第4章光電信息技術(shù)應(yīng)用-3

4.2光電控制§4.2.1光電繼電器§4.2.2光電遙控§4.2.3光纖開關(guān)由光電信息轉(zhuǎn)換器件控制通與斷開的繼電器稱為光電繼電器。

§4.2.1光電繼電器§4.2.1光電繼電器

一．繼電器原理繼電器是低壓電路控制高壓電器通與不通的聯(lián)接器件。繼電器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4.2.1－1所示。繼電器的電路符號(hào)如圖4.2.1－2所示。

一．原理光電繼電器是用光控制繼電器工作，從原理上講，可歸納為亮通和暗通電路兩類。

1．亮通光電控制電路當(dāng)有光線照射于光電器件上時(shí)，使繼電器有足夠的電流而動(dòng)作，這種電路稱為亮通光電控制電路，也叫明通控制電路。最簡(jiǎn)單的亮通電路如圖4.2.1－3所示。

如果光電繼電器不受光照時(shí)能使繼電器動(dòng)作，而受光照時(shí)繼電器釋放，則稱它為暗通控制電路。

另一種方法是在亮通電路的基礎(chǔ)上加一級(jí)倒相器，也可完成暗通電路的作用。要說明的是，亮通和暗通是相對(duì)而言的，以上分析都是假定繼電器高壓開關(guān)工作在常開狀態(tài)，如工作在常閉狀態(tài)，則亮通和暗通也就反過來了。2．暗通光電控制電路電子開關(guān)的種類很多，但一般的電子開關(guān)都適合在低壓區(qū)工作，如晶體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、光電耦合器和門電路等；適合高壓區(qū)工作的電子開關(guān)有單向可控硅、雙向可控硅和高壓場(chǎng)效應(yīng)管等。二．用電子開關(guān)替代繼電器

電子開關(guān)不能完全隔斷高壓區(qū)，為了隔斷高壓區(qū)和低壓區(qū)，可以使用光電耦合雙向可控硅或聯(lián)合使用光電耦合器和雙向可控硅。二．用電子開關(guān)替代繼電器二．用電子開關(guān)替代繼電器1．

雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)三．雙向可控硅觸發(fā)電路

雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)如圖所示。有兩個(gè)主電極T1、T2（T2是電位參考電極）和一個(gè)門極。它可以看成是一對(duì)反并聯(lián)的普通可控硅晶體管。圖中(a)為基本結(jié)構(gòu)，(b)為雙向可控硅的符號(hào)，(c)為雙向可控硅型號(hào)的部頒標(biāo)準(zhǔn)。2.雙向可控硅特性曲線工作在第一象限有二種觸發(fā)方式1＋和1－；工作在第三象限有二種觸發(fā)方式3＋和3－。雙向可控硅特性曲線如圖所示。從圖中可知，高壓的正電壓和反電壓都能使可控硅導(dǎo)通，只要G對(duì)T2加觸發(fā)電壓，正向觸發(fā)電壓和反向觸發(fā)電壓都能使可控硅導(dǎo)通，但導(dǎo)通時(shí)可控硅兩端有壓降存在，導(dǎo)通電流越大，壓降越大，顯然，消耗的功率也大，這時(shí)，一定要采取散熱措施。

1＋1－3＋3－2.雙向可控硅特性曲線雙向可控硅有四種觸發(fā)方式，1＋觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加正電壓，G對(duì)T2加正電壓；1－觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加正電壓，G對(duì)T2加負(fù)電壓；3＋觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加負(fù)電壓，G對(duì)T2加正電壓；3－觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加負(fù)電壓，G對(duì)T2加負(fù)電壓；3．雙向可控硅的觸發(fā)方式雙向可控硅使用時(shí)，一般采用第一和第三象限的組合。4．

雙向可控硅觸發(fā)電路說明：(a)S合上時(shí)，可控硅導(dǎo)通，觸發(fā)方式是1+-3-(b)S打向1，電路關(guān)斷；S打向2，R2上得半波電壓；S打向3，可控硅全波導(dǎo)通。觸發(fā)方式是1+-3-(c)直流電觸發(fā)，觸發(fā)方式是1--3-(d)P1.1=1時(shí)，可控硅導(dǎo)通；觸發(fā)方式是1--3-(e)P1.1=1時(shí)，可控硅導(dǎo)通；觸發(fā)方式是是1+-3+

1．

路燈、霓虹燈的自動(dòng)控制電路(a)光照→光敏電阻阻值變小→繼電器J動(dòng)作→常閉點(diǎn)J1斷開→燈GY熄滅；

如要求路燈控制靈敏，可采用圖4.2.1－8(b)的電路。

(b)光照→光敏三極管阻值變小→晶體管BG1基極電位升高→BG1截止→BG2導(dǎo)通→繼電器J動(dòng)作→常閉點(diǎn)J1斷開→接觸器線圈JC無電→常開觸點(diǎn)JC1斷開→燈GY熄滅；四.光電繼電器應(yīng)用防止閃電等短時(shí)干擾的路燈控制電路

光照硒光電池GG→BG1飽和→BG2截止→BG3導(dǎo)通→BG4導(dǎo)通→繼電器J動(dòng)作→常閉點(diǎn)J1斷開→接觸器線圈JC無電→常開觸點(diǎn)JC1斷開→燈GY熄滅；反之，路燈GY亮。印刷機(jī)紙張監(jiān)控器可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)每次印刷的紙張是否為一張，如果不是一張則發(fā)出報(bào)警訊響，停止印刷，待整理好紙張后，再開始工作。2．

印刷機(jī)紙張監(jiān)控器光電管透過紙張感受燈泡D發(fā)出的光→光電管在強(qiáng)光下電阻為數(shù)千歐，弱光下為數(shù)兆歐單、雙張紙透光率為1：2。單張紙時(shí)，調(diào)整電位器W，使a點(diǎn)電位高于轉(zhuǎn)換電壓→F1輸出為低電位、F2輸出為高電位→三極管飽和導(dǎo)通→繼電器J0吸合、常閉點(diǎn)J0-1斷開→不報(bào)警。雙張紙時(shí)，a點(diǎn)電位低于轉(zhuǎn)換電壓→F1輸出為高電位、F2輸出為低電位→三極管截止→繼電器J0不吸合、常閉點(diǎn)J0-1閉合→產(chǎn)生報(bào)警。工作原理要點(diǎn)3．

光控電焊眼罩液晶屏P代替防護(hù)玻璃，提高工作效率。光敏電阻RD1、RD2。當(dāng)沒有光照射到RD2時(shí)→RD2電壓高于基準(zhǔn)電壓→比較器輸出低電平→三極管BG截止→液晶屏P是透明的；

