光電技術(shù)-07光電信息變換課件

第7章

光電信息變換

7.l

光電信息變換的分類

第7章光電信息變換7.l光電信息變換的分類17.1.1光電信息變換的基本形式

光電信息變換的分類可從兩個(gè)方面來分，一方面根據(jù)信息載入光學(xué)信息的方式分為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(hào)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。

1.信息載荷于光源的方式

7.1.1光電信息變換的基本形式光電信2光電技術(shù)_07光電信息變換課件3物體的全輻射出射度Me,λ與物體溫度的關(guān)系為Me,λ=εMe,λ，s=εσT4(7-1)

式中Me,λ，s為同溫度黑體的輻射出射度，ε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(cè)體的溫度，即測(cè)量的信息量。物體的全輻射出射度Me,λ與物體溫度的關(guān)系為Me,λ=4

近距離測(cè)量時(shí)，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(hào)為US=mτSGKMe,λ=ξMe,λ(7-2)m--光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，τ--光學(xué)系統(tǒng)的透過濾，S--光電器件的靈敏度，G--變換電路的變換系數(shù)，K--放大器的放大倍數(shù)，ξ=mτSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。US=ξεσT4（7-3）近距離測(cè)量時(shí)，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的52.信息載荷于透明體的方式

信息載荷于透明體中的情況。

提取信息的方法常用光通過透明介質(zhì)時(shí)光通量的損耗與入射通量及材料對(duì)光吸收的規(guī)律求解。即

（7-4）

α--為透明介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，α=μC。（7-5）

2.信息載荷于透明體的方式信息載荷于透明體中的6采用如圖7-1(a)所示的變換方式，變換電路的輸出信號(hào)電壓Us為即將變換電路的輸出信號(hào)電壓Us送入對(duì)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(hào)。（7-6）

兩邊取自然對(duì)數(shù)后

lnUs=lnU0―μCl

（7-7）

采用如圖7-1(a)所示的變換方式，變換電路的輸出信號(hào)電壓7

在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓

US=E(r1-r2)Bξ

（7-8）E--被測(cè)表面的照度，r1--正品表面的反射系數(shù)，R2--疵病表面的反射系數(shù)，B--光電器件有效視場(chǎng)內(nèi)疵病所占的面積，ξ--光電變換系數(shù)。

這種方式可應(yīng)用電視攝像、文字識(shí)別、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等方面。

3.信息載荷于反射光的方式在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓84.信息載荷于遮擋光的方式

設(shè)光電器件光敏面的寬度為b，高度為h，當(dāng)被測(cè)物體的寬度大于光敏面的寬度b時(shí)，物體沿光敏面高度方向運(yùn)動(dòng)的位移量為Δl，則物體遮擋入射到光敏面上的面積變化為

ΔA=bΔl

（7-9）變換電路輸出的面積變化信號(hào)電壓為

ΔU=EΔAξ=EbξΔl

（7-10）

可以用這種方式用于產(chǎn)品的光電計(jì)數(shù)，光控開關(guān)，和主動(dòng)式防盜報(bào)警等。

4.信息載荷于遮擋光的方式設(shè)光電器件光敏面的寬度為b，95.信息載荷于光學(xué)量化器的方式

光信息量化的變換方式在位移量（長(zhǎng)度、寬度和角度）的光電測(cè)量系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

5.信息載荷于光學(xué)量化器的方式10L=qn

（7-11）q--長(zhǎng)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(shí)，量化單位q等于光柵的節(jié)距，在微米量級(jí)；而采用激光干涉量化器時(shí)，q為激光波長(zhǎng)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(cè)量、角度測(cè)量和精密機(jī)床加工量的自動(dòng)控制等方面。

L=qn（7116.光通訊方式的信息變換

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(shí)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。如圖7-1(f)所示，信息首先對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號(hào)，通過光導(dǎo)顯微傳送到遠(yuǎn)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(diǎn)現(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。

6.光通訊方式的信息變換127.1.2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.模擬光電變換

被測(cè)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(shí)，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(hào)的形式輸出。

Ip=f(Q)（7-12）

Up=f(Q)（7-13）7.1.2光電信息變換的類型光電信息變換和信息132.模-數(shù)光電變換這類光電變換電路的輸出信號(hào)不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F。它與被測(cè)信息量Q的函數(shù)關(guān)系為

F=f(Q)（7-14）顯然，數(shù)字信息量F只取決于光通量變化的頻率、周期、相位和時(shí)間間隔等信息參數(shù)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)，也不受電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等外界因素的影響。2.模-數(shù)光電變換147.2光電變換電路的分類

7.2.1模擬光電變換電路

凡輸出信號(hào)電流（或電壓）與入射光度量具有式（7-12）或（7-13）所述關(guān)系的變換電路都稱為模擬光電變換電路。根據(jù)光電信息變換的內(nèi)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：

7.2光電變換電路的分類7.2.1模擬光電變換電路151.簡(jiǎn)單變換電路

調(diào)整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上的照度。

1.簡(jiǎn)單變換電路調(diào)整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上16放大倍率為β，則流過電阻R1與R2的電流I1為I1=I2+IB=βSEV+IB

