第七章光電信息變換2-1

1、7.l 7.l 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 本章將根據(jù)信息存在于光學(xué)參量的方式或光學(xué)信息的類型討論光電信息變換的基本方式，從而對(duì)光電信息變換的問(wèn)題具有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，在解決光電技術(shù)的具體問(wèn)題時(shí)能夠根據(jù)變換方式提出理想的設(shè)計(jì)方案。 光電信息變換應(yīng)用于許多技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于不同的應(yīng)用，光電信息變換的內(nèi)容，變換裝置的組成和結(jié)構(gòu)形式等均有所不同。但是根據(jù)光學(xué)信息的類型總可以總結(jié)出它的基本類型。7.1.1 光電信息變換的基本形式 光電信息變換的分類可從兩個(gè)方面來(lái)分，一方面根據(jù)信息載入光學(xué)信息的方式分為如圖7-1所示的6種光電信息變換的基本形式；另一方面根據(jù)光電變換電路輸出信號(hào)與信息的函數(shù)關(guān)系分為模擬光

2、電變換與模-數(shù)光電變換兩類。 1. 1. 信息載荷于信息載荷于光源光源的方式的方式 如圖7-1(a)所示，為信息載荷于光源中的情況（或光學(xué)信息為光源本身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源的強(qiáng)度信息等。根據(jù)這些信息可以進(jìn)行鋼水溫度的探測(cè)、光譜分析、火災(zāi)報(bào)警、武器制導(dǎo)、夜視觀察、地形地貌普查和成像測(cè)量等的應(yīng)用。 物體自身輻射通常是緩慢變化的，因此，經(jīng)光電傳感器獲得的電信號(hào)為緩變的信號(hào)或直流信號(hào)。為克服直流放大器的零點(diǎn)漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采用光學(xué)調(diào)制技術(shù)或電子斬波調(diào)制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?hào)，然后再解調(diào)出被測(cè)信息。 下面用全輻射測(cè)溫為例討論信息存在于光源中這類問(wèn)題的處理方法。

3、在全輻射測(cè)溫應(yīng)用中溫度信息存在于光源的輻射出射度Me, ，由第1章中的式（1-42）可知物體的全輻射出射度Me, 與物體溫度的關(guān)系為 Me, =Me, ，s= T4 （音西格馬） (7-1) 式中Me, ，s為同溫度黑體的輻射出射度，（音易普塞龍 ）為物體的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。T為被測(cè)體的溫度，即測(cè)量的信息量。 在近距離測(cè)量時(shí)，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換電路輸出的電壓信號(hào)為 US= mSGKMe, =Me, （音可賽 ） (7-2)式中，m為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，S為光電器件的靈敏度，G為變換電路的變換系數(shù)，K為放大器的放大倍數(shù)，= mSGK稱為

4、系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。將式(7-1)代入式(7-2)得 US=T4 （7-3）表明變換電路輸出的電壓信號(hào)US是溫度T的函數(shù)，溫度變化必然引起電壓的變化。因此，通過(guò)測(cè)量輸出電壓，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定就能夠測(cè)出物體的溫度。 2. 信息載荷于透明體的方式 如圖7-1(b)所示，為信息載荷于透明體中的情況。在這種情況下，信息可為透明體的透明度，透明體密度的分布，透明體的厚度，透明體介質(zhì)材料對(duì)光的吸收系數(shù)等都為載荷信息的方式。 提取信息的方法常用光通過(guò)透明介質(zhì)時(shí)光通量的損耗與入射通量及材料對(duì)光吸收的規(guī)律求解。即 le0（7-4） 式中為透明介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，它與介質(zhì)的濃度C成正比，即=C。顯然，為與介質(zhì)性質(zhì)