當(dāng)有光照射到RD2時(shí)→RD2電壓低于基準(zhǔn)電壓→比較器輸出高電平→三極管BG飽和導(dǎo)通→液晶屏P在電壓作用下液晶發(fā)生偏轉(zhuǎn)→透光度大大減小→保護(hù)眼睛。RD1的作用是在不同的光強(qiáng)下穩(wěn)定RD2兩端的電壓值。工作原理要點(diǎn)4.汽車車燈全自動(dòng)控制器強(qiáng)、弱光等自動(dòng)控制。根據(jù)檢測(cè)到的光強(qiáng)度，自動(dòng)完成車燈開啟或關(guān)閉、車燈的強(qiáng)弱檔控制、遠(yuǎn)近光控制等。§4.2.2光電遙控器一．光電遙控原理一個(gè)手握的光電遙控發(fā)射機(jī)可發(fā)射一束較寬的光束，這光束里含有控制功能的編碼信號(hào)；此編碼信號(hào)被遠(yuǎn)置的光電遙控接收機(jī)檢測(cè)并被譯碼，從而實(shí)現(xiàn)光電遙控的目的。二．光電遙控框圖鍵盤編碼器產(chǎn)生指令信號(hào)；編碼波形發(fā)生器的載波約為30kHz。輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)LED完成電-光轉(zhuǎn)換。光敏二極管完成光-電轉(zhuǎn)換；譯碼器完成指令譯碼。

此圖描繪了一個(gè)基本的六比特多通道系統(tǒng)。信號(hào)波形是由一個(gè)寬度為8ms的重復(fù)性的數(shù)據(jù)幀組成；每個(gè)比特調(diào)制在大約30kHz的頻率上。3．光電遙控中的編碼波形

4．光電遙控裝置舉例

490/922光電遙控系統(tǒng)。采用SL490集成芯片的光電發(fā)射機(jī)電路如圖4.2.2－5所示采用SL486集成芯片的光電接收機(jī)電路如圖4.2.2－6所示

采用ML922集成芯片的接收機(jī)譯碼電路如圖4.2.2－7所示。

光纖：是光學(xué)纖維的簡(jiǎn)稱。光學(xué)纖維是一種帶涂料的透明細(xì)絲，通常由芯料（玻璃）加涂層（玻璃）組成。光纖開關(guān)：在光纖中間設(shè)置障礙或破壞光纖的全反射條件，使光纖出射端輸出的光能量衰減。從而控制電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類電器的控制。

§4.2.3光纖開關(guān)一．光纖開關(guān)原理光纖開關(guān)：在光纖中間設(shè)置障礙或破壞光纖的全反射條件，使光纖出射端輸出的光能量衰減。從而控制電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類電器的控制。

圖（a）中，當(dāng)手按下開關(guān)按鈕時(shí)，光路被阻斷，光線不通，當(dāng)手離開按鈕時(shí)，光路又接通，這樣，輸出端就可檢測(cè)到信號(hào)的變化，從而發(fā)出控制信號(hào)。圖（b）中是光纖雙向撥動(dòng)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)撥向A時(shí)，光纖就與1號(hào)光纖接通，當(dāng)開關(guān)撥向B時(shí)，光纖就與2號(hào)線接通。

二．光纖開關(guān)的類型

1．

直接型光纖開關(guān)這種開關(guān)的光纖是連續(xù)的，只是改變其光在傳播途中的全反射條件，使光纖輸出端的輸出能量有所改變；輸出端的光電接收裝置只要測(cè)出所接收能量的變化，并加以比較判別，最后送出控制信號(hào)。

2．間接型光纖開關(guān)光纖開關(guān)壽命長(zhǎng)，安全可靠，抗干擾強(qiáng)，尤其適合于潮濕、高溫、強(qiáng)電磁干擾等應(yīng)用場(chǎng)合；開關(guān)可以完全浸在液體中也能工作，也可安裝到遠(yuǎn)離控制系統(tǒng)的地方。開關(guān)成本較高。三．光纖開關(guān)的特點(diǎn)

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

§4.3光纖通信

光纖通信系統(tǒng)的基本組成如圖4.3.1-1所示，主要由3部分構(gòu)成：光發(fā)送機(jī)，光纖傳輸線及光接收機(jī)。

光發(fā)送機(jī)電發(fā)送機(jī)電接收機(jī)光接收機(jī)中繼器§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成圖4.3.1-1光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖（Opticalfiber）是由純石英拉制而成的高度透明的玻璃絲。光纖基本由3部分組成：1、折射率略高的纖芯；2、折射率略低的包層；3、表面涂層。

ab纖芯包層涂層圖4.3.1-2光纖的橫截面示意圖一、光纖

根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，光纖可分為階躍折射率分布光纖和漸變折射率分布光纖，如圖4.3.1-3所示。

(a)階躍折射率分布光纖

(b)漸變折射率分布光纖

圖4.3.1-3纖芯折射率徑向分布2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r光纖的導(dǎo)光原理可用射線理論與導(dǎo)波理論兩種方法進(jìn)行分析。這里，僅對(duì)階躍折射率分布光纖的射線理論分析方法進(jìn)行介紹。圖4.3.1-4表示光波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑。

圖4.3.1-4光波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑

n2n1n0θiθrφ一束光線以與光纖軸線成的角度入射到芯區(qū)中心，在光纖——空氣界面發(fā)生折射，折射光與光纖軸線的夾角由斯涅耳定律決定

4.3.1-1折射光到達(dá)纖芯——包層界面時(shí)，若入射角大于臨界角時(shí)，將發(fā)生全反射，若包層折射率為，則定義為

4.3.1-2式中，和分別為空氣和纖芯的折射率。

所有的光線都將被限制在光纖芯中，這就是光纖導(dǎo)光的基本原理。光纖有兩個(gè)重要的特性，一個(gè)是損耗特性，一個(gè)是色散特性，決定了光纖通信系統(tǒng)的容量。

（1）光纖的損耗

用衰減系數(shù)表示光纖的衰減特性，定義為

4.3.1-5dB/km圖4.3.1-5單模光纖的損耗譜特性

色散對(duì)通信容量（比特率·距離積）的限制。設(shè)發(fā)送信號(hào)的比特率為B，相應(yīng)比特間隔為

在多模光纖中，由不同模式攜帶的光的傳播常數(shù)不同，即在光纖中的傳播速度不同。這樣，一個(gè)窄的脈沖經(jīng)過一段光纖傳輸后，將被展寬，產(chǎn)生碼間干擾，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。對(duì)于單模光纖，用色散參數(shù)來描述色散的程度，代表兩個(gè)波長(zhǎng)間隔1nm的光波在光纖中傳輸1km距離后的時(shí)遲差。

，光纖長(zhǎng)度為

如果光源發(fā)射波長(zhǎng)范圍為

則時(shí)遲差為（2）光纖的色散

，則應(yīng)有

對(duì)容量的限制為

光發(fā)送機(jī)的功能是將來自電發(fā)送機(jī)的電脈沖信號(hào)變換成光脈沖信號(hào)，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號(hào)波形耦合到光源組件的尾纖中。

二、光發(fā)送機(jī)輸入接口線路編碼調(diào)制電路控制電路光源電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，普遍采用二進(jìn)制二電平碼，有光脈沖表示“1”碼，無光脈沖表示“0”碼。對(duì)來自電端機(jī)的信號(hào)進(jìn)行線路編碼，主要目的是：

(1)限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。

(2)盡可能減少連“1”

碼和“0”碼的數(shù)目，使“1”

碼和“0”碼均勻分布，保證定時(shí)提取。(3)具有檢錯(cuò)及糾錯(cuò)能力，則需要在編碼中加入冗余碼，但要占用一定的頻帶。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用的線路碼型有擾碼、mBnB碼、插入碼等。

1、線路編碼目前的光纖通信系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，在低通信容量系統(tǒng)中，也可選用LED做光源。電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的調(diào)制方式有直接調(diào)制與間接調(diào)制。在低速率系統(tǒng)中，可以采取直接調(diào)制方式，即用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體光源的驅(qū)動(dòng)電流，如圖4.3.1-7所示，輸出光功率隨驅(qū)動(dòng)電流而變化。

