光電技術 精品課件

1、光電技術 第1頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一7.l 光電信息變換的分類 7.1.1 光電信息變換的基本形式 1. 信息載荷于光源的方式 信息載荷于光源中的情況（或光學信息為光源本身）溫度信息頻譜信息強度信息鋼水溫度的探測光譜分析火災報警武器制導夜視觀察地形地貌普查成像測量第2頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一第3頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 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為緩變的信號或直流信號。為克服直流放大器的零點漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采用光學調(diào)制技術或電子斬波調(diào)制的方法

2、將其變?yōu)榻涣餍盘?，然后再解調(diào)出被測信息。 在全輻射測溫應用中溫度信息存在于光源的輻射出射度Me, ，由斯忒藩玻爾茲曼定律可知物體的全輻射出射度Me與物體溫度的關系為 例：全輻射測溫第4頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 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。T為被測體的溫度，即測量的信息量。 在近距離測量時，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為式中，m為光學系統(tǒng)的調(diào)制度，為光學系統(tǒng)的透過濾，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)。第5頁，

3、共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一表明變換電路輸出的電壓信號US是溫度T的函數(shù)，溫度變化必然引起電壓的變化。因此，通過測量輸出電壓，并進行相應的標定就能夠測出物體的溫度。 這樣有：第6頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一2. 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)材料對光的吸收系數(shù)等都為載荷信息的方式。式中為透明介質(zhì)對光的吸收系數(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)有關的系數(shù)。 提取信息的方法常用光通過透明介質(zhì)時光通量的損耗與入射通量及材料對光吸收的規(guī)律求解。即 第7頁，共1

4、9頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 當透明介質(zhì)的系數(shù)為常數(shù)時，光通量的損耗與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l有關.變換電路的輸出信號電壓Us為兩邊取自然對數(shù)后 即將變換電路的輸出信號電壓Us送入對數(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有關信號。利用此信號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）。還可以測量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等質(zhì)量問題。 第8頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一3. 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

5、同的物理性質(zhì)和特點。利用這些性質(zhì)和特點將載荷于反射光的信息檢測出來實現(xiàn)光電檢測的目的。鏡面發(fā)射在光電技術中常用作合作目標，用它來判斷光信號的有無等信息的檢測。 在檢測產(chǎn)品外觀質(zhì)量時，變換電路輸出的疵病信號電壓第9頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 式中E為被測表面的照度，r1為正品（無疵病）表面的反射系數(shù)，r2為疵病表面的反射系數(shù)，B為光電器件有效視場內(nèi)疵病所占的面積，為光電變換系數(shù)。由式可知，當E，r1和已知時，輸出電壓US是r2和B的函數(shù)，因此，可以通過輸出信號電壓US的幅度判斷表面疵病的程度和面積。 這種方式除上述應用外，還可應用于電視攝像、文字識別、激光測距、激光

6、制導等方面。 第10頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一4. 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光電器件的視場，實現(xiàn)了信息載荷于遮擋光的過程。 例如，設光電器件光敏面的寬度為b，高度為h，當被測物體的寬度大于光敏面的寬度b時，物體沿光敏面高度方向運動的位移量為l，則物體遮擋入射到光敏面上的面積第11頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一變換電路輸出的面積變化信號電壓為 可見，用這種方式即可以檢測被測物體的位移量l、運動速度v和加速度等參數(shù)，又可以測量物體的寬度b。例如，光電測微儀和光電投影顯微測量

7、儀等測量儀器均屬于這種方式。 當然可以用這種方式用于產(chǎn)品的光電計數(shù)，光控開關，和主動式防盜報警等。 第12頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一5. 信息載荷于光學量化器的方式 光學量化是指通過光學的方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個離散量的方法。光學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碼盤量化器等。 光信息量化的變換方式在位移量（長度、寬度和角度）的光電測量系統(tǒng)中得到廣泛的應用。 長度或角度的信息量經(jīng)光學量化裝置（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)字信號輸出。光源發(fā)出的光經(jīng)光學量化器量化后送給光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號

8、，再送給數(shù)字電路處理或送給計算機進行處理或運算。第13頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 例如，將長度信息量L經(jīng)光學量化后形成n個條紋信號，量化后的長度信息L為 L=qn 式中，q稱為長度的量化單位，它與光學量化器的性質(zhì)有關，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，量化單位q等于光柵的節(jié)距，在微米量級；而采用激光干涉量化器時，q為激光波長的1/4或1/8，視具體的光學結(jié)構(gòu)而定。 目前，這種變換形式已廣泛地應用于精密尺寸測量、角度測量和精密機床加工量的自動控制等方面。 第14頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一6. 光通訊方式的信息變換 信

9、息首先對光源進行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號，通過光導顯微傳送到遠方的目的地，再通過解調(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，失真小等特點現(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。 目前，光通訊技術正在蓬勃地發(fā)展，信息高速公路的主要組成部分為光通訊技術。光通訊技術的實質(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。第15頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一7.1.2 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.

10、 模擬光電變換 第16頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 被測的非電量信息（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，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流Ip或電壓Up信號的形式輸出。即輸出信號量是被測信號量Q的函數(shù)，或稱輸出信號量與被測信號量之間的關系為模擬函數(shù)關系?？杀硎緸榈?7頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一2. 模-數(shù)光電變換 在這類光電變換中，被測信息量Q通過光學變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號和數(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不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F。它與被測信息量Q的函數(shù)關系為F=f(Q)第18頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一顯然，數(shù)字