电信号变换形式与检测方法
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第十章
光电信号的变换形式 与检测方法
本章内容： 光电变换的基本形式与类型 几何变换的光电检测方法 物理变换的光电检测方法 光电编码器＆条形码 重点内容： 光电变化的基本形式与类型 几何及物理变换、莫尔条纹的光电检测方法 难点内容： 物理变换的光电检测方法
第一节
光电变化的基本形式与类型
一、基本形式
1. 被测对象为辐射源的形式
扫描器
带 有 多 面 反 射 镜 的 电 机
激光器
Fθ透镜
D
接收器
反射镜 滤光片 放 大 器
聚光镜
θ
ω D
光电 元件 物体
多 面 反 光 镜
处 理 器
输出显示
脉宽测量
边缘检测
典型的激光扫描测量系统
激光束经过反射镜折回到透镜上，并由位于F-θ 透镜焦平面上的多面反射镜旋转扫描，平行照 射到被测物体上。然后经光接收器所得到的光 电信号在电子处理器中进行边缘检测＆脉宽测 量。最后经运算处理后，由数字显示给出测量 结果。其物体直径可由下式求得：
0 e
U 0 0 DR
vd
则光电变换器的输出电压为：
光电变 换系数 透过 率
（三）光由被测对象反射的形式 通常分为两种：镜面反射：用来 判断光信号的有无。如光准直， 转速等；漫反射：检测物体表 面的外观质量。
U 0 E r1 r2 BR
疵病 信号 电压 被测 表面 的照 度
离A。
光电探测器件直接探测物体本身 的辐通量以确定目标物的存在。 如：火警、侦察、武器制导等。
被测 对象
检测 器件
此外，由于物体的辐射与波长
＆温度有关，故还可用于探测 温度＆光谱分析。
设物体全辐射通量密度为
发射率
M T
4
（1）
斯忒藩-玻尔兹曼常数
在近距离测量时，前置放大器输出的电压信号 为 U 0 M msGA MR （2）
此法在几毫米到几米的距离内可实现高精度 测量。在工业上常应用在离面位移的测量中 设被测物表面偏移ΔZ 时，照明光点由O1移 到O2，相应像点由P1移到P2，则
O2 M
O1 聚光器
θ
激光器
成像物镜
P2
P1
像点偏移量：A= P1 P2= ΔZ · β· sinθ
被测物偏移：ΔZ =A/(β· sinθ)= A/(β· θ) θ角很小时） (当
透过率
光电器 电路 调制系统 件的 转换 的透过率 灵敏度 系数
放大 器的 放大 倍数
光电 变换 系数
将（1）代入（2）得
U 0 RT
（二）光透过被测对象的形式
被 测 对 象
4
表面前置放大器输出的电压值是温度的函数。
检测 器件
当光透过均匀介质时，其光通量的变化为：
入射到介 质表面的 光通量 物质的 浓度 表示溶液和气 体对光的吸收 性质 介质的厚度
半导体激光器1通过高频调制照到被测面上，反射面上被
散射的光点由聚光镜4接收，最后透过窄带滤光片5由
PSD（半导体位置检测器6）接收。产生的信号电流进
入信号处理装置。在这里，信号电流经前置放大器7， 一路反馈到电源驱动器2，控制发光强度保持恒定。另 一路经过模拟开关8将PSD的两个输出端IA、IB分别接 入同一电路中。模拟开关8的输出信号进入到取样放大 器9＆A/D转换器10中，它们以光源调制频率将PSD信 号变换成数字信号，最后，利用电脑11计算出被测量距
度的变化，可用来测量轴向位移 。
光焦点法：点光源1 通过成像镜头2 在被测物体3 表面成点像，该像点作为新的发光物点，折回成 像物镜的光路中，在像面上成清楚像。像面的光 照度分布呈衍射斑的形式。当被测物表面相对理 想物面前后移动ΔZ时，像点相对理想像面 同方 向 地前后移动ΔZ', 像点的偏移引起原像面上的 离焦，使像面照度分布扩散。如在初始像面设置 针孔光栏，并使其直径小于光斑直径，这时，前 后移动光栏，通过针孔的光通量将会改变,如c图 所示。像点ΔZ' = β2ΔZ (二次成像），其中β=f / Z0
像点偏移量的检测方法：
（1）用电荷耦合器件（即CCD） 其空间分辨率：取决于固定分割的光敏像素尺 寸（优于PSD)，温漂小、工作稳定。但需扫 描驱动，受背景干扰，高速应用受限。
