第七章-光電信息變換課件

第7章光電信息變換將光學(xué)信息變換為電學(xué)信息的設(shè)備或系統(tǒng)稱為光電信息變換器。光電信息變換器常由光源、光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、偏置電路和處理電路構(gòu)成。探測器放大器示波器背景目標信號處理§7.1光電信息變換的分類

光電信息變換的分類：一方面根據(jù)信息載入光學(xué)信息的方式分：信息載荷于光源的方式；信息載荷于透明體的方式；信息載荷于反射光的方式；信息載荷于遮擋光的方式；信息載荷于光學(xué)量化器的方式；光通信方式的信息變換。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(guān)系分為模擬光電變換與模-數(shù)光電變換兩類。一、光電信息變換的基本形式§7.1光電信息變換的分類

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(xué)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。應(yīng)用范圍：鋼水溫度的探測、光譜分析、火災(zāi)報警、武器制導(dǎo)、夜視觀察等。

舉例：利用全輻射測溫原理測量物體溫度。一、光電信息變換的基本形式§7.1光電信息變換的分類

2.信息載荷于透明體的方式

利用透明體的透明度、透明密度分布、厚度、介質(zhì)材料對光的吸收系數(shù)等信息測量。應(yīng)用范圍：液體或氣體的透明度（或混濁度）、透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等。舉例：測量液體濃度或介質(zhì)厚度。一、光電信息變換的基本形式§7.1光電信息變換的分類

3.信息載荷于反射光的方式

利用鏡面反射或漫反射信息進行測量。應(yīng)用范圍：利用鏡面反射來判斷光信號有無等信息，如光電準值儀、邁克爾孫干涉儀；測量物體的運動、轉(zhuǎn)動的速度、相位等。漫反射主要是測量物體表面性質(zhì)的信息，如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵病。舉例：檢測產(chǎn)品外觀疵病。一、光電信息變換的基本形式§7.1光電信息變換的分類

4.信息載荷于遮擋光的方式

利用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進行測量。應(yīng)用范圍：光電測微儀、光電投影顯微測量儀、光電計數(shù)、光控開關(guān)和主動式防盜報警。舉例：檢測物體寬度、速度、位移、加速度等。一、光電信息變換的基本形式§7.1光電信息變換的分類

5.信息載荷于光學(xué)量化器的方式

光學(xué)量化是指通過光學(xué)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(xué)量化器主要包括光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學(xué)碼盤量化器等。應(yīng)用范圍：精密尺度測量、角度測量和精密機床加工的自動控制方面。舉例：長度測量。一、光電信息變換的基本形式§7.1光電信息變換的分類

6.光通信方式的信息變換

信息首先對光源進行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號，通過光纖傳送到目的地，再通過解調(diào)器還原信息。廣泛用于聲音和視頻圖像等信息通信中。二、光電信息變換的類型§7.1光電信息變換的分類

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；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(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(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系。可表示為Ip=f(Q)二、光電信息變換的類型§7.1光電信息變換的分類

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(xué)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(guān)系為

F=f(Q)一、長、寬尺寸信息的光電變換

§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換1.投影放大法

將目標或工件的長、寬等尺寸信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦畔⒌姆椒ㄓ型队胺糯蠓ǎす馊菧y量法，光學(xué)靈敏杠桿測量法，激光掃描測量法和差動測量法等。

投影儀是一種光學(xué)放大成像儀器。所以，特別適合用于對形狀復(fù)雜的工件和較小型工件的測量。光源聚光鏡保護玻璃待測物體物鏡反射鏡投影屏一、長、寬尺寸信息的光電變換

§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換2.激光三角法單點式激光三角法常采用直射和斜射兩種結(jié)構(gòu)。激光三角法具有結(jié)構(gòu)簡單、測試速度快、實時處理能力強、使用靈活方便等特點，在長度、距離及三維形貌等的測試中應(yīng)用廣泛?！?/p>

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換一、長、寬尺寸信息的光電變換

§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換2.激光三角法利用直射式方法還可測量被測面的位移量?！?/p>

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換3.光學(xué)靈敏杠桿法

用來測量微小長度（或長度改變量）。一、長、寬尺寸信息的光電變換

§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換4.激光掃描法這種方法是利用掃描光束周期性地照明被測物體，在物體邊緣上形成強對比度隨時間周期性變化的光分布，通過測量通光與遮光的時間差進行測長。一、長、寬尺寸信息的光電變換

§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換在成像系統(tǒng)中，物像之間有嚴格的幾何關(guān)系，被測物體離開理想物面時就會引起像面上的光照度分布的變化，利用這種現(xiàn)象可以測量軸向位移。二、位移信息的光電變換光焦點法：以聚焦光斑光密度分布的集中程度來判斷物體軸向位移的方法。1.像點軸上偏移檢測的光焦點法§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換

像偏移法又叫光切法。它是一種三角測量方式的軸向位移測量方法。二、位移信息的光電變換2.像點軸外偏移檢測的像偏移法§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換利用光電開關(guān)可以實現(xiàn)速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同時，光電開關(guān)是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控制和自動檢測。三、速度信息的光電變換1.光電耦合器件（光電開關(guān)）測速§

