光電技術(shù)：第7章 光電信息變換 第2節(jié)

1、7.2.2 模-數(shù)光電變換電路,7.1節(jié)簡單的討論了模-數(shù)光電變換的特點(diǎn)，提出了模-數(shù)光電變換系統(tǒng)對(duì)光源和光電器件的要求不象模擬光電變換那樣嚴(yán)格，只要能使光電變換電路輸出穩(wěn)定的“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)即可。因此，模-數(shù)光電變換電路的設(shè)計(jì)要比模擬光電變換電路簡單得多。本節(jié)將通過幾個(gè)模-數(shù)光電變換電路的典型應(yīng)用學(xué)習(xí)這類變換電路,1. 激光干涉測位移,如圖7-14所示為激光單路干涉測位移的原理圖。He-Ne激光器發(fā)出的光入射到反射鏡M1（分光器）上分成兩束，一束為參考光束，另一束為測量光。兩束光分別經(jīng)全反射鏡M2與M3回到M1，并在M1處產(chǎn)生干涉,干涉條紋被光電器件接收，形成脈沖信號(hào)。反射鏡M3的位置

2、量的模擬信息將載于脈沖信號(hào),顯然，參考光束與測量光束的光程不相等。當(dāng)光程差是波長的整數(shù)倍時(shí)，即K入(K=0，1，2，3)時(shí)，兩束光波的相位相同， M1處的光強(qiáng)度最大(出現(xiàn)亮點(diǎn))，光電器件輸出高電平；當(dāng)光程差(K十1/2) 時(shí)，兩束光波的位相差為， M1處的光強(qiáng)度為零(出現(xiàn)暗點(diǎn)) ，光電器件輸出低電平,當(dāng)M3沿著測量光束的光軸移動(dòng)時(shí)，在M1上將出現(xiàn)亮暗交替的干涉條紋，其光強(qiáng)度的變化規(guī)律為,Iv=Iov+IovKIcos(2/) (7-34,式中，Io為平均光強(qiáng)度，KI為干涉條紋的對(duì)比度。從式(7-34)可知，光程差每變化波長時(shí)，干涉條紋暗亮變化一次，當(dāng)干涉條紋變化n次時(shí)，光程差n。對(duì)于圖7-14

3、所示結(jié)構(gòu)，光程差是動(dòng)鏡M3位移量L的二倍。因此，被測位移量 L=n/2 ( 7-35,只要計(jì)量干涉條紋的個(gè)數(shù)n，便可測出測量頭移動(dòng)的長度。這種結(jié)構(gòu)的量化單位為/2,測量頭左右移動(dòng)的方向可以采用圖7-15所示判斷，根據(jù)兩個(gè)光電器件輸出脈沖的先后判斷測量頭的移動(dòng)方向（即條紋是由亮變黑還是由黑變亮） 。然后，采用可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù),2. 莫爾條紋測位移,兩塊光柵以微小角度重疊時(shí)，在與光柵大致垂直的方向上，將看到明暗相間的粗條紋，稱為莫爾條紋(moire fringe)。 如圖7-16所示為兩種計(jì)量光柵示意圖。其中圖（a）為刻劃光柵,圖7-16(b)為用臘腐蝕或照相腐蝕的方法制成的黑白光柵。計(jì)量

4、光柵的黑白線條等寬，光柵的節(jié)距（光柵常數(shù)）為等間隔的,當(dāng)兩快光柵接近重疊時(shí)便產(chǎn)生如圖7-17所示的莫爾條紋。圖7-17中的aa線透光面積最大，形成條紋的亮帶，在bb線上，光線被暗條相互遮擋，形成暗帶,從條紋的形狀可以看出，莫爾條紋的位置在兩光柵刻線夾角的補(bǔ)角平分線上。當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就在移動(dòng)的垂直方向即角的平分線上移動(dòng),假設(shè)光柵的節(jié)距為d，兩光柵的柵線夾角為，則條紋的間隔（寬度）m與d和的關(guān)系為,一般角很小，上式可簡化為,7-36,7-37,光柵每移一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)間隔（即一個(gè)條紋）。因此，只要計(jì)測條紋移過的個(gè)數(shù)n，便可計(jì)算出光柵的位移量L，即 L=nq (7-38) 式

