第九讲：光电变换分类及电路

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1、第九讲:光电信息变换分类及电路将光学信息变换为电学信息的设备或者系统称为光电信息变换器.光电信息变换器光源光学系统光电传感器偏置电路处理电路7.1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;根据光学信息的类型可以总结出它的基本类型: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.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

2、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。如:温度探测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α=μCα---透明介质对光的吸收系数;μ---与介质性质有关的系数;C,l---介质的浓度与厚度.3.信息载荷于反射光的

3、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;E---被测表面的照度;R1---正品（无疵病）表面的反射系数;R2---疵病表面的反射系数;B---光电器件有效视场内疵病所占的面积;ξ---光电变换系数.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:这种方式还可应用于电视摄像、文字识别、激光测距、激光制导等方面。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

4、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。变换电路输出的面积变化信号电压为ΔU=EΔAξ=EbξΔl如上式,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。其它应用: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;如

5、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;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

6、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;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)或Up=f(Q)光电变换电路输出的电流I

7、p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;为保证上述函数关系，载体光度量必须稳定。同时，电路参数的变化影响被测信号的稳定实现稳定的高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多技术方面的困难。2.模-数光电变换：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