me, 式中，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。综合两式可得 US=T4 上式表明变换电路输出的电压信号US是温度T的函数，温度变化必然引起电压的变化。因此，通过测量输出电压，可测得温度。 2.

3、信息载荷于透明体的方式 在这种情况下，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。 检测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式中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。显然，为与介质性质有关的系数。上式可改写为 Cle0 当透明介质的系数为常数时，光通量的损耗与介质的浓度C与介质的厚度l有关光电检测变换电路的输出信号电压Us与介质的浓度C与介质的厚度l 有关信号。0sUCle两边取自然对数后 lnUs=lnU0Cl 利用此信号可以方便地得到介质的浓度C（在介质的厚

4、度l确定的情况下），或得到介质的厚度l（在介质的浓度C确定的情况下）。 还可以测量液体或气体的透明度（或混浊度），检测透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等质量问题。 3. 信息载荷于反射光的方式 反射有镜面发射与漫反射两种，各具有不同的物理性质和特点。利用这些性质和特点将载荷于反射光的信息检测出来实现光电检测的目的. 漫反射则不同，物体的漫反射本身载荷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。镜面反射在光电技术中常用作合作目标，用它来判断光信号的有无等信息的检测。例如，在光电准直仪中利用反射回来的十字叉丝图像与原十

5、字叉丝图像的重叠状况判断准直系统的状况，直接检测物理量的较少。 根据漫反射原理，用这种方式可以对光滑零件表面的外观质量进行自动检测。 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式中E为被测表面的照度，r1为正品（无疵病）表面的反射系数，r2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。由上式可知，当E，r1和已知时，输出电压US是r2和B的函数，因此，可以通过输出信号电压US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信息载荷于遮挡光的方式 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，投射光入射到

6、探测器上转换成光电信息。例如，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 变换电路输出的面积变化信号电压为 U=EA=E bl 用这种方式即可以检测被测物体的位移量l、运动速度v和加速度等参数，又可以测量物体的宽度b5. 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。 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

7、到广泛的应用。 6. 6. 光通讯方式的信息变换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，通过光导显微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光电信息变换的类型 1. 模拟光电变换 被测的非电量信息被测的非电量信息（如温度、介质厚度、（如温度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，载荷于光信息量时，常为光度量（通量、常为光度量（通量、照度和出射度等照度和出射度等）光电器件光电器件模拟信号模拟信号 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

8、。否则，载体光度量的变化直接影响被测信息量。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）光电器件光电器件0和和1高低高低脉冲脉冲2. 模-数光电变换脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F 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 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1. 简单变换电路 2. 具有温度补偿功能的变换电路 3.

9、 差分式光电变换电路差分式光电变换电路 图图7-6所所示为光示为光电比色电比色计的原计的原理图，理图，是一种是一种典型的典型的差分式差分式光电变光电变换电路换电路双光路差分式光电变换器的原理结构图 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中光源发出的光经反射镜分为两路经调制盘的转动，使参考光与测量光分时进入系统，并分时由光电器件D接收。光电器件D分时接收到参考光信号和测量光信号后输出如图7-12所示的信号波形，输出的信号差即为被测信号。 4. 光外差式光电变换电路 概念：概

10、念：光外差是指两相干光束的光波频率产生一光外差是指两相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹，经光电探个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号。测器将干涉场中的光信号转换为电信号。 图7-13所示为光外差式光电变换电路的原理示意图。设被测信号与本机振荡信号光束均为简谱函数，并分别表示， cosssssf tEt cos)LLsLftEt其中其中Es和和EL为光束的振幅，且差频为光束的振幅，且差频s。 coscos)sssLSLf tEtEt那么，入射到检测器上的总光场为：光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为： _22

11、_2222_coscos )cos ()cospsLsssLSLsLSSLssLLsitftftftEtEtA AtA At_式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/21/2。第三项。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为差频项，频率低得多，差频项，频率低得多，当差频信号当差频信号C C/2/2低于光检测器的上低于光检测器的上限截止频率时限截止频率时，检测器就有频率为，检测器就有频率为C/2的光电流输出。的光电流输出。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C

12、为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为： co sCsLLsitEEt中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为： c o sCCLsLLLsVtitREERt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：LLsLCCRPPheRVP2_22当=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为： co sCsLLsitEE这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。一、光外差检测可获得全部信息一、光外差检测可获得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。二、光外差检测转换增益二、光外

13、差检测转换增益G高高光外差检测中频输出有效信号功率为：LLsCRPPheP22在直接检测中，检测器输出电功率为：LsRPheP220两种方法得到的信号功率比G为：sLCPPPPG20可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。三三 良好的滤波性能良好的滤波性能 光外差检测中，取信号处理器通频带为光外差检测中，取信号处理器通频带为f=ff=fL L-f-fs s，则只有，则只有此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于噪声被滤掉。因此外差检测系统

14、不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。直接检测系统。fNSesh2/2hcNEPf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。 例：目标沿光束方向运动速度例：目标沿光束方向运动速度=0-15m/s=0-15m/s，对于，对于COCO2 2激光激光信号，多普勒频率信号，多普勒频率f fs s为：为：cffLs21通频带通频带f f1 1取为：取为：MHzcccffffLLLs3221而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1nm1nm，所对应的带，所对应的带宽，即通频带宽，即通频带f

15、f2 2=3000MHz=3000MHz。可见，外差检测对背景光有强抑制作用。可见，外差检测对背景光有强抑制作用。 另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。 7.2.2 模模-数光电变换电路数光电变换电路 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，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。因此，模-数光电变换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 如图7-14所示为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）上分成两束，一束为参考光束，另一束为测量光。两束

16、光分别经全反射镜M2与M3回到M1，并在M1处产生干涉。1. 激光干涉测位移 干涉条纹被光电器件接收，形成脉冲信号。 显然，参考光束与测量光束的光程不相等。当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， M1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， M1处的光强度为零(出现暗点) ，光电器件输出低电平。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，其光强度的变化规律为 Iv=Iov+IovKIcos(2/) 从上式可知，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

17、差n。对于图7-14所示结构，光程差是动镜M3位移量L的二倍。因此，被测位移量 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。计量光栅的黑白线条等宽，光栅的节距（光栅常数）为等间隔的。http:/ 当两快光栅接近重叠时便产生如图7-17所示的莫尔条纹。图7-17中的aa线透光面积最大，形成条

18、纹的亮带，在bb线上，光线被暗条相互遮挡，形成暗带。 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。 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 )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。 图7-18所示为光柵测长的原理图。它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。 图7-19所示为测角度用的圆光栅的原理图。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。指示光栅、光源、透镜、与光电