在高速系統(tǒng)中，要采用專用的外調(diào)制器。2、光源與調(diào)制電路

(a)LED數(shù)字調(diào)制

(b)LD數(shù)字調(diào)制圖4.3.1-7直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理IP輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)IP輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)Ith

Ib光接收機(jī)作用：將來自光纖的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號(hào)。

101011主放大器峰值檢波均衡器判決再生高壓直流變換器前置放大AGC定時(shí)提取APD光信號(hào)電信號(hào)三、光接收機(jī)1、光電檢測(cè)器

作用：光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。類型：PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管；PIN管沒有增益，APD有10-200倍增益；2、前置放大器

作用：信號(hào)預(yù)放大。類型：低噪聲、寬帶放大器；3、主放大器

作用：信號(hào)放大到判決器所需要的電平，一般1-3V。均衡器的作用：對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的波形，通常為升余弦波，其表達(dá)式為：為滾降因子。式中，t為時(shí)間變量，為一個(gè)碼元所占的時(shí)間——時(shí)隙，

4、均衡器圖4.3.1-9波峰處碼間干擾為零TBt當(dāng)均衡器輸出為升余弦波形時(shí)，發(fā)送機(jī)發(fā)送的基帶數(shù)字脈沖信號(hào)，只要是按時(shí)隙發(fā)送碼元，則在均衡器輸出信號(hào)的波峰處不會(huì)發(fā)生前后碼元的干擾。均衡器輸出的由升余弦波所組成的數(shù)字脈沖信號(hào)送到判決再生電路進(jìn)行“判決”和“再生”。判決即是用一判決電平與均衡器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，以確定某時(shí)隙碼元為“1”還是為“0”。如判斷為“1”碼，則由再生電路重新產(chǎn)生一個(gè)矩形“1”脈沖，若判斷為“0”碼，則輸出一個(gè)“0”。判決再生電路的輸出端得到一個(gè)由矩形脈沖組成的數(shù)字脈沖序列，它和發(fā)送端發(fā)出的數(shù)字脈沖信號(hào)基本是一致的。

5、判決再生與定時(shí)提取AGC放大器是自動(dòng)增益控制電路的一個(gè)組成部分。作用：控制主放大器的增益，從而使均衡器輸出幅度穩(wěn)定的升余弦波，保證碼元判決的正確性。6、峰值檢波器與AGC放大器1、

誤碼率

誤碼率（biterrorratio，BER）是數(shù)字光接收機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)，是指判決再生電路輸出碼元出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。

TB1TB2TB3V0sVdV1sV(t)V1(t)V0(t)V0(t)t數(shù)字光接收機(jī)的指標(biāo)：2、靈敏度數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度定義為：在保證一定誤碼率的條件下，光接收機(jī)所需接收的最小光功率。通信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信采用再生的方法，可以消除噪聲累積，傳輸距離比較長(zhǎng)。取樣、量化、編碼的過程稱為脈沖編碼調(diào)制，簡(jiǎn)稱PCM，由脈沖編碼進(jìn)行通信稱為脈沖編碼通信，這是目前數(shù)字通信的主要方式。光纖具有很寬的頻帶資源，可傳送高速大容量信息，但傳送音頻信號(hào)僅需64kbit/s的速率，很不經(jīng)濟(jì)?？梢酝ㄟ^復(fù)用的方法同時(shí)傳送多路信號(hào)。在單根光纖中可以用3種復(fù)用方法方法提高通信容量，即時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用及頻分復(fù)用。

時(shí)分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是將不同信道的信號(hào)在時(shí)間上交替排列組合成復(fù)合比特流。§4.3.2光纖通信系統(tǒng)一、時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)例如，對(duì)于64kbit/s的單音頻信道，比特間隔約為15s（=125s/8），若將其他64kbit/s比特流延遲3s插入，就可插入5個(gè)這樣的信道圖4.3.2-1顯示了320kbit/s的復(fù)合比特流。

圖4.3.2-15個(gè)64kbit/s數(shù)字音頻信道的時(shí)分復(fù)用

15s3st振幅231452314523145表4.3.2-1即為按此復(fù)合方法合成的群路等級(jí)體系中4個(gè)不同群路的比特率。表4.3.2-1數(shù)字通信系統(tǒng)群路等級(jí)及其標(biāo)準(zhǔn)比特率

群路等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)話路數(shù)比特率/Mbit/s

北美歐洲日本北美歐洲日本基群2430241.5442.0481.544二次群96120966.3128.4486.312三次群67248048044.73634.36832.046四次群13341920144090139.24697.728如圖4.3.1-5所示，單模光纖具有非常寬的帶寬。在1.3μm（1.25~1.35μm）波段和1.55μm（1.50~1.60μm）波段，都具有高達(dá)100nm的低損耗傳輸范圍。另一方面，作為光源的半導(dǎo)體激光器的線寬已小于0.1nm，因此，在一根單模光纖中，可同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)。

波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)正是基于這種思想，通過在一根單模光纖中傳輸多個(gè)信道信號(hào)，來大幅度增加通信容量的。

二、波分復(fù)用系統(tǒng)

圖4.3.2-2為一單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)原理框圖。

復(fù)用器解復(fù)用器光放大器光接收機(jī)1光接收機(jī)2光接收機(jī)n光發(fā)送機(jī)1光發(fā)送機(jī)2光發(fā)送機(jī)n……λ1λ2λnλ1λ1λ2λnλ1λ2…λn光纖波分復(fù)用系統(tǒng)的核心部件是波分復(fù)用器件，即復(fù)用器和解復(fù)用器（也稱合波器與分波器）。這里介紹閃爍光柵波分復(fù)用器。圖4.3.2-3閃爍光柵波分復(fù)用器λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纖透鏡閃爍光柵

1、復(fù)用器/解復(fù)用器說明：當(dāng)不同波長(zhǎng)的入射光從同一角度照射到光柵上后，由于光柵的色散作用，不同波長(zhǎng)的光將以不同的角度反射，然后經(jīng)透鏡會(huì)聚到不同的輸出光纖，實(shí)現(xiàn)解復(fù)用的功能；反過來，可以完成光波的復(fù)用功能。閃爍光柵波分復(fù)用器具有優(yōu)良的波長(zhǎng)選擇性，波長(zhǎng)的間隔可以小于1nm，復(fù)用信道數(shù)已達(dá)120路。其隔離度也較好，當(dāng)波長(zhǎng)間隔為

1nm時(shí)可以達(dá)到

55dB。缺點(diǎn)是插入損耗較大，通常為3~8dB。寬帶寬的光放大器可以對(duì)多信道信號(hào)同時(shí)放大，而不需要進(jìn)行解復(fù)用；光放大器的問世推動(dòng)了DWDM技術(shù)的快速發(fā)展。目前應(yīng)用最廣泛的光放大器是摻鉺光纖放大器(ErDopedFiberAmplifier，EDFA)，其特點(diǎn)是高增益、低噪聲、能放大不同速率和調(diào)制方式的信號(hào)，而且?guī)捄軐?，能在幾十納米范圍內(nèi)同時(shí)放大多波長(zhǎng)信號(hào)。

2、光放大器EDFA主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成，結(jié)構(gòu)如圖4.3.2-4所示。

圖4.3.2-4摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)

