《光电信息变换》PPT课件.ppt

第7章 光电信息变换,7.l 光电信息变换的分类,本章将根据信息存在于光学量的方式或称光学信息的类型讨论光电信息变换的基本方式，从而对光电信息变换的问题具有系统的认识，在解决光电技术的具体问题时能够根据变换方式提出理想的设计方案。,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。但是根据光学信息的类型总可以总结出它的基本类型。,7.1.1 光电信息变换的基本形式,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-数光电变换两类。,1.信息载荷于光源的方式,如图7-1(a)所示，为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。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、武器制导、夜视观察、地形地貌普查和成像测量等的应用。,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。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,，由第1章中的式（1-42）可知物体的全辐射出射度Me,与物体温度的关系为,Me,=Me,，s=T4(7-1),式中Me,，s为同温度黑体的辐射出射度，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=mSGKMe,=Me,(7-2)式中，m为光学系统的调制度，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，=mSGK称为系统的光电变换系数。将式(7-1)代入式(7-2)得 US=T4（7-3）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7-1(b)所示，为信息载荷于透明体中的情况。在这种情况下，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。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,（7-4）,式中为透明介质对光的吸收系数，它与介质的浓度C成正比，即=C。显然，为与介质性质有关的系数。式（7-4）可改写为,（7-5）,由式（7-5）可见，当透明介质的系数为常数时，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。,（7-6）,两边取自然对数后,lnUs=lnU0Cl（7-7）,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。利用此信号可以方便地得到介质的浓度C（在介质的厚度l确定的情况下），或得到介质的厚度l（在介质的浓度C确定的情况下）。还可以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,如图7-1(c)所示，信息载荷于反射光的方式。反射有镜面发射与漫反射两种，各具有不同的物理性质和特点。利用这些性质和特点将载荷于反射光的信息检测出来实现光电检测的目的。镜面发射在光电技术中常用作合作目标，用它来判断光信号的有无等信息的检测。例如，在光电准直仪中利用反射回来的十字叉丝图像与原十字叉丝图像的重叠状况判断准直系统的状况；在迈克尔逊干涉仪中，动镜的位置信息载荷与迈克尔逊干涉条纹中，通过检测迈克尔逊干涉条纹的变化可以检测动镜位置的变化；另外，镜面发射还用于测量物体的运动、转动的速度，相位等方面。而漫反射则不同，物体的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，通过检测漫反射系数可以检测物体表面的粗糙度及表面疵病的性质。,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)B（7-8）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，为光电变换系数。由式（7-8）可知，当E，r1和已知时，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。,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7-1(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l，则物体遮挡入射到光敏面上的面积变化为 A=bl（7-9）变换电路输出的面积变化信号电压为 U=EA=E bl（7-10）,由式（7-10）可见，用这种方式即可以检测被测物体的位移量l、运动速度v和加速度等参数，又可以测量物体的宽度b。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。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。,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。如图7-1(e)所示，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（7-11）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。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。,6.光通讯方式的信息变换 目前，光通讯技术正在蓬勃地发展，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，称为光信息通讯的变换方式。如图7-1(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。,7.1.2 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 Ip=f(Q)（7-12）,或 Up=f(Q)（7-13）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。因此，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。另外，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。因此，实现稳定的高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多其他技术方面的困难。必须采用各种措施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。,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信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为 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。,7.2 光电变换电路的分类,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。,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于模-数两种类型。7.2.1 模拟光电变换电路 凡输出信号电流（或电压）与入射光度量具有式（7-12）或（7-13）所述关系的变换电路都称为模拟光电变换电路。根据光电信息变换的内容和精度要求，模拟变换电路又分为4种类型。下面分别讨论：,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（7-2）所示的简单光电变换电路，即简单照度计的变换电路。,图（7-2）（a）为不需要外接电源的硒光电池照度计的变换电路。考虑到硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线非常接近，一般不必考虑外加滤光器进行光谱修正。,调整电位器可使微安表的指针指示出光敏面上的照度。,放大倍率为，则流过电阻R1与R2的电流I1为 I1=I2+IB=SEV+IB（7-15）设I1IB，可以推出,（7-16）,集电极电流IC为 由（7-17）式可见，当入射光很弱时，EV0，流过光电三极管3DU2的电流近似为0，IC为最大值ICM,（7-17）,集电极电流IC随光照度的增大而降低。因此，该照度计的调整过程是：先将光敏面遮暗，调节电阻R1与R3使毫安表指针指示满刻度，此时指针的位置为照度计的“零点”；然后，改变光照度，根据标定的照度值在表头上进行刻度。显然，毫安表指针的零位置是照度计的最大照度测量值。,图7-3（b）所示为以电压方式输出的光通量测量电路，光电流I1与入射光通量V的关系为I1=SV，因此，三极管的基极电流IB为,（7-18）,（7-19）,2.具有温度补偿功能的变换电路,故，输出电压UO为,（7-20）,可见，当入射光通量V变化时，输出电压UO也要改变。因此，可以通过输出电压UO检测入射到光电三极管上光通量。,图7-4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。,从（7-20）式得到输出电压UO不仅与三极管的电流放大倍率有关，而且与三极管的基射结电阻rbe有关。而与rbe均为环境温度T的函数，表明放大电路的稳定性较差。为了提高测量电路的稳定性，需要引入温度补偿环节。,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被遮蔽并被与光电二极管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造成的影响。,图7-5所示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，将图7-3（b）所示的RL电阻用热敏电阻代替，构成具有温度补偿功能的光电检测电路。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Ube,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。,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。提出了差分式光电变换电路方暗。,3.差分式光电变换电路,图7-6所示为光电比色计的原理图，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，由图不难看出光电比色计电路为电桥差分式的光电变换电路。,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。设参考系统光电器件D1的输出电压为UD1，测量光学系统光电,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（UD2UD1）（7-22）,式中K为放大器的放大倍率。,另一种常用的双光路双器件光电变换器如图7-10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。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；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。,两个光电二极管的输出信号可以进行差分比较，测量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。,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。,4.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。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；此外，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。因此，光外差方式的光电变换电路在光通讯、激光雷达和红外技术领域得到广泛的应用。,图7-13所示为光外差式光电变换电路的原理示意图。设被测信号与本机振荡信号光束均为简谱函数，并分别表示为Escosst和ELcos(s+)t，其中Es和EL为光束的振幅，且差频s。,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,光电探测器输出的电流为,(7-23),(7-24),若Es EL，式（7-24）变为,(7-25),式中a为比例系数。,由于辐射通量，所以,(7-26),如果采用选频放大器放大探测器的输出信号，其交流分量为,假设直接变换的输出信号的交流分量为,则，可以得到光外差式和直接式变换灵敏度的比值Gs=(eL/es)1/2。因为eL es，所以外差式变换电路的灵敏度比直接式变换要高得多，一般要高103104数量级。,假设光电探测器为硅光电二极管，其输出信号电流的均方值为,（7-28）,(7-27),输出噪声电流主要是散粒噪声，忽略暗电流后为,故，信噪比与噪声等效功率分别为,（7-30）,采用CO2激光器，波长=10.6m，带宽f=107Hz，量子效率=50%，则得出,而直接探测的情况，在不考虑背景和暗电流情况下，,（7-33）,（7-32）,比较式（7-30）和式（7-32），可见光外差式的S/N提高了一倍。如果考虑背景噪声，光外差式的S/N提高得更高。,