光電技術(shù) 精品課件

1、光電技術(shù) 第1頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一7.l 光電信息變換的分類 7.1.1 光電信息變換的基本形式 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）溫度信息頻譜信息強度信息鋼水溫度的探測光譜分析火災(zāi)報警武器制導(dǎo)夜視觀察地形地貌普查成像測量第2頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一第3頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 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。為克服直流放大器的零點漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采用光學(xué)調(diào)制技術(shù)或電子斬波調(diào)制的方法

2、將其變?yōu)榻涣餍盘?，然后再解調(diào)出被測信息。 在全輻射測溫應(yīng)用中溫度信息存在于光源的輻射出射度Me, ，由斯忒藩玻爾茲曼定律可知物體的全輻射出射度Me與物體溫度的關(guān)系為 例：全輻射測溫第4頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 式中Me, s為同溫度黑體的輻射出射度，為物體的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。T為被測體的溫度，即測量的信息量。 在近距離測量時，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換電路輸出的電壓信號為式中，m為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，為光學(xué)系統(tǒng)的透過濾，S為光電器件的靈敏度，G為變換電路的變換系數(shù)，K為放大器的放大倍數(shù)，= mSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。第5頁，

3、共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一表明變換電路輸出的電壓信號US是溫度T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，并進行相應(yīng)的標(biāo)定就能夠測出物體的溫度。 這樣有：第6頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一2. 信息載荷于透明體的方式 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(zhì)材料對光的吸收系數(shù)等都為載荷信息的方式。式中為透明介質(zhì)對光的吸收系數(shù)，它與介質(zhì)的濃度C成正比，即=C。顯然，為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。 提取信息的方法常用光通過透明介質(zhì)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 第7頁，共1

4、9頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 當(dāng)透明介質(zhì)的系數(shù)為常數(shù)時，光通量的損耗與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l有關(guān).變換電路的輸出信號電壓Us為兩邊取自然對數(shù)后 即將變換電路的輸出信號電壓Us送入對數(shù)放大器后，便可以獲得與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l有關(guān)信號。利用此信號可以方便地得到介質(zhì)的濃度C（在介質(zhì)的厚度l確定的情況下），或得到介質(zhì)的厚度l（在介質(zhì)的濃度C確定的情況下）。還可以測量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等質(zhì)量問題。 第8頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一3. 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

5、同的物理性質(zhì)和特點。利用這些性質(zhì)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(shù)中常用作合作目標(biāo)，用它來判斷光信號的有無等信息的檢測。 在檢測產(chǎn)品外觀質(zhì)量時，變換電路輸出的疵病信號電壓第9頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 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(nèi)疵病所占的面積，為光電變換系數(shù)。由式可知，當(dāng)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(yīng)用外，還可應(yīng)用于電視攝像、文字識別、激光測距、激光

6、制導(dǎo)等方面。 第10頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一4. 信息載荷于遮擋光的方式 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(shè)光電器件光敏面的寬度為b，高度為h，當(dāng)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第11頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一變換電路輸出的面積變化信號電壓為 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

7、儀等測量儀器均屬于這種方式。 當(dāng)然可以用這種方式用于產(chǎn)品的光電計數(shù)，光控開關(guān)，和主動式防盜報警等。 第12頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一5. 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)量化器包含有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。 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)中得到廣泛的應(yīng)用。 長度或角度的信息量經(jīng)光學(xué)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)字信號輸出。光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)量化器量化后送給光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號

8、，再送給數(shù)字電路處理或送給計算機進行處理或運算。第13頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 例如，將長度信息量L經(jīng)光學(xué)量化后形成n個條紋信號，量化后的長度信息L為 L=qn 式中，q稱為長度的量化單位，它與光學(xué)量化器的性質(zhì)有關(guān)，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，q為激光波長的1/4或1/8，視具體的光學(xué)結(jié)構(gòu)而定。 目前，這種變換形式已廣泛地應(yīng)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。 第14頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一6. 光通訊方式的信息變換 信

9、息首先對光源進行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號，通過光導(dǎo)顯微傳送到遠方的目的地，再通過解調(diào)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，失真小等特點現(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。 目前，光通訊技術(shù)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(shù)。光通訊技術(shù)的實質(zhì)是光電變換的一種基本形式，稱為光信息通訊的變換方式。第15頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一7.1.2 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.

10、 模擬光電變換 第16頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一 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?？杀硎緸榈?7頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一2. 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)第18頁，共19頁，2022年，5月20日，4點22分，星期一顯然，數(shù)字