（7-15）設(shè)I1?IB，可以推出（7-16）集電極電流IC為

由（7-17）式可見，當(dāng)入射光很弱時(shí)，EV→0，流過光電三極管3DU2的電流近似為0，IC為最大值ICM

（7-17）放大倍率為β，則流過電阻R1與R2的電流I1為（7-16）集17（7-18）

（7-19）

（7-18）（7-19）182.具有溫度補(bǔ)償功能的變換電路

故，輸出電壓UO為

（7-20）

圖7-4所示為具有溫度補(bǔ)償功能的光電變換電路，圖中D1為測(cè)光光電二極管，D2為補(bǔ)償光電二極管，D1、D2及電阻、可變電阻器構(gòu)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β有關(guān)，而且與三極管的基射結(jié)電阻rbe有關(guān)。而β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(cè)量電路的穩(wěn)定性，需要引入溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。2.具有溫度補(bǔ)償功能的變換電路故，輸出電壓UO為（7-19

在背景光照下調(diào)整可變電阻器使電橋平衡，輸出電壓表指示為“零”。當(dāng)測(cè)光光電二極管光敏面上的光照度發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出電壓表將指示出光敏面上的光照度。

補(bǔ)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(gè)光電二極管的溫度漂移基本相同，又分別處于兩個(gè)橋臂，相互補(bǔ)償，達(dá)到消除溫度對(duì)測(cè)量電路造成的影響。

在背景光照下調(diào)整可變電阻器使電橋平衡，輸出電壓表指示20設(shè)光電二極管的電流為I1，三極管的基極電壓應(yīng)為Ube熱敏電阻Rt可以補(bǔ)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(gè)溫度槽內(nèi)也不可能達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康?。提出了差分式光電變換電路方暗。

設(shè)光電二極管的電流為I1，三極管的基極電壓應(yīng)為Ube熱敏電阻21

3.差分式光電變換電路

3.差分式光電變換電路22雙光路差分式光電變換器的原理結(jié)構(gòu)圖：光源發(fā)出的光通過反光鏡分別進(jìn)入?yún)⒖枷到y(tǒng)與測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)。

D1與D2的特性參數(shù)應(yīng)盡量一致。D1與D2按圖7-9所示的差分電路的形式連接。設(shè)參考系統(tǒng)光電器件D1的輸出電壓為UD1，測(cè)量光學(xué)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(hào)電壓為UO=K（UD2－UD1）（7-22）

式中K為放大器的放大倍率。雙光路差分式光電變換器的原理結(jié)構(gòu)圖：光源發(fā)出的光通過反光鏡分23

常用的雙光路雙器件光電變換器：

兩個(gè)光電二極管的輸出信號(hào)可以進(jìn)行差分比較，測(cè)量被測(cè)面的顏色與標(biāo)準(zhǔn)色板的差；也可以采用分別輸出的方式，并將測(cè)量結(jié)果經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

由于雙光路雙器件光電變換電路的輸出信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)輸出信號(hào)的差成正比，因此，測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)隨溫度與光源的影響將被消除。常用的雙光路雙器件光電變換器：24雙光路單光電器件的光電檢測(cè)系統(tǒng)：雙光路單光電器件的光電檢測(cè)系統(tǒng)：254.光外差式光電變換電路兩光束在分光器上相干，得到差拍信號(hào)

4.光外差式光電變換電路兩光束在分光器上相干，得到差拍信26輻射到光電探測(cè)器上的輻射為

光電探測(cè)器輸出的電流為

(7-23)

(7-24)

若Es?EL，式（7-24）變?yōu)?/p>

(7-25)

式中a為比例系數(shù)。

由于輻射通量Φ，，所以

(7-26)

輻射到光電探測(cè)器上的輻射為光電探測(cè)器輸出的電流為(7-227

如果采用選頻放大器放大探測(cè)器的輸出信號(hào)，其交流分量為

假設(shè)直接變換的輸出信號(hào)的交流分量為

則，可以得到光外差式和直接式變換靈敏度的比值Gs=(φeL/φes)1/2。因?yàn)棣誩L?φes，所以外差式變換電路的靈敏度比直接式變換要高得多，一般要高103~104數(shù)量級(jí)。

假設(shè)光電探測(cè)器為硅光電二極管，其輸出信號(hào)電流的均方值為

（7-28）

(7-27)如果采用選頻放大器放大探測(cè)器的輸出信號(hào)，其交流分量為28輸出噪聲電流主要是散粒噪聲，忽略暗電流后為

故，信噪比與噪聲等效功率分別為

（7-30）采用CO2激光器，波長(zhǎng)λ=10.6μm，帶寬Δf=107Hz，量子效率η=50%，則得出

而直接探測(cè)的情況，在不考慮背景和暗電流情況下，

輸出噪聲電流主要是散粒噪聲，忽略暗電流后為故，信噪比與噪聲29（7-33）

（7-32）比較式（7-30）和式（7-32），可見光外差式的S/N提高了一倍。如果考慮背景噪聲，光外差式的S/N提高得更高。

（7-33）（7-32）比較式（7-30）和式（7-32）307.2.2模-數(shù)光電變換電路1.激光干涉測(cè)位移

激光單路干涉測(cè)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(cè)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。7.2.2模-數(shù)光電變換電路1.激光干涉測(cè)位移激光31Iv=Iov+IovKIcos(2πΔ/λ)(7-34)Io--平均光強(qiáng)度，KI--干涉條紋的對(duì)比度。被測(cè)位移量L=nλ/2(7-35)