5、有關(guān)的系數(shù)。式（7-4）可改寫為 Cle0（7-5） 由式（7-5）可見(jiàn)，當(dāng)透明介質(zhì)的系數(shù)為常數(shù)時(shí)，光通量的損耗與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l有關(guān)，采用如圖7-1(b)所示的變換方式，變換電路的輸出信號(hào)電壓Us為:0sUCle（7-6） 兩邊取自然對(duì)數(shù)后 lnUs=lnU0Cl （7-7） 即將變換電路的輸出信號(hào)電壓Us送入對(duì)數(shù)放大器后，便可以獲得與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l有關(guān)信號(hào)。利用此信號(hào)可以方便地得到介質(zhì)的濃度C（在介質(zhì)的厚度l確定的情況下），或得到介質(zhì)的厚度l（在介質(zhì)的濃度C確定的情況下）。還可以測(cè)量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測(cè)透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等質(zhì)量問(wèn)題。 3.

6、 信息載荷于反射光的方式 如圖7-1(c)所示，信息載荷于反射光的方式。反射有鏡面反射與漫反射兩種，各具有不同的物理性質(zhì)和特點(diǎn)。利用這些性質(zhì)和特點(diǎn)將載荷于反射光的信息檢測(cè)出來(lái)實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的目的。鏡面反射在光電技術(shù)中常用作合作目標(biāo)，用它來(lái)判斷光信號(hào)的有無(wú)等信息的檢測(cè)。例如，在光電準(zhǔn)直儀中利用反射回來(lái)的十字叉絲圖像與原十字叉絲圖像的重疊狀況判斷準(zhǔn)直系統(tǒng)的狀況；在邁克爾遜干涉儀中，動(dòng)鏡的位置信息載荷于邁克爾遜干涉條紋中，通過(guò)檢測(cè)邁克爾遜干涉條紋的變化可以檢測(cè)動(dòng)鏡位置的變化；另外，鏡面反射還用于測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，相位等方面；而漫反射則不同，物體的漫反射本身載荷物體表面性質(zhì)的信息，例如反射系數(shù)

7、載荷表面粗糙度及表面疵病的信息，通過(guò)檢測(cè)漫反射系數(shù)可以檢測(cè)物體表面的粗糙度及表面疵病的性質(zhì)。M12211S 半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E 根據(jù)這一原理，用這種方式可以對(duì)光滑零件表面的外觀質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。 在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓 US=E(r1-r2)B （7-8）式中E為被測(cè)表面的照度，r1為正品（無(wú)疵?。┍砻娴姆瓷湎禂?shù)，r2為疵病表面的反射系數(shù)，B為光電器件有效視場(chǎng)內(nèi)疵病所占的面積，為光電變換系數(shù)。由式（7-8）可知，當(dāng)E，r1和已知時(shí)，輸出電壓US是r2和B的函數(shù)，因此，可以通過(guò)輸出信號(hào)電壓US的幅度判斷表面疵病的程度和面積。 這種方式除上述應(yīng)用外，還

8、可應(yīng)用于電視攝像、文字識(shí)別、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等方面。 4. 信息載荷于遮擋光的方式 如圖7-1(d)所示為信息載荷于遮擋光的方式，物體部分或全部遮擋入射光束，或以一定的速度掃過(guò)光電器件的視場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了信息載荷于遮擋光的過(guò)程。例如，設(shè)光電器件光敏面的寬度為b，高度為h，當(dāng)被測(cè)物體的寬度大于光敏面的寬度b時(shí)，物體沿光敏面高度方向運(yùn)動(dòng)的位移量為l，則物體遮擋入射到光敏面上的面積變化為 A=bl （7-9）變換電路輸出的面積變化信號(hào)電壓為 U=EA=E bl （7-10） 由式（7-10）可見(jiàn)，用這種方式即可以檢測(cè)被測(cè)物體的位移量l、運(yùn)動(dòng)速度v和加速度等參數(shù)，又可以測(cè)量物體的寬度b。例如，光電測(cè)微儀和