7.3幾何光學(xué)法的光電信息變換利用光電開關(guān)可以實現(xiàn)速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同時，光電開關(guān)是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控制和自動檢測。三、速度信息的光電變換2.光電耦合器件（光電開關(guān)）測速使用范圍：自動售貨機中硬幣檢測；反射型光電開關(guān)用于傳真、復(fù)??；透射式光電開關(guān)可用于圓盤光柵式讀數(shù)裝置（如電子秤）。§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換干涉方法的光電信息變換衍射方法的光電信息變換§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換利用光電方法對光波的各種干涉現(xiàn)象進行檢測和處理，最后解算出被測幾何和物理參量的技術(shù)，統(tǒng)稱為光電干涉測量技術(shù)。一、干涉方法的光電信息變換1.光電干涉測量技術(shù)§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換使用窄光束單頻光的干涉測量系統(tǒng)，檢測對象是干涉條紋波數(shù)或相位隨時間的變化，為一維空間單頻光的相位調(diào)制，適用于被測對象為物體的整體位移或運動。一、干涉方法的光電信息變換2.單頻光相干的條紋檢測當激光束擴束成為平行光照射到被測物體時，會形成由干涉條紋組成的平面干涉圖像。它反映了被測物面微觀面形的幾何參量的變化，是二維空間單頻光的相位調(diào)制?！?/p>

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.單頻光相干的條紋檢測干涉條紋時序變換的檢測可采用下列光電方法：干涉條紋光強檢測法、干涉條紋比較法和干涉條紋跟蹤法等窄光束或平行的單頻光位移、運動或面形光電系統(tǒng)干涉圖樣相位隨時間的變換§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.單頻光相干的條紋檢測利用光學(xué)干涉儀的雙光束或多光束干涉作用，以光電器件直接檢測條形或同心圓環(huán)形干涉條紋的光強變化來實現(xiàn)干涉條紋時序變化檢測的。（1）干涉條紋光強檢測法光源檢測§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.單頻光相干的條紋檢測利用兩束不同頻率的相干光作為光源，其中一束頻率已知，另一束未知，對應(yīng)同一位移，通過比較波長不同的兩束光干涉條紋頻率變化得到待測量的方法稱為干涉條紋比較法。（2）干涉條紋比較法§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換2.單頻光相干的條紋檢測干涉條紋跟蹤法為平衡測量的方法。（3）干涉條紋跟蹤法為保證干涉條紋的穩(wěn)定，使參考鏡根據(jù)測量鏡的位移做相應(yīng)的位移變化§

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換3.雙頻光相干的差頻檢測雙頻光的差頻檢測是將包含有被測信息的相干光調(diào)制波和基準的本機振蕩光波在滿足波前匹配的條件下，在光電探測器上進行光學(xué)混頻，光電探測器的輸出為兩光波的差頻電信號?！?/p>

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換3.雙頻光相干的差頻檢測作為基準的本機振蕩光波包含被測信息的相干光調(diào)制光電檢測系統(tǒng)差頻信號（拍頻）光學(xué)混頻差頻檢測的優(yōu)點：靈敏度高、輸出信噪比高、精度高、探測目標的作用距離遠等?！?/p>

7.4物理光學(xué)法的光電信息變換一、干涉方法的光電信息變換3.雙頻光相干的差頻檢測作為基準的本機振蕩光波包含被測信息的相干光調(diào)制光電檢測系統(tǒng)差頻信號（拍頻）光學(xué)混頻差頻檢測的優(yōu)點：靈敏度高、輸出信噪比高、精度高、探測目標的作用距離遠等。7.5時變光電信息的調(diào)制調(diào)制的基本原理與類型信號的調(diào)制調(diào)制信號的解調(diào)7.5.1調(diào)制的基本原理與類型1.載波與調(diào)制載波：在光電信息系統(tǒng)中，光通量為信息的載體，稱為載波。調(diào)制：使光載波信號的一個或幾個特征參數(shù)按被傳送信息的特征變化，以實現(xiàn)信息檢測傳送目的的方法稱為調(diào)制。解調(diào)：從已調(diào)制信號中分離并提取出有用的信息，即恢復(fù)原始信息的過程稱為解調(diào)。7.5.1調(diào)制的基本原理與類型1.光電信息調(diào)制的分類（1）按時空狀態(tài)分：①時間調(diào)制：載波隨時間和信息變化。②空間調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調(diào)制。③時空混合調(diào)制：載波隨時間、空間和信息同時變化。7.5.1調(diào)制的基本原理與類型1.光電信息調(diào)制的分類（2）按載波波形和調(diào)制方式分類：①直流載波調(diào)制：不隨時間而只隨信息變化的調(diào)制。②交變載波調(diào)制：載波隨時間周期變化的調(diào)制。交變載波又分為連續(xù)載波和脈沖載波方式：連續(xù)載波調(diào)制方式包括調(diào)輻波、調(diào)頻波、調(diào)相波；脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻。7.5.2信號的調(diào)制1.機電調(diào)制器2.光控調(diào)制器3.輻射源調(diào)制器7.5.2信號的調(diào)制1.機電調(diào)制器機電振子、旋轉(zhuǎn)光閘7.5.2信號的調(diào)制（1）

機電振子極化繼電器由極化磁場與控制電流通過控制線圈所產(chǎn)生的磁場的綜合作用而動作的繼電器。其極化磁場一般由磁鋼或通直流的極化線圈產(chǎn)生；繼電器銜鐵的吸動方向取決于控制繞組中流過的電流方向。它具有靈敏度高和動作速度快的突出優(yōu)點。7.5.2信號的調(diào)制（1）

機電振子優(yōu)點：振子結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)制方法簡單，不改變?nèi)肷涔獾念l率。缺點：調(diào)制頻率不高，穩(wěn)定性差。7.5.2信號的調(diào)制（2）