只要計(jì)量干涉條紋的個(gè)數(shù)n，便可測(cè)出測(cè)量頭移動(dòng)的長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)的量化單位為λ/2。

322.莫爾條紋測(cè)位移

兩塊光柵以微小角度重疊時(shí)，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(jì)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(jì)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。2.莫爾條紋測(cè)位移兩塊光柵以微小角度重疊時(shí)，在與光柵33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(bǔ)角平分線上。當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就在移動(dòng)的垂直方向即θ角的平分線上移動(dòng)。

一般θ角很小，上式可簡(jiǎn)化為

（7-36）

（7-37）

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(bǔ)角34

光柵每移一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)間隔（即一個(gè)條紋）。因此，只要計(jì)測(cè)條紋移過的個(gè)數(shù)n，便可計(jì)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(zhǎng)度量。

光柵測(cè)長(zhǎng)的原理：先將長(zhǎng)度量變換成莫爾條紋信號(hào)，然后再用光電器件讀取長(zhǎng)度信息，這種光柵又稱為長(zhǎng)光柵或長(zhǎng)光柵付。它包含指示光柵與標(biāo)尺光柵，指示光柵固定，標(biāo)尺光柵的長(zhǎng)度由位移量決定，一般較長(zhǎng)。

光柵每移一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)間隔（即一個(gè)條紋）35

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

莫爾條紋信號(hào)通過狹逢入射到光電器件上，它輸出的光電信36

顯然，這種裝置只能測(cè)量角度的變化量，不能得到角度的絕對(duì)值。因此，稱它為增量式編碼器。轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度θ，即θ=qn(7-39)莫爾條紋法進(jìn)行幾何量的測(cè)量有如下優(yōu)點(diǎn)：

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(duì)于微小傾角有

顯然，這種裝置只能測(cè)量角度的變化量，不能得到角度的絕對(duì)值37

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

（7-41）2、誤差的平均效應(yīng)

（7-40）

光電器件接收莫爾條紋光信號(hào)是光柵視場(chǎng)刻線n的綜合平均效果387.3幾何光學(xué)方法的光電信息變換

7.3.1長(zhǎng)、寬尺寸信息的光電變換

將目標(biāo)或工件的長(zhǎng)、寬等尺寸信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦畔⒌姆椒ㄓ型队胺糯蠓?，激光三角測(cè)量法，光學(xué)靈敏杠桿測(cè)量法，激光掃描測(cè)量法和差動(dòng)測(cè)量法等。⒋激光掃描法

激光掃描法是1972年發(fā)展起來的一種技術(shù)，有人稱之為L(zhǎng)aserShadowGauge。1975年推出了第一臺(tái)儀器并申請(qǐng)了專利。這種方法使用至今，現(xiàn)在已經(jīng)有很多不同型號(hào)的儀器產(chǎn)品。如圖7-25所示為激光掃描法的原理圖。激光束經(jīng)過透鏡1后被反射鏡反射，由于同步位相馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)而形成掃描光束。7.3幾何光學(xué)方法的光電信息變換

7.3.1長(zhǎng)、寬尺寸信39(7-46)

(7-46)407.3.2位移信息的光電變換

將物體位移量變換成光電信號(hào)以便進(jìn)行非接觸測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量檢測(cè)中的重要工作。用線、面陣CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器、象限探測(cè)器、PSD位置傳感器等器件與成像物鏡配合很容易構(gòu)成被測(cè)物像的位移信息變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物體位移量、運(yùn)動(dòng)速度、振動(dòng)周期或頻率等參數(shù)的測(cè)量。

(7-47)

7.3.2位移信息的光電變換將物體位移量變換成41將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的變化速度等物理量變換成光電信號(hào)的過程稱為速度信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電變換的方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開關(guān)）、旋轉(zhuǎn)光閘、頻閃式轉(zhuǎn)速表等方法實(shí)現(xiàn)的速度信息光電變換即簡(jiǎn)單又容易實(shí)現(xiàn)多種用途的變換。

7.3.3速度信息的光電變換

將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的變化速度等物427.4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

1光電干涉測(cè)量技術(shù)