： （2）光电位置检测器件（ 即PSD）
其分辨率受入射光功率的影响（大于一定值才 接近CCD 的），输出的是模拟信号 ；可用调 制的方法减小背景干扰；响应速度高，可进 行光点位置的连续检测。
2.成像测量法
利用物镜对物体的成像关系，以CCD阵
列或摄像管等成像器件在观察图像时
确定轮廓的边缘＆边缘间的距离。
精度：可达0.1%~2%。
3.扫描测量法
利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体 边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分 布，通过测量通光与遮光的时间差进行测长。 精度：可达0.01%~0.1%。 一般系统由三部Байду номын сангаас组成：将激光束平行投射到 被测物体上的激光扫描装置；放置在被测物体 后方接收激光束的检测装置＆处理接收信号的 电子装置。
驱动电路
模拟开关
半导体 激光器 聚光 透镜 光学 滤光 片
A/D变 取样放大器 换器
PSD 器件 放大器
电脑
O1
成像聚光镜
ΔZ
输出
I A IB A L I A IB
O2
I A logL A / 2L
I B logL A / 2L
像点偏移式距离传感器
L为信号电极距PSD的距离；A为入射光点距中心的距离。
L=q n
q为量化单位，采用莫尔条纹变换
时，其为光栅节距，达到微米 量级；若采用激光干涉时，其 等于激光波长的二分之一或四 分之一；n为条纹个数。
光学 变换
信息
（六）光传输信息的形式
光通讯技术即属此类。
调制器
解调器
信息
信息
二、光电变换的类型
（一）模拟量信息变换 被测的非电信息量变为光信息量时，通常为光 通量形式，光电变换后，输出光电流与光通 量成正比。 这类变换器要求：光源、光学系统＆光电器件 性能稳定。 否则，由于光源辐射通量的波动＆光电器件特 性的改变将明显引起输出光电流的变化，给 光信号检测带来误差。
光电转换 系数
正品 表面 的反 射率
疵病表 面的反 射率
（四）光由被测对象遮挡的形式
可用于检测物体的位移量＆尺寸。主要用 在测微计，尺寸检测仪以及光电计数， 光开关等领域。
U 0 EbRl
输出位移 量的信号 电压 被测表面 的照度
光敏面的宽度 或高度
物体遮挡光 的位移量
（五）被测对象经光信息量化的 形式 若长度信息量L量化为条纹信息量， 则长度
瞄准＆测长分开：
首先利用各种光电瞄准装置对准被测物体边缘， 然后利用各种长度基准计量出两次瞄准间的长 度间隔。
（二）实时测长方式
瞄准＆测长同时进行。它在几何量的自适应控 制＆在线测量中应用广泛。 另种分类方法：
1.光度测量法
根据被测物体的遮光、反光等造成的光量变换， 采用单个光电元件测量物体尺寸。 精度：不超过0.5%~5%。
D 2 F T N
透镜 焦距 时钟周 期
时钟脉冲计数器 记录的脉冲数
二、轴向测距（沿检测系统光轴方向的长度 检测方法） （一）像点轴上偏移检测的光焦点法（以聚
焦光斑光密度分布 的集中程度 判断物体 轴向位移的方法）
在成像光学系统中，物像间有严格的几何关系。 当被测物离开理想物面时，会引起像面上光照
1 点光源 1
成像镜头2 被测物3
c
a
b
d
+ΔZ -ΔZ
Z0 E
f
a b c
ΔZ C图
+ΔZ/ -ΔZ/ I a
b
c
x
（二）像点轴外偏移检测的像偏移法（光切法）
是一种三角测量的轴向位移测量方法。
当将光束照射到被测物体时，用成像物镜从 另外的角度对物体上的光点位置成像，通过三角 测量关系可以计算出物面的轴向偏移大小。
（二）模数变换
被测信息量通过光学变换量化为数字信息（如
光脉冲、条纹个数等），经变换器输出的电 信号通常为“0”＆“1”两个状态组成的一系 列脉冲数字信号。 它只取决于光通量的有无而与光通量的大小无 关，故这类变换器对光源＆光电器件的要求 不高。
第二节 几何变换的光电检测方法
一、光电测长技术
