第7章光電信息變換1節(jié)

1、l7.l 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 本章將根據(jù)信息存在于光學量的方式或稱光學信息的類型討論光電信息變換的基本方式，從而對光電信息變換的問題具有系統(tǒng)的認識，在解決光電技術的具體問題時能夠根據(jù)變換方式提出理想的設計方案。 光電信息變換應用于許多技術領域，對于不同的應用，光電信息變換的內容，變換裝置的組成和結構形式等均有所不同。但是根據(jù)光學信息的類型總可以總結出它的基本類型。l7.1.1 光電信息變換的基本形式 光電信息變換的分類可從兩個方面來分，一方面根據(jù)信息載入光學信息的方式分為如圖7-1所示的6種光電信息變換的基本形式；另一方面根據(jù)光電變換電路輸出信號與信息的函數(shù)關系分為模擬光電變

2、換與模-數(shù)光電變換兩類。 1. 信息載荷于光源的方式信息載荷于光源的方式 如圖7-1(a)所示，為信息載荷于光源中的情況（或光學信息為光源本身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源的強度信息等。根據(jù)這些信息可以進行鋼水溫度的探測、光譜分析、火災報警、武器制導、夜視觀察、地形地貌普查和成像測量等的應用。 物體自身輻射通常是緩慢變化的，因此，經(jīng)光電傳感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，常采大器的零點漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采

3、用光學調制技術或電子斬波調制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?，用光學調制技術或電子斬波調制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?，然后再解調出被測信息。然后再解調出被測信息。 下面用全輻射測溫為例討論信息存在于光源中這類問下面用全輻射測溫為例討論信息存在于光源中這類問題的處理方法。在全輻射測溫應用中溫度信息存在于光源題的處理方法。在全輻射測溫應用中溫度信息存在于光源的輻射出射度的輻射出射度Me, ，由第，由第1章中的式（章中的式（1-42）可知物體的）可知物體的全輻射出射度全輻射出射度Me, 與物體溫度的關系為與物體溫度的關系為 Me, =Me, ，s= T4 (7-1) 式中式中Me, ，s為同溫度黑體的輻射出射度，

4、為同溫度黑體的輻射出射度，為物體的發(fā)射為物體的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質、溫度及表面狀況有關。系數(shù)，與物體的性質、溫度及表面狀況有關。T為被測為被測體的溫度，即測量的信息量。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的變換電路輸出的電壓信號為 US= mSGKMe, =Me, (7-2)式中，式中，m為光學系統(tǒng)的調制度，為光學系統(tǒng)的調制度，為光學系統(tǒng)的透過濾，為光學系統(tǒng)的透過濾，S為光電器件的靈敏度，為光電器件的靈敏度，G為變換電路的變換系數(shù)，為變換電路的變換系數(shù)，K為為放大器的放大倍數(shù)，放大器的放

5、大倍數(shù)，= mSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。數(shù)。將式將式(7-1)代入式代入式(7-2)得得 US=T4 （7-3）表明變換電路輸出的電壓信號表明變換電路輸出的電壓信號US是溫度是溫度T的函數(shù)，溫度的函數(shù)，溫度變化必然引起電壓的變化。因此，通過測量輸出電壓，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。并進行相應的標定就能夠測出物體的溫度。 l2. 信息載荷于透明體的方式 如圖7-1(b)所示，為信息載荷于透明體中的情況。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，透明體介質材料對光的吸收系數(shù)等都為載荷信息的

6、方式。 提取信息的方法常用光通過透明介質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 le0（7-4） 式中為透明介質對光的吸收系數(shù)，它與介質的濃度C成正比，即=C。顯然，為與介質性質有關的系數(shù)。式（7-4）可改寫為 Cle0（7-5） 由式（由式（7-57-5）可見，當透明介質的系數(shù)）可見，當透明介質的系數(shù)為常數(shù)時，光通為常數(shù)時，光通量的損耗與介質的濃度量的損耗與介質的濃度C C與介質的厚度與介質的厚度l l有關，采用如圖有關，采用如圖7-1(a)7-1(a)所示的變換方式，變換電路的輸出信號電壓所示的變換方式，變換電路的輸出信號電壓U Us s為為即將變換電路的輸出信號電壓即將變換