9、光電投影顯微測(cè)量?jī)x等測(cè)量?jī)x器均屬于這種方式。 當(dāng)然可以用這種方式用于產(chǎn)品的光電計(jì)數(shù)，光控開(kāi)關(guān)，和主動(dòng)式防盜報(bào)警等。 5. 信息載荷于光學(xué)量化器的方式 光學(xué)量化是指通過(guò)光學(xué)的方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個(gè)離散量的方法。光學(xué)量化器包含有光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學(xué)碼盤量化器等。 光信息量化的變換方式在位移量（長(zhǎng)度、寬度和角度）的光電測(cè)量系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 長(zhǎng)度或角度的信息量經(jīng)光學(xué)量化裝置（光柵、碼盤、干涉儀等）變?yōu)闂l紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)槊}沖數(shù)字信號(hào)輸出。如圖7-1(e)所示，光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)量化器量化后送給光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號(hào)，再送給數(shù)字電路處理或送

10、給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理或運(yùn)算。例如，將長(zhǎng)度信息量L經(jīng)光學(xué)量化后形成n個(gè)條紋信號(hào)，量化后的長(zhǎng)度信息L為式中，q稱為長(zhǎng)度的量化單位，它與光學(xué)量化器的性質(zhì)有關(guān)，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時(shí)，量化單位q等于光柵的節(jié)距，在微米量級(jí)；而采用激光干涉量化器時(shí)，q為激光波長(zhǎng)的1/4或1/8，視具體的光學(xué)結(jié)構(gòu)而定。)11-(7 qn L 6. 光通訊方式的信息變換 目前，光通訊技術(shù)正在蓬勃地發(fā)展，信息高速公路的主要組成部分為光通訊技術(shù)。光通訊技術(shù)的實(shí)質(zhì)是光電變換的一種基本形式，稱為光信息通訊的變換方式。 如圖7-1(f)所示，信息首先對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號(hào)，通過(guò)光導(dǎo)顯微傳送到

11、遠(yuǎn)方的目的地，再通過(guò)解調(diào)器將信息還原。由于光纖傳輸?shù)拿襟w常為激光，它具有載荷量大，損耗小，速度快，失真小等特點(diǎn)現(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。 目前，這種變換形式已廣泛地應(yīng)用于精密尺寸測(cè)量、角度測(cè)量和精密機(jī)床加工量的自動(dòng)控制等方面。 7.1.2 光電信息變換的類型 光電信息變換和信息處理方法可分為2類：一類稱為模擬量的光電信息變換，例如前4種變換方式；另一類稱為數(shù)字量的光電信息變換，例如后2種變換方式。 1. 模擬光電變換 被測(cè)的非電量信息（如溫度、介質(zhì)厚度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時(shí)，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬

12、電流Ip或電壓Up信號(hào)的形式輸出。即輸出信號(hào)量是被測(cè)信號(hào)量Q的函數(shù)，或稱輸出信號(hào)量與被測(cè)信號(hào)量之間的關(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系。可表示為 Ip=f(Q) （7-12）或 Up= f(Q) （7-13）光電變換電路輸出的電流Ip或電壓Up不僅與被測(cè)信息量Q值有關(guān)而且與載體光度量有關(guān)。因此，為保證光電變換電路輸出信號(hào)與被測(cè)信息量Q的函數(shù)關(guān)系，載體光度量必須穩(wěn)定。否則，載體光度量的變化直接影響被測(cè)信息量。另外，電路參數(shù)的變化，尤其是電源電壓的波動(dòng)，放大電路的噪聲、放大倍率的變化等都影響被測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。而光度量的穩(wěn)定又與光源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等的性能有關(guān)。因此，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高精度的模擬光電信息變換常常遇到許多

