光电技术 第5版 课件 第7章7.1节 光电信息变换的分类

第7章光电信息变换7.l光电信息变换的分类根据信息存于光学量的方式或称光学信息的类型讨论光电信息变换的基本方式，找到提取信息的方法。在解决光电技术的具体问题时根据变换方式提出理想的设计方案或思路。

光电信息变换应用于许多技术领域，对于不同的应用，光电信息变换的内容，变换装置的组成和结构形式等均有所不同。但是根据光学信息的类型总可以总结出它的基本类型。光电信息变换可分为两大类，一类为信息载入光学信息的方式分为如图7-1所示的6种光电信息变换的基本形式；另一类是依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。7.1.1光电信息变换的基本形式1.信息载荷于光源的方式如图7-1(a)所示，为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。根据这些信息可以进行钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器制导、夜视观察、地形地貌普查和成像测量等的应用。物体自身辐射属于缓变信息，经光电传感器获得的电信号为缓变信号或直流信号。为克服直流放大器零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，需采用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交流信号，然后再解调出被测信息。全辐射测温采用测量辐出度Me,λ，因Me,λ与物体温度具有如下关系Me,λ=εMe,λ，s=εσT4式中Me,λ，s为黑体辐出度，ε为发射系数，与物体的性质、温度及表面状况有关。T为被测体的温度。近距离测温，不考虑大气的吸收，光电变换电路的输出电压信号为US=mτSGKMe,λ=ξMe,λ

ξ=mτSGKξ称为光电变换系数。可见US是温度T的函数，通过测量US可测光源的温度。整理上式可以得到电压信号US与温度T的关系US=ξεσT4

2.信息载荷于透明体的方式如图7-1(b)所示为信息载荷于透明体中的情况。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

式中α为介质对光的吸收系数，它与介质浓度C成正比，即α=μC。μ为与介质性质有关的系数。上式可改写为其US为两边取对数，得到lnUs=lnU0―μCl可求得介质的浓度C（在介质厚度l确定），或求得介质厚度l（浓度C确定）。还能测量液体或气体透明度（或混浊度），检测透明薄膜厚度、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如图7-1(c)所示，信息载荷于反射光的方式。有镜面反射与漫反射两种，各具有不同的物理性质和特点。利用这些性质和特点将载荷于反射光的信息检测出来。镜面反射常用做合作目标，判断光信号的有无。如，光电准直仪中利用反射回来的十字叉丝图像与原十字叉丝的重叠状况判断准直系统的状况；迈克尔逊干涉仪中，动镜的位置信息载荷于干涉条纹中，通过检测干涉条纹的变化检测动镜位置的变化；镜面发射还用于测量物体的运动、转动的速度，相位等方面。物体的漫反射本身载荷物体表面性质的信息，例如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵病的信息，通过检测漫反射系数可检测物体表面粗糙度及瑕疵性质等。变换电路输出的疵病信号电压US=E(r1-r2)Bξ式中，E为表面照度，r1为正品（无瑕疵）反射系数，r2为瑕疵反射系数，B为视场内瑕疵占的面积，ξ为光电变换系数。当已知E，r1和ξ时，US是r2和B的函数，测出US，可判断瑕疵的程度和面积。还可用于电视摄像、文字识别、激光测距、激光制导等。4.信息载荷于遮挡光的方式

图7-1(d)所示为信息载荷于遮挡光的方式，物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过视场，实现信息载荷于遮挡光的过程。如，设光敏面的宽度为b，高度为h，当被测物体的宽度大于b时，物体沿光敏面高度方向运动的位移量为Δl，则物体遮挡光敏面的面积变化为

ΔA=bΔl

变换电路输出电压为

ΔU=EΔAξ=EbξΔl

用该方式即可检测位移量Δl、运动速度v和加速度等参数，又可测量宽度b。如，光电测微仪和光电投影显微测量仪等测量仪器。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。光学量化器包含有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。

光信息量化的变换方式在位移量（长度、宽度和角度）的光电测量系统中得到广泛的应用。

长度或角度量经光学量化装置（光栅、码盘、干涉仪等）变为条纹或代码等数字信息量，再经光电变换为脉冲数字输出。如图7-1(e)所示，光源发出的光经光学量化器量化后转换为脉冲数字脉冲，送给数字电路处理或送给计算机处理或运算。如，将长度量L经光学量化形成n个条纹，则，L=qn

，q为长度的量化单位，与光学量化器性质有关，可设为常数。光栅摩尔条纹量化器，量化单位q为光栅节距，微米量级；激光干涉量化器，q为激光波长的1/4或1/8，视具体光学结构而定。这种变换形式广泛应用于精密尺寸测量、角度测量和精密机床加工量的自动控制方面。

6.光通信方式的信息变换光通信技术是信息高速公路的主要组成部分，其实质是光电变换的一种基本形式，称为光信息通信变换方式。如图7-1(f)所示，信息首先对光源进行调制，载有各种信息的光信号，通过光纤传送到远方目的地，再经解调器将信息还原。光纤传输的媒体常为激光，它具有载荷量大，损耗小，速度快，失真小等特点现已广泛地用于声音和视频图像等信息通信中。7.1.2光电信息变换的类型光电信息变换可分为2类：一类为模拟光电变换，如前4种变换方式；另一类为数字光电变换，如后2种变换方式。