旋轉(zhuǎn)光閘

7.5.2信號的調(diào)制2.光控調(diào)制器材料折射率各向異性的性質(zhì)可在電場、磁場和機械力等外力作用下形成或改變，利用這些光控效應(yīng)實現(xiàn)對光波振幅、頻率、相位、偏振面等光學(xué)參量調(diào)制的儀器，是光控調(diào)制器。7.5.2信號的調(diào)制2.光控調(diào)制器（1）電光調(diào)制器①泡克耳斯Pockels調(diào)制器泡克耳斯效應(yīng)是一種線性電光效應(yīng)。某些晶體在電場作用下會產(chǎn)生一個附加的雙折射,這一雙折射與外加電場或外加電壓的一次方成正比。

1893年德國物理學(xué)家F.泡克耳斯首先研究了這種線性電光效應(yīng)，由此而得名。

7.5.2信號的調(diào)制2.光控調(diào)制器（1）電光調(diào)制器①泡克耳斯Pockels調(diào)制器

7.5.2信號的調(diào)制2.光控調(diào)制器（1）電光調(diào)制器②克爾Kerr調(diào)制器克爾效應(yīng)是一種二次電光效應(yīng)，在外電場作用下晶體的折射率變化與電場強度的平方成正比。這一現(xiàn)象是1875年J.克爾發(fā)現(xiàn)的。

7.5.2信號的調(diào)制2.光控調(diào)制器（2）其它光控調(diào)制器

7.5.2信號的調(diào)制3.輻射源調(diào)制器在光輻射源供電電源上施加交變或脈沖的激勵電壓，實現(xiàn)對光源發(fā)出的光進行調(diào)制。半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是目前應(yīng)用最廣泛的光通量調(diào)制器。7.2.2模-數(shù)光電變換電路

7.1節(jié)簡單的討論了模-數(shù)光電變換的特點，提出了模-數(shù)光電變換系統(tǒng)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。因此，模-數(shù)光電變換電路的設(shè)計要比模擬光電變換電路簡單得多。本節(jié)將通過幾個模-數(shù)光電變換電路的典型應(yīng)用學(xué)習(xí)這類變換電路。1.激光干涉測位移

如圖7-14所示為激光單路干涉測位移的原理圖。He-Ne激光器發(fā)出的光入射到反射鏡M1（分光器）上分成兩束，一束為參考光束，另一束為測量光。兩束光分別經(jīng)全反射鏡M2與M3回到M1，并在M1處產(chǎn)生干涉。干涉條紋被光電器件接收，形成脈沖信號。反射鏡M3的位置量的模擬信息將載于脈沖信號。顯然，參考光束與測量光束的光程不相等。當光程差Δ是波長λ的整數(shù)倍時，即Δ＝±K入(K=0，1，2，3…)時，兩束光波的相位相同，M1處的光強度最大(出現(xiàn)亮點)，光電器件輸出高電平；當光程差Δ＝±(K十1/2)λ時，兩束光波的位相差為π，M1處的光強度為零(出現(xiàn)暗點)

，光電器件輸出低電平。當M3沿著測量光束的光軸移動時，在M1上將出現(xiàn)亮暗交替的干涉條紋，其光強度的變化規(guī)律為Iv=Iov+IovKIcos(2πΔ/λ)(7-34)式中，Io為平均光強度，KI為干涉條紋的對比度。從式(7-34)可知，光程差每變化波長λ時，干涉條紋暗亮變化一次，當干涉條紋變化n次時，光程差Δ＝nλ。對于圖7-14所示結(jié)構(gòu)，光程差Δ是動鏡M3位移量L的二倍。因此，被測位移量

L=nλ/2(7-35)

只要計量干涉條紋的個數(shù)n，便可測出測量頭移動的長度。這種結(jié)構(gòu)的量化單位為λ/2。

測量頭左右移動的方向可以采用圖7-15所示判斷，根據(jù)兩個光電器件輸出脈沖的先后判斷測量頭的移動方向（即條紋是由亮變黑還是由黑變亮）。然后，采用可逆計數(shù)器進行加、減計數(shù)。2.莫爾條紋測位移兩塊光柵以微小角度重疊時，在與光柵大致垂直的方向上，將看到明暗相間的粗條紋，稱為莫爾條紋(moirefringe)。

如圖7-16所示為兩種計量光柵示意圖。其中圖（a）為刻劃光柵。圖7-16(b)為用臘腐蝕或照相腐蝕的方法制成的黑白光柵。計量光柵的黑白線條等寬，光柵的節(jié)距（光柵常數(shù)）為等間隔的。當兩快光柵接近重疊時便產(chǎn)生如圖7-17所示的莫爾條紋。圖7-17中的a－a線透光面積最大，形成條紋的亮帶，在b－b線上，光線被暗條相互遮擋，形成暗帶。

從條紋的形狀可以看出，莫爾條紋的位置在兩光柵刻線夾角θ的補角平分線上。當兩光柵相對移動時，莫爾條紋就在移動的垂直方向即θ角的平分線上移動。

假設(shè)光柵的節(jié)距為d，兩光柵的柵線夾角為θ，則條紋的間隔（寬度）m與d和θ的關(guān)系為

一般θ角很小，上式可簡化為

（7-36）

（7-37）

光柵每移一個柵距，莫爾條紋移過一個間隔（即一個條紋）。因此，只要計測條紋移過的個數(shù)n，便可計算出光柵的位移量L，即

L=nq(7-38)式中q=d為量化單位，表示每條紋的長度量。

圖7-18所示為光柵測長的原理圖。它先將長度量變換成莫爾條紋信號，然后再用光電器件讀取長度信息，這種光柵又稱為長光柵或長光柵付。它包含指示光柵與標尺光柵，指示光柵固定，標尺光柵的長度由位移量決定，一般較長。