13、其他技術(shù)方面的困難。必須采用各種措施解決這些困難，才能獲得高質(zhì)量的模擬光電信息變換。 2. 模-數(shù)光電變換 在這類光電變換中，被測(cè)信息量Q通過(guò)光學(xué)變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號(hào)和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換電路輸出。 模-數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出“0”和“1”（高、低電平）兩個(gè)狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出信號(hào)不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F。它與被測(cè)信息量Q的函數(shù)關(guān)系為 F = f(Q) （7-14）顯然，數(shù)字信息量F只取決于光通量變化的頻率、周期、相位和時(shí)間間隔等信息參數(shù)，而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，也不受電源、光學(xué)系統(tǒng)

14、及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等外界因素的影響。 7.2 光電變換電路的分類 因此，這類光電變換方式對(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。 光電變換電路輸出信號(hào)的方式應(yīng)與光電信息的函數(shù)關(guān)系相一致，因此，光電變換電路也有模擬與模-數(shù)兩種類型。7.2.1 模擬光電變換電路 凡輸出信號(hào)電流（或電壓）與入射光度量具有式（7-12）或（7-13）所述關(guān)系的變換電路都稱為模擬光電變換電路。根據(jù)光電信息變換的內(nèi)容和精度要求，模擬變換電路又分為4種類型。下面分別討論： 1. 簡(jiǎn)單變換電路 在對(duì)測(cè)量精度要求不高的情況下測(cè)量受照面的照度（例如測(cè)量教室課桌表面的

15、照度）時(shí)，常采用如圖（7-2）所示的簡(jiǎn)單光電變換電路，即簡(jiǎn)單照度計(jì)的變換電路。 圖（7-2）（a）為不需要外接電源的硒光電池照度計(jì)的變換電路?？紤]到硒光電池的光譜響應(yīng)曲線與人眼的光視效率曲線非常接近，一般不必考慮外加濾光器進(jìn)行光譜修正。 調(diào)整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上的照度。 為提高測(cè)量電路的靈敏度，采用放大器對(duì)光電器件的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。如左圖所示，由光電三極管與電阻R1及R2構(gòu)成的光電變換電路，其輸出信號(hào)經(jīng)由三極管3DG6構(gòu)成的放大電路進(jìn)行放大。設(shè)光電三極管的偏置電流為I1，三極管3DG6的基極電流為IB，則三極管集電極輸出電流IC為電路的輸出信號(hào)。電流IC由毫安表指示。設(shè)光電三

16、極管的電流靈敏度為S，入射光的照度為Ev，三L極管的電流放大倍率為，則流過(guò)電阻R1與R2的電流I1為 I1=I2+IB=SEV+IB （7-15）設(shè)I1IB，可以推出) 1)()() 1)()(43V21bb43121bbBRRSERRURRIRRUI（7-16）集電極電流IC為 由（7-17）式可見(jiàn)，當(dāng)入射光很弱時(shí)，EV0，流過(guò)光電三極管3DU2的電流近似為0，IC為最大值ICM )(1V21bb43BCSERRURRII （7-17）集電極電流IC隨光照度的增大而降低。因此，該照度計(jì)的調(diào)整過(guò)程是：先將光敏面遮暗，調(diào)節(jié)電阻R1與R3使毫安表指針指示滿刻度，此時(shí)指針的位置為照度計(jì)的“零點(diǎn)”；然

17、后，改變光照度，根據(jù)標(biāo)定的照度值在表頭上進(jìn)行刻度。顯然，毫安表指針的零位置是照度計(jì)的最大照度測(cè)量值。 右圖所示為以電壓方式輸出的光通量測(cè)量電路，光電流I1與入射光通量V的關(guān)系為I1= SV，因此，三極管的基極電流IB為 43bbCMRRUI（7-18） bebe1BrRSrRIILvL（7-19） 故，輸出電壓UO為 beCVbbCCbbOrRRSURIUUL（7-20） 可見(jiàn)，當(dāng)入射光通量V變化時(shí)，輸出電壓UO也要改變。因此，可以通過(guò)輸出電壓UO檢測(cè)入射到光電三極管上光通量。 圖7-4所示為具有溫度補(bǔ)償功能的光電變換電路，圖中D1為測(cè)光光電二極管，D2為補(bǔ)償光電二極管，D1、D2及電阻、可變

