光电信息变换

成有限个离散量的方法。光学量化器包含有光栅摩尔条纹 量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。
例如，将长度信息量L经光学量化后 形成n个条纹信号，则长度信息L为 L=qn 式中，q称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有 关，量化器确定后它是常数。 目前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角 度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。
光接收器
Object
被检测物体
光电开关在流 水线上的应用
定区域式光电开关 罐装高度检测
送料器 储料仓 咖啡罐
落料口
流水线运行方向
遮断式光电开关 （计数）
光幕应用（续） 长度 测量
宽度 测量
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的 车辆检测
5.信息载荷于光学量化器的方式
光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换
实践证明，热敏电阻Rt对光电二极管的光电流的 温度影响进行的补偿是有限的，即便将热敏电阻与光 电二极管装在同一个温度槽内也不可能达到完全补偿 的目的。为了尽可能地消除温度对光电变换电路的影 响，提出了差分式光电变换电路方案。
差分式光电变换电路
其中一路经被测溶液 入射到测量光电池D1 上，另一路经可调光 光阑、反光镜到补偿 光电池D2上，由光电 池D1与D2构成电路为 差分式光电变换电路。 图7-7所示为光电比色 计的电路原理图，这 是个电桥差分式的光 电变换电路。
(b)
图7-3 具有放大电路的光电检测电路
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I1 I 2 I B SEV I B 设I1》I B U bb -(R1 +R 2 )I1 IB = (R 3 +R 4 )( +1)
集电极电流为 1 I c = I B = [U bb ( R1 R2 ) SEV ] (R 3 +R 4 ) 当光照很弱时，E V 0 U bb Ic = I B = (R 3 +R 4 )
第7章 光电信息变换
将光学信息变换为电学信息的设备或系统称为光 电信息变换器。
光信息
电学信息 光电信息变换器
光 源
光 学 系 统
光 电 传 感 器
偏 置 电 路
处 理 电 路
7.l 光电信息变换的分类
光电信息变换的分类可从两个方面来分，一方面根 据信息载入光学信息的方式分为如图7-1所示的6种光电信
为提高测量电路的灵敏度，采用放大器对光电器件
的输出信号进行放大。如图7-3(a)所示为以电流方式输 出的光通量测量电路；图7-3(b)所示为以电压方式输出
的光通量测量电路，
U bb U bb
R1
R2
IC I1 IB
I1
IC
RC
3DU2 I2
3DG6 R3
R4 I 3
3DU2
Re
RB
IB
U0
I2
(a)
息变换的基本形式；另一方面根据光电变换电路输出信号
与信息的函数关系分为模拟光电变换与模数光电变换。
7.l 光电信息变换的分类
7.1.1 光电信息变换的基本形式
信息载荷于光源
信息载荷于透明体
载荷于反射光
载荷于遮挡光
载荷于光学 量化器
光通讯 方式
图5-1
1. 信息载荷于光源的方式
信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身）
e
吸收系数α与介质的浓 度C成正比即α=μC则：
Байду номын сангаас 0 e
Cl
变换电路的输出信号电压
Us 0e
Cl
利用此信号可以方便地得到介质的浓度C或厚度l等
3.信息载荷于反射光的方式
反射有镜面发射与漫反射两种，各具有不同的特点。 镜面发射用于测量物体的运动、转动的速度，相位等方面。 漫反射本身载荷物体表面性质的信息，例如反射系数载荷 表面粗糙度及表面疵病的信息。 在检测产品外观质量时，变换 电路输出的疵病信号电压 US=E(r1-r2)Bξ 式中E为被测表面的照度，r1为正品（无疵病）表面的反射 系数，r2为疵病表面的反射系数，B为光电器件有效视场内 疵病所占的面积，ξ为光电变换系数。 可以通过US判断表面疵病的程度和面积。
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光外差式光电变换电路