莫爾條紋信號通過狹逢入射到光電器件上，它輸出的光電信號近似于正弦波。用兩個光電器件輸出的信號可以判斷光柵移動的方向。兩路光電信號的相位差為π/2，即一路為sinθ，另一路為cosθ。

圖7-19所示為測角度用的圓光柵的原理圖。圓光柵付包括指示光柵與圓光柵盤。圓光柵盤是在玻璃圓盤上等間隔地刻線制成。圓盤光柵與指示光柵重疊產(chǎn)生莫爾條紋。圓盤光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，可以轉(zhuǎn)動。指示光柵、光源、透鏡、與光電器件構(gòu)成固定的光電探測頭。當光柵轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，指示光柵與圓盤光柵產(chǎn)生的莫爾條紋將沿圓盤徑向移動，光電探測頭讀出并判斷莫爾條紋的移動量和方向，便將角度量變換成莫爾條紋信號。

顯然，這種裝置只能測量角度的變化量，不能得到角度的絕對值。因此，稱它為增量式編碼器。光柵盤每條刻線表示角度的增量，即量化單位。當光柵轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過一條刻線時，莫爾條紋將變化一次，通過計算莫爾條紋的變化次數(shù)n，便可得到轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度θ，即

θ=qn(7-39)式中q為量化單位，表示每條紋的角度量。

莫爾條紋法進行幾何量的測量有如下優(yōu)點：

1、

位移量的放大作用將莫爾條紋間隔與光柵距之比定義為光柵付的放大倍數(shù)α，對于微小傾角有

光電器件接收莫爾條紋光信號是光柵視場刻線n的綜合平均效果。因此，若每一刻線誤差為時，則光電器件輸出的總誤差

（7-41）例如，對于d=0.02mm的光柵付，用長為10mm的硅光電池接收，在視場內(nèi)同時有500根線工作。若單根線的誤差為±1μm，則光電池輸出的平均誤差僅為±0.04μm。

2、誤差的平均效應(yīng)

（7-40）

7.4物理光學(xué)方法的光電信息變換

7.4.1干涉方法的光電信息變換

物理光學(xué)的知識告訴我們，光具有波動的屬性，單一頻率的光波在它們的傳輸過程中會發(fā)生衍射，幾束光的疊加能形成干涉。衍射和干涉現(xiàn)象通常是發(fā)生在一定的空間域內(nèi)，由此組成各種衍射和干涉圖樣。衍射后的干涉現(xiàn)象組成了有名的莫爾條紋?？臻g分布的光波間的干涉可以形成全息圖樣和散斑圖樣。不同頻率光波間的干涉會形成光學(xué)拍頻，空間域內(nèi)的拍頻分布構(gòu)成光拍圖形。

1光電干涉測量技術(shù)

各種干涉現(xiàn)象都是以光波波長為基準，與形成它的外部幾何參數(shù)包括長度、距離、角度、面形、微位移、運動方向和速度、傳輸介質(zhì)等存在著嚴格的內(nèi)在聯(lián)系。

在這種變換過程中，光波作為物質(zhì)的載體，載荷了待測信息及其變化，表現(xiàn)出隨時間和空間改變的外觀特性。利用光電方法對光波的各種干涉現(xiàn)象進行檢測和處理，最后解算出被測幾何和物理參量的技術(shù)統(tǒng)稱作光電干涉測量技術(shù)。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，光電干涉技術(shù)以其巨大的生命力在信息科學(xué)中嶄露頭角，并取得了較大的發(fā)展。從信息處理的角度來看，干涉測量實質(zhì)上是待測信息對光頻載波的調(diào)制和解調(diào)的過程。各種類型的干涉儀器或干涉裝置是光頻波的調(diào)制器和解調(diào)器。我們用最常見的干涉儀來說明這個模型。圖7-30所示為它的結(jié)構(gòu)配制和信息流程。就其信息傳遞的實質(zhì)而言，實際的干涉儀結(jié)構(gòu)和工作過程可以用下列方式描述。干涉儀中的激光源是相干光載波的信號發(fā)生器，它產(chǎn)生振幅為A，頻率為，初相位為的載波信號，用表示。

干涉儀中用激光為相干光載波，它的振幅為A，頻率為f，初相位φ為的載波信號，用表示。載波信號分為二路引入干涉儀。在測量臂中受到待測位移信號的相位調(diào)制。形成的調(diào)相信號。待測信息為運動速度。產(chǎn)生的調(diào)頻信號為這樣測量臂起到信號調(diào)制器的作用。

ro圖樣（在測位移情況下）或確定光拍頻率（在測速情況下）的輸出信號。

已調(diào)制光頻波在干涉物上和來自參考臂的參考光波相干涉，呈現(xiàn)出具有穩(wěn)定的干涉這個信號消除了光頻載波的影響，以干涉條紋的相位分布或光拍的時間性變化表征出被測量的變化。因此這被看作是光學(xué)解調(diào)制的過程。干涉測量的調(diào)制和解調(diào)過程可以是時間性的，也可以是空間性的。根據(jù)調(diào)制的方式不同，形成了各種類型的光學(xué)圖樣。這種以光波的時空相干性為基礎(chǔ)，受被測信息調(diào)制的光波時空變換稱作相干光學(xué)信息。它的形成和檢測過程就是光載波受待測信息調(diào)制和已調(diào)制光波解調(diào)再現(xiàn)為信息的過程。根據(jù)相干光學(xué)信息的時空狀態(tài)和調(diào)制方式，可以分為：局部空間的一維時間調(diào)制的光信號和在二維空間內(nèi)時間或空間調(diào)制光信號。

