第七章_光电信息变换
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到光敏面上的面积变化为
ΔA=bΔl
变换电路输出的面积变化信号电压为
ΔU=EΔAξ=E bξΔl
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成有 限个离散量的方法。光学量化 器主要包括光栅摩尔条纹量化 器、各种干涉量化器和光学码 盘量化器等。
应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加 工的自动控制方面。
第七章 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。
背景
目标
探
放
信号
测
大
器
器
处理
示波器
光电信息变换器常由光源、光学系统、光电传感器、偏置电 路和处理电路构成。
§7.1 光电信息变换的分类 光电信息变换的分类： 根据信息载入光学信息的方式分：
信息载荷于光源的方式；信息载荷于透明体的方式；信 息载荷于反射光的方式；信息载荷于遮挡光的方式；信 息载荷于光学量化器的方式；光通信方式的信息变换。
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。
而 Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
U S T 4
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。
二、光电信息变换的类型
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
两边取自然对数后
lnUs=lnU0―μCl
测量液体或气体的透明度（或混浊度），检测透明薄膜的厚度、
均匀度及杂质含量等质量问题。
3. 信息载荷于反射光的方式
利用镜面反射或漫反射信息进行测量
应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信 息，如光电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运 动、转动的速度、相位等。漫反射主要是测量物体表 面性质的信息，如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵 病。
关系为模拟函数关系。可表示为
Ip=f(Q)
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-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”
（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽
度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出
4. 信息载荷于遮挡光的方式
利用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 的视场进行测量。
应用范围：光电测微仪、光电投影显微测量仪、光 电计数、光控开关和主动式防盗报警。
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
的系数。上式可改写为
0eCl
0eCl
由上式可见，当透明介质的系数μ为常数时，光通量的损耗
与介质的浓度C与介质的厚度l有关，采用如图7-1(a)所示的变换 方式，变换电路的输出信号电压Us为即将变换电路的输出信号电 压Us送入对数放大器后，便可以获得与介质的浓度C与介质的厚度 l有关信号。
Us 0 eCl
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，再由光电变换电路变为 脉冲数字信号输出。
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。例如，将长度信息量L经光学量化后形成n个条纹信号，量 化后的长度信息L为 L=qn
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
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
U S m SGKM e, M e,
信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它来自百度文库被测信息量Q
的函数关系为
F = f(Q)
7.2 光电变换电路的分类
1、什么是模拟变换电路，有哪几种常用的 电路，各自的功能及优缺点是什么？
2. 信息载荷于透明体的方式
利用透明体的透明度、透明密 度分布、厚度、介质材料对光的吸 收系数等信息测量。
应用范围：液体或气体的透明度（或混浊度）、 透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等。
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
0el
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，即α=μC。显然，μ为与介质性质有关
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。例如，采用光栅摩尔条纹变换器时， 量化单位q等于光栅的节距，在微米量级；而采用激光干涉量 化器时，q为激光波长的1/4或1/8，视具体的光学结构而定。
6. 光通信方式的信息变换
信息首先对光源进行调制， 发出载有各种信息的光信号， 通过光纤传送到目的地，再通 过解调器还原信息。广泛用于 声音和视频图像等信息通信中。
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。
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），如光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的 强度信息等。
应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报 警、武器制导、夜视观察等。
举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。
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。
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。
ΔA=bΔl
变换电路输出的面积变化信号电压为
ΔU=EΔAξ=E bξΔl
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成有 限个离散量的方法。光学量化 器主要包括光栅摩尔条纹量化 器、各种干涉量化器和光学码 盘量化器等。
应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加 工的自动控制方面。
第七章 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。
背景
目标
探
放
信号
测
大
器
器
处理
示波器
光电信息变换器常由光源、光学系统、光电传感器、偏置电 路和处理电路构成。
§7.1 光电信息变换的分类 光电信息变换的分类： 根据信息载入光学信息的方式分：
信息载荷于光源的方式；信息载荷于透明体的方式；信 息载荷于反射光的方式；信息载荷于遮挡光的方式；信 息载荷于光学量化器的方式；光通信方式的信息变换。
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。
而 Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
U S T 4
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。
二、光电信息变换的类型
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
两边取自然对数后
lnUs=lnU0―μCl
测量液体或气体的透明度（或混浊度），检测透明薄膜的厚度、
均匀度及杂质含量等质量问题。
3. 信息载荷于反射光的方式
利用镜面反射或漫反射信息进行测量
应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信 息，如光电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运 动、转动的速度、相位等。漫反射主要是测量物体表 面性质的信息，如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵 病。
关系为模拟函数关系。可表示为
Ip=f(Q)
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-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”
（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽
度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出
4. 信息载荷于遮挡光的方式
利用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 的视场进行测量。
应用范围：光电测微仪、光电投影显微测量仪、光 电计数、光控开关和主动式防盗报警。
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
的系数。上式可改写为
0eCl
0eCl
由上式可见，当透明介质的系数μ为常数时，光通量的损耗
与介质的浓度C与介质的厚度l有关，采用如图7-1(a)所示的变换 方式，变换电路的输出信号电压Us为即将变换电路的输出信号电 压Us送入对数放大器后，便可以获得与介质的浓度C与介质的厚度 l有关信号。
Us 0 eCl
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，再由光电变换电路变为 脉冲数字信号输出。
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。例如，将长度信息量L经光学量化后形成n个条纹信号，量 化后的长度信息L为 L=qn
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
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
U S m SGKM e, M e,
信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它来自百度文库被测信息量Q
的函数关系为
F = f(Q)
7.2 光电变换电路的分类
1、什么是模拟变换电路，有哪几种常用的 电路，各自的功能及优缺点是什么？
2. 信息载荷于透明体的方式
利用透明体的透明度、透明密 度分布、厚度、介质材料对光的吸 收系数等信息测量。
应用范围：液体或气体的透明度（或混浊度）、 透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等。
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
0el
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，即α=μC。显然，μ为与介质性质有关
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。例如，采用光栅摩尔条纹变换器时， 量化单位q等于光栅的节距，在微米量级；而采用激光干涉量 化器时，q为激光波长的1/4或1/8，视具体的光学结构而定。
6. 光通信方式的信息变换
信息首先对光源进行调制， 发出载有各种信息的光信号， 通过光纤传送到目的地，再通 过解调器还原信息。广泛用于 声音和视频图像等信息通信中。
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。
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），如光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的 强度信息等。
应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报 警、武器制导、夜视观察等。
举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。
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。
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。