1.模拟光电变换被测信息（如温度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息时，常为光度量（通量、照度和出射度等）方式送给光电器件，光电器件则以模拟电流Ip或电压Up输出。即输出是被测信号量Q的函数，或称输出量与被测量之间的关系为模拟函数关系。可表示为IP=f（Q）或Up=f(Q)光电变换电路输出的Ip或Up不仅与被测信息Q有关，还与载体光度量有关。为保证输出信号只与被测信息Q的关系，光度量必须稳定。否则，载体光度量变化直接影响被测信息量。电路参数如电源电压波动，放大电路噪声、放大倍率的变化等都会影响被测信号的稳定。光度量的稳定又与光源、光学系统及机械结构等有关。因此，实现稳定的高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多其他技术困难。必须采用各种措施解决，才能获得高质量的模拟光电信息变换。2.模-数光电变换这类光电变换中，被测信息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。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。这类光电变换不再输出电流或电压幅值，而是数字信息F。它与被测信息Q的函数关系为F=f(Q)显然，F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等参数，而与光度量无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。7.2光电变换电路的分类

光电变换电路也有模拟与模-数两种类型。7.2.1模拟光电变换电路凡输出电流（或电压）与光度量具有模拟函数关系的变换均称为模拟光电变换电路。根据光电信息变换的内容和精度要求，模拟变换电路又分为4种类型。下面分别讨论：

1.简单变换电路对测量精度要求不高情况下（例如测量教室课桌表面的照度），常采用如图（7-2）所示简单光电变换电路，即简单照度计变换电路。

图（7-2）（a）为硒光电池照度计变换电路。考虑到硒光电池光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线非常接近，一般不考虑外加滤光器进行光谱修正。

调整电位器可使微安表的指针指示出光敏面上的照度。

如图7-3所示为利用光电三极管为探测器，并引入三极管放大器的光电检测电路。设光电三极管的电流放大倍率为β，则流过电阻R1与R2的电流I1为

I1=I2+IB=βSEV+IB

设I1>>IB，可以推出集电极电流IC为可见，当入射光很弱时，EV→0，流过光电三极管的电流近似为0，IC为最大值ICM

故，照度计调整过程应是：先遮蔽光敏面，调节电阻R1与R3使电表指示满刻度，该位置为照度计的“零点”；然后，改变光照度，标定照度值在表头上做刻度。显然，电表指针的零位置是照度计的最大测量值。

图7-3（b）所示为以电压方式输出的光通量测量电路，光电流I1与入射光通量ΦV的关系为I1=SΦV，三极管的基极电流IB为

故，输出电压UO为

可以通过输出电压UO检测入射到光电三极管上光通量ΦV。

2.具有温度补偿功能的变换电路

图7-4所示为具有温度补偿功能的光电变换电路，图中D1为用来测光，D2做补偿，D1、D2及电阻、可变电阻器构成电桥。背景光照下使电桥平衡，可见，UO不仅与三极管电流放大倍率β有关，而且与三极管基射结电阻rbe有关。而β与rbe均为环境温度T的函数，表明放大电路稳定性较差。为了提高测量电路稳定性，需要引入温度补偿环节。电压表指示为“零”。当有光照时，电桥失去平衡，电压表将指示出光敏面的光照度。

补偿极管D2被遮蔽并与测光管D1封装在同温槽中，且要求D1与D2的特性接近。温度变化使D1与D2温漂相同，又分别处于两个桥臂，相互补偿，能够消除温度电路的影响。

图7-5所示为利用温度补偿电阻对光电测量电路进行温度补偿的电路，引入负温度系数热敏电阻能对光电变换电路进行补偿。

设光电二极管的电流为I1，三极管的基极电压应为Ube即便将热敏电阻与光电二极管装在同一个温度槽内也不可能达到完全的补偿目。差分式光电变换电路效果更佳。

3.差分式光电变换电路图7-6所示为光电比色计的原理图，为典型差分式光电变换电路。

图7-7为光电比色计的原理图，不难看出它为电桥差分式变换电路。

图7-8所示为双光路差分式光电变换器的原理结构图。D1与D2的特性参数应尽量一致。D1与D2按图7-9所示的差分电路的形式连接。参考系统D1的输出电压为UD1，测量系统光电器件D2输出UD2，变换电路的输出信号电压为UO=K（UD2－UD1）式中K为放大器的放大倍率。光源通过反光镜分别进入参考系统与测量光学系统。另一种常用的双光路双器件光电变换器如图7-10所示。又称为比较差接式光电变换器。常用于测色仪器。

两光电二极管的输出进行差分比较，测量被测面与标准色板差；也可分别输出，并将测量结果经A/D数据采集后送计算机进行分析。

由于双光路双器件光电变换电路的输出信号与测量系统和