物体外形尺寸的测量其基本原理是首先通过瞄准 确定被测物体的轮廓边缘，然后计算边缘标志 间的长度。 （一）瞄准测长方式
光电信号的变换形式 与检测方法
本章内容： 光电变换的基本形式与类型 几何变换的光电检测方法 物理变换的光电检测方法 光电编码器＆条形码 重点内容： 光电变化的基本形式与类型 几何及物理变换、莫尔条纹的光电检测方法 难点内容： 物理变换的光电检测方法
第一节
光电变化的基本形式与类型
一、基本形式
1. 被测对象为辐射源的形式
扫描器
带 有 多 面 反 射 镜 的 电 机
激光器
Fθ透镜
D
接收器
反射镜 滤光片 放 大 器
聚光镜
θ
ω D
光电 元件 物体
多 面 反 光 镜
处 理 器
输出显示
脉宽测量
边缘检测
典型的激光扫描测量系统
激光束经过反射镜折回到透镜上，并由位于F-θ 透镜焦平面上的多面反射镜旋转扫描，平行照 射到被测物体上。然后经光接收器所得到的光 电信号在电子处理器中进行边缘检测＆脉宽测 量。最后经运算处理后，由数字显示给出测量 结果。其物体直径可由下式求得：
0 e
U 0 0 DR
vd
则光电变换器的输出电压为：
光电变 换系数 透过 率
（三）光由被测对象反射的形式 通常分为两种：镜面反射：用来 判断光信号的有无。如光准直， 转速等；漫反射：检测物体表 面的外观质量。
U 0 E r1 r2 BR
疵病 信号 电压 被测 表面 的照 度
离A。
光电探测器件直接探测物体本身 的辐通量以确定目标物的存在。 如：火警、侦察、武器制导等。
被测 对象
检测 器件
此外，由于物体的辐射与波长
＆温度有关，故还可用于探测 温度＆光谱分析。
设物体全辐射通量密度为
发射率
M T
4
（1）
斯忒藩-玻尔兹曼常数
在近距离测量时，前置放大器输出的电压信号 为 U 0 M msGA MR （2）
此法在几毫米到几米的距离内可实现高精度 测量。在工业上常应用在离面位移的测量中 设被测物表面偏移ΔZ 时，照明光点由O1移 到O2，相应像点由P1移到P2，则
O2 M
O1 聚光器
θ
激光器
成像物镜
P2
P1
像点偏移量：A= P1 P2= ΔZ · β· sinθ
被测物偏移：ΔZ =A/(β· sinθ)= A/(β· θ) θ角很小时） (当
透过率
光电器 电路 调制系统 件的 转换 的透过率 灵敏度 系数
放大 器的 放大 倍数
光电 变换 系数
将（1）代入（2）得
U 0 RT
（二）光透过被测对象的形式
被 测 对 象
4
表面前置放大器输出的电压值是温度的函数。
检测 器件
当光透过均匀介质时，其光通量的变化为：
入射到介 质表面的 光通量 物质的 浓度 表示溶液和气 体对光的吸收 性质 介质的厚度
半导体激光器1通过高频调制照到被测面上，反射面上被
散射的光点由聚光镜4接收，最后透过窄带滤光片5由
PSD（半导体位置检测器6）接收。产生的信号电流进
入信号处理装置。在这里，信号电流经前置放大器7， 一路反馈到电源驱动器2，控制发光强度保持恒定。另 一路经过模拟开关8将PSD的两个输出端IA、IB分别接 入同一电路中。模拟开关8的输出信号进入到取样放大 器9＆A/D转换器10中，它们以光源调制频率将PSD信 号变换成数字信号，最后，利用电脑11计算出被测量距
度的变化，可用来测量轴向位移 。
光焦点法：点光源1 通过成像镜头2 在被测物体3 表面成点像，该像点作为新的发光物点，折回成 像物镜的光路中，在像面上成清楚像。像面的光 照度分布呈衍射斑的形式。当被测物表面相对理 想物面前后移动ΔZ时，像点相对理想像面 同方 向 地前后移动ΔZ', 像点的偏移引起原像面上的 离焦，使像面照度分布扩散。如在初始像面设置 针孔光栏，并使其直径小于光斑直径，这时，前 后移动光栏，通过针孔的光通量将会改变,如c图 所示。像点ΔZ' = β2ΔZ (二次成像），其中β=f / Z0
像点偏移量的检测方法：
（1）用电荷耦合器件（即CCD） 其空间分辨率：取决于固定分割的光敏像素尺 寸（优于PSD)，温漂小、工作稳定。但需扫 描驱动，受背景干扰，高速应用受限。
： （2）光电位置检测器件（ 即PSD）