18、電阻器構(gòu)成電橋。 從（7-20）式得到輸出電壓UO不僅與三極管的電流放大倍率有關(guān)，而且與三極管的基射結(jié)電阻rbe有關(guān)。而與rbe均為環(huán)境溫度T的函數(shù)，表明放大電路的穩(wěn)定性較差。為了提高測(cè)量電路的穩(wěn)定性，需要引入溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié) 。 在背景光照下調(diào)整可變電阻器使電橋平衡，輸出電壓表指示為“零”。當(dāng)測(cè)光光電二極管光敏面上的光照度發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出電壓表將指示出光敏面上的光照度。 補(bǔ)償光電二極管D2被遮蔽并被與光電二極管D1封裝在同溫槽中，且要求D1與D2的特性極為接近。 這樣，溫度變化使兩個(gè)光電二極管的溫度漂移基本相同，又分別處于兩個(gè)橋臂，相互補(bǔ)償，達(dá)到消除溫度對(duì)測(cè)量電路造成的影響。 圖7

19、-5所示為利用溫度補(bǔ)償電阻對(duì)光電測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，將圖7-3（b）所示的Re電阻用熱敏電阻代替，構(gòu)成具有溫度補(bǔ)償功能的光電檢測(cè)電路。引入負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻能夠?qū)怆娮儞Q電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 設(shè)光電二極管的電流為I1，三極管的基極電壓應(yīng)為Ubetbebe1betbet1bet1be1)/(RrrIrRrRIrRIU熱敏電阻Rt可以補(bǔ)償光電二極管的電流I1受環(huán)境溫度的影響。 即便將熱敏電阻與光電二極管裝在同一個(gè)溫度槽內(nèi)也不可能達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｌ岢隽瞬罘质焦怆娮儞Q電路方案。 3. 差分式光電變換電路 圖7-6所示為光電比色計(jì)的原理圖，是一種典型的差分式光電變換電路。 其中一路經(jīng)被測(cè)溶液

20、入射到測(cè)量光電池D1上，另一路經(jīng)可調(diào)光闌、反光鏡到補(bǔ)償光電池D2上，由光電池D1與D2構(gòu)成電路為差分式光電變換電路。 圖7-7所示為光電比色計(jì)的電路原理圖，由圖不難看出光電比色計(jì)電路為電橋差分式的光電變換電路。 圖7-8所示為雙光路差分式光電變換器的原理結(jié)構(gòu)圖。光源發(fā)出的光通過(guò)反光鏡分別進(jìn)入?yún)⒖枷到y(tǒng)與測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)。 D1與D2的特性參數(shù)應(yīng)盡量一致。D1與D2按圖7-9所示的差分電路的形式連接。設(shè)參考系統(tǒng)光電器件D1的輸出電壓為UD1，測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)光電器件D2的輸出電壓為UD2，則變換電路的輸出信號(hào)電壓為UO=K（UD2UD1） （7-22） 式中K為放大器的放大倍率。 另一種常用的雙光路雙器件

21、光電變換器如圖7-10所示。這種光電變換方式又稱為比較差接式光電變換器。這種變換方式常用于測(cè)色儀器。測(cè)色儀的光源發(fā)出的光，分為兩路，一路經(jīng)透鏡照射在標(biāo)準(zhǔn)色板上，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)色板反射后再匯聚到光電器件D1上；另一路經(jīng)透鏡照射在被測(cè)樣品上，經(jīng)被測(cè)樣品反射后再匯聚到光電器件D2上。 兩個(gè)光電二極管的輸出信號(hào)可以進(jìn)行差分比較，測(cè)量被測(cè)面的顏色與標(biāo)準(zhǔn)色板的差；也可以采用分別輸出的方式，并將測(cè)量結(jié)果經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。 由于雙光路雙器件光電變換電路的輸出信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)輸出信號(hào)的差成正比，因此，測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)隨溫度與光源的影響將被消除。 圖7-11所示的雙光路單光電器件的光電檢測(cè)系統(tǒng)

