第七章-光电信息变换

将光学信息变换为电学信息的设备或系统称为光电信息变换器。

光电信息变换器常由光源、光学系统、光电传感器、偏置电路和处理电路构成。探测器放大器示波器背景目标信号处理第七章光电信息变换§7.1光电信息变换的分类

光电信息变换的分类：

根据信息载入光学信息的方式分：信息载荷于光源的方式；信息载荷于透明体的方式；信息载荷于反射光的方式；信息载荷于遮挡光的方式；信息载荷于光学量化器的方式；光通信方式的信息变换。

根据光电变换电路输出信号与信息的函数关系分为模拟光电变换与模-数光电变换两类。1.信息载荷于光源的方式

信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身），如光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的强度信息等。

应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器制导、夜视观察等。

举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。物体的全辐射出射度Me,λ与物体温度的关系为Me,λ=εMe,λ，s=εσT4

式中Me,λ，s为同温度黑体的辐射出射度，ε为物体的发射系数，与物体的性质、温度及表面状况有关。T为被测体的温度，即测量的信息量。

在近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感器的变换电路输出的电压信号为

式中，m为光学系统的调制度，τ为光学系统的透过滤，S为光电器件的灵敏度，G为变换电路的变换系数，K为放大器的放大倍数，ξ=mτSGK称为系统的光电变换系数。而Me,λ=εMe,λ，s=εσT4

表明变换电路输出的电压信号US是温度T的函数，温度变化必然引起电压的变化。因此，通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体的温度。

2.信息载荷于透明体的方式

利用透明体的透明度、透明密度分布、厚度、介质材料对光的吸收系数等信息测量。

应用范围：液体或气体的透明度（或混浊度）、透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等。提取信息的方法常用光通过透明介质时光通量的损耗与入射通量及材料对光吸收的规律求解。即式中α为透明介质对光的吸收系数，它与介质的浓度C成正比，即α=μC。显然，μ为与介质性质有关的系数。上式可改写为由上式可见，当透明介质的系数μ为常数时，光通量的损耗与介质的浓度C与介质的厚度l有关，采用如图7-1(a)所示的变换方式，变换电路的输出信号电压Us为即将变换电路的输出信号电压Us送入对数放大器后，便可以获得与介质的浓度C与介质的厚度l有关信号。两边取自然对数后lnUs=lnU0―μCl测量液体或气体的透明度（或混浊度），检测透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等质量问题。

3.信息载荷于反射光的方式

利用镜面反射或漫反射信息进行测量

应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信息，如光电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运动、转动的速度、相位等。漫反射主要是测量物体表面性质的信息，如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵病。

在检测产品外观质量时，变换电路输出的疵病信号电压

US=E(r1-r2)Bξ式中E为被测表面的照度，r1为正品（无疵病）表面的反射系数，r2为疵病表面的反射系数，B为光电器件有效视场内疵病所占的面积，ξ为光电变换系数。当E，r1和ξ已知时，输出电压US是r2和B的函数，因此，可以通过输出信号电压US的幅度判断表面疵病的程度和面积。4.信息载荷于遮挡光的方式

利用物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电器件的视场进行测量。

应用范围：光电测微仪、光电投影显微测量仪、光电计数、光控开关和主动式防盗报警。例如，设光电器件光敏面的宽度为b，高度为h，当被测物体的宽度大于光敏面的宽度b时，物体沿光敏面高度方向运动的位移量为Δl，则物体遮挡入射到光敏面上的面积变化为

ΔA=bΔl变换电路输出的面积变化信号电压为

ΔU=EΔAξ=EbξΔl

5.信息载荷于光学量化器的方式

光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有限个离散量的方法。光学量化器主要包括光栅摩尔条纹量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。

应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加工的自动控制方面。

长度或角度的信息量经光学量化装置（光栅、码盘、干涉仪等）变为条纹或代码等数字信息量，再由光电变换电路变为脉冲数字信号输出。

光源发出的光经光学量化器量化后送给光电器件转换成脉冲数字信号，再送给数字电路处理或送给计算机进行处理或运算。例如，将长度信息量L经光学量化后形成n个条纹信号，量化后的长度信息L为L=qn

式中，q称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有关，量化器确定后它是常数。例如，采用光栅摩尔条纹变换器时，量化单位q等于光栅的节距，在微米量级；而采用激光干涉量化器时，q为激光波长的1/4或1/8，视具体的光学结构而定。6.光通信方式的信息变换

信息首先对光源进行调制，发出载有各种信息的光信号，通过光纤传送到目的地，再通过解调器还原信息。广泛用于声音和视频图像等信息通信中。二、光电信息变换的类型1.模拟光电变换

被测的非电量信息（如温度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照度和出射度等）的方式送给光电器件，光电器件则以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出。即输出信号量是被测信号量Q的函数，或称输出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函数关系。可表示为Ip=f(Q)2.模-数光电变换

