光電信息變換

光電信息變換第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.1.1光電信息變換的基本形式

光電信息變換的分類(lèi)可從兩個(gè)方面來(lái)分，一方面根據(jù)信息載入光學(xué)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(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(lèi)。1.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(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(qiáng)度信息等。根據(jù)這些信息可以進(jìn)行鋼水溫度的探測(cè)、光譜分析、火災(zāi)報(bào)警、武器制導(dǎo)、夜視觀察、地形地貌普查和成像測(cè)量等的應(yīng)用。

第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(hào)為緩變的信號(hào)或直流信號(hào)。為克服直流放大器的零點(diǎn)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)制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?hào)，然后再解調(diào)出被測(cè)信息。下面用全輻射測(cè)溫為例討論信息存在于光源中這類(lèi)問(wèn)題的處理方法。在全輻射測(cè)溫應(yīng)用中溫度信息存在于光源的輻射出射度Me,λ，由第1章中的式（1-42）可知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。

第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日在近距離測(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)式中，m為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，τ為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)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)，ξ=mτSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。將式(7-1)代入式(7-2)得US=ξεσT4（7-3）表明變換電路輸出的電壓信號(hào)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(guò)測(cè)量輸出電壓，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定就能夠測(cè)出物體的溫度。

第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.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(zhì)材料對(duì)光的吸收系數(shù)等都為載荷信息的方式。提取信息的方法常用光通過(guò)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）

式中α為透明介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，它與介質(zhì)的濃度C成正比，即α=μC。顯然，μ為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。式（7-4）可改寫(xiě)為

（7-5）

第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日由式（7-5）可見(jiàn)，當(dāng)透明介質(zhì)的系數(shù)μ為常數(shù)時(shí)，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)，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）

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)。利用此信號(hào)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(cè)量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測(cè)透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等質(zhì)量問(wèn)題。

第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.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(zhì)和特點(diǎn)。利用這些性質(zhì)和特點(diǎn)將載荷于反射光的信息檢測(cè)出來(lái)實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)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(lái)判斷光信號(hào)的有無(wú)等信息的檢測(cè)。例如，在光電準(zhǔn)直儀中利用反射回來(lái)的十字叉絲圖像與原十字叉絲圖像的重疊狀況判斷準(zhǔn)直系統(tǒng)的狀況；在邁克爾遜干涉儀中，動(dòng)鏡的位置信息載荷與邁克爾遜干涉條紋中，通過(guò)檢測(cè)邁克爾遜干涉條紋的變化可以檢測(cè)動(dòng)鏡位置的變化；另外，鏡面發(fā)射還用于測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhì)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(guò)檢測(cè)漫反射系數(shù)可以檢測(cè)物體表面的粗糙度及表面疵病的性質(zhì)。第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日根據(jù)這一原理，用這種方式可以對(duì)光滑零件表面的外觀質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

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）式中E為被測(cè)表面的照度，r1為正品（無(wú)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(chǎng)內(nèi)疵病所占的面積，ξ為光電變換系數(shù)。由式（7-8）可知，當(dāng)E，r1和ξ已知時(shí)，輸出電壓US是r2和B的函數(shù)，因此，可以通過(guò)輸出信號(hào)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(shí)別、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等方面。

第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.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(guò)光電器件的視場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了信息載荷于遮擋光的過(guò)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(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）

第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日由式（7-10）可見(jiàn)，用這種方式即可以檢測(cè)被測(cè)物體的位移量Δl、運(yùn)動(dòng)速度v和加速度等參數(shù)，又可以測(cè)量物體的寬度b。例如，光電測(cè)微儀和光電投影顯微測(cè)量?jī)x等測(cè)量?jī)x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(jì)數(shù)，光控開(kāi)關(guān)，和主動(dòng)式防盜報(bào)警等。

5.信息載荷于光學(xué)量化器的方式

光學(xué)量化是指通過(guò)光學(xué)的方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個(gè)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(pán)量化器等。

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。

第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日長(zhǎng)度或角度的信息量經(jīng)光學(xué)量化裝置（光柵、碼盤(pán)、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(hào)輸出。如圖7-1(e)所示，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(hào)，再送給數(shù)字電路處理或送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理或運(yùn)算。例如，將長(zhǎng)度信息量L經(jīng)光學(xué)量化后形成n個(gè)條紋信號(hào)，量化后的長(zhǎng)度信息L為

L=qn

（7-11）式中，q稱為長(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。

第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.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(guò)光導(dǎo)顯微傳送到遠(yuǎn)方的目的地，再通過(guò)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。

第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.1.2光電信息變換的類(lèi)型

光電信息變換和信息處理方法可分為2類(lèi)：一類(lèi)稱為模擬量的光電信息變換，例如前4種變換方式；另一類(lèi)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。即輸出信號(hào)量是被測(cè)信號(hào)量Q的函數(shù)，或稱輸出信號(hào)量與被測(cè)信號(hào)量之間的關(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系。可表示為

