1、第7章 光电信息变换,教学内容： 7-1 光电信息变换的分类 7-2 光电变换电路的分类 7-5 时变光电信息的调制,教学基本要求：,一 掌握光电信息变换的6个基本类型。二 掌握模拟光电变换电路的4种形式和模-数光电变换电路的基本工作原理。,三 掌握调制的基本原理和类型。四 了解几种调制器的基本工作原理。,光学信息,电学信息,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,解决问题,信息,光学参量,光学信息类型,基本方法,7.l 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为6种光电信息变换的基本形式,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
2、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,信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身）,温度信息,频谱信息,强度信息,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,成像测量,特点： 物体自身辐射通常是缓慢变化的 经光电传感器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。 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 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。,例：全辐射测温 温度信息存在于光源的辐射出射度Me, 由斯忒藩玻尔兹曼定律可知物体的全辐射出射度Me, 与物体温度的关系为：,
3、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：,m为光学系统的调制度 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 = mSGK为系统的光电变换系数,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。 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 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
4、载荷信息的方式。,提取信息的方法 光通过透明介质时光通量的损耗 入射通量及材料对光吸收的规律求解。,为透明介质对光的吸收系数 =C C 介质的浓度 为与介质性质有关的系数,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. 变换电路的输出信号电压Us,两边取自然对数后,将变换电路的输出信号电压Us送入对数放大器 得到介质的浓度C（在介质的厚度l确定的情况下） 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 反射有镜面反射与漫反射两种，各具有不同的物理性
5、质和特点。,镜面反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。,物体的漫反射本身载荷物体表面性质的信息 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。,在检测产品外观质量时，变换电路输出的疵病信号电压,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。,当E，r1和已知时，输出电压US是r2和B的函数 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 物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电
6、器件的视场，实现了信息载荷于遮挡光的过程。,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,变换电路输出的面积变化信号电压为,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。 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。,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
7、统中得到广泛的应用。,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 q：长度的量化单位，它与光学量化器的性质有关 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； 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. 光通讯方式的信息变换,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
8、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： 一类模拟量的光电信息变换，前4种变换方式； 另一类数字量的光电信息变换，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光度量（通量、照度和出射度等）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。,载体光度量必须稳定光度量的稳定与光源、光学系统及机械结构等的性能有关。 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
9、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其他技术方面的困难。,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输出“0”和“1”（高、低电平）两个状态的脉冲。 脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。 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。,F=f(Q),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 7.2.1 模拟光电变换电路 根据光电信息变换的内容和精度要求，模拟变换电路分为4种类型。 1. 简单变换电路 在对测
10、量精度要求不高的情况下测量受照面的照度,为提高测量电路灵敏度，采用放大器电路,设光电三极管的电流灵敏度为S，入射光的照度为Ev,3DG6的电流放大倍率为,流过电阻R1与R2的电流I1,I1=I2+IB=SEV+IB,设I1IB，可以推出,集电极电流IC为,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,如何调整该照度计？,以电压方式输出的光通量测量电路,Ubb,I2,I1,IB,Re,3DU2,RC,UO,光电流I1与入射光通量V的关系为I1=SV,三极管的基极电流IB,输出电压UO为,入射光通量V变化时，输出电压UO也要改变。,为了提高测量电路的稳定性，需要
11、引入温度补偿环节。,IC,2. 具有温度补偿功能的变换电路,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。,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。,如何工作？如何进行温度补偿？,利用温度补偿电阻对光电测量电路进行温度补偿的电路,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Ube,3. 差分式光电变换电路 光电比色计的原理图，是一种典型的差分式光电变换电路。,光电比色计电路为电桥差分式的光电变换电路。,优点 减小暗电流影响 减