7、電路的輸出信號電壓Us送入對數(shù)放大器后，便送入對數(shù)放大器后，便可以獲得與介質的濃度可以獲得與介質的濃度C與介質的厚度與介質的厚度l有關信號。有關信號。0sUCle（7-6） 兩邊取自然對數(shù)后兩邊取自然對數(shù)后 lnUs=lnU0Cl （7-7） 即將變換電路的輸出信號電壓即將變換電路的輸出信號電壓Us送入對數(shù)放大器后，便可送入對數(shù)放大器后，便可以獲得與介質的濃度以獲得與介質的濃度C與介質的厚度與介質的厚度l有關信號。利用此信有關信號。利用此信號可以方便地得到介質的濃度號可以方便地得到介質的濃度C（在介質的厚度（在介質的厚度l確定的情確定的情況下），或得到介質的厚度況下），或得到介質的厚度l（在介

8、質的濃度（在介質的濃度C確定的情況確定的情況下）。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、均勻度及雜質含量等質量問題。測透明薄膜的厚度、均勻度及雜質含量等質量問題。 l3. 信息載荷于反射光的方式 如圖7-1(c)所示，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和特點。利用這些性質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。例如，在光電準直儀中利用反射回來的十字叉絲圖像與原十字叉絲圖像的重疊狀況判斷準直系統(tǒng)的狀況

9、；在邁克爾遜干涉儀中，動鏡的位置信息載荷與邁克爾遜干涉條紋中，通過檢測邁克爾遜干涉條紋的變化可以檢測動鏡位置的變化；另外，鏡面發(fā)射還用于測量物體的運動、轉動的速度，相位等方面。而漫反射則不同，物體的漫反射本身載荷物體表面性質的信息，例如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵病的信息，通過檢測漫反射系數(shù)可以檢測物體表面的粗糙度及表面疵病的性質。 根據(jù)這一原理，用這種方式可以對光滑零件表面的外觀質量進行自動檢測。 在檢測產(chǎn)品外觀質量時，變換電路輸出的疵病信號電壓 US=E(r1-r2)B （7-8）式中E為被測表面的照度，r1為正品（無疵?。┍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內

10、疵病所占的面積，為光電變換系數(shù)。由式（7-8）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、激光制導等方面。 l4. 信息載荷于遮擋光的方式信息載荷于遮擋光的方式 如圖7-1(d)所示為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變化為 A=

11、bl （7-9）變換電路輸出的面積變化信號電壓為 U=EA=E bl （7-10） 由式（7-10）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。 5. 信息載荷于光學量化器的方式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

12、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)字信號為條紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)槊}沖數(shù)字信號輸出。如圖輸出。如圖7-1(7-1(e)e)所示，光源發(fā)出的光經(jīng)光學量化器量化后送給光所示，光源發(fā)出的光經(jīng)光學量化器量化后送給光電器件轉換成脈沖數(shù)字信號，再送給數(shù)字電路處理或送給計算機進電器件轉換成脈沖數(shù)字信號，再送給數(shù)字電路處理或送給計算機進行處理或運算。例如，將長度信息量行處理或運算。例如，將長度信息量L L經(jīng)光學量化后形成經(jīng)光學量化后形成n n個條

13、紋信個條紋信號，量化后的長度信息號，量化后的長度信息L L為為 L L=q=qn n （7-117-11）式中，式中，q q稱為長度的量化單位，它與光學量化器的性質有關，量化稱為長度的量化單位，它與光學量化器的性質有關，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 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，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 q為激為激光波長的光波長的1/41/4或或1/81/8，視具體的光學結構而定。，視具體的光學結構而定。目前，這種變換形式已廣泛地應用于精密尺寸測量

14、、角度測量和精目前，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。密機床加工量的自動控制等方面。 6. 光通訊方式的信息變換 目前，光通訊技術正在蓬勃地發(fā)展，信息高速公路目前，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。光通訊技術的實質是光的主要組成部分為光通訊技術。光通訊技術的實質是光電變換的一種基本形式，稱為光信息通訊的變換方式。電變換的一種基本形式，稱為光信息通訊的變換方式。 如圖如圖7-1(f)7-1(f)所示，信息首先對光源進行調制，發(fā)出載有所示，信息首先對光源進行調制，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