2單頻光相干的條紋檢測（3）干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟蹤法為平衡測量的方法。在干涉儀測量鏡位置變化時，通過光電器件實時地檢測出干涉條紋的變化。同時利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動，以維持干涉條紋保持靜止不動。這時，根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動電壓的大小可以直接得到測量鏡的位移。圖7-34所示為利用這種原理測量微小位移的干涉測量裝置。這種方法能避免干涉測量的非線性的影響，并且不需要精確的相位測量裝置。但是所用跟蹤系統(tǒng)的固有慣性限制了測量的速度，只能測量10kHz以下的位移變化。7.4物理光學(xué)方法的光電信息變換

7.4.1干涉方法的光電信息變換

物理光學(xué)的知識告訴我們，光具有波動的屬性，單一頻率的光波在它們的傳輸過程中會發(fā)生衍射，幾束光的疊加能形成干涉。衍射和干涉現(xiàn)象通常是發(fā)生在一定的空間域內(nèi)，由此組成各種衍射和干涉圖樣。衍射后的干涉現(xiàn)象組成了有名的莫爾條紋?？臻g分布的光波間的干涉可以形成全息圖樣和散斑圖樣。不同頻率光波間的干涉會形成光學(xué)拍頻，空間域內(nèi)的拍頻分布構(gòu)成光拍圖形。

1光電干涉測量技術(shù)

各種干涉現(xiàn)象都是以光波波長為基準，與形成它的外部幾何參數(shù)包括長度、距離、角度、面形、微位移、運動方向和速度、傳輸介質(zhì)等存在著嚴格的內(nèi)在聯(lián)系。

在這種變換過程中，光波作為物質(zhì)的載體，載荷了待測信息及其變化，表現(xiàn)出隨時間和空間改變的外觀特性。利用光電方法對光波的各種干涉現(xiàn)象進行檢測和處理，最后解算出被測幾何和物理參量的技術(shù)統(tǒng)稱作光電干涉測量技術(shù)。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，光電干涉技術(shù)以其巨大的生命力在信息科學(xué)中嶄露頭角，并取得了較大的發(fā)展。從信息處理的角度來看，干涉測量實質(zhì)上是待測信息對光頻載波的調(diào)制和解調(diào)的過程。各種類型的干涉儀器或干涉裝置是光頻波的調(diào)制器和解調(diào)器。我們用最常見的干涉儀來說明這個模型。圖7-30所示為它的結(jié)構(gòu)配制和信息流程。就其信息傳遞的實質(zhì)而言，實際的干涉儀結(jié)構(gòu)和工作過程可以用下列方式描述。干涉儀中的激光源是相干光載波的信號發(fā)生器，它產(chǎn)生振幅為A，頻率為，初相位為的載波信號，用表示。

干涉儀中用激光為相干光載波，它的振幅為A，頻率為f，初相位φ為的載波信號，用表示。載波信號分為二路引入干涉儀。在測量臂中受到待測位移信號的相位調(diào)制。形成的調(diào)相信號。待測信息為運動速度。產(chǎn)生的調(diào)頻信號為這樣測量臂起到信號調(diào)制器的作用。

ro圖樣（在測位移情況下）或確定光拍頻率（在測速情況下）的輸出信號。

已調(diào)制光頻波在干涉物上和來自參考臂的參考光波相干涉，呈現(xiàn)出具有穩(wěn)定的干涉這個信號消除了光頻載波的影響，以干涉條紋的相位分布或光拍的時間性變化表征出被測量的變化。因此這被看作是光學(xué)解調(diào)制的過程。干涉測量的調(diào)制和解調(diào)過程可以是時間性的，也可以是空間性的。根據(jù)調(diào)制的方式不同，形成了各種類型的光學(xué)圖樣。這種以光波的時空相干性為基礎(chǔ)，受被測信息調(diào)制的光波時空變換稱作相干光學(xué)信息。它的形成和檢測過程就是光載波受待測信息調(diào)制和已調(diào)制光波解調(diào)再現(xiàn)為信息的過程。根據(jù)相干光學(xué)信息的時空狀態(tài)和調(diào)制方式，可以分為：局部空間的一維時間調(diào)制的光信號和在二維空間內(nèi)時間或空間調(diào)制光信號。

2單頻光相干的條紋檢測（3）干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟蹤法為平衡測量的方法。在干涉儀測量鏡位置變化時，通過光電器件實時地檢測出干涉條紋的變化。同時利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動，以維持干涉條紋保持靜止不動。這時，根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動電壓的大小可以直接得到測量鏡的位移。圖7-34所示為利用這種原理測量微小位移的干涉測量裝置。這種方法能避免干涉測量的非線性的影響，并且不需要精確的相位測量裝置。但是所用跟蹤系統(tǒng)的固有慣性限制了測量的速度，只能測量10kHz以下的位移變化。7.4.2衍射方法的光電信息變換