5、中q=d為量化單位，表示每條紋的長度量,圖7-18所示為光柵測長的原理圖。它先將長度量變換成莫爾條紋,信號(hào)，然后再用光電器件讀取長度信息，這種光柵又稱為長光柵或長光柵付。它包含指示光柵與標(biāo)尺光柵，指示光柵固定，標(biāo)尺光柵的長度由位移量決定，一般較長,莫爾條紋信號(hào)通過狹逢入射到光電器件上，它輸出的光電信號(hào)近似于正弦波。用兩個(gè)光電器件輸出的信號(hào)可以判斷光柵移動(dòng)的方向。兩路光電信號(hào)的相位差為/2，即一路為sin，另一路為cos,圖7-19所示為測角度用的圓光柵的原理圖。圓光柵付包括指示光柵與圓光柵盤。圓光柵盤是在玻璃圓盤上等間隔地刻線制成。圓盤光柵與指示光柵重疊產(chǎn)生莫爾條紋。圓盤光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，可以

6、轉(zhuǎn)動(dòng)。指示光柵、光源、透鏡、與,光電器件構(gòu)成固定的光電探測頭。 當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，指示光柵與圓盤光柵產(chǎn)生的莫爾條紋將沿圓盤徑向移動(dòng)，光電探測頭讀出并判斷莫爾條紋的移動(dòng)量和方向，便將角度量變換成莫爾條紋信號(hào),顯然，這種裝置只能測量角度的變化量，不能得到角度的絕對(duì)值。因此，稱它為增量式編碼器。 光柵盤每條刻線表示角度的增量，即量化單位。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過一條刻線時(shí)，莫爾條紋將變化一次，通過計(jì)算莫爾條紋的變化次數(shù)n，便可得到轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度，即 =qn (7-39) 式中q為量化單位，表示每條紋的角度量,莫爾條紋法進(jìn)行幾何量測量的優(yōu)點(diǎn)： 1、 位移量的放大作用 將莫爾條紋間隔與光柵距之比定義為光柵付的放大

7、倍數(shù)，對(duì)于微小傾角有,7-40,光電器件接收莫爾條紋光信號(hào)是光柵視場刻線n的綜合平均效果。因此，若每一刻線誤差為時(shí)，則光電器件輸出的總誤差 （7-41） 例如，對(duì)于d=0.02mm的光柵付，用長為10mm的硅光電池接收，在視場內(nèi)同時(shí)有500根線工作。若單根線的誤差為1m，則光電池輸出的平均誤差僅為0.04m,2、誤差的平均效應(yīng),7.3幾何光學(xué)方法的光電信息變換,7.3.1 長、寬尺寸信息的光電變換,將目標(biāo)或工件的長、寬等尺寸信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦畔⒌姆椒ㄓ型队胺糯蠓?，激光三角測量法，光學(xué)靈敏杠桿測量法，激光掃描測量法和差動(dòng)測量法等。本節(jié)直接討論激光掃描法,激光掃描法 激光掃描法是1972年發(fā)展起來的

8、一種技術(shù)，有人稱之為Laser Shadow Gauge。1975年推出了第一臺(tái)儀器并申請了專利。這種方法使用至今，現(xiàn)在已經(jīng)有很多不同型號(hào)的儀器產(chǎn)品。 如圖7- 25所示為激光掃描法的原理圖。激光束經(jīng)過透鏡1后被反射鏡反射，由于同步位相馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)而形成掃描光束,由于同步馬達(dá)是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，轉(zhuǎn)速為m，所以平行掃描光束的掃描角速度為L2m，則光掃描的線速度為,掃描光束經(jīng)過透鏡1后變成平行的掃描光束，平行掃描光在掃描過程中被工件遮擋，光束經(jīng)過透鏡2后被位于焦平面上的探測器D接收，得到一個(gè)隨時(shí)間變化的光電信號(hào)。再經(jīng)過后續(xù)的信號(hào)處理電路(主要包括信號(hào)放大電路、邊緣檢出電路、計(jì)數(shù)電路等)，就可以得出工件直徑