各種干涉現(xiàn)象都是以光波波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，與形成它的外部幾何參數(shù)包括長(zhǎng)度、距離、角度、面形、微位移、運(yùn)動(dòng)方向和速度、傳輸介質(zhì)等存在著嚴(yán)格的內(nèi)在聯(lián)系。7.4物理光學(xué)方法的光電信息變換7.4.1干涉方法43光電技術(shù)_07光電信息變換課件44干涉測(cè)量的調(diào)制和解調(diào)過程可以是時(shí)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(shí)空相干性為基礎(chǔ)，受被測(cè)信息調(diào)制的光波時(shí)空變換稱作相干光學(xué)信息。它的形成和檢測(cè)過程就是光載波受待測(cè)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(shí)空狀態(tài)和調(diào)制方式，可以分為：局部空間的一維時(shí)間調(diào)制的光信號(hào)和在二維空間內(nèi)時(shí)間或空間調(diào)制光信號(hào)。

干涉測(cè)量的調(diào)制和解調(diào)過程可以是時(shí)間性的，也可以是空間性452單頻光相干的條紋檢測(cè)（3）干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟蹤法為平衡測(cè)量的方法。在干涉儀測(cè)量鏡位置變化時(shí)，通過光電器件實(shí)時(shí)地檢測(cè)出干涉條紋的變化。同時(shí)利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動(dòng)，以維持干涉條紋保持靜止不動(dòng)。這時(shí)，根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動(dòng)電壓的大小可以直接得到測(cè)量鏡的位移。圖7-34所示為利用這種原理測(cè)量微小位移的干涉測(cè)量裝置。2單頻光相干的條紋檢測(cè)（3）干涉條紋跟蹤法條紋的變化。46

這種方法能避免干涉測(cè)量的非線性的影響，并且不需要精確的相位測(cè)量裝置。但是所用跟蹤系統(tǒng)的固有慣性限制了測(cè)量的速度，只能測(cè)量10kHz以下的位移變化。這種方法能避免干涉測(cè)量的非線性的影響，并且不需要精477.4.2衍射方法的光電信息變換

1、夫瑯和費(fèi)單縫衍射

（7-72）

（7-73）

7.4.2衍射方法的光電信息變換1、夫瑯和費(fèi)單縫衍射48（7-74）（7-74）492夫瑯和費(fèi)細(xì)絲衍射

（7-75）

點(diǎn)間的距測(cè)出細(xì)絲的直徑。2夫瑯和費(fèi)細(xì)絲衍射（7-75）點(diǎn)間的距測(cè)出細(xì)絲的直徑。503.應(yīng)用舉例

利用激光衍射傳感器可以測(cè)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(dòng)、加速度、壓力等。

（2）激光衍射振幅測(cè)量?jī)x

(7-76)

3.應(yīng)用舉例利用激光衍射傳感器可以測(cè)量微小間隔512.光電信息調(diào)制的分類

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

（1）按時(shí)空狀態(tài)分類①時(shí)間調(diào)制：載波隨時(shí)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(shí)空混合調(diào)制：載波隨時(shí)間、空間和信息同時(shí)變化。7.5時(shí)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

2.光電信息調(diào)制的分類光學(xué)調(diào)制按時(shí)空狀態(tài)和載波性質(zhì)可分為523.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(shí)間而只隨信息變化的調(diào)制；②交變載波：載波隨時(shí)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(jìn)行，能實(shí)現(xiàn)調(diào)制作用的裝置稱作調(diào)制器。從己調(diào)制信號(hào)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3.典型的調(diào)制方法(2)按載波波形和調(diào)制方式分類(1)53式中，V（t）為由被測(cè)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）

式中，V（t）為由被測(cè)信息決定的調(diào)制函數(shù)，根據(jù)調(diào)制參量的不同54①

振幅調(diào)制

（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(duì)載波幅度的調(diào)制能力，并且

（7-79）

以最簡(jiǎn)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。

①振幅調(diào)制（7-78）則式（7-78）變成式中V（t55（7-80）

調(diào)幅波的頻譜：（7-81）

正弦調(diào)制函數(shù)的調(diào)幅信號(hào)除了零頻率分量外還包含有三個(gè)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(gè)分量。

（7-80）調(diào)幅波的頻譜：（7-81）正弦調(diào)制函數(shù)56光電技術(shù)_07光電信息變換課件57對(duì)于頻譜分布在F0△F（Ω=2πF0）范圍內(nèi)的任意函數(shù)V(t)，所對(duì)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(hào)具有連續(xù)的帶寬Fmax，則調(diào)幅波的頻帶是f0Fmax，帶寬為Bm=2Fmax，其中Fmax是調(diào)制信號(hào)的最高頻率（圖中虛線）。

調(diào)制載波的頻譜是選擇檢測(cè)通道帶寬的依據(jù)。如若載波頻率為f0=10kHz，調(diào)制信號(hào)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(cè)通道的帶寬滿足Bm的要求，對(duì)帶寬外的信號(hào)進(jìn)行有選擇地濾波，以便減少噪聲和干擾，有利于提高信噪比。

對(duì)于頻譜分布在F0△F（Ω=2πF0）范圍內(nèi)的任意58②

頻率調(diào)制頻率調(diào)制是指載波的頻率按調(diào)制信號(hào)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(hào)幅度瞬時(shí)值成正比，簡(jiǎn)稱為調(diào)頻。