信號(hào)光耦合器光隔離器摻鉺光纖光隔離器光濾波器輸出光泵浦光說明：光耦合器的作用是將信號(hào)光和泵浦光復(fù)合在一起，注入到摻鉺光纖中，一般采用波分復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)。光隔離器是用來抑制光反射，防止光放大器自激，確保工作穩(wěn)定。當(dāng)較弱的信號(hào)光與較強(qiáng)的泵浦光一起輸入EDF時(shí)，泵浦光激活EDF中的鉺離子，躍遷到高能級(jí)態(tài)；在信號(hào)光的誘導(dǎo)下，鉺離子受激輻射，躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生與信號(hào)光相同的光子，實(shí)現(xiàn)光放大。須在輸出端設(shè)置光濾波器，以降低自發(fā)輻射噪聲。

在

EDFA的應(yīng)用中，需要解決兩個(gè)問題。

增益的平坦化。

增益的自動(dòng)控制。當(dāng)光纖中信道數(shù)由于故障等原因突然減少時(shí)，光放大器的增益會(huì)突然增加，形成“浪涌”，使信號(hào)強(qiáng)度突然提高，接收機(jī)碼元判決時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。EDFA可以提供10~30dB的增益，輸出光功率可達(dá)10mW~100mW，帶寬超過40nm，是DWDM系統(tǒng)理想的光放大器。

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看，通信網(wǎng)可分為三類，即點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)，如圖4.3.3-1所示，分別將結(jié)點(diǎn)連接起來傳送信息。

(a)點(diǎn)到點(diǎn)(b)點(diǎn)到多點(diǎn)(c)網(wǎng)絡(luò)圖4.3.3-1通信網(wǎng)的三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

12123N12345§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可將網(wǎng)絡(luò)分為三類：

1、局域網(wǎng)，是在一個(gè)局部地理范圍（如一所學(xué)校、一個(gè)機(jī)關(guān)）內(nèi)將計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)等連接起來組成的網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱LAN.2、城域網(wǎng)，是在一個(gè)城市范圍內(nèi)所建立的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)，簡(jiǎn)稱MAN。

MAN的一個(gè)重要用途是作骨干網(wǎng)

.3、廣域網(wǎng)，是在一個(gè)廣泛的地理范圍內(nèi)所建立的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)，簡(jiǎn)稱WAN。WAN用于通信的傳輸裝置，一般由公司或電信部門提供。互連主要采用公用網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò)兩種。

1、總線形網(wǎng)絡(luò)圖4.3.3-2總線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所有參加聯(lián)網(wǎng)的通信結(jié)點(diǎn)，都通過光纖定向耦合器接在一條光纖數(shù)據(jù)總線上，構(gòu)成總線形網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送信息時(shí)，由發(fā)送端（T）將光信號(hào)通過耦合器耦合到光纖總線中；在各接收端（R），通過耦合器將總線中的光信號(hào)功率耦合出一部分。

TRAEC數(shù)據(jù)總線FDB光傳播方向定向耦合器說明：如果結(jié)點(diǎn)A想將信息傳送給結(jié)點(diǎn)B，它只須將信息輸送到各通信結(jié)點(diǎn)共享的數(shù)據(jù)總線上，此時(shí)包括結(jié)點(diǎn)B在內(nèi)的其他各結(jié)點(diǎn)均處于“監(jiān)聽”狀態(tài)，監(jiān)聽總線上是否正在傳送信息；如果B結(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信息是傳送給自己的，就將它接收下來，其他結(jié)點(diǎn)對(duì)該信息不予理睬。如果結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B傳送信息的同時(shí)，結(jié)點(diǎn)C也將信息送到共享的數(shù)據(jù)總線上，欲傳送給結(jié)點(diǎn)D，于是在總線上這兩個(gè)信息將發(fā)生碰撞。為了避免發(fā)生碰撞，各結(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息之前必須監(jiān)聽一下總線上是否有信息在傳送。如果沒有，則可以將信息送到總線上；如果總線上有信息正在傳送，則必須等正在傳送的信息傳送完之后，方可傳送，這個(gè)過程稱為“載波監(jiān)聽（Carriersense）”。還有一種可能出現(xiàn)的情形是，當(dāng)結(jié)點(diǎn)A正在向結(jié)點(diǎn)B傳送信息，此時(shí)結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E分別想將信息傳送給結(jié)點(diǎn)D與結(jié)點(diǎn)F，根據(jù)“載波監(jiān)聽”法，此時(shí)結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E都不能傳送信息。一旦結(jié)點(diǎn)A信息傳送完畢，結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E都可將信息輸送到總線上，顯然結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E的信息將發(fā)生碰撞。因此，結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E都必須一邊傳送，一邊監(jiān)聽總線上有沒有發(fā)生信息碰撞，這個(gè)方法稱為“碰撞檢測(cè)（Collisiondetection）”。總線形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)備簡(jiǎn)單，無須設(shè)置全網(wǎng)的控制中心系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)中任一通信結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4.3.3-3所示，它是目前用得較多的一種網(wǎng)絡(luò)形式。其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)通信結(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)相鄰的結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都具有再生中繼的功能，都要執(zhí)行路由的任務(wù)。各結(jié)點(diǎn)用光纖線路連成環(huán)狀，可以相互通信。終端機(jī)ABCDEF間接中繼器光纖環(huán)路光纖圖4.3.3-3環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)說明：在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，信息是按照一個(gè)指定方向傳輸?shù)?，信息由一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳給下一個(gè)相鄰的結(jié)點(diǎn)。當(dāng)信息傳送到某個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，該結(jié)點(diǎn)首先要判斷一下，該信息是不是傳送給本結(jié)點(diǎn)的。如果是，就將信息接收下來；如果不是，就將它再生后，由中繼器傳送給下一個(gè)結(jié)點(diǎn)。

為避免環(huán)路上發(fā)生碰撞，采用了令牌(token)傳送方法。令牌按一個(gè)已定的方向沿環(huán)形網(wǎng)傳送，由一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳送到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)某一個(gè)結(jié)點(diǎn)有信息要傳送時(shí)，該結(jié)點(diǎn)才接受令牌；令牌到達(dá)某一個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，才允許該結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。否則，不改變?cè)L問控制域內(nèi)容而往下一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳送?？傊诃h(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的各結(jié)點(diǎn)上，首先傳送令牌，而后傳送信息，而后再傳送令牌，以避免發(fā)生信息碰撞。其特點(diǎn)是有一個(gè)中心結(jié)點(diǎn)。全網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)就設(shè)在中心結(jié)點(diǎn)，用來調(diào)整整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸和管理網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)通信結(jié)點(diǎn)必須經(jīng)過中心結(jié)點(diǎn)，才可以將信息傳輸給其他結(jié)點(diǎn)。各結(jié)點(diǎn)通過一根雙向傳輸?shù)墓饫w線路或兩根單向傳輸?shù)墓饫w線路與中心結(jié)點(diǎn)相連。星形網(wǎng)絡(luò)可采用“載波監(jiān)聽多次訪問/碰撞檢測(cè)”方法，避免信號(hào)發(fā)生碰撞。

圖4.3.3-4星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

終端機(jī)ABCDEF結(jié)點(diǎn)中心結(jié)點(diǎn)光纖3、星形網(wǎng)絡(luò)

