第7章光電信息變換

1、第7章 光電信息變換 光電器件可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通光電器件可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的測(cè)量可以檢測(cè)那些物理量呢？過(guò)對(duì)電信號(hào)的測(cè)量可以檢測(cè)那些物理量呢？ 物體溫度、表面的反射率、物理運(yùn)動(dòng)速度、位移、地質(zhì)地貌？7.l 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 1. 信息載荷于光源的方式信息載荷于光源的方式 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。 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。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

2、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 式中Me, ，s為同溫度黑體的輻射出射度，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。 光電傳感器的變換電路輸出的電壓信號(hào)為US= mSGKMe, =Me, 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)濾，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稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。綜合兩式可得 US=T4 上式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，可測(cè)得溫度。 2.

3、信息載荷于透明體的方式 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。 檢測(cè)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)有關(guān)的系數(shù)。上式可改寫(xiě)為 Cle0 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)光電檢測(cè)變換電路的輸出信號(hào)電壓Us與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l 有關(guān)信號(hào)。0sUCle兩邊取自然對(duì)數(shù)后 lnUs=lnU0Cl 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

4、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. 信息載荷于反射光的方式 反射有鏡面發(fā)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. 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)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)。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

5、字叉絲圖像的重疊狀況判斷準(zhǔn)直系統(tǒng)的狀況，直接檢測(cè)物理量的較少。 根據(jù)漫反射原理，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)。由上式可知，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。 4. 信息載荷于遮擋光的方式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)，投射光入射到

6、探測(cè)器上轉(zhuǎn)換成光電信息。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 變換電路輸出的面積變化信號(hào)電壓為 U=EA=E bl 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b5. 信息載荷于光學(xué)量化器的方式信息載荷于光學(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

7、到廣泛的應(yīng)用。 6. 6. 光通訊方式的信息變換光通訊方式的信息變換 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)顯微傳送到遠(yuǎn)方的目的地，再通過(guò)解調(diào)器將信息還原。7.1.2 光電信息變換的類型光電信息變換的類型 1. 模擬光電變換 被測(cè)的非電量信息被測(cè)的非電量信息（如溫度、介質(zhì)厚度、（如溫度、介質(zhì)厚度、均勻度、溶液濃度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時(shí)，載荷于光信息量時(shí)，常為光度量（通量、常為光度量（通量、照度和出射度等照度和出射度等）光電器件光電器件模擬信號(hào)模擬信號(hào) 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

8、。否則，載體光度量的變化直接影響被測(cè)信息量。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）光電器件光電器件0和和1高低高低脈沖脈沖2. 模-數(shù)光電變換脈沖的頻率、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 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)及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等外界因素的影響7.2 7.2 光電變換電路的分類光電變換電路的分類 7.2.1 7.2.1 模擬光電變換電路模擬光電變換電路1. 簡(jiǎn)單變換電路 2. 具有溫度補(bǔ)償功能的變換電路 3.

9、 差分式光電變換電路差分式光電變換電路 圖圖7-6所所示為光示為光電比色電比色計(jì)的原計(jì)的原理圖，理圖，是一種是一種典型的典型的差分式差分式光電變光電變換電路換電路雙光路差分式光電變換器的原理結(jié)構(gòu)圖 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。 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 概念：概

10、念：光外差是指兩相干光束的光波頻率產(chǎn)生一光外差是指兩相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場(chǎng)中干涉條紋，經(jīng)光電探個(gè)小的頻率差，引起干涉場(chǎng)中干涉條紋，經(jīng)光電探測(cè)器將干涉場(chǎng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。測(cè)器將干涉場(chǎng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 圖7-13所示為光外差式光電變換電路的原理示意圖。設(shè)被測(cè)信號(hào)與本機(jī)振蕩信號(hào)光束均為簡(jiǎn)譜函數(shù)，并分別表示， cosssssftEt cos)LLsLftEt其中其中Es和和EL為光束的振幅，且差頻為光束的振幅，且差頻s。 coscos)sssLSLf tEtEt那么，入射到檢測(cè)器上的總光場(chǎng)為：光檢測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)的平方成正比，所以光檢測(cè)器的光電流為： _22_

11、2222_coscos )cos ()cospsLsssLSLsLSSLssLLsitftftftEtEtA AtA At_式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/21/2。第三項(xiàng)。第三項(xiàng)為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為差頻項(xiàng)，頻率低得多，差頻項(xiàng)，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(hào)當(dāng)差頻信號(hào)C C/2/2低于光檢測(cè)器的上低于光檢測(cè)器的上限截止頻率時(shí)限截止頻率時(shí)，檢測(cè)器就有頻率為，檢測(cè)器就有頻率為C/2的光電流輸出。的光電流輸出。如果把信號(hào)的測(cè)量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過(guò)以C為

12、中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為： cosCsLLsitE Et中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： cosCCLsLLLsVtit RE E Rt中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)=0，即信號(hào)光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)中頻電流為： cosCsLLsitE E這是外差探測(cè)的一種特殊形式，稱為零差探測(cè)。一、光外差檢測(cè)可獲得全部信息一、光外差檢測(cè)可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。在直接檢測(cè)系統(tǒng)是不可能的。二、光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益二、光外

13、差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益G高高光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPheP22在直接檢測(cè)中，檢測(cè)器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號(hào)功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)更有用?？芍?，在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)更有用。三三 良好的濾波性能良好的濾波性能 光外差檢測(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為光外差檢測(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為f=ff=fL L-f-fs s，則只有，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于噪聲被濾掉。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)

14、不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。直接檢測(cè)系統(tǒng)。fNSesh2/2hcNEPf比較式（7-30）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。 例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度=0-15m/s=0-15m/s，對(duì)于，對(duì)于COCO2 2激光激光信號(hào)，多普勒頻率信號(hào)，多普勒頻率f fs s為：為：cffLs21通頻帶通頻帶f f1 1取為：取為：MHzcccffffLLLs3221而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為1nm1nm，所對(duì)應(yīng)的帶，所對(duì)應(yīng)的帶寬，即通頻帶寬，即通頻帶f

15、f2 2=3000MHz=3000MHz。可見(jiàn)，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用?？梢?jiàn)，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。 7.2.2 模模-數(shù)光電變換電路數(shù)光電變換電路 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。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

16、光分別經(jīng)全反射鏡M2與M3回到M1，并在M1處產(chǎn)生干涉。1. 激光干涉測(cè)位移 干涉條紋被光電器件接收，形成脈沖信號(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/) 從上式可知，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

17、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 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 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。http:/ 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

18、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 )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