式（7-77）中的調(diào)制項(xiàng)為

（7-82）

（7-83）

②頻率調(diào)制（7-82）（7-83）59（7-84）（7-84）60光電技術(shù)_07光電信息變換課件61（7-86）

（7-86）62③

相位調(diào)制

相位調(diào)制為載波的相位角隨著調(diào)制信號(hào)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(hào)的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波的總相位角為

（7-87）

（7-88）

式中為相位比例系數(shù)，φc為相位角。

③相位調(diào)制（7-87）（7-88）式中為相位63(2)脈沖調(diào)制(2)脈沖調(diào)制64(3)編碼調(diào)制編碼調(diào)制把模擬信號(hào)先變成序列脈沖，再變成代表信號(hào)信息的二進(jìn)制編碼，然后對(duì)載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。編碼調(diào)制，包含三個(gè)過程，即，采樣、量化和編碼。將連續(xù)信號(hào)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(hào)的幅度相對(duì)應(yīng)。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率比所傳遞信號(hào)的最高頻率大兩倍以上，就能夠恢復(fù)原信號(hào)。

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

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

(3)編碼調(diào)制65(4)其它參量調(diào)制

（7-89）

(4)其它參量調(diào)制（7-89）661．直線律檢波(1)二極管的檢波特性（7-91）

7.5.3調(diào)制信號(hào)的解調(diào)1．直線律檢波（7-91）7.5.3調(diào)制信號(hào)的解調(diào)67(2)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)（7-92）

（7-93）

除去高次諧波后

，得到調(diào)幅信號(hào)。（7-94）

(2)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)（7-92）（7-93）除去高次682．相敏檢波(1)相敏檢波和同步解調(diào)

2．相敏檢波69光電技術(shù)_07光電信息變換課件70（7-95）

（7-96）

（7-95）（7-96）71光電技術(shù)_07光電信息變換課件72(3)典型的相敏檢波電路(3)典型的相敏檢波電路73第7章

光電信息變換

7.l

光電信息變換的分類

第7章光電信息變換7.l光電信息變換的分類747.1.1光電信息變換的基本形式

光電信息變換的分類可從兩個(gè)方面來分，一方面根據(jù)信息載入光學(xué)信息的方式分為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(hào)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。

1.信息載荷于光源的方式

7.1.1光電信息變換的基本形式光電信75光電技術(shù)_07光電信息變換課件76物體的全輻射出射度Me,λ與物體溫度的關(guān)系為Me,λ=εMe,λ，s=εσT4(7-1)

式中Me,λ，s為同溫度黑體的輻射出射度，ε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(cè)體的溫度，即測(cè)量的信息量。物體的全輻射出射度Me,λ與物體溫度的關(guān)系為Me,λ=77

近距離測(cè)量時(shí)，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(hào)為US=mτSGKMe,λ=ξMe,λ(7-2)m--光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，τ--光學(xué)系統(tǒng)的透過濾，S--光電器件的靈敏度，G--變換電路的變換系數(shù)，K--放大器的放大倍數(shù)，ξ=mτSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。US=ξεσT4（7-3）近距離測(cè)量時(shí)，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的782.信息載荷于透明體的方式

信息載荷于透明體中的情況。

提取信息的方法常用光通過透明介質(zhì)時(shí)光通量的損耗與入射通量及材料對(duì)光吸收的規(guī)律求解。即

（7-4）

α--為透明介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，α=μC。（7-5）

2.信息載荷于透明體的方式信息載荷于透明體中的79采用如圖7-1(a)所示的變換方式，變換電路的輸出信號(hào)電壓Us為即將變換電路的輸出信號(hào)電壓Us送入對(duì)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(hào)。（7-6）

兩邊取自然對(duì)數(shù)后

lnUs=lnU0―μCl

（7-7）

采用如圖7-1(a)所示的變換方式，變換電路的輸出信號(hào)電壓80

在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓

US=E(r1-r2)Bξ

（7-8）E--被測(cè)表面的照度，r1--正品表面的反射系數(shù)，R2--疵病表面的反射系數(shù)，B--光電器件有效視場(chǎng)內(nèi)疵病所占的面積，ξ--光電變換系數(shù)。

這種方式可應(yīng)用電視攝像、文字識(shí)別、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等方面。

3.信息載荷于反射光的方式在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓814.信息載荷于遮擋光的方式

設(shè)光電器件光敏面的寬度為b，高度為h，當(dāng)被測(cè)物體的寬度大于光敏面的寬度b時(shí)，物體沿光敏面高度方向運(yùn)動(dòng)的位移量為Δl，則物體遮擋入射到光敏面上的面積變化為

ΔA=bΔl

（7-9）變換電路輸出的面積變化信號(hào)電壓為

ΔU=EΔAξ=EbξΔl

（7-10）

可以用這種方式用于產(chǎn)品的光電計(jì)數(shù)，光控開關(guān)，和主動(dòng)式防盜報(bào)警等。

4.信息載荷于遮擋光的方式設(shè)光電器件光敏面的寬度為b，825.信息載荷于光學(xué)量化器的方式

光信息量化的變換方式在位移量（長(zhǎng)度、寬度和角度）的光電測(cè)量系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