§4.4.1元件型光纖傳感器

§4.4.2傳輸型光纖傳感器§4.4光纖傳感器基于微彎損耗機(jī)理的強(qiáng)度調(diào)制型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4.4.1-1所示。由光纖中光功率的數(shù)值可得到諸如壓力、位移等被測(cè)量的大小。圖4.4.1-1微彎損耗光纖傳感器原理光輸入光輸出變形器多模光纖LΛ§4.4.1元件型光纖傳感器

一、微彎損耗光纖傳感器設(shè)光纖的微彎變形函數(shù)為正弦型

根據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù)

式中D(t)——外界信號(hào)導(dǎo)致的彎曲幅度；

q——空間頻率；

z——變形點(diǎn)到光纖入射端的距離；設(shè)光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為，則有的近似表達(dá)式:4.4.1-2

式中——比例系數(shù)；

——光纖中光波傳播常數(shù)差；——光纖中產(chǎn)生微彎變形的長(zhǎng)度；說明：a與光纖彎曲幅度D(t)的平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，損耗就越高。a還與光纖彎曲變形的長(zhǎng)度成正比，作用長(zhǎng)度越長(zhǎng)，損耗也越大。a與光纖微彎周期有關(guān)，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。因此，從獲得最高靈敏度的角度考慮，需要選擇合適的微彎周期。光波通過長(zhǎng)度為的光纖，其相位延遲為微分得：

式中第一項(xiàng)表示光纖長(zhǎng)度變化引起的相位差（應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項(xiàng)為光纖折射率變化引起的相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項(xiàng)為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應(yīng)）。二、干涉式光纖傳感器用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及環(huán)形干涉法等，此處主要介紹雙光束干涉法。雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜(Michlson)干涉儀、馬赫-陳德爾(Mach-Zehnder)干涉儀及斐索(Fizeau)干涉儀，基本結(jié)構(gòu)如圖4.4.1-2所示。光源探測(cè)器信號(hào)臂參考臂3dB(a)邁克爾遜干涉儀說明：光源發(fā)射光經(jīng)3dB光纖耦合器，分成兩路分別進(jìn)入信號(hào)臂和參考臂，然后分別被反射回各自的光纖中。

信號(hào)臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔槐徽{(diào)制，參考臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔慌c外界無關(guān)；被反射回來的光波在3dB光纖耦合器另一端匯合，產(chǎn)生干涉條紋，被探測(cè)器接收。(b)馬赫-陳德爾干涉儀說明：光源發(fā)出的相干光由第一個(gè)3dB耦合器進(jìn)入信號(hào)臂和參考臂，在經(jīng)第二個(gè)3dB耦合器后在探測(cè)器端匯合，產(chǎn)生干涉條紋。

優(yōu)點(diǎn)：克服了反饋光波對(duì)光源的影響。光源信號(hào)臂3dB探測(cè)器3dB參考臂(c)斐索干涉儀說明：光源發(fā)出的相干光經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入傳輸光纖，在光纖出射端一部分被光纖端面反射回光纖中，一部分被光纖輸出后又被一個(gè)外部的反射鏡反饋回光纖中。這兩部分反饋光在耦合器的另一端匯合產(chǎn)生干涉條紋。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。光源探測(cè)器傳輸光纖3dBM1M2自聚焦透鏡現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場(chǎng)。設(shè)信號(hào)光與參考光的場(chǎng)強(qiáng)分別為：兩光束相干產(chǎn)生的干涉場(chǎng)分布為

相應(yīng)的光強(qiáng)分布為

這樣，可將相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，可以獲得被測(cè)信號(hào)的大小。干涉場(chǎng)分析光纖光柵是利用光纖的光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖Bragg光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）是一種反射型濾波器件，其機(jī)理是后向傳播的LP01模與前向傳播的LP01模之間發(fā)生耦合，根據(jù)相位匹配條件，要求光柵周期很小，一般小于1μm。FBG的傳輸特性如圖4.4.1-3所示。λIFBG反射譜λBλI輸入譜λIFBG透射譜λB三、光纖光柵傳感器

FBG的反射光波中心波長(zhǎng)為

反射率為

反射光帶寬（半峰值全寬）為

由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界信號(hào)如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)變化：光纖光柵的反射波長(zhǎng)受到被測(cè)量的調(diào)制產(chǎn)生偏移，解調(diào)出波長(zhǎng)變化就可以得到被測(cè)量。解調(diào)方法有光譜法，用光譜儀直接測(cè)量反射譜或透射譜，是最簡(jiǎn)單的方法，但光譜儀的價(jià)格較高，而且不適合在線實(shí)時(shí)測(cè)量。此外還有波長(zhǎng)掃描法、光學(xué)濾波法及干涉法。在此介紹干涉解調(diào)法。法拉第電流傳感器是利用光纖的磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。磁光效應(yīng)，又稱法拉第（Faradag）效應(yīng)，是指某些物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，使通過它的線偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。設(shè)法拉第材料的長(zhǎng)度為l，沿長(zhǎng)度方向施加的外磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，則線偏振光通過它后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為四、法拉第電流傳感器

光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖4.4.1-4所示。圖4.4.1-4基于光纖磁光效應(yīng)的電流傳感器將光纖繞在被測(cè)導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為N，導(dǎo)線中通過的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導(dǎo)線軸心為R處的磁場(chǎng)為

P2WP

探測(cè)器1探測(cè)器2I1I2光源光纖IP1I1-I2I1+I2由以上兩式可得偏轉(zhuǎn)角

繞在導(dǎo)線上的光纖長(zhǎng)度為：，代入上式得

結(jié)論：通過光纖的光偏振面偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)電流及光纖的匝數(shù)成正比，與光纖圈半徑大小無關(guān)。由于探測(cè)器不能直接檢測(cè)光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號(hào)。分布式光纖傳感器是一種本征型的光纖傳感器，所有敏感點(diǎn)均分布于一根傳感光纖上。目前有兩種方式發(fā)展比較快，一種是以光纖的后向散射光或前向散射光損耗時(shí)域檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的光時(shí)域分布式，另一種是以光波長(zhǎng)檢測(cè)為基礎(chǔ)的波長(zhǎng)域分布式。時(shí)域分布式光纖傳感器的物理基礎(chǔ)是光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)（OpticalTime-domainReflectometry），簡(jiǎn)稱OTDR。其基本原理是利用分析光纖中后向散射光或前向散射光的方法測(cè)量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，當(dāng)五、分布式光纖傳感器光纖某一點(diǎn)受溫度或應(yīng)力作用時(shí)，該點(diǎn)的散射特性將發(fā)生變化，因此通過顯示損耗與光纖長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來檢測(cè)外界信號(hào)分布于傳感光纖上的擾動(dòng)信息。圖4.4.1-5給出了一種基于后向散射光檢測(cè)的OTDR原理圖。圖4.4.1-5基于后向散射光檢測(cè)的OTDR原理圖脈沖激光光源后向散射回波傳感光纖3dB光電檢測(cè)與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)光纖上距離始端Z處、長(zhǎng)度為dZ的一段光纖產(chǎn)生的后向散射光傳播至光纖始端的功率為

上式可變換為

由于外界因素引起的沿光纖長(zhǎng)度上的某一點(diǎn)散射信號(hào)的變化，可以通過OTDR方法獨(dú)立地探測(cè)出來，而不受其他點(diǎn)散射信號(hào)改變的影響，因此可以采用OTDR方法實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的分布式測(cè)量。