22、。 雙光路單光電器件的光電檢測(cè)系統(tǒng)中光源發(fā)出的光經(jīng)反射鏡分為兩路經(jīng)調(diào)制盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，使參考光與測(cè)量光分時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，并分時(shí)由光電器件D接收。光電器件D分時(shí)接收到參考光信號(hào)和測(cè)量光信號(hào)后輸出如圖7-12所示的信號(hào)波形，輸出的信號(hào)差即為被測(cè)信號(hào)。4. 光外差式光電變換電路 對(duì)于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)常采用光外差式光電變換電路。光外差方式的光電變換電路具有超過(guò)常規(guī)光電變換電路的靈敏度；此外，光外差方式采用激光為變換媒體，而激光具有很強(qiáng)的方向性和頻率選擇性，使噪聲帶寬變得很窄，信噪比得到很大的提高。因此，光外差方式的光電變換電路在光通訊、激光雷達(dá)和紅外技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 圖7-13所示為光外差式光電變換電

23、路的原理示意圖。設(shè)被測(cè)信號(hào)與本機(jī)振蕩信號(hào)光束均為簡(jiǎn)諧函數(shù)，并分別表示為Escosst和ELcos(s+)t，其中Es和EL為光束的振幅。兩光束在分光器上相干，得到差拍信號(hào)。 輻射到光電探測(cè)器上的輻射為 )(eesjs)s(LttVREEReettje光電探測(cè)器輸出的電流為 tEEEEtVtViSLSLcos2)(*)( 220(7-23) (7-24) 若EL Es，式（7-24）變?yōu)?)cos21 (2tEEaEiLSLo(7-25) 式中a為比例系數(shù)。 由于輻射通量 ， 所以 2SS eE)cos21 (hqtieLeseLo(7-26) 2LL eE如果采用選頻放大器放大探測(cè)器的輸出信號(hào)

24、，其交流分量為 tieseLscoshq2假設(shè)直接變換的輸出信號(hào)的交流分量為 ?coshqtiess則，可以得到光外差式和直接式變換靈敏度的比值Gs=2(eL/es)1/2。因?yàn)閑L es，所以外差式變換電路的靈敏度比直接式變換要高得多，一般要高103104數(shù)量級(jí)。 假設(shè)光電探測(cè)器為硅光電二極管，其輸出信號(hào)電流的均方值為 22)hq(2eSeLsI（7-28） (7-27)hq2essstjstjssiEeEeEiss應(yīng)為探測(cè)器負(fù)載的輸出功率見(jiàn)下頁(yè)ppt)()(21tetis若信號(hào)直接輻射到光電探測(cè)器上的輻射為 ，由光電探測(cè)器的平方轉(zhuǎn)換定律，光功率為 ，輸出電流為tEtessscos)()()

25、(2tetPss上短線表示時(shí)間平均，因?yàn)樘綔y(cè)器的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光頻變化周期，光電轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)際是對(duì)光場(chǎng)變化的時(shí)間積分響應(yīng)，則得到ssPEi2121tEEtEEtEtEtetetisLsLssLssLs)2cos()cos()(cos)(cos )()()(222222激光信號(hào)為 ，通過(guò)光外差測(cè)量時(shí)輸出電流為tEtesLL)cos()(若探測(cè)器的負(fù)載電阻為 ,則輸出功率為L(zhǎng)RLsLoRERiP4221141)cos22(222tEEEEiLsLstEEiLscos2頻率太高，光電探測(cè)器不響應(yīng)，因此有通過(guò)選頻放大器，濾去直流項(xiàng)，剩下交流項(xiàng)，得到前兩項(xiàng)是功率項(xiàng)，對(duì)應(yīng)光譜響應(yīng)，后兩項(xiàng)對(duì)應(yīng)頻率響應(yīng)，最后