5.信息載荷于光學(xué)量化器的方式83L=qn

（7-11）q--長(zhǎng)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(shí)，量化單位q等于光柵的節(jié)距，在微米量級(jí)；而采用激光干涉量化器時(shí)，q為激光波長(zhǎng)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(cè)量、角度測(cè)量和精密機(jī)床加工量的自動(dòng)控制等方面。

L=qn（7846.光通訊方式的信息變換

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(shí)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。如圖7-1(f)所示，信息首先對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號(hào)，通過光導(dǎo)顯微傳送到遠(yuǎn)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(diǎn)現(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。

6.光通訊方式的信息變換857.1.2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.模擬光電變換

被測(cè)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(shí)，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(hào)的形式輸出。

Ip=f(Q)（7-12）

Up=f(Q)（7-13）7.1.2光電信息變換的類型光電信息變換和信息862.模-數(shù)光電變換這類光電變換電路的輸出信號(hào)不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F。它與被測(cè)信息量Q的函數(shù)關(guān)系為

F=f(Q)（7-14）顯然，數(shù)字信息量F只取決于光通量變化的頻率、周期、相位和時(shí)間間隔等信息參數(shù)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)，也不受電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等外界因素的影響。2.模-數(shù)光電變換877.2光電變換電路的分類

7.2.1模擬光電變換電路

凡輸出信號(hào)電流（或電壓）與入射光度量具有式（7-12）或（7-13）所述關(guān)系的變換電路都稱為模擬光電變換電路。根據(jù)光電信息變換的內(nèi)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：

7.2光電變換電路的分類7.2.1模擬光電變換電路881.簡(jiǎn)單變換電路

調(diào)整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上的照度。

1.簡(jiǎn)單變換電路調(diào)整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上89放大倍率為β，則流過電阻R1與R2的電流I1為I1=I2+IB=βSEV+IB

（7-15）設(shè)I1?IB，可以推出（7-16）集電極電流IC為

由（7-17）式可見，當(dāng)入射光很弱時(shí)，EV→0，流過光電三極管3DU2的電流近似為0，IC為最大值ICM

（7-17）放大倍率為β，則流過電阻R1與R2的電流I1為（7-16）集90（7-18）

（7-19）

（7-18）（7-19）912.具有溫度補(bǔ)償功能的變換電路

故，輸出電壓UO為

（7-20）

圖7-4所示為具有溫度補(bǔ)償功能的光電變換電路，圖中D1為測(cè)光光電二極管，D2為補(bǔ)償光電二極管，D1、D2及電阻、可變電阻器構(gòu)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β有關(guān)，而且與三極管的基射結(jié)電阻rbe有關(guān)。而β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(cè)量電路的穩(wěn)定性，需要引入溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。2.具有溫度補(bǔ)償功能的變換電路故，輸出電壓UO為（7-92

在背景光照下調(diào)整可變電阻器使電橋平衡，輸出電壓表指示為“零”。當(dāng)測(cè)光光電二極管光敏面上的光照度發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出電壓表將指示出光敏面上的光照度。

補(bǔ)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(gè)光電二極管的溫度漂移基本相同，又分別處于兩個(gè)橋臂，相互補(bǔ)償，達(dá)到消除溫度對(duì)測(cè)量電路造成的影響。

在背景光照下調(diào)整可變電阻器使電橋平衡，輸出電壓表指示93設(shè)光電二極管的電流為I1，三極管的基極電壓應(yīng)為Ube熱敏電阻Rt可以補(bǔ)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(gè)溫度槽內(nèi)也不可能達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｌ岢隽瞬罘质焦怆娮儞Q電路方暗。

設(shè)光電二極管的電流為I1，三極管的基極電壓應(yīng)為Ube熱敏電阻94

3.差分式光電變換電路

3.差分式光電變換電路95雙光路差分式光電變換器的原理結(jié)構(gòu)圖：光源發(fā)出的光通過反光鏡分別進(jìn)入?yún)⒖枷到y(tǒng)與測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)。

D1與D2的特性參數(shù)應(yīng)盡量一致。D1與D2按圖7-9所示的差分電路的形式連接。設(shè)參考系統(tǒng)光電器件D1的輸出電壓為UD1，測(cè)量光學(xué)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(hào)電壓為UO=K（UD2－UD1）（7-22）

式中K為放大器的放大倍率。雙光路差分式光電變換器的原理結(jié)構(gòu)圖：光源發(fā)出的光通過反光鏡分96

常用的雙光路雙器件光電變換器：

兩個(gè)光電二極管的輸出信號(hào)可以進(jìn)行差分比較，測(cè)量被測(cè)面的顏色與標(biāo)準(zhǔn)色板的差；也可以采用分別輸出的方式，并將測(cè)量結(jié)果經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