对于微弱辐射信号的探测常采用光外差式光电变换电路。
(1)光外差方式的光电变 换电路具有超过常规光 电变换电路的灵敏度； (2)光外差方式采用激光 为变换媒体，而激光具 有很强的方向性和频率 选择性，使噪声带宽变 得很窄，信噪比得到很 大的提高。 两光束在分光器上相干，得到差拍信号。辐射到光电探测器上的辐 射为 j ( ω ω) t jω t
ES cos wt ] EL
若采用选频放大器放大探测器输出信号 i 0 =2 h 直接变换输出信号的交流分量为 q ES iS = cos wt h cos wt
可以得到光外差式和直接式变换灵敏度的比值为
EL 1/2 GS =（ ） ES
由于 EL ，所以光外差变换电路的灵敏度要比直 ES 接式变换电路的灵敏度要高很多。一般高三个四个数量 级。 假设光电探测器件为光电二极管，输出信号电流均方值 为 q EL ES 2 IS =2( ) h q EL 噪声主要为散粒噪声 I n =2q f h 信噪比和噪声等效功率为 hf hcf ES NEP= = S /N = f h
具有温度补偿功能的变换电路
为消除温度对测量的影响，采用具有温度补偿功能的 光电变换电路。下图中D1为测光光电二极管，D2为补偿光 电二极管，D1、D2及电阻、可变电阻器构成电桥。 在背景光照下调整可 变电阻器使电桥平衡，输 出电压表指示为“零”。 当测光光电二极管光敏面 上的光照度发生变化时， 电桥失去平衡，输出电压 表将指示出光敏面上的光 照度。
当采用电压方式的输出电路时候：
I1 =S V I1R e S V R e IB = = rbe rbe S V R e RC U 0 =U bb -IC R C =U bb - rbe
输出电压不仅与电流方法倍数 有关，还与三 极管的基射结电阻 rbe 有关。它们都为环境温度 T的函数，表明方法电路的稳定性较差，为了 提高稳定性，需要引入温度补偿环节。
温度信息
钢水 温度 的探 测 光 谱 分 析 火 灾 报 警
频谱信息 武 器 制 导
夜 视 观 察
强度信息
地形 地貌 普查
成 像 测 量
物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感 器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。为克服直流 放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰， 常采用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交 流信号，然后再解调出被测信息。 例：在全辐射测温应用中温度信息存在于光源的辐 射出射度Me, λ，物体的全辐射出射度Me, λ与物体温度T的 关系为 ：
为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系， 载体光度量必须稳定。另外，电路参数的变化，放大电路 的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。
2. 模-数光电变换
在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换 量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字 代码等），再经光电变换电路输出。
模 - 数光电变换只要输出“ 0” 和“ 1” （高、低电 平）两个状态的脉冲即可。输出信号数字信息量F 与被测信息量Q的函数关系为：F = f(Q) 显然，数字信息量F只取决于光通量变化的频率、 周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度 无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等 外界因素的影响。
4.信息载荷于遮挡光的方式
物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电 器件的视场，可实现信息载荷于遮挡光。 例如：设光电器件光敏面的宽度为 b，高度为h，当被测 物体的宽度大于光敏面的宽度 b时，物体沿光敏面高度方 向运动的位移量为Δl，则物体遮挡入射到光敏面上的面积 变化为 ΔA=bΔl 信号电压为ΔU=EΔAξ=E bξΔl
5.1.2 光电信息变换的类型