26、一項(xiàng)輸出功率為L(zhǎng)LsLLsLoREERtEERiP222222222221)(cossLsLooPPEEPPG222212LsLoRERiP4221141LP ， G1SPfeLhq NEPhchS/NfffIeLnhqq22輸出噪聲電流主要是散粒噪聲，忽略暗電流后為 故，信噪比與噪聲等效功率分別為 （7-30）采用CO2激光器，波長(zhǎng)=10.6m，帶寬f=107Hz，量子效率=50%，則得出 W1075. 35 . 0106 .10101031062. 6NEP1367834而直接探測(cè)的情況，在不考慮背景和暗電流情況下， fNSesh2/2hcNEPf（7-33） （7-32）比較式（7-30

27、）和式（7-32），可見(jiàn)光外差式的S/N提高了一倍。如果考慮背景噪聲，光外差式的S/N提高得更高。 7.2.2 模-數(shù)光電變換電路 7.1節(jié)簡(jiǎn)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(jiǎn)單得多。本節(jié)將通過(guò)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(cè)位移 如圖7-14所示為激光單路干涉測(cè)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(cè)量光。兩束光分別經(jīng)

28、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的位置量的模擬信息將載于脈沖信號(hào)。 顯然，參考光束與測(cè)量光束的光程不相等。當(dāng)光程差是波長(zhǎng)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(cè)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

29、式(7-34)可知，光程差每變化波長(zhǎng)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(cè)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(cè)出測(cè)量頭移動(dòng)的長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)的量化單位為/2。 測(cè)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(cè)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)。莫爾（Moire）一詞在法文中的原意是表示水波紋或波狀花紋。當(dāng)薄的兩層絲綢重疊在一起并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則形成一種漂動(dòng)的水波型花樣，當(dāng)時(shí)就將這種有趣的花樣叫做

30、莫爾條紋。一般來(lái)說(shuō)，任何兩組（或多組）有一定排列規(guī)律的幾何線族的疊合，均能產(chǎn)生按新規(guī)律分布的莫爾條紋圖案。1874年英國(guó)物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計(jì)測(cè)手段，根據(jù)條紋形態(tài)來(lái)評(píng)價(jià)光柵尺各線紋間的間隔均勻性，從而開(kāi)創(chuàng)了莫爾測(cè)試技術(shù)。隨著光刻技術(shù)和光電子技術(shù)水平的提高，莫爾技術(shù)獲得較快發(fā)展，在位移測(cè)試、數(shù)字控制、伺服跟蹤、運(yùn)動(dòng)比較等方面有廣泛的應(yīng)用。2. 莫爾條紋測(cè)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

31、制成的黑白光柵。計(jì)量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。 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)兩塊光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)運(yùn)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 )2/sin(2dm 一般角很小，上式可簡(jiǎn)化為 dm （7-36） （7-37） 光柵每移一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)間隔（即一個(gè)條紋）。因此，只要計(jì)測(cè)條紋移

32、過(guò)的個(gè)數(shù)n，便可計(jì)算出光柵的位移量L，即 L=nq (7-38)式中q=d為量化單位，表示每條紋的長(zhǎng)度量。 圖7-18所示為光柵測(cè)長(zhǎng)的原理圖。它先將長(zhǎng)度量變換成莫爾條紋信號(hào)，然后再用光電器件讀取長(zhǎng)度信息，這種光柵又稱為長(zhǎng)光柵或長(zhǎng)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(zhǎng)度由位移量決定，一般較長(zhǎng)。 莫爾條紋信號(hào)通過(guò)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(cè)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

33、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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)一條刻線時(shí)，莫爾條紋將變化一次，通過(guò)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)行幾何量的測(cè)量有如下優(yōu)點(diǎn)