1、夫瑯和費單縫衍射

氦氖激光器發(fā)出的單色平行光垂直照射在寬為b的狹縫AB上，經(jīng)透鏡在其焦平面處的屏幕上形成夫瑯和費衍射圖樣。若衍射角為的一束平行光經(jīng)透鏡聚焦在屏幕上的P點，如圖7-43所示，

圖中AC垂直BC，因此衍射角為的光線從狹縫A、B兩邊到達P點的光程差，即它們的兩條邊緣光線之間的光程差為

（7-72）

P點干涉條紋的亮暗由BC值決定，用數(shù)學(xué)式表示如下：

（7-73）

式中的號表示亮暗條紋分布于零級亮條紋的兩側(cè)；相應(yīng)為第一級，第二級，……等亮（或暗）條紋。中央零級亮條紋最亮最寬，為其它亮條紋寬度的二倍。兩側(cè)亮條紋的亮度隨級數(shù)增大而逐漸減小，它們的位置可近似地認為是等距分布的，暗點等距分布在中心兩點的兩側(cè)。

當狹縫寬度b變小時，衍射條紋將對稱于中心亮點向兩邊擴展，條紋間距增大。激光衍射圖樣明亮清晰，衍射級次可以很高。

若屏幕離開狹縫的距離L遠大于狹縫寬度b時，將透鏡取掉，仍可以在屏幕上得到垂直于縫寬方向的亮暗相間的夫瑯和費衍射圖樣。由于角很小。因此由圖7-43和式（7-73）可得

式中，為從＝0算起的暗點數(shù)，為第K級暗點到中心亮紋之間的間距，λ為激光的波長，（7-74）為相鄰兩點的間隔。圖7-44所示為距離屏幕的距離L為1m處，不同狹縫寬度b所形成的衍射圖樣。由于b值的微小變化將引起條紋位置和間隔的明顯變化，因此可以用目測或照相記錄或光電的方法測量出條紋間距，從而求得b值或其變化量。利用物體的微小間隔、位移或振動等代替狹縫或狹縫的一邊，則可測量物體的微小間隔、位移或振動等。2夫瑯和費細絲衍射

夫瑯和費單縫激光衍射傳感器的誤差由L、的測量精度決定。被測狹縫寬度b一般為0.01～0.5mm。

如圖7-45所示，由氦氖激光器發(fā)出的激光束照射細絲（被測物）時，其衍射效應(yīng)和狹縫一樣，在屏幕（在焦距為f的透鏡的焦平面處）上形成夫瑯和費衍射圖樣。與上同理，相鄰兩暗點或亮點間隔S與細絲直徑d的關(guān)系為

（7-75）

當d變化時，各條紋位置和間距隨之變化。因此可根據(jù)亮點或暗點間的距測出細絲的直徑。若在屏幕位置放置線陣CCD傳感器件，可以直接讀出亮、暗條紋的間距，即可測出細絲的直徑。測量范圍約為0.01～0.1mm，分辨力為0.05mm，測量精度一般為0.1mm，也可高達0.05mm。

3.應(yīng)用舉例

利用激光衍射傳感器可以測量微小間隔（如薄膜材料表面涂層厚度），微小直徑（如漆包線，棒料直徑變化量），薄帶寬度（如鐘表游絲），狹縫寬度，微孔孔徑，微小位移以及能轉(zhuǎn)換成位移的物理量如重量、溫度、振動、加速度、壓力等。

（2）激光衍射振幅測量儀

如圖7-47所示，為激光衍射測量振動幅度的原理。激光射入基準棱和被測物組成的狹縫，在p處產(chǎn)生衍射圖樣。

設(shè)狹縫的初始寬度為b、光電器件置于第k（一般取2或3）級條紋的暗點處，距零級中心線為xk，xk=kLλ/b。當被測物作簡諧振動時，振動方程為x=XMsinωt，則狹縫寬度變?yōu)閎=XMsinωt，衍射條紋位置和間隔相應(yīng)變化，根據(jù)式（7-75）可得

(7-76)

因此，為的函數(shù)。由于光電器件的位置固定，即為定值，的變化使光電器件所接收的光強隨之變化。若滿足條件，便可以直接測出物體振動的幅度。

7.5時變光電信息的調(diào)制

7.5.1調(diào)制的基本原理與類型1.載波與調(diào)制

在許多情況下人為地使載波光通量隨時間或空間變化，形成多變量的載波信號。然后，再使其特征參數(shù)隨被測信息而改變。使它對已隨時間調(diào)制的光通量特征參數(shù)再進行調(diào)制，也稱為二次調(diào)制。使光載波參數(shù)按確定的時間或空間規(guī)律變換似乎增加了信號的復(fù)雜性，但是，它有助于信息傳輸過程中信號處理和傳輸能力的提高，能更好地從背景噪聲和干擾中分離出有用的信號，提高信噪比和測量靈敏度。此外，調(diào)制信號還能簡化檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改善系統(tǒng)的工作品質(zhì)，擴大目標定位系統(tǒng)的視場和搜索范圍。

2.光電信息調(diào)制的分類

因此，調(diào)制技術(shù)是光電檢測系統(tǒng)中常用的方法。在輻射源或光路系統(tǒng)中進行光通量調(diào)制的裝置稱為調(diào)制器。從已調(diào)制信號中分離并提取出有用的信息，即恢復(fù)原始信息的過程稱為解調(diào)。

光學(xué)調(diào)制按時空狀態(tài)和載波性質(zhì)可分為以下幾種類型。

（1）按時空狀態(tài)分類①時間調(diào)制：載波隨時間和信息變化。②空間調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調(diào)制。③時空混合調(diào)制：載波隨時間、空間和信息同時變化。3.典型的調(diào)制方法