9、的測量值,7-46,式中f為透鏡l的焦距。若在掃描光束被遮擋的時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)為n，晶振的時(shí)鐘頻率為v0，分頻數(shù)為N；則被測工件直徑的計(jì)算式為,7.3.2 位移信息的光電變換,根據(jù)計(jì)數(shù)器記錄的工件擋光時(shí)間內(nèi)的時(shí)鐘脈沖數(shù)，就可以求得工件的直徑。非接觸測量和可以測量運(yùn)動(dòng)著的物體激光掃描法的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是量程受透鏡尺寸的限制，且存在非線性的原理測量誤差，需要校正或采用特殊設(shè)計(jì)的透鏡補(bǔ)償,將物體位移量變換成光電信號(hào)以便進(jìn)行非接觸測量在工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量檢測中的重要工作。用線、面陣CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器、象限探測器、PSD位置傳感器等器件與成像物鏡配合很容易構(gòu)成被測物像的位移信息變換系統(tǒng)，

10、實(shí)現(xiàn)物體位移量、運(yùn)動(dòng)速度、振動(dòng)周期或頻率等參數(shù)的測量,7-47,將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的變化速度等物理量變換成光電信號(hào)的過程稱為速度信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電變換的方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開關(guān)）、旋轉(zhuǎn)光閘、頻閃式轉(zhuǎn)速表等方法實(shí)現(xiàn)的速度信息光電變換即簡單又容易實(shí)現(xiàn)多種用途的變換,7.3.3 速度信息的光電變換,7.4 物理光學(xué)方法的光電信息變換,7.4.1 干涉方法的光電信息變換,物理光學(xué)的知識(shí)告訴我們，光具有波動(dòng)的屬性，單一頻率的光波在它們的傳輸過程中會(huì)發(fā)生衍射，幾束光的疊加能形成干涉。衍射和干涉現(xiàn)象通常是發(fā)生在一定的空間域內(nèi)，由此組成各種衍射和干涉圖樣

11、。衍射后的干涉現(xiàn)象組成了有名的莫爾條紋?？臻g分布的光波間的干涉可以形成全息圖樣和散斑圖樣。不同頻率光波間的干涉會(huì)形成光學(xué)拍頻，空間域內(nèi)的拍頻分布構(gòu)成光拍圖形,1 光電干涉測量技術(shù),各種干涉現(xiàn)象都是以光波波長為基準(zhǔn)，與形成它的外部幾何參數(shù)包括長度、距離、角度、面形、微位移、運(yùn)動(dòng)方向和速度、傳輸介質(zhì)等存在著嚴(yán)格的內(nèi)在聯(lián)系,在這種變換過程中，光波作為物質(zhì)的載體，載荷了待測信息及其變化，表現(xiàn)出隨時(shí)間和空間改變的外觀特性。利用光電方法對(duì)光波的各種干涉現(xiàn)象進(jìn)行檢測和處理，最后解算出被測幾何和物理參量的技術(shù)統(tǒng)稱作光電干涉測量技術(shù)。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，光電干涉技術(shù)以其巨大的生命力在信息科學(xué)中嶄露