光电信息变换和信息处理方法可分为2类：一类称为模 拟量的光电信息变换，例如前4种变换方式；另一类称为数 字量的光电信息变换，例如后2种变换方式。
1. 模拟光电变换
被测的非电量信息载荷于光信息量时，常为光度量的方 式送给光电器件，光电器件则以模拟电流 Ip 或电压 Up 信号 的形式输出。即输出信号量是被测信号量Q的函数： Ip=f(Q) 或 Up= f(Q)
光程差每变化波长λ时，干 涉条纹暗亮变化一次，当干 涉条纹变化n次时，光程差Δ ＝nλ。光程差Δ是动镜M3位 移量L的二倍。因此，被测 位移量为： L=nλ/2 只要计量干涉条纹的个数n， 便可测出测量头移动的长度。 这种结构的量化单位为λ/2。 测量头左右移动的方向可以 采用图7-15所示判断，根据 两个光电器件输出脉冲的先 后判断测量头的移动方向。 然后，采用可逆计数器进行 加、减计数。
下图为利用温度补偿电阻对光电测量电路进行 温度补偿的电路，引入负温度系数的热敏电阻能够 对光电变换电路进行温度补偿。 设光电二极管的电流为I1，三极管的基极电压应为
Rt rbe rbe U be I1 (Rt //rbe ) I1 I1 rbe Rt rbe 1 Rt
热敏电阻Rt可以补偿光电 二极管的电流I1受环境温 度的影响。
U0 K (U D2 U D1 )
图7-11所示的双光路单 光电器件的光电检测系统。 双光路单光电器件的光电 检测系统中光源发出的光经 反射镜分为两路经调制盘的 转动，使参考光与测量光分 时进入系统，并分时由光电 器件D接收。光电器件D分时 接收到参考光信号和测量光 信号后输出如图 7-12 所示的 信号波形，输出的信号差即 为被测信号。
图7-8所示为双光路差分式光 电变换器的原理结构图。光源发 出的光通过反光镜分别进入参考 系统与测量光学系统。 D1与D2的 特性参数应尽量一致。D1与D2按 图7-9所示的差分电路的形式连接。 另一种常用的双光路双器件光电 变换器如图7-10所示。
双光路双器件光电变换电路的输出信号与测量系统和参考 系统输出信号的差成正比，温度与光源的影响将被消除。
可见，用这种方式可以检测被测物体的位移量 Δl、运动速 度v和加速度等参数，又可以测量物体的宽度b。
直射式光电开关原理
光发射器
Receiver
直射式光电开关由 相互分离且相对安装的 光发射器和光接受器组 成。当被检测物体位于 发射器和接受器之间时， 光线被阻断，接受器接 受不到红外线而产生开 关信号。
5.2 光电变换电路的分类
光电变换电路输出信号的方式应与光电信息 的函数关系相一致，因此，光电变换电路也有模 拟和模-数两种类型。 5.2.1 模拟光电变换电路
在对测量精度要求 不高的情况下测量受照 面的照度（例如测量教 室课桌表面的照度）时， 常采用简单照度计的变 换电路。调整电位器可 使微安表的指针指示出 光敏面上的照度。
5.2.2 模-数光电变换电路
模-数光电变换系统对光源和光电器件的要求不象模拟光 电变换那样严格，因此，电路的设计要比模拟光电变换电 路简单得多。
1. 激光干涉测位移
当M3沿着测量光 束的光轴移动时， 在M1上将出现亮 暗交替的干涉条 纹，其光强度的 变化有一定的规 律：
Iv =Iov +Iov KI cos(2 / )
6.光通讯方式的信息变换
光通讯技术的实质是光电变换的一种基本形式， 称为光信息通讯的变换方式。
这种方式，信息首先对光源进行调 制，发出载有各种信息的光信号， 通过光导显微传送到远方的目的地， 再通过解调器将信息还原。由于光 纤传输的媒体常为激光，它具有载 荷量大，损耗小，速度快，失真小 等特点现已广泛地用于声音和视频 图像等信息通讯中。
Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
光电传感器的变换电路输出的电压 US= mτSGKMe, λ=ξMe, λ =ξεσT4
通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体的 温度。
2.信息载荷于透明体的方式
信息可为透明体的透明度，透明体密度的分布，透明体的 厚度，透明体介质材料对光的吸收系数等都为载荷信息的 方式。 l 提取信息方法是求解： 0
et Re [ EL e
s
Es e
s
] Re [V (t )]
光电探测器的输出电流
2 i0 V(t)V* (t)=E 2 E L S 2 EL ES cos wt
EL ES ES i0 =aE (1 2 cos wt ) EL
2 L
i0 =
q EL [1 2 h q EL ES