34、：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倍數(shù)，對(duì)于微小傾角有 光電器件接收莫爾條紋光信號(hào)是光柵視場(chǎng)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(zhǎng)為10mm的硅光電池接收，在視場(chǎng)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。 01n2)、誤差的平均效應(yīng) 1dm（7-40） 7.3.1 長(zhǎng)、寬尺寸信息的光電變換 將目標(biāo)或工件的長(zhǎng)、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(cè)量法，光學(xué)靈敏杠桿測(cè)量法，激光掃描測(cè)量法和差動(dòng)測(cè)量法等。 2 、激光三

35、角法cossinxbaxx單點(diǎn)直射式結(jié)構(gòu) :激光器會(huì)聚透鏡a接收透鏡光電探測(cè)器xxba）直射式結(jié)構(gòu)單點(diǎn)斜射式結(jié)構(gòu) :激光器會(huì)聚透鏡2a接收透鏡光電探測(cè)器xxb1b）斜射式結(jié)構(gòu))cos()sin(cos21211xbaxx808nm、200mw 60元 激光掃描法 激光掃描法是1972年發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，有人稱之為L(zhǎng)aser Shadow Gauge。1975年推出了第一臺(tái)儀器并申請(qǐng)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(guò)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。 掃描光束經(jīng)過(guò)透鏡1后變成平行的掃描光束，平

36、行掃描光在掃描過(guò)程中被工件遮擋，光束經(jīng)過(guò)透鏡2后被位于焦平面上的探測(cè)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(guò)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的測(cè)量值。 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L(zhǎng)2m，則光掃描的線速度為 fvffVmmL42(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(cè)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(cè)量和可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)著的物體

37、是激光掃描法的優(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(cè)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(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量檢測(cè)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(cè)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(cè)物像的位移信息變換系統(tǒng)，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(cè)量。 NfnvnfvVtdm4140(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(guò)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(kāi)關(guān)）、旋

38、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(jiǎn)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 7.4.1 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(guò)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。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(cè)量技術(shù) 各種干涉現(xiàn)象都是以光波波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，與形成它的外部幾何參數(shù)包括長(zhǎng)度、距離、角度、面形、微位移

39、、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。紅光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片 在這種變換過(guò)程中，光波作為物質(zhì)的載體，載荷了待測(cè)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(cè)和處理，最后解算出被測(cè)幾何和物理參量的技術(shù)統(tǒng)稱作光電干涉測(cè)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)中嶄露頭角，并取得了較大的發(fā)展。從信息處理的角度來(lái)看，干涉測(cè)量實(shí)質(zhì)上是待測(cè)信息對(duì)光頻載波的調(diào)制和解調(diào)的過(guò)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(jiàn)的干涉儀來(lái)說(shuō)明這個(gè)模型。圖7-30所示為它的結(jié)構(gòu)

40、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(guò)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。 000,rfAIrf載波信號(hào)分為二路引入干涉儀。在測(cè)量臂中 受到待測(cè)位移信號(hào) 的相位調(diào)制。形成 的調(diào)相信號(hào)；待測(cè)信息為運(yùn)動(dòng)速度 ，產(chǎn)生 的調(diào)頻信號(hào)。這樣測(cè)量臂起到信號(hào)調(diào)制器的作用。 00,rfAI x00,rfAI x00,ffAIr圖樣（在測(cè)位移情況下）或確定光拍頻率（在測(cè)速情況下）的輸出信號(hào)。 已調(diào)制光頻波在干涉物上和來(lái)自參考臂的參考光波相干涉，呈現(xiàn)出具有穩(wěn)定的干涉 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(cè)量的變化。因此這被看作是光學(xué)解調(diào)制的過(guò)程。 干涉測(cè)量的調(diào)制和解調(diào)過(guò)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(cè)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(cè)過(guò)程就是光載波受待測(cè)信息調(diào)制和已調(diào)制光波解調(diào)再現(xiàn)為信息的過(guò)程。根據(jù)相干光學(xué)信息的時(shí)空狀態(tài)和調(diào)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