由于雙光路雙器件光電變換電路的輸出信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)輸出信號(hào)的差成正比，因此，測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)隨溫度與光源的影響將被消除。常用的雙光路雙器件光電變換器：97雙光路單光電器件的光電檢測(cè)系統(tǒng)：雙光路單光電器件的光電檢測(cè)系統(tǒng)：984.光外差式光電變換電路兩光束在分光器上相干，得到差拍信號(hào)

4.光外差式光電變換電路兩光束在分光器上相干，得到差拍信99輻射到光電探測(cè)器上的輻射為

光電探測(cè)器輸出的電流為

(7-23)

(7-24)

若Es?EL，式（7-24）變?yōu)?/p>

(7-25)

式中a為比例系數(shù)。

由于輻射通量Φ，，所以

(7-26)

輻射到光電探測(cè)器上的輻射為光電探測(cè)器輸出的電流為(7-2100

如果采用選頻放大器放大探測(cè)器的輸出信號(hào)，其交流分量為

假設(shè)直接變換的輸出信號(hào)的交流分量為

則，可以得到光外差式和直接式變換靈敏度的比值Gs=(φeL/φes)1/2。因?yàn)棣誩L?φes，所以外差式變換電路的靈敏度比直接式變換要高得多，一般要高103~104數(shù)量級(jí)。

假設(shè)光電探測(cè)器為硅光電二極管，其輸出信號(hào)電流的均方值為

（7-28）

(7-27)如果采用選頻放大器放大探測(cè)器的輸出信號(hào)，其交流分量為101輸出噪聲電流主要是散粒噪聲，忽略暗電流后為

故，信噪比與噪聲等效功率分別為

（7-30）采用CO2激光器，波長(zhǎng)λ=10.6μm，帶寬Δf=107Hz，量子效率η=50%，則得出

而直接探測(cè)的情況，在不考慮背景和暗電流情況下，

輸出噪聲電流主要是散粒噪聲，忽略暗電流后為故，信噪比與噪聲102（7-33）

（7-32）比較式（7-30）和式（7-32），可見光外差式的S/N提高了一倍。如果考慮背景噪聲，光外差式的S/N提高得更高。

（7-33）（7-32）比較式（7-30）和式（7-32）1037.2.2模-數(shù)光電變換電路1.激光干涉測(cè)位移

激光單路干涉測(cè)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(cè)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。7.2.2模-數(shù)光電變換電路1.激光干涉測(cè)位移激光104Iv=Iov+IovKIcos(2πΔ/λ)(7-34)Io--平均光強(qiáng)度，KI--干涉條紋的對(duì)比度。被測(cè)位移量L=nλ/2(7-35)

只要計(jì)量干涉條紋的個(gè)數(shù)n，便可測(cè)出測(cè)量頭移動(dòng)的長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)的量化單位為λ/2。

1052.莫爾條紋測(cè)位移

兩塊光柵以微小角度重疊時(shí)，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(jì)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(jì)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。2.莫爾條紋測(cè)位移兩塊光柵以微小角度重疊時(shí)，在與光柵106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(bǔ)角平分線上。當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就在移動(dòng)的垂直方向即θ角的平分線上移動(dòng)。

一般θ角很小，上式可簡(jiǎn)化為

（7-36）

（7-37）

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(bǔ)角107

光柵每移一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)間隔（即一個(gè)條紋）。因此，只要計(jì)測(cè)條紋移過的個(gè)數(shù)n，便可計(jì)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(zhǎng)度量。

光柵測(cè)長(zhǎng)的原理：先將長(zhǎng)度量變換成莫爾條紋信號(hào)，然后再用光電器件讀取長(zhǎng)度信息，這種光柵又稱為長(zhǎng)光柵或長(zhǎng)光柵付。它包含指示光柵與標(biāo)尺光柵，指示光柵固定，標(biāo)尺光柵的長(zhǎng)度由位移量決定，一般較長(zhǎng)。

光柵每移一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)間隔（即一個(gè)條紋）108

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

莫爾條紋信號(hào)通過狹逢入射到光電器件上，它輸出的光電信109

顯然，這種裝置只能測(cè)量角度的變化量，不能得到角度的絕對(duì)值。因此，稱它為增量式編碼器。轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度θ，即θ=qn(7-39)莫爾條紋法進(jìn)行幾何量的測(cè)量有如下優(yōu)點(diǎn)：

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(duì)于微小傾角有

顯然，這種裝置只能測(cè)量角度的變化量，不能得到角度的絕對(duì)值110

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

（7-41）2、誤差的平均效應(yīng)

（7-40）

光電器件接收莫爾條紋光信號(hào)是光柵視場(chǎng)刻線n的綜合平均效果1117.3幾何光學(xué)方法的光電信息變換

7.3.1長(zhǎng)、寬尺寸信息的光電變換

將目標(biāo)或工件的長(zhǎng)、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(cè)量法，光學(xué)靈敏杠桿測(cè)量法，激光掃描測(cè)量法和差動(dòng)測(cè)量法等。⒋激光掃描法