(2)按載波波形和調(diào)制方式分類①直流載波：不隨時間而只隨信息變化的調(diào)制；②交變載波：載波隨時間周期變化的調(diào)制。交變載波又分為連續(xù)載波與脈沖載波方式。連續(xù)載波調(diào)制方式包括調(diào)幅波、調(diào)頻波、調(diào)相波。脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻等內(nèi)容。光通量的調(diào)制可以在輻射源或光路系統(tǒng)中進行，能實現(xiàn)調(diào)制作用的裝置稱作調(diào)制器。從己調(diào)制信號中分離或提取有用信息的過程稱作解調(diào)。

(1)連續(xù)波調(diào)制連續(xù)波調(diào)制的光載波通常具有諧波的形式，用下列函數(shù)描述式中φ0為光通量的直流分量，一般不載荷任何信息；φm和ω為載波交變分量的振幅和頻率。

由于光載波不可能是負值，所以載波的交變分量總是疊加在直流分量之上，被測信息可以對交流分量的振幅、頻率或者初相位等參數(shù)進行調(diào)制，使之隨信息變化。一般情況下，調(diào)制后的載波信號的形式為

式中，V（t）為由被測信息決定的調(diào)制函數(shù)，根據(jù)調(diào)制參量的不同可以分為：

振幅調(diào)制（AM）：調(diào)制參量為；頻率調(diào)制（FM）：調(diào)制參量為；相位調(diào)制（PM）：調(diào)制參量為載波的初始相位。

（7-77）

①

振幅調(diào)制

光載波信號的幅度瞬時值隨調(diào)制信息成比例變化，而頻率、相位保持不變的調(diào)制方法稱幅度調(diào)制或調(diào)幅。此時，若式（7-77）中的為

（7-78）

則式（7-78）變成

式中V（t）是調(diào)制函數(shù)，規(guī)定；m是調(diào)制度或調(diào)制深度，表示V（t）對載波幅度的調(diào)制能力，并且

（7-79）

以最簡單的正弦調(diào)制函數(shù)為例討論幅度調(diào)制的一般規(guī)律，分析調(diào)幅波的形成過程和它的頻譜分布。

如圖7-48（a）所示為按單一諧波規(guī)律變化的被傳送信息，

，式中，為被測信息的諧波角頻率；F、φ為相應(yīng)的頻率和初相位。圖7-48（b）所示為正弦載波。當被傳送信息的初始相位φ=0時，被調(diào)制的載波信號為

（7-80）

相應(yīng)的波形圖如圖7-48(c)所示。

將式(7-80)用數(shù)學(xué)三角公式展開，得到調(diào)幅波的頻譜

（7-81）

相應(yīng)的頻譜如圖7-48(d)所示。

可見，正弦調(diào)制函數(shù)的調(diào)幅信號除了零頻率分量外還包含有三個諧波分量，即以f0為中心頻率的基頻和基波振幅之半、頻率分別為（f0+F0）、（f0-F0）的兩個分量。

對于頻譜分布在F0△F（Ω=2πF0）范圍內(nèi)的任意函數(shù)V(t)，所對應(yīng)的調(diào)幅波頻譜是由以載波頻率f0為中心的一系列邊頻組成，分別為f0F1；f0F2；…；f0ΔF。式中F1，F(xiàn)2…均為ΔF內(nèi)的頻譜分量；頻譜圖如圖7-48(e)所示。若調(diào)制信號具有連續(xù)的帶寬Fmax，則調(diào)幅波的頻帶是f0Fmax，帶寬為Bm=2

Fmax，其中Fmax是調(diào)制信號的最高頻率（圖中虛線）。

調(diào)制載波的頻譜是選擇檢測通道帶寬的依據(jù)。如若載波頻率為f0=10kHz，調(diào)制信號頻率為F0＝500Hz，則調(diào)幅后的載波頻譜分布在fL＝（10－0.5）kHz＝9.5kHz和fH＝（10＋0.5）kHz＝10.5kHz之間，也就是調(diào)幅波的帶寬為Bm=1kHz。因此，檢測通道的帶寬滿足Bm的要求，對帶寬外的信號進行有選擇地濾波，以便減少噪聲和干擾，有利于提高信噪比。

②

頻率調(diào)制頻率調(diào)制是指載波的頻率按調(diào)制信號的幅度改變，使調(diào)制后的調(diào)頻波頻率偏離原有的載波頻率，而偏離值與調(diào)制信號幅度瞬時值成正比，簡稱為調(diào)頻。

式（7-77）中的調(diào)制項為

（7-82）

式中V（t）為調(diào)制函數(shù)，規(guī)定；是載波頻率相對于中心頻率f的最大頻率偏差，簡稱頻偏。

0當時，載波頻率的變化最大，為。將式（7-82）代入式(7-77)中得

（7-83）

若有余弦調(diào)制函數(shù)的情況，即，式中為調(diào)制角頻率。則式(7-83)可寫成

式中

為頻率調(diào)制指數(shù)。為偏頻，F(xiàn)為調(diào)制頻率。m表示單位調(diào)制頻率引起偏頻變化的大小。在設(shè)計時確定。

f當時稱為寬帶調(diào)頻，時稱為窄帶調(diào)頻。調(diào)頻信號的波形如圖7-49所示。圖7-49（a）所示為調(diào)頻信號的波形，圖7-49（b）所示為調(diào)頻信號的頻譜。