Ip=f(Q)（7-12）第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日或

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(cè)信息量Q值有關(guān)而且與載體光度量有關(guān)。因此，為保證光電變換電路輸出信號(hào)與被測(cè)信息量Q的函數(shù)關(guān)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(cè)信息量。另外，電路參數(shù)的變化，尤其是電源電壓的波動(dòng)，放大電路的噪聲、放大倍率的變化等都影響被測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。而光度量的穩(wěn)定又與光源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等的性能有關(guān)。因此，實(shí)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(shù)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(zhì)量的模擬光電信息變換。

第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.模-數(shù)光電變換在這類(lèi)光電變換中，被測(cè)信息量Q通過(guò)光學(xué)變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號(hào)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(gè)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(lèi)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(wú)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。第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.2光電變換電路的分類(lèi)

因此，這類(lèi)光電變換方式對(duì)光源和光電器件的要求不象模擬光電變換那樣嚴(yán)格，只要能使光電變換電路輸出穩(wěn)定的“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)即可。光電變換電路輸出信號(hào)的方式應(yīng)與光電信息的函數(shù)關(guān)系相一致，因此，光電變換電路也有模擬于模-數(shù)兩種類(lèi)型。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(lèi)型。下面分別討論：

第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.簡(jiǎn)單變換電路

在對(duì)測(cè)量精度要求不高的情況下測(cè)量受照面的照度（例如測(cè)量教室課桌表面的照度）時(shí)，常采用如圖（7-2）所示的簡(jiǎn)單光電變換電路，即簡(jiǎn)單照度計(jì)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(jì)的變換電路。考慮到硒光電池的光譜響應(yīng)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(jìn)行光譜修正。

調(diào)整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上的照度。

第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日放大倍率為β，則流過(guò)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(jiàn)，當(dāng)入射光很弱時(shí)，EV→0，流過(guò)光電三極管3DU2的電流近似為0，IC為最大值ICM

（7-17）第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日集電極電流IC隨光照度的增大而降低。因此，該照度計(jì)的調(diào)整過(guò)程是：先將光敏面遮暗，調(diào)節(jié)電阻R1與R3使毫安表指針指示滿刻度，此時(shí)指針的位置為照度計(jì)的“零點(diǎn)”；然后，改變光照度，根據(jù)標(biāo)定的照度值在表頭上進(jìn)行刻度。顯然，毫安表指針的零位置是照度計(jì)的最大照度測(cè)量值。

圖7-3（b）所示為以電壓方式輸出的光通量測(cè)量電路，光電流I1與入射光通量ΦV的關(guān)系為I1=SΦV，因此，三極管的基極電流IB為（7-18）

（7-19）

第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.具有溫度補(bǔ)償功能的變換電路

故，輸出電壓UO為

（7-20）

可見(jiàn)，當(dāng)入射光通量ΦV變化時(shí)，輸出電壓UO也要改變。因此，可以通過(guò)輸出電壓UO檢測(cè)入射到光電三極管上光通量。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)。第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日在背景光照下調(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。

第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-5所示為利用溫度補(bǔ)償電阻對(duì)光電測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，將圖7-3（b）所示的RL電阻用熱敏電阻代替，構(gòu)成具有溫度補(bǔ)償功能的光電檢測(cè)電路。引入負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻能夠?qū)怆娮儞Q電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

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。

第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日

3.差分式光電變換電路

圖7-6所示為光電比色計(jì)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(cè)溶液入射到測(cè)量光電池D1上，另一路經(jīng)可調(diào)光光闌、反光鏡到補(bǔ)償光電池D2上，由光電池D1與D2構(gòu)成電路為差分式光電變換電路。

圖7-7所示為光電比色計(jì)的電路原理圖，由圖不難看出光電比色計(jì)電路為電橋差分式的光電變換電路。

第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-8所示為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(guò)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。

第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(cè)色儀器。測(cè)色儀的光源發(fā)出的光，分為兩路，一路經(jīng)透鏡照射在標(biāo)準(zhǔn)色板上，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)色板反射后再匯聚到光電器件D1上；另一路經(jīng)透鏡照射在被測(cè)樣品上，經(jīng)被測(cè)樣品反射后再匯聚到光電器件D2上。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。

第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-11所示的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)中光源發(fā)出的光經(jīng)反射鏡分為兩路經(jīng)調(diào)制盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使參考光與測(cè)量光分時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，并分時(shí)由光電器件D接收。光電器件D分時(shí)接收到參考光信號(hào)和測(cè)量光信號(hào)后輸出如圖7-12所示的信號(hào)波形，輸出的信號(hào)差即為被測(cè)信號(hào)。第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.光外差式光電變換電路對(duì)于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)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(guò)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，而激光具有很強(qiáng)的方向性和頻率選擇性，使噪聲帶寬變得很窄