第8章光电信息变换

1. 简单变换电路
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，常采用如图（8-2） 所示的简单光电变换电路，即简单照度计的变换电路。 图（a）为不需要外接 电源的硒光电池照度计 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。
2. 具有温度补偿功能的变换电路
Ip=f(Q)
（8-12）
或
Up= f(Q)
（8-13）
1、光电变换电路输出的电流Ip或电压Up不仅与被测信息量Q值有关 而且与载体光度量有关。
2、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。否则，载体光度量的变化直接影响被测信息 量。 3、电路参数的变化，尤其是电源电压的波动，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。而光度量的稳定又与 光源、光学系统及机械结构等的性能有关。
由式（8-10）可见，用这种方式即可以检测被测物体 的位移量Δ l、运动速度v和加速度等参数，或测量物体的 宽度。例如，光电测微仪和光电投影显微测量仪等测量仪 器均属于这种方式。
当然可以用这种方式用于产品的光电计数，光控开关， 和主动式防盗报警等。
5. 信息载荷于光学量化器的方式
光学量化器是指通过光学方法将连续变化的信息变换 成有限个离散量的方法。
F = f(Q)
（7-14）
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。
因此，这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模 拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的 “0”和“1”两个状态即可。

8.1.1 光电信息变换的基本形式
1. 信息载荷于光源的方式
如图(a)所示，为信息载荷于光源中的情况（或光 电信息为光源本身），如光源的温度信息，光源的频 谱信息，光源的强度信息等。根据这些信息可以进行 钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、夜视观察、 地形地貌普查和成像测量等的应用。
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，常采用光调制技术或电子调制的方法将其变为交 流信号，然后再解调出被测信息。
US=ξεσT4
（8-3）
表明变换电路输出的电压信号US是温度T的函数，温度 变化必然引起电压的变化。因此，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
如图(b)所示，为信息载荷于透明体中情况。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l， 透明体的介质材料等，能对光吸收都为载荷信息的方式。 提取信息的方法常用光通过透明介质时光通量的损耗 与入射通量及材料对光吸收的规律求解。即
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。

8.1.2 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（如温度、介质厚度、均匀度、溶 液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，常 为光度量（通量、照度和出射度等）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，或称输出信号量与 被测信号量之间的关系为模拟函数关系。可表示为
图4所示为具有温度补偿功能的光电变换电路，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。
补偿光电二极管D2被遮蔽并与光电 二极管D1封装在同温槽中，且要求D1与 D2的特性极为接近。 这样，温度变化使两个光电二极管的温度漂移基本相 同，又分别处于两个桥臂，相互补偿，达到消除温度对测 量电路的影响。
U s 0 e Cl
两边取自然对数后 lnUs=lnU0―μ Cl （8-7）
将变换电路的输出信号电压Us送入对数放大器后，便可以获得 与介质浓度C和介质厚度l有关信号。 1、在介质厚度l确定下，利用电压信号可以得到介质的浓度C。
2、在介质浓度C确定下，得到介质厚度l。
光信息量化的变换方式在位移量（长度、宽度和角度） 的光电测量系统中得到广泛的应用。
1、将长度或角度的信息量经光学量化装置（光栅、码盘、干涉仪 等）变为条纹或代码等数字信息量。 2、再由光电变换电路变为脉冲数字信号输出。如图(e)所示。 3、光源发出的光经光学量化器量化后送给光电器件转换成脉冲数 字信号，再送给数字电路处理或送给计算机进行处理或运算。 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。
图11所示的双光路单光 电器件的光电检测系统。 1、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。
2、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12所示的信号波形， 输出的信号差即为被测信号。
图8所示为双光路双器件差分式光电变换原理结构图。 光源发出的光通过反光镜分别进入参考系统与测量系统。
D1与D2的特性参数应 尽量一致。D1与D2按图9所 示的差分电路的形式连接。 设参考系统光电器件D1的输 出电压为UD1，测量系统光 电
器件D2的输出电压为UD2， 则变换电路的输出信号电压为 UO=K（UD2－UD1） （8-22） 式中K为放大器的放大倍率。
下面用全辐射测温为例讨论信息存在于光源中这类问 题的处理方法。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，由第1章中的式（1-42）可知物体的 全辐射出射度Me, λ与物体温度的关系为
Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
(8-1)
式中Me, λ，s为同温度黑体的辐射出射度，ε为物体的发射 系数，与物体的性质、温度及表面状况有关。T为被测 体的温度，即测量的信息量。
在近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感器 的变换电路输出的电压信号为
US= mτSGKMe, λ=ξMe, λ (8-2)
式中，m为光学系统的调制度，τ为光学系统的透过滤， S为光电器件的灵敏度，G为变换电路的变换系数，K为 放大器的放大倍数，ξ= mτSGK称为系统的光电变换系数。 将式(8-1)代入式(8-2)得
另一种常用的双光路双器件光电变换器如图10所示。这种光 电变换方式又称为比较差接式光电变换器。这种变换方式常用于测 色仪器。 1、测色仪的光源发出的光，分为两路，一路经透镜照射在标准色 板上，经标准色板反射后再汇聚到光电器件D1上； 2、另一路经透镜照射在被测样品上，经被测样品反射后再汇聚到 光电器件D2上。 3、 两个光电二极管的输出信号可以进行 差分比较，可测量出被测面的颜色与标准 色板的差；也可以采用分别输出的方式， 并将测量结果经A/D数据采集后送计算机 进行分析。 由于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，因此，测量系统和参考系统随温度与 光源的影响将被消除。
第8章 光电信息变换
根据信息存在于光电系统的方式，可提出理想的设计 方案。
8.l
光电信息变换的分类
光电信息变换应用于许多技术领域，对于不同的应用，光电信
息变换的内容，变换装置的组成和结构形式等均有所不同。
1、根据信息载入光电信息的方式分为6种光电信息变换的基本形式； 2、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-数光电变换两类。
根据这一原理，用这种方式可以对光滑零件表面的 外观质量进行自动检测。
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
（8-8）
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。由式 （8-8）可知，当E，r1和ξ 已知时，输出电压US是r2和 B的函数，因此，可以通过输出信号电压US的幅度判 断表面疵病的程度和面积。
6. 光通讯方式的信息变换
目前，光通讯技术正在蓬勃发展，信息高速公路的 主要组成部分为光通讯技术。光通讯技术的实质是光电 变换的一种基本形式，称为光信息通讯变换方式。 如图(f)所示，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
0e
l
（8-4）
式中α 为透明介质对光的吸收系数，它与介质的浓度C成 正比， α=μC。 μ 为与介质性质有关的系数。 L为厚度。 可改写为 （8-5） Cl
0e
可见，当透明介质l有关，采用如图(a)所示的变换方式，变换电路 的输出信号电压Us为

3. 差分式光电变换电路
图6所示为光电测量原理图，是一种典型的差分式光电 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所示为光电测量的电 路原理图，由图不难看 出光电测量电路为电桥 差分式的光电变换电路。
这种方式除上述应用外，还可应用于电视摄像、文 字识别、激光测距、激光制导等方面。

4. 信息载荷于遮挡光的方式
如图(d)所示为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， 实现了信息载荷于遮挡光的过程。 例如，设光电接受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Δ l ，则被测物体遮挡入射到光敏面 上的面积变化为 Δ A=bΔ l 变换电路输出的面积变化信号电压为 Δ U=EΔ Aξ =E bξ Δ l （8-10） （8-9）