15、，各種信息的光信號，通過光導顯微傳送到遠方的目的地，再通過解調器將信息還原。由于光纖傳輸?shù)拿襟w常為激再通過解調器將信息還原。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?，F(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。 l7.1.2 光電信息變換的類型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. 模擬光電變換 被測的非電量信息（如溫度、介質厚度、均勻度、溶液濃度、位

16、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?Ip=f(Q) （7-12）或 Up= f(Q) （7-13）光電變換電路輸出的電流Ip或電壓Up不僅與被測信息量Q值有關而且與載體光度量有關。因此，為保證光電變換電路輸出信號與被測信息量Q的函數(shù)關系，載體光度量必須穩(wěn)定。否則，載體光度量的變化直接影響被測信息量。另外，電路參數(shù)的變化，尤其是電源電壓的波動，放大電路的噪聲、放大倍率的變化等都影響被測信號的穩(wěn)定。而

17、光度量的穩(wěn)定又與光源、光學系統(tǒng)及機械結構等的性能有關。因此，實現(xiàn)穩(wěn)定的高精度的模擬光電信息變換常常遇到許多其他技術方面的困難。必須采用各種措施解決這些困難，才能獲得高質量的模擬光電信息變換。 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) （7-14）顯然，數(shù)

18、字信息量F只取決于光通量變化的頻率、周期、相位和時間間隔等信息參數(shù)，而與光的強度無關，也不受電源、光學系統(tǒng)及機械結構穩(wěn)定性等外界因素的影響。 l7.2 7.2 光電變換電路的分類光電變換電路的分類 因此，這類光電變換方式對光源和光電器件的要求不象模擬光電變換那樣嚴格，只要能使光電變換電路輸出穩(wěn)定的“0”和“1”兩個狀態(tài)即可。 光電變換電路輸出信號的方式應與光電信息的函數(shù)關系相一致，因此，光電變換電路也有模擬于模-數(shù)兩種類型。7.2.1 7.2.1 模擬光電變換電路模擬光電變換電路 凡輸出信號電流（或電壓）與入射光度量具有式（7-12）或（7-13）所述關系的變換電路都稱為模擬光電變換電路。根據(jù)

19、光電信息變換的內容和精度要求，模擬變換電路又分為4種類型。下面分別討論： l1. 簡單變換電路 在對測量精度要求不高的情況下測量受照面的照度（例如測量教室課桌表面的照度）時，常采用如圖（7-2）所示的簡單光電變換電路，即簡單照度計的變換電路。 圖（7-2）（a）為不需要外接電源的硒光電池照度計的變換電路。考慮到硒光電池的光譜響應曲線與人眼的光視效率曲線非常接近，一般不必考慮外加濾光器進行光譜修正。 調整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上的照度。 放大倍率為，則流過電阻R1與R2的電流I1為 I1=I2+IB=SEV+IB （7-15）設I1IB，可以推出)()() 1)()(43V21bb4

20、3121bbBRRSERRURRIRRUI（7-16）集電極電流IC為 由（7-17）式可見，當入射光很弱時，EV0，流過光電三極管3DU2的電流近似為0，IC為最大值ICM )(1V21bb43BCSERRURRII（7-17）集電極電流IC隨光照度的增大而降低。因此，該照度計的調整過程是：先將光敏面遮暗，調節(jié)電阻R1與R3使毫安表指針指示滿刻度，此時指針的位置為照度計的“零點”；然后，改變光照度，根據(jù)標定的照度值在表頭上進行刻度。顯然，毫安表指針的零位置是照度計的最大照度測量值。 圖7-3（b）所示為以電壓方式輸出的光通量測量電路，光電流I1與入射光通量V的關系為I1=SV，因此，三極管的

21、基極電流IB為 43CCMRREI（7-18） be2Vbe21BrRSrRII（7-19） 故，輸出電壓UO為 beC1VbbCCbbOrRRSURIUU（7-20） 可見，當入射光通量V變化時，輸出電壓UO也要改變。因此，可以通過輸出電壓UO檢測入射到光電三極管上光通量。 圖7-4所示為具有溫度補償功能的光電變換電路，圖中D1為測光光電二極管，D2為補償光電二極管，D1、D2及電阻、可變電阻器構成電橋。 從（7-20）式得到輸出電壓UO不僅與三極管的電流放大倍率有關，而且與三極管的基射結電阻rbe有關。而與rbe均為環(huán)境溫度T的函數(shù)，表明放大電路的穩(wěn)定性較差。為了提高測量電路的穩(wěn)定性，需要

