第7章 光电信息变换

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 14 影响。
7.2 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于模-数两 种类型。
2
7.1.1 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 图7-1(a) 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。 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。 3
U be I 1 ( R t // rbe ) I 1 R t rbe R t rbe I1 rbe 1 rbe Rt
(7-21)
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。 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。 19
5
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 图7-1(b) 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
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
U
S
E ( r1 r2 ) B
(7-8) 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（7-8） 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。 4. 信息载荷于遮挡光的方式
U 0 K ( U D2 U D1 )
(7-22)
21
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
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，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 (7-12) I P f (Q ) 或
2. 具有温度补偿功能的变换电路 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。 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
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。光电信息变换器常由光源、光学系统、 光电传感器和处理电路等构成。 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。
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
M e, M e, , S T
4
(7-1)
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
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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，图72(b)为具有外接电源的 照度计电路。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。
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为提高测量电路的灵敏度，采用放大器对光电器件
变换电路输出的面积变化信号电压为
U E A E0)可见，用这种方式即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。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。
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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。 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 图7-1(e) 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)11
在同温槽中，且要求D1与D2的特性极为接近。
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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Re电阻用热敏电阻Rt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
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 时，常采用如图(7-2)所示的简单光电变换电路。
U
P
f (Q )
(7-13)13
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”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
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。反射有镜面反射与漫反射两种， 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 图7-1(c) 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。 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
7.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。但是根据光学信息的类型总可以总结出 1 它的基本类型。
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类。
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
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。
图7-1(d)
9
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 (7-9) A b l
4
U S m SGKM
e ,
M e ,
(7-2)
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(7-1)代入式(7-2)得
U
S
T
4
(7-3)
此式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。
U s 0 e
Cl
(7-6) (7-7)