12、頭角，并取得了較大的發(fā)展。從信息處理的角度來看，干涉測量實(shí)質(zhì)上是待測信息對(duì)光頻載波的調(diào)制和解調(diào)的過程。各種類型的干涉儀器或干涉裝置是光頻波的調(diào)制器和解調(diào)器。我們用最常見的干涉儀來說明這個(gè)模型。圖7-30所示為它的結(jié)構(gòu)配制和信息流程。就其信息傳遞的實(shí)質(zhì)而言，實(shí)際的干涉儀結(jié)構(gòu)和工作過程可以用下列方式描述。干涉儀中的激光源是相干光載波的信號(hào)發(fā)生器，它產(chǎn)生振幅為A，頻率為 ，初相位為 的載波信號(hào)，用 表示,干涉儀中用激光為相干光載波，它的振幅為A，頻率為f ，初相位為的載波信號(hào)，用 表示。載波信號(hào)分為二路引入干涉儀。在測量臂中 受到待測位移信號(hào) 相位調(diào)制。形成 的調(diào)相信號(hào)。待測信息為運(yùn)動(dòng)速度 。產(chǎn)生的

13、調(diào)頻信號(hào)為 這樣測量臂起到信號(hào)調(diào)制器的作用,r,o,移情況下）或確定光拍頻率（在測速情況下）的輸出信號(hào),已調(diào)制光頻波在干涉物上和來自參考臂的參考光波相干涉，呈現(xiàn)出具有穩(wěn)定的干涉圖樣（在測位,這個(gè)信號(hào)消除了光頻載波的影響，以干涉條紋的相位分布或光拍的時(shí)間性變化表征出被測量的變化。因此這被看作是光學(xué)解調(diào)制的過程。 干涉測量的調(diào)制和解調(diào)過程可以是時(shí)間性的，也可以是空間性的。根據(jù)調(diào)制的方式不同，形成了各種類型的光學(xué)圖樣。這種以光波的時(shí)空相干性為基礎(chǔ)，受被測信息調(diào)制的光波時(shí)空變換稱作相干光學(xué)信息。 它的形成和檢測過程就是光載波受待測信息調(diào)制和已調(diào)制光波解調(diào)再現(xiàn)為信息的過程。根據(jù)相干光學(xué)信息的時(shí)空狀態(tài)和調(diào)

14、制方式，可以分為：局部空間的一維時(shí)間調(diào)制的光信號(hào)和在二維空間內(nèi)時(shí)間或空間調(diào)制光信號(hào),2 單頻光相干的條紋檢測,使用窄光束單頻光照明的干涉測量中，用單元光電器件檢測干涉條紋可以在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行。檢測的對(duì)象經(jīng)常是干涉條紋波數(shù)或相位隨時(shí)間的變化。為一維空間單頻光的相位調(diào)制。適用于被測對(duì)象為物體的整體位移或運(yùn)動(dòng),另外，當(dāng)激光束擴(kuò)束成為平行光，照射到被測物體時(shí)會(huì)形成干涉條紋組成的平面干涉圖像。它反映了被測物面微觀面形的幾何參量的變化，是二維空間單頻光的相位調(diào)制。這種方法對(duì)于干涉圖像的判讀是依據(jù)干涉條紋的光強(qiáng)分布，某點(diǎn)處條紋的空間相位是從周圍條紋分布的比較中得到的。因此，它的空間分辨率和相位分辨率受

15、到限制。使干涉測量的實(shí)際精度不超過/20,20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的可直接進(jìn)行相位檢測的干涉圖像測量技術(shù)，其基本原理就是對(duì)兩束相干光相位差的時(shí)間調(diào)制。使干涉圖像上各點(diǎn)處的光學(xué)相位變換為相應(yīng)點(diǎn)處時(shí)序電信號(hào)的相位變化。利用掃描或陣列探測器分別測得各點(diǎn)的時(shí)序變化，就能以優(yōu)于/100的相位精度和100線/mm的空間分辨率測得干涉圖像的相位分布。這些干涉圖像的測量法包括鎖相干涉和掃描干涉測量。它們?yōu)楦缮鏈y量開辟了實(shí)時(shí)、數(shù)字、高分辨的新領(lǐng)域，在全息與散斑干涉圖像的測量中得到廣泛的應(yīng)用。 干涉條紋時(shí)序變化的檢測可采用下列光電方法：條紋光強(qiáng)檢測法、條紋比較法和條紋跟蹤法等。 下面我們重點(diǎn)討論條紋跟蹤測量方法,3）干