22、引入溫度補償環(huán)節(jié) 。 在背景光照下調整可變電阻器使電橋平衡，輸出電壓表指示為“零”。當測光光電二極管光敏面上的光照度發(fā)生變化時，電橋失去平衡，輸出電壓表將指示出光敏面上的光照度。 補償光電二極管D2被遮蔽并被與光電二極管D1封裝在同溫槽中，且要求D1與D2的特性極為接近。 這樣，溫度變化使兩個光電二極管的溫度漂移基本相同，又分別處于兩個橋臂，相互補償，達到消除溫度對測量電路造成的影響。 圖7-5所示為利用溫度補償電阻對光電測量電路進行溫度補償?shù)碾娐?，將圖7-3（b）所示的RL電阻用熱敏電阻代替，構成具有溫度補償功能的光電檢測電路。引入負溫度系數(shù)的熱敏電阻能夠對光電變換電路進行溫度補償。 設光電

23、二極管的電流為I1，三極管的基極電壓應為Ubetbebe1betbetbet1be1)/(RrrIrRrRrRIU熱敏電阻Rt可以補償光電二極管的電流I1受環(huán)境溫度的影響。 即便將熱敏電阻與光電二極管裝在同一個溫度槽內也不可能達到完全補償?shù)哪康?。提出了差分式光電變換電路方暗。 l3. 差分式光電變換電路差分式光電變換電路 圖7-6所示為光電比色計的原理圖，是一種典型的差分式光電變換電路。 其中一路經(jīng)被測溶液入射到測量光電池D1上，另一路經(jīng)可調光光闌、反光鏡到補償光電池D2上，由光電池D1與D2構成電路為差分式光電變換電路。 圖7-7所示為光電比色計的電路原理圖，由圖不難看出光電比色計電路為電橋

24、差分式的光電變換電路。 圖7-8所示為雙光路差分式光電變換器的原理結構圖。光源發(fā)出的光通過反光鏡分別進入?yún)⒖枷到y(tǒng)與測量光學系統(tǒng)。 D1與D2的特性參數(shù)應盡量一致。D1與D2按圖7-9所示的差分電路的形式連接。設參考系統(tǒng)光電器件D1的輸出電壓為UD1，測量光學系統(tǒng)光電器件D2的輸出電壓為UD2，則變換電路的輸出信號電壓為UO=K（UD2UD1） （7-22） 式中K為放大器的放大倍率。 另一種常用的雙光路雙器件光電變換器如圖7-10所示。這種光電變換方式又稱為比較差接式光電變換器。這種變換方式常用于測色儀器。測色儀的光源發(fā)出的光，分為兩路，一路經(jīng)透鏡照射在標準色板上，經(jīng)標準色板反射后再匯聚到光電

25、器件D1上；另一路經(jīng)透鏡照射在被測樣品上，經(jīng)被測樣品反射后再匯聚到光電器件D2上。 兩個光電二極管的輸出信號可以進行差分比較，測量被測面的顏色與標準色板的差；也可以采用分別輸出的方式，并將測量結果經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集后送計算機進行分析。 由于雙光路雙器件光電變換電路的輸出信號與測量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)輸出信號的差成正比，因此，測量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)隨溫度與光源的影響將被消除。 圖7-11所示的雙光路單光電器件的光電檢測系統(tǒng)。 雙光路單光電器件的光電檢測系統(tǒng)中光源發(fā)出的光經(jīng)反射鏡分為兩路經(jīng)調制盤的轉動，使參考光與測量光分時進入系統(tǒng)，并分時由光電器件D接收。光電器件D分時接收到參考光信號和測量光信號后輸出如圖7-12所示的信號波形，輸出的信號差即為被測信號。l4. 光外差式光電變換電路 對于微弱輻射信號的探測常采用光外差式光電變換電路。光外差方式的光電變換電路具有超過常規(guī)光電變換電路的靈敏度；此外，光外差方式采用激光為變換媒體，而