激光掃描法是1972年發(fā)展起來的一種技術(shù)，有人稱之為L(zhǎng)aserShadowGauge。1975年推出了第一臺(tái)儀器并申請(qǐng)了專利。這種方法使用至今，現(xiàn)在已經(jīng)有很多不同型號(hào)的儀器產(chǎn)品。如圖7-25所示為激光掃描法的原理圖。激光束經(jīng)過透鏡1后被反射鏡反射，由于同步位相馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)而形成掃描光束。7.3幾何光學(xué)方法的光電信息變換

7.3.1長(zhǎng)、寬尺寸信112(7-46)

(7-46)1137.3.2位移信息的光電變換

將物體位移量變換成光電信號(hào)以便進(jìn)行非接觸測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量檢測(cè)中的重要工作。用線、面陣CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器、象限探測(cè)器、PSD位置傳感器等器件與成像物鏡配合很容易構(gòu)成被測(cè)物像的位移信息變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物體位移量、運(yùn)動(dòng)速度、振動(dòng)周期或頻率等參數(shù)的測(cè)量。

(7-47)

7.3.2位移信息的光電變換將物體位移量變換成114將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的變化速度等物理量變換成光電信號(hào)的過程稱為速度信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電變換的方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開關(guān)）、旋轉(zhuǎn)光閘、頻閃式轉(zhuǎn)速表等方法實(shí)現(xiàn)的速度信息光電變換即簡(jiǎn)單又容易實(shí)現(xiàn)多種用途的變換。

7.3.3速度信息的光電變換

將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的變化速度等物1157.4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

1光電干涉測(cè)量技術(shù)

各種干涉現(xiàn)象都是以光波波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，與形成它的外部幾何參數(shù)包括長(zhǎng)度、距離、角度、面形、微位移、運(yùn)動(dòng)方向和速度、傳輸介質(zhì)等存在著嚴(yán)格的內(nèi)在聯(lián)系。7.4物理光學(xué)方法的光電信息變換7.4.1干涉方法116光電技術(shù)_07光電信息變換課件117干涉測(cè)量的調(diào)制和解調(diào)過程可以是時(shí)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(shí)空相干性為基礎(chǔ)，受被測(cè)信息調(diào)制的光波時(shí)空變換稱作相干光學(xué)信息。它的形成和檢測(cè)過程就是光載波受待測(cè)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(shí)空狀態(tài)和調(diào)制方式，可以分為：局部空間的一維時(shí)間調(diào)制的光信號(hào)和在二維空間內(nèi)時(shí)間或空間調(diào)制光信號(hào)。

干涉測(cè)量的調(diào)制和解調(diào)過程可以是時(shí)間性的，也可以是空間性1182單頻光相干的條紋檢測(cè)（3）干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟蹤法為平衡測(cè)量的方法。在干涉儀測(cè)量鏡位置變化時(shí)，通過光電器件實(shí)時(shí)地檢測(cè)出干涉條紋的變化。同時(shí)利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動(dòng)，以維持干涉條紋保持靜止不動(dòng)。這時(shí)，根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動(dòng)電壓的大小可以直接得到測(cè)量鏡的位移。圖7-34所示為利用這種原理測(cè)量微小位移的干涉測(cè)量裝置。2單頻光相干的條紋檢測(cè)（3）干涉條紋跟蹤法條紋的變化。119

這種方法能避免干涉測(cè)量的非線性的影響，并且不需要精確的相位測(cè)量裝置。但是所用跟蹤系統(tǒng)的固有慣性限制了測(cè)量的速度，只能測(cè)量10kHz以下的位移變化。這種方法能避免干涉測(cè)量的非線性的影響，并且不需要精1207.4.2衍射方法的光電信息變換

1、夫瑯和費(fèi)單縫衍射

（7-72）

（7-73）

7.4.2衍射方法的光電信息變換1、夫瑯和費(fèi)單縫衍射121（7-74）（7-74）1222夫瑯和費(fèi)細(xì)絲衍射

（7-75）

點(diǎn)間的距測(cè)出細(xì)絲的直徑。2夫瑯和費(fèi)細(xì)絲衍射（7-75）點(diǎn)間的距測(cè)出細(xì)絲的直徑。1233.應(yīng)用舉例

利用激光衍射傳感器可以測(cè)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(dòng)、加速度、壓力等。

（2）激光衍射振幅測(cè)量?jī)x

(7-76)

3.應(yīng)用舉例利用激光衍射傳感器可以測(cè)量微小間隔1242.光電信息調(diào)制的分類

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

（1）按時(shí)空狀態(tài)分類①時(shí)間調(diào)制：載波隨時(shí)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(shí)空混合調(diào)制：載波隨時(shí)間、空間和信息同時(shí)變化。7.5時(shí)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

2.光電信息調(diào)制的分類光學(xué)調(diào)制按時(shí)空狀態(tài)和載波性質(zhì)可分為1253.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(shí)間而只隨信息變化的調(diào)制；②交變載波：載波隨時(shí)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)