圖4.4.1-6后向散射光檢測(cè)波形示意圖

相對(duì)回波光功率初始脈沖作用點(diǎn)終端費(fèi)涅爾回波長(zhǎng)度ZOTDR的空間分辨力由W注入光脈沖的寬度決定，為，為提高空間分辨力，應(yīng)使用窄的光脈沖。當(dāng)波長(zhǎng)為的低功率光脈沖注入到傳感光纖時(shí)，將產(chǎn)生自發(fā)后向喇曼散射，包括兩條譜線，一條波長(zhǎng)為，稱為斯托克斯線。另一條波長(zhǎng)為

，稱為反斯托克斯線。反斯托克斯線光強(qiáng)與斯托克斯線光強(qiáng)之比為

4.4.1-21由上式可見，自發(fā)后向喇曼散射中反斯托克斯線光強(qiáng)與斯托克斯線光強(qiáng)之比僅是光介質(zhì)所處溫度的函數(shù)，隨著環(huán)境溫度的升高比值呈指數(shù)規(guī)律增加。一、反射式位移傳感器反射式位移傳感器，其基本原理如圖4.4.2-1所示探測(cè)器光源被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖§4.4.2傳輸型光纖傳感器

原理：光源發(fā)出的光通過光纖射向被測(cè)物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測(cè)器，通過信號(hào)處理得到光纖端面與被測(cè)面之間距離的變化（位移）。下面分析接收光強(qiáng)變化與位移之間的關(guān)系，參考圖4.4.2-2。圖4.4.2-2光耦合示意圖被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖傳輸光纖像da2r假設(shè)兩根光纖均為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為NA，兩光纖間隔為a，并定義當(dāng)距離時(shí)，兩光纖的光耦合為零，即沒有反射光進(jìn)入接受光纖；當(dāng)時(shí)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光。強(qiáng)達(dá)到最大值。此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光錐完全覆蓋接收光纖端面.

在線性近似條件下，可得到交疊面積與光纖芯面積之比為

假設(shè)反射面無光吸收，兩光纖的光功率耦合效率F即為交疊面積與光錐底面積之比

上述關(guān)系式提供了反射式傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)。圖4.4.2-3給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，主要參數(shù)為：2r=200μm，NA=0.5，a=100μm。圖4.4.2-3耦合效率與距離關(guān)系的理論曲線2004006000510F/%d/μmd=320μmF=7.2%設(shè)入射光強(qiáng)為出射光強(qiáng)為

，在經(jīng)過長(zhǎng)度為的半導(dǎo)體材料后，只有能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg的光子才能被吸收本征吸收時(shí)電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶的形式有兩種，即間接躍遷與直接躍遷，這由半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)所決定。GaAs半導(dǎo)體是典型的直接躍遷材料，當(dāng)光子能量hv大于材料的禁帶寬度Eg時(shí)，吸收系數(shù)可以寫成：二、半導(dǎo)體吸收溫度傳感器另一方面，對(duì)于GaAs材料，其禁帶寬度Eg與溫度具有如下關(guān)系：

上式表明GaAs材料的禁帶寬度Eg

隨溫度的升高而降低，產(chǎn)生本征吸收要求的最低光頻Vg減小了，即是說溫度升高時(shí)，吸收曲線向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，相應(yīng)的，透射曲線向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，意味著有更多的光子被吸收，如圖4.4.2-4所示。透過率T01.00.5

λgλ/nm光源輻射譜T(λ,t)t1<t2t1t2圖4.4.2-4半導(dǎo)體材料的透過率特性

圖4.4.2-5為透射式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4.4.2-5半導(dǎo)體吸收溫度傳感器示意圖光源探測(cè)器傳輸光纖GaAs如圖4.4.2-6所示，當(dāng)頻率為f的激光經(jīng)光纖照射到以速率v為運(yùn)動(dòng)的散射物體O上時(shí)，一部分散射光又進(jìn)入到光纖中，其光頻為

三、光纖多普勒速度傳感器反射光波fd3dB光電檢測(cè)與信號(hào)處理系統(tǒng)激光光源vθ入射光波fO

§4.5.1激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)

§4.5.2光盤存儲(chǔ)

§4.5.3攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)

§4.5.4攝像測(cè)量§4.5光電信息技術(shù)其它應(yīng)用激光打印機(jī)是光電技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的一種印字方式，它綜合利用了激光器，光束調(diào)制和偏轉(zhuǎn)、精密光學(xué)機(jī)械和電子計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，是一種非常有代表性的光電子儀器。它有以下特點(diǎn)：

1．像素密度高，印字清晰，分辨率比機(jī)械點(diǎn)陣式高近百倍。

2．打印速度快，比普通打印機(jī)快6～30倍。

3．工作無撞擊，打印噪聲小?！?.5.1激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)一、激光打印機(jī)的特點(diǎn)激光打印機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4.5.1-－1所示。激光打印機(jī)的打印原理如圖4.5.1-－2所示。二、激光打印機(jī)原理

1．

吸鼓帶電

對(duì)應(yīng)圖4.5.1-－2的1位置，在感光鼓〔也稱吸鼓〕上用電極對(duì)感光體表面高壓電暈放電，使感光層表面帶電荷。感光鼓是在導(dǎo)電基體表面上涂有硒或其它光電導(dǎo)材料層，光電導(dǎo)層在光照時(shí)的電阻率下降。

2．

掃描曝光對(duì)應(yīng)圖4.5.1-－2的2位置，用受被打印內(nèi)容調(diào)制的激光束對(duì)感光層掃描曝光，受光照區(qū)域的電阻率下降，表面電荷被中和而消失，在感光層上形成由靜電荷分布構(gòu)成的潛像（電荷圖象）。激光掃描寫入系統(tǒng)主要包括激光光源、光調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器、掃描透鏡等光路元件及相應(yīng)的控制電路。

3．

靜電成像對(duì)應(yīng)圖4.5.1-－2的3位置，用含有炭精粉粒的顯像劑與感光層接觸，在靜電場(chǎng)的作用下，炭精粉粒附在感光層的曝光區(qū)域上，形成可見的炭精粉圖象，這過程也稱顯像過程。

4．著色轉(zhuǎn)印對(duì)應(yīng)圖4.5.1-－2的4位置，打印紙與已經(jīng)顯像的感光體接觸，同時(shí)采用電暈帶電體從紙的反面加電場(chǎng)，這時(shí)感光體表面的顯像劑轉(zhuǎn)移到打印紙上完成轉(zhuǎn)印。

5.熱壓定影對(duì)應(yīng)圖4.5.1-－2的5位置，用熱壓器加熱加壓使著色劑牢固粘結(jié)在打印紙上，完成了靜電打印。

6．

清洗吸鼓對(duì)應(yīng)圖4.5.1-－2的6位置，將感光體用清洗器清除殘留的色粉，準(zhǔn)備下一張打印。1.激光器和調(diào)制器

實(shí)用的激光打印機(jī)—般采用He—Ne激光器或半導(dǎo)體激光器作激光光源。激光打印機(jī)中使用的光調(diào)制器早期多為聲光調(diào)制器。隨著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，直接電流調(diào)制的方式已逐步代替聲光調(diào)制方式。2．光偏轉(zhuǎn)器

光偏轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)激光束的掃描，大多采用旋轉(zhuǎn)多面鏡的方式，它是由以正多角柱體的側(cè)面為鏡面的多面反射鏡和使其高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)組合而成。3．

