第7章 光电信息变

迈克尔逊干涉仪中，通过检测干涉条纹的变化判定动镜位置的变 化；另外，镜面发射还用于测量物体的运动、转动的速度等。
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，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
U
s
0 e Cl
（7-6）
两边取自然对数后
lnUs=lnU0―μ Cl
度C、介质的厚度l有关信号。
（7-7）
将输出信号电压Us送入对数放大器后，便可以获得与介质的浓
利用此信号可以方便地得到介质的浓度C或介质的厚度l。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。
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-数光电变换的信号输出为只有“0”和“1”（高、低电平）两
个状态的脉冲信号。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 的大小，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为
和视频图像等信息通讯中。
7.1.2 光电信息变换的类型
光电信息变换方法可分为2类：一类为模拟量的光电信息变换， 例如前4种变换方式；另一类为模-数量的光电信息变换，例如后2
种变换方式。
1. 模拟光电信息变换
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，以光通量的形式入射
路输出的电压信号为 US= mτSGKMe, λ=ξMe, λ (7-2)
式中，m为光学系统的调制度，τ为光学系统的透过率，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 US=ξεσT4 （7-3）
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 量化器包含有光栅莫尔条纹量化器、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
US=E(r1-r2)Bξ
（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，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
• 7.1 光电信息变换的分类
• 7.2 光电变换电路的分类 • 7.3 时变光电信息的调制
• 7.4 光电检测常用电路介绍
7.l 光电信息变换的分类
根据待测信息载入光学信号的方式分为6种光电信息变换的基
本形式；根据光电变换输出信号与待测信号的函数关系分为模拟
光电变换与模-数光电变换两类。
7.1.1 光电信息变换的基本形式
以全辐射测温为例，温度信息存在于光源的辐射出射度Me, λ， 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
(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
为了提高测量灵敏度，采用放大器对 光电器件的输出信号进行放大。如图所示。
IC IB 1 RW
2
R2
[U
bb
( R W 1 R 1 ) SE
V
]
I CM
EC RW
2
（7-16）
R2
集电极电流IC随光照度的增大而降低。因此，照度计的调整过程
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。 β为环境温度T的函数，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 。
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。
2）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。
3）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，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-数光电信息变换
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
图7-1(d) 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Δ l，则物体遮挡入射到光敏面上的面积变化为
第7章 光电信息变换及检测技术
如何将待测信息加载到光学量中？信息存在的方式 和类型？以不同方式存在的光电信息如何探测？ 为了便于传递和处理需要对光信息调制、如何对 电信号放大、解调检出待测信息？ 本章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。 介绍几种光电检测系统电信号处理的常用电路。
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
F = f(Q)
（7-14）
显然，数字信息量F只取决于光通量的有无（与变化的频率、
周期、相位和时间间隔等信息参数有关），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。
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，只要能输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。
量及材料对光吸收的规律。
0e
l
（7-4）
式中，α 为介质对光的吸收系数，与介质的浓度C成正比α =μ C。
μ 为与介质性质有关的系数。
0e
Cl
（7-5）
由式（7-5），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、介质的厚度L有关。 变换电路的输出信号电压Us为
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
图7-1(b) 为信息载荷于透明体中的情况。 待测信息为：透明体的透明度，透明体的密度分布，透明体的 厚度，透明体介质材料对光的吸收系数等。 提取信息的方法利用光通过透明介质时光通量的损耗与入射通
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与模-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：
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，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。
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。
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
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（UD2－UD1） （7-22）
式中K为放大器的放大倍率。
Δ A=bΔ l
变换电路输出的面积变化信号电压为
（7-9）
Δ U=EΔ Aξ =E bξ Δ l
（7-10）
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，又可以测量物体的宽度b。 光电测微仪、光电投影显微测量仪等测量仪器均属于这种方 式。还用于产品的光电计数，光控开关和主动式防盗报警等。
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。 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