在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为F=f(Q)7.2光电变换电路的分类

1、什么是模拟变换电路，有哪几种常用的电路，各自的功能及优缺点是什么？2、什么是模-数变换电路，有哪几种常用的电路，各自的功能及优缺点是什么？一、长、宽尺寸信息的光电变换

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7.3几何光学法的光电信息变换1.投影放大法投影放大测量方法的原理很简单，就是测得像，通过光学系统的放大倍数，得到被测物的尺寸。对像的测量方法有两种：用投影屏上的十字线或米字刻线对工件被测部位的轮廓边缘分别进行对准，通过工作台的移动在读数机构上测得工件的尺寸；另一种是在投影屏上放大的影像与标准图样（工件的公差带）比较，检验工件是否合格。2.激光三角法

随着半导体技术、光电子技术等发展，三角法测试技术在位移、物体表面形态和质量测试应用多，其原理如下：三角法测量精度影响因素：内因——像差、光点大小和形状、探测器的固有位置检测不确定度和分辨力，探测器的暗电流、外界杂散光、电路噪声、温度漂移外因——被测表面倾斜、光泽、粗糙度、颜色等，解决方法：实验标定产品有：日本Keyence，Reinshaw公司OP2，美国MEDAR公司的2101型3.光学灵敏杠杆法

用来测量微小长度（或长度改变量）4.激光扫描法

这种方法是利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布，通过测量通光与遮光的时间差进行测长。将物体位移量变换成光电信号，以便进行非接触测量，是工业和计量检测中的重要工作。采用线、面阵CCD图像传感器、CMOS图像传感器、PSD位置传感器等与成像物镜配合，很容易构成被测物像的位移信息变换系统，实现对物体位移量、运动速度、振动周期和频率等参数的测量。二、位移信息的光电变换

在成像系统中，物像之间有严格的几何关系，被测物体离开理想物面时就会引起像面上的光照度分布的变化，利用这种现象可以测量轴向位移。

光焦点法：以聚焦光斑光密度分布的集中程度来判断物体轴向位移的方法。1.像点轴上偏移检测的光焦点法

像偏移法又叫光切法。它是一种三角测量方式的轴向位移测量方法。2.像点轴外偏移检测的像偏移法

将电机等物体的转动速度、运行速度、信息的变化速度等物理量变换成光电信号的过程称为速度信息的光电变换。能够完成速度信息的光电变换的方法有多种，其中利用光电耦合器（光电开关）、旋转光闸、频闪式转速表等方法实现的速度信息光电变换即简单又容易实现多种用途的变换。7.3.3、速度信息的光电变换

利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。1.光电耦合器件（光电开关）测速2.光电耦合器件（光电开关）测速频闪效应：依据人眼的视觉暂存效应，物消失后的一定时间内，人眼视网膜能在一段时间内保持视觉印象，大维时间为1/20~1/5s。测量原理：用一个可调频率的闪光灯照射频闪盘时，在闪光频率与频闪盘转动频率相同时频闪盘在某一位置灯恰好闪亮，使人眼清晰地看到频闪像在同一位置静止不动，闪光频率乘以60即为频闪盘每分钟的转数。7.5时变光电信息的调制调制的基本原理与类型信号的调制调制信号的解调7.5.1调制的基本原理与类型1.载波与调制载波：在光电信息系统中，光通量为信息的载体，称为载波。调制：使光载波信号的一个或几个特征参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称为调制。解调：从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程称为解调。1.光电信息调制的分类（1）按时空状态分：①时间调制：载波随时间和信息变化。②空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。③时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。（2）按载波波形和调制方式分类：①直流载波调制：不随时间而只随信息变化的调制。②交变载波调制：载波随时间周期变化的调制。交变载波又分为连续载波和脉冲载波方式：连续载波调制方式包括调辐波、调频波、调相波；脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频。3.典型的调制方法

(1)连续波调制连续波调制的光载波通常具有谐波的形式，用下列函数描述

式中φ0为光通量的直流分量，一般不载荷任何信息；φm和ω为载波交变分量的振幅和频率。V（t）为由被测信息决定的调制函数

一般情况下，调制后的载波信号的形式为①振幅调制光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例变化，而频率、相位保持不变的调制方法称幅度调制或调幅。此时式中的为则被调之后的载波信号可变成

式中V（t）是调制函数，规定；m是调制度或调制深度，表示V（t）对载波幅度的调制能力，并且

如图7-48（a）所示为按单一谐波规律变化的被传送信息，式中，为被测信息的谐波角频率；F、φ为相应的频率和初相位。图7-48（b）所示为正弦载波。当被传送信息的初始相位φ=0时，被调制的载波信号为载波信号按三角函数展开从上式可以看出正弦调制函数的调幅信号除了零频率分量外还包含有三个谐波分量，即以f0为中心频率的基频和基波振幅之半、频率分别为（f0