激光打印機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)激光打印機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)是打印寬度、打印速度和清晰程度。三．激光打印機(jī)的光電技術(shù)同激光打印機(jī)相同，復(fù)印機(jī)也是利用光電技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的一種印字方式。復(fù)印機(jī)與激光打印機(jī)的主要區(qū)別是圖象信息產(chǎn)生的方式不同。復(fù)印機(jī)是實(shí)物文件被反射照明后由成像鏡頭成像曝光在感光體上；而激光打印機(jī)則是由主計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)經(jīng)控制電路控制激光束的偏轉(zhuǎn)和光強(qiáng)度掃描曝光完成打印的。四．靜電復(fù)印機(jī)

一．光盤存儲(chǔ)的類型

1、記錄用光盤記錄用光盤也稱“寫后直讀型”(draw)光盤，它兼有寫入和讀出兩種功能，并且寫入后不需處理即可直接讀出所記錄的信息，因此可用作信息的追加記錄。這類系統(tǒng)根據(jù)記錄介質(zhì)和記錄方式的不同又可分為作一次寫入和可擦重寫兩類。

2、專用再現(xiàn)光盤專用再現(xiàn)光盤也稱“只讀”型(readonly)。它只能用來再現(xiàn)由專業(yè)工廠事先復(fù)制的光盤信息，不能由用戶自行追加記錄．

§4.5.2光盤存儲(chǔ)

1)存儲(chǔ)密度高、容量大

2)寫入讀出率高

3)存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)

4)每信息位的價(jià)格最低，易復(fù)制、壽命長(zhǎng)。

5)有隨機(jī)尋址能力，隨機(jī)存取時(shí)間小于60ms。

6)光盤存儲(chǔ)是非接觸寫入讀出，防塵耐污染，操作方便，易與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用。

二、光盤存儲(chǔ)的特點(diǎn)

三、光盤存儲(chǔ)的工作原理在光盤上寫入信息的裝置稱作光盤記錄系統(tǒng)；能從光盤上讀出數(shù)據(jù)的裝置是光盤重放系統(tǒng)。大多數(shù)光盤裝置具有記錄和重放的雙重功能。

1、只讀型將載有音頻、視頻或文件信息的調(diào)制激光束被聚焦透鏡縮小成直徑1um左右的光點(diǎn)。高能量密度的細(xì)束激光加熱光盤的記錄介質(zhì)表面，使局部位置發(fā)生永久性變形，使介質(zhì)表面光學(xué)特性的二值化改變。在光盤面上會(huì)形成軌跡為螺旋狀的一系列微小凹坑或其它形式的信息記錄點(diǎn)。這些信息點(diǎn)的不同編碼方式就代表了被存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)。

在讀出狀態(tài)時(shí)，將照射激光束聚焦在光盤信息層上。當(dāng)激光束落在光盤信息層的平坦區(qū)域時(shí)，大部分光束被反射回物鏡，落在凹坑邊緣的反射光因衍射作用而向兩側(cè)擴(kuò)散，只有少量反射光能折回物鏡。落入凹坑底部的光束由于坑深為l／4，故反射光相位與坑上反射光相位差為1／2，由干涉理論可知，當(dāng)二束光相位差為1／2

時(shí)，由于干涉而形成暗條紋。由此可見，當(dāng)激光束全部照在光盤信息層的平坦區(qū)域時(shí)，反射光為亮紋，而當(dāng)部分激光束落到凹坑底部時(shí)，反射光為暗紋，只要用光電檢測(cè)器接收反射回來的被信息點(diǎn)調(diào)制的光強(qiáng)，就可得到：“0”或“1”的信號(hào)。工作原理

2．可擦型同只讀型類似，只是在激光束照射光盤時(shí)，使光盤表面的磁性膜磁化或使介質(zhì)表面結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生變化。另一種光存方法采用基于光熱磁效應(yīng)的光磁盤裝置它的基本設(shè)備也和光盤裝置相類似，主要的區(qū)別在于采用的是磁性的記錄介質(zhì)。在細(xì)束激光的調(diào)制作用下，通過改變磁介質(zhì)的磁化方向完成信息的存儲(chǔ)。在信息讀出時(shí)不是檢測(cè)光的反射率，而是通過檢測(cè)反射光的偏振狀態(tài)檢測(cè)信息點(diǎn)處的磁化方向。。光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心裝置是光盤驅(qū)動(dòng)器，它是一種超精密光電子裝置。主要包括：光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、伺服跟蹤系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。

四．光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1．

光學(xué)系統(tǒng)

(1)激光聚束光路

(2)寫入光調(diào)制器

(3)循跡跟蹤反射鏡

(4)光電檢測(cè)系統(tǒng)

2．

機(jī)械系統(tǒng)

(1)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)

(2)滑板機(jī)構(gòu)

(3)光電頭機(jī)構(gòu)

3．

控制系統(tǒng)

(1)轉(zhuǎn)臺(tái)恒速控制系統(tǒng)

(2)滑板位移控制系統(tǒng)

(3)調(diào)焦控制系統(tǒng)

(4)循跡跟蹤系統(tǒng)

4．

信號(hào)處理系統(tǒng)

(1)寫入信號(hào)處理器

(2)讀出信號(hào)處理器

(3)控制器1、電視圖像的像素

人眼對(duì)被觀察的物體相鄰兩點(diǎn)間最小分辨距離的視角的倒數(shù)稱人眼的分辨率。對(duì)應(yīng)于電視圖像，如圖4.5.3－1所示，人眼能分辨上下相鄰兩行像素D的視角為，觀看電視的距離為L(zhǎng)，則

＝57.360D/L=3438D/L（分）

D＝

L/3438§4.5.3攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)一、全電視信號(hào)設(shè)眼睛所能分辨的條紋數(shù)為Z，則Z＝H/D＝3438H/L

由于眼睛長(zhǎng)時(shí)間看電視圖像比較容易疲勞，一般取＝1.5分，而眼睛對(duì)圖像的最佳垂直視角約15度左右，即最佳觀看距離L＝5H，代上式得：Z＝458（線）我國(guó)用PAL制式的標(biāo)準(zhǔn)，每幀圖像由二場(chǎng)組成，每場(chǎng)為312.5行。主要參數(shù)如下：場(chǎng)頻＝50Hz場(chǎng)周期＝20ms

行頻＝15625Hz行周期＝64s

場(chǎng)逆程時(shí)間＝25H＝1.6ms（H為行周期）行逆程時(shí)間＝11.8s

2．電視的2：1隔行掃描制式根據(jù)國(guó)際慣例，全電視信號(hào)由亮度信號(hào)B、復(fù)合消隱信號(hào)A和復(fù)合同步信號(hào)S組成。B信號(hào)：一般采用負(fù)極性視頻信號(hào)，反映了一行中像素的明暗變化的情況，如圖4.5.3－3（a）所示。A信號(hào)：分水平消隱和垂直消隱，水平消隱也叫行消隱，如圖4.5.3－3（b）所示。垂直消隱也稱場(chǎng)消隱，如圖4.5.3－3（c）所示。

3．

全電視信號(hào)

S信號(hào)：分行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，保證攝像信號(hào)與電視信號(hào)的一致，校正電視機(jī)的掃描誤差。如圖4.5.3－4所示。攝像機(jī)是將光圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后形成全電視信號(hào)。