其分辨率受入射光功率的影响（大于一定值才 接近CCD 的），输出的是模拟信号 ；可用调 制的方法减小背景干扰；响应速度高，可进 行光点位置的连续检测。
2.成像测量法
利用物镜对物体的成像关系，以CCD阵
列或摄像管等成像器件在观察图像时
确定轮廓的边缘＆边缘间的距离。
精度：可达0.1%~2%。
3.扫描测量法
利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体 边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分 布，通过测量通光与遮光的时间差进行测长。 精度：可达0.01%~0.1%。 一般系统由三部Байду номын сангаас组成：将激光束平行投射到 被测物体上的激光扫描装置；放置在被测物体 后方接收激光束的检测装置＆处理接收信号的 电子装置。
驱动电路
模拟开关
半导体 激光器 聚光 透镜 光学 滤光 片
A/D变 取样放大器 换器
PSD 器件 放大器
电脑
O1
成像聚光镜
ΔZ
输出
I A IB A L I A IB
O2
I A logL A / 2L
I B logL A / 2L
像点偏移式距离传感器
L为信号电极距PSD的距离；A为入射光点距中心的距离。
L=q n
q为量化单位，采用莫尔条纹变换
时，其为光栅节距，达到微米 量级；若采用激光干涉时，其 等于激光波长的二分之一或四 分之一；n为条纹个数。
光学 变换
信息
（六）光传输信息的形式
光通讯技术即属此类。
调制器
解调器
信息
信息
二、光电变换的类型
（一）模拟量信息变换 被测的非电信息量变为光信息量时，通常为光 通量形式，光电变换后，输出光电流与光通 量成正比。 这类变换器要求：光源、光学系统＆光电器件 性能稳定。 否则，由于光源辐射通量的波动＆光电器件特 性的改变将明显引起输出光电流的变化，给 光信号检测带来误差。
光电转换 系数
正品 表面 的反 射率
疵病表 面的反 射率
（四）光由被测对象遮挡的形式
可用于检测物体的位移量＆尺寸。主要用 在测微计，尺寸检测仪以及光电计数， 光开关等领域。
U 0 EbRl
输出位移 量的信号 电压 被测表面 的照度
光敏面的宽度 或高度
物体遮挡光 的位移量
（五）被测对象经光信息量化的 形式 若长度信息量L量化为条纹信息量， 则长度
瞄准＆测长分开：
首先利用各种光电瞄准装置对准被测物体边缘， 然后利用各种长度基准计量出两次瞄准间的长 度间隔。
（二）实时测长方式
瞄准＆测长同时进行。它在几何量的自适应控 制＆在线测量中应用广泛。 另种分类方法：
1.光度测量法
根据被测物体的遮光、反光等造成的光量变换， 采用单个光电元件测量物体尺寸。 精度：不超过0.5%~5%。
D 2 F T N
透镜 焦距 时钟周 期
时钟脉冲计数器 记录的脉冲数
二、轴向测距（沿检测系统光轴方向的长度 检测方法） （一）像点轴上偏移检测的光焦点法（以聚
焦光斑光密度分布 的集中程度 判断物体 轴向位移的方法）
在成像光学系统中，物像间有严格的几何关系。 当被测物离开理想物面时，会引起像面上光照
1 点光源 1
成像镜头2 被测物3
c
a
b
d
+ΔZ -ΔZ
Z0 E
f
a b c
ΔZ C图
+ΔZ/ -ΔZ/ I a
b
c
x
（二）像点轴外偏移检测的像偏移法（光切法）
是一种三角测量的轴向位移测量方法。
当将光束照射到被测物体时，用成像物镜从 另外的角度对物体上的光点位置成像，通过三角 测量关系可以计算出物面的轴向偏移大小。
（二）模数变换
被测信息量通过光学变换量化为数字信息（如
光脉冲、条纹个数等），经变换器输出的电 信号通常为“0”＆“1”两个状态组成的一系 列脉冲数字信号。 它只取决于光通量的有无而与光通量的大小无 关，故这类变换器对光源＆光电器件的要求 不高。
第二节 几何变换的光电检测方法
一、光电测长技术
物体外形尺寸的测量其基本原理是首先通过瞄准 确定被测物体的轮廓边缘，然后计算边缘标志 间的长度。 （一）瞄准测长方式