將式（7-84）展開

（7-85）

在窄帶調(diào)頻的情況下，式(7-85)中的

（7-84），；則式（7-84）可寫成（7-86）

頻譜的基波頻率為，組合頻率為和。

一般情況下，調(diào)制信號形式比較復(fù)雜時，頻譜是以載波頻率為中心的一個帶寬域，帶寬因而異。窄帶調(diào)頻時的帶寬為，寬帶調(diào)頻時的帶寬為。例如，對光通量調(diào)頻，若F=300Hz，則當

=40時

=24.6kHz=4時

=3kHz

=0.4時

=0.86kHz

光輻射調(diào)頻不但可以對交變的光通量進行，而且可以對光頻振蕩進行調(diào)頻。例如可以對激光器進行調(diào)頻以便得到中心載波頻率為f0=5×1014Hz、調(diào)制頻率Δfmax=44MHz的頻率調(diào)制，相對頻偏為9×10-8。

③

相位調(diào)制

相位調(diào)制為載波的相位角隨著調(diào)制信號的變化而變化的調(diào)制。調(diào)頻和調(diào)相兩種調(diào)制波最終都表現(xiàn)為總相角的變化。相位調(diào)制是式（7-77）中的相位角φ隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波的總相位角為

則調(diào)相波可寫為

（7-87）

（7-88）

式中為相位比例系數(shù)，φc為相位角。

(2)脈沖調(diào)制以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是連續(xù)振蕩波稱為模擬調(diào)制。目前，廣泛地采用不連續(xù)狀態(tài)的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（編碼調(diào)制）。如將直流信號用間歇通斷的方法調(diào)制，可以得到連續(xù)的脈沖載波。若使載波脈沖的幅度、相位、頻率、脈寬及其它的組合按調(diào)制信號改變就會得到不同的脈沖調(diào)制。脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制等。圖7-50所示為各種類型的脈沖調(diào)制方式的波形圖。(3)編碼調(diào)制編碼調(diào)制把模擬信號先變成序列脈沖，再變成代表信號信息的二進制編碼，然后對載波進行強度調(diào)制。編碼調(diào)制，包含三個過程，即，采樣、量化和編碼。將連續(xù)信號分割成不連續(xù)脈沖的過程稱為采樣，序列脈沖的幅度與信號的幅度相對應(yīng)。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率比所傳遞信號的最高頻率大兩倍以上，就能夠恢復(fù)原信號。

將采樣后的調(diào)幅脈沖進行分級、取“整”處理的過程稱為量化，它用有限個數(shù)代表采樣值的大小。

將量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二進制碼的過程稱為編碼。編碼調(diào)制方式具有很強的抗干擾能力，在數(shù)字通信中得到廣泛的應(yīng)用。

(4)其它參量調(diào)制能夠表征光波的幾何或物理特性的參量除光強、變化頻率和相位之外還有許多其他的參量，比如光傳輸中偏振方向和傳播方向等，這些參量也能作為調(diào)制的對象，用來傳送有用的信息。

如光波在旋光性物質(zhì)中傳播時，偏振面的轉(zhuǎn)動可以用來取得有關(guān)該物質(zhì)性質(zhì)的信息。例如糖溶液或松節(jié)油可使通過該溶液偏振光的偏振面轉(zhuǎn)角Δφ，它不僅與通過溶液的路程l有關(guān)，而且還正比于溶液的濃度c，即

（7-89）

式中，a為溶液的旋光率。由于偏振面的旋轉(zhuǎn)角有方向性，例如葡萄糖為右旋，果糖為左旋，因此，通過測量偏振的旋轉(zhuǎn)角可以獲得溶液的濃度和物質(zhì)的性質(zhì)。7.5.3調(diào)制信號的解調(diào)

如圖7-51所示，周期性地改變起偏器偏振角的位置，使入射光輻射的電場強度矢量E相對平均位置周期性變化，單位時間內(nèi)E的變化次數(shù)為調(diào)制頻率，最大偏轉(zhuǎn)角為φmax。從已調(diào)制信號中分離出有用信息的過程稱為解調(diào)，所以也稱作檢波，是信號調(diào)制的相反過程。實現(xiàn)解調(diào)作用的裝置是解調(diào)器。

不同的調(diào)制信號有不同的解調(diào)方法。下面介紹調(diào)幅波解調(diào)的直線律檢波和相位調(diào)制波的解調(diào)器—相敏檢波。

1．直線律檢波(1)二極管的檢波特性解調(diào)是將調(diào)制信號從載波中分離出來。顯然，這個信號的變換過程為非線性過程，需要利用非線性元件來完成。利用具有良好單向?qū)щ娞匦缘亩O管構(gòu)成的如圖7-57所示的檢波電路可以實現(xiàn)調(diào)幅波的解調(diào)工作。圖7-57所示的檢波電路由檢波二極管D、負載電阻R和濾波電容C構(gòu)成。

當如圖7-58所示的調(diào)幅波Uin（如圖7-58(a)所示）送入到檢波電路輸入端時，經(jīng)二極管檢波器輸出如圖7-58(b)所示的半波整流信號。即半波整流的輸出電壓為

（7-91）

(2)調(diào)幅信號的解調(diào)用直線律檢波器對調(diào)幅信號進行解調(diào)是最簡單的解調(diào)方式。假設(shè)按正弦規(guī)律調(diào)幅的光載波信號經(jīng)光電變換及隔直處理后具有下列形式

（7-92）

式中m為調(diào)制度