1．光電導(dǎo)攝像機(jī)的組成部分

鏡頭：同照相機(jī)相同，對(duì)被攝物進(jìn)行成像，所成的像照射在攝像管的光電導(dǎo)靶面上。

聚焦線圈：使攝像管陰極發(fā)射的電子束聚焦且使其垂直上靶。

偏轉(zhuǎn)線圈：使電子束對(duì)光電靶面進(jìn)行掃描，一對(duì)是上下偏轉(zhuǎn)，一對(duì)是左右偏轉(zhuǎn)。

攝像管：陰極的電子槍發(fā)射恒定的電子束，轟擊光電導(dǎo)靶面，實(shí)現(xiàn)光電信息的轉(zhuǎn)換。

一、光電導(dǎo)攝像機(jī)2．?dāng)z像管由半導(dǎo)體能帶理論可知，當(dāng)圖像的光子大量入射到半導(dǎo)體光電導(dǎo)材料上時(shí)，使大量的電子吸收能量進(jìn)入導(dǎo)帶，從而使其導(dǎo)電性能改善，電導(dǎo)率增加或電阻下降，形成了電子圖像信號(hào)，這就是攝像管工作的基本原理。

(1）電子槍：產(chǎn)生電子束，由電加熱陰極，電子束在電場(chǎng)中加速，最后轟擊光電導(dǎo)靶面。電子束的大小和加速度是恒定的，方向由偏轉(zhuǎn)線圈控制。

（2）光電導(dǎo)靶面：光電導(dǎo)靶面是由無數(shù)個(gè)光電導(dǎo)像素單元組成，每個(gè)光電導(dǎo)像素單元可以等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電容并聯(lián)的電路，其電阻值和電容值為：光電導(dǎo)靶面的工作原理如下：當(dāng)陰極發(fā)射的電子接通某一像素時(shí)，該像素單元的電容C0

就立即被充電到靶電源的電壓，當(dāng)電子束離開該像素單元時(shí)，電容便通過該單元的等效電阻R0

放電，放電時(shí)電容兩端電壓為：

第一種情況：無光照時(shí)。在一幀時(shí)間內(nèi)電子束掃描完各個(gè)點(diǎn)，使這些點(diǎn)為地電位后，C0

充滿電，由于電容放電時(shí)間＝R0C0＝0.53秒，遠(yuǎn)大于一幀的掃描時(shí)間0.04秒，故電容幾乎沒有放電，當(dāng)?shù)诙螔呙钑r(shí)，無充電電流流過RS

，B點(diǎn)電位ET，這時(shí)無視頻信號(hào)輸出。

第二種情況：有光照時(shí)。當(dāng)有光照射在靶面上時(shí)，R0

隨光強(qiáng)的大小而變化，掃描后C0

放電時(shí)間變化，光越強(qiáng)，R0

越小，放電越快，在下一次電子束掃描該像素時(shí)所補(bǔ)充的電荷就越多，就會(huì)有較大的電流流過負(fù)載電阻RS而產(chǎn)生較大的信號(hào)電壓輸出，負(fù)極性視頻信號(hào)反映了圖像的明暗程度。

第三種情況：光照均勻時(shí)。當(dāng)光照均勻無起伏時(shí)，R0

不變，輸出為直流分量，直流量反映了平均照度。由此可見，只有電子束按全電視信號(hào)的要求對(duì)靶面進(jìn)行掃描，就可在輸出端得到視頻信號(hào)，將視頻信號(hào)加上消隱信號(hào)和同步信號(hào)，就形成了全電視信號(hào)，就可送入電視機(jī)進(jìn)行逆過程變換，形成一幅幅電視圖像，也可送入錄像機(jī)用磁帶保存全電視信號(hào)。

CCD攝像機(jī)是利用MOS光敏元在光照后產(chǎn)生電子和空穴分離的現(xiàn)象，電子被吸收到勢(shì)阱，勢(shì)阱內(nèi)的光生電子數(shù)與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比，也與光照時(shí)間（曝光時(shí)間）成正比。假設(shè)一個(gè)MOS元就是一個(gè)像素，則在半導(dǎo)體硅片上制有上萬個(gè)獨(dú)立的MOS元，如照在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖像，則在光敏元上就會(huì)產(chǎn)生一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像，這就形成了影像信號(hào)。

三．CCD攝像機(jī)

CCD攝像機(jī)使用面陣CCD。CCD攝像機(jī)完成攝像需經(jīng)歷以下過程：

1．曝光

2．光生電荷平移到移位寄存器

3．移位寄存器中光生電荷串行輸出，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)

4．形成全電視信號(hào)

四．

數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)原理同CCD攝像機(jī)，所不同的是CCD攝像機(jī)是采集連續(xù)的圖像，而數(shù)碼相機(jī)只采集一幅圖像；攝像機(jī)將采集的連續(xù)變化的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成全電視信號(hào)后保存在磁帶中，而數(shù)碼相機(jī)將一幅圖像的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量保存在內(nèi)存或軟盤中。

一．?dāng)z像監(jiān)視攝像監(jiān)視一般采用CCD攝像頭對(duì)被監(jiān)視的區(qū)域成像，最后通過監(jiān)視電視顯示出來，也可用存儲(chǔ)設(shè)備保存以備后用。如將攝像頭與有關(guān)控制系統(tǒng)或報(bào)警系統(tǒng)相連，則可起到防盜報(bào)警、防火報(bào)警等功能。

二．?dāng)z像檢測(cè)攝像檢測(cè)主要用于工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距測(cè)量、非接觸測(cè)量和在線測(cè)量。

目前，攝像檢測(cè)主要應(yīng)用攝像技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象處理技術(shù)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制。下面舉例說明。

§4.5.4攝像測(cè)量隨著攝像測(cè)量技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，已研制出底片的攝像測(cè)量法，利用計(jì)算機(jī)對(duì)攝像的焊縫底片進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。其原理框圖如圖4.5.4－1所示。

三．高壓容器焊縫底片缺陷的攝像測(cè)量1、焊縫底片圖象的攝像輸入2、圖象預(yù)處理（1）灰度變換運(yùn)用全域線形變換，增強(qiáng)缺陷與背景的反差，使圖象清晰，特征明顯。設(shè)p0(i,j)為原始圖象的灰度，p1(i,j)為經(jīng)過變換后的灰度。初始灰度級(jí)范圍為(a,b)，變換后的灰度級(jí)范圍為(a‘,b’),則：p1(i,j)=a+(b'-a')*[p0(i,j)-a]/(b-a)ap0(i,j)b

即將原來的(a,b)范圍擴(kuò)展為(a',b')范圍。經(jīng)灰度變換后，圖象對(duì)比度增強(qiáng)了（見圖4.5.4－3）。（2）降噪處理

降噪處理通常稱為平滑或?yàn)V波。其目的在于濾除干擾，突出目標(biāo)特征。對(duì)濾波處理的要求有兩條：一是使圖象清晰；二是不要破壞圖象中的輪廓和邊緣等有用信息。常用的方法分為空域法和頻域法?？沼蚍òㄔ肼曄?、鄰域平均法、中值濾波法、掩模匹配法等。頻域法有低通濾波法等。

模糊加權(quán)均值濾波器(FWA)將濾波窗內(nèi)的樣本看作一個(gè)模糊集A中的元素，窗內(nèi)樣本xi根據(jù)其