12、小温度影响 减小光源的漂移和波动影响 消除检流计指示误差,双光路差分式光电变换器,D1与D2的特性参数应尽量一致。,设参考系统光电器件D1的输出电压为UD1，测量光学系统光电电压为UD2，则变换电路的输出信号电压,UO=K（UD2UD1）,式中K为放大器的放大倍率。,比较差接式光电变换器 这种变换方式常用于测色仪器,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； 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。,
13、双光路单光电器件的光电检测系统,光电器件D分时接收到参考光信号和测量光信号 输出的信号差即为被测信号。,4. 光外差式光电变换电路 光外差式光电变换电路微弱辐射信号的探测。 灵敏度高； 采用激光为变换媒体，具有很强的方向性和频率选择性，使噪声带宽变得很窄，高信噪比。,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，,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,若EL Es ，,式中a为比例系数。,由于辐射通量,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
14、接变换的输出信号的交流分量为,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,输出噪声电流主要是散粒噪声，忽略暗电流后为,信噪比与噪声等效功率分别为,采用CO2激光器，波长=10.6m，带宽f=107Hz，量子效率=50%：,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。,而直接探测的情况，在不考虑背景和暗电流情况下，,7.2.2 模-数光电变换电路 1. 激光干涉测位移 激光单路干涉测位移的原理图,M
15、1处产生干涉,干涉条纹被光电器件接收，形成脉冲信号。反射镜M3的位置量的模拟信息将载于脉冲信号。,当光程差K入时，两束光波的相位相同， M1处的光强度最大(出现亮点)，光电器件输出高电平；,当光程差(K十1/2) 时，两束光波的位相差为， M1处的光强度为零(出现暗点) ，光电器件输出低电平。 当M3沿着测量光束的光轴移动时，在M1上将出现亮暗交替的干涉条纹，其光强度的变化规律 Iv=Iov+IovKIcos(2/) Iov为平均光强度，KI为干涉条纹的对比度 光程差每变化波长时，干涉条纹暗亮变化一次，当干涉条纹变化n次时，光程差n。 被测位移量L=n/2,2. 莫尔条纹测位移 两块光栅以微小
16、角度重叠时，在与光栅大致垂直的方向上，将看到明暗相间的粗条纹，称为莫尔条纹(moire fringe)。,图7-16(b)为用腊腐蚀或照相腐蚀的方法制成的黑白光栅。,如图7-16所示为两种计量光栅示意图。其中图（a）为刻划光栅。,计量光栅的黑白线条等宽，光栅的节距（光栅常数）为等间隔的。,假设光栅的节距为d，两光栅的栅线夹角为，则条纹的间隔（宽度）m与d和的关系为,一般角很小，上式可简化为,光栅每移一个栅距，莫尔条纹移过一个间隔（即一个条纹）。因此，只要计测条纹移过的个数n，便可计算出光栅的位移量L，L=nq q=d为量化单位，表示每条纹的长度量。,莫尔条纹法进行几何量的测量有如下优点： 1、
17、 位移量的放大作用 将莫尔条纹间隔与光栅距之比定义为光栅付的放大倍数，对于微小倾角有,2、误差的平均效应,光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线n的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为0时，则光电器件输出的总误差,对于d=0.02mm的光栅付，用长为10mm的硅光电池接收，在视场内同时有500根线工作。若单根线的误差为1m，则光电池输出的平均误差仅为0.04m。,7.5 时变光电信息的调制 7.5.1 调制的基本原理与类型 1. 载波与调制 载波光通量作为信息的物质载体。 调制使光载波信号的一个或几个特征参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。 二次调制在许多情况下人为地使
18、载波光通量随时间或空间变化，形成多变量的载波信号。然后，再使其特征参数随被测信息而改变。使它对已随时间调制的光通量特征参数再进行调制。,调制器在辐射源或光路系统中进行光通量调制的装置。 解调从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程。 2. 光电信息调制的分类 时空状态 载波性质 （1）按时空状态分类 时间调制：载波随时间和信息变化。 空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。 时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。,(2) 按载波波形和调制方式分类 直流载波：不随时间而只随信息变化的调制； 交变载波：载波随时间周期变化的调制。交变载波又分为连续载波与脉冲载波方式
19、。连续载波调制方式包括调幅波、调频波、调相波。脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频等内容。,3. 典型的调制方法 (1) 连续波调制 连续波调制的光载波通常具有谐波的形式,0为光通量的直流分量，一般不载荷任何信息； m和为载波交变分量的振幅和频率。,调制后的载波信号,V（t）为由被测信息决定的调制函数,振幅调制（AM）：调制参量为mV(t)； 频率调制（FM）：调制参量为 V(t)；, 振幅调制,调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。 若载波频率为f0=10 kHz，调制信号频率为F0500Hz 调幅波的带宽为Bm=1kHz。 检测通道的带宽满足Bm的要求，对带宽外的信号进行有选择地滤波
20、，以便减少噪声和干扰，有利于提高信噪比。, 频率调制,宽带调频,窄带调频,；, 相位调制,相位调制为载波的相位角随着调制信号的变化而变化的调制。调频和调相两种调制波最终都表现为总相角的变化。,(2) 脉冲调制 不连续状态的脉冲调制和数字式调制（编码调制）。 脉冲调制有脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲频率调制等。图7-50所示为各种类型的脉冲调制方式的波形图。,(3) 编码调制 编码调制把模拟信号先变成序列脉冲，再变成代表信号信息的二进制编码，然后对载波进行强度调制。编码调制，包含三个过程，即，采样、量化和编码。 采样将连续信号分割成不连续脉冲的过程，序列脉冲的幅度与信号的幅度相对应。根据采样定
21、理，只要采样频率比所传递信号的最高频率大两倍以上，就能够恢复原信号。 量化将采样后的调幅脉冲进行分级、取“整”处理的过程，它用有限个数代表采样值的大小。 编码将量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。编码调制方式具有很强的抗干扰能力，在数字通信中得到广泛的应用。,(4) 其它参量调制 除光强、变化频率和相位之外还有许多其他的参量，比如光传输中偏振方向和传播方向等，这些参量也能作为调制的对象，用来传送有用的信息。 光波在旋光性物质中传播时，偏振面的转动可以用来取得有关该物质性质的信息。 例如糖溶液或松节油可使通过该溶液偏振光的偏振面转角，它不仅与通过溶液的路程l有关，而且还正比于溶液的浓度c
22、，即,a为溶液的旋光率,752 信号的调制 调制器是用来实现单色光波或复合光通量调制作用的装置，包括机电调制器，电光调制器，辐射源调制器和电子调制器。 1.机电调制器 常用的机电调制器主要包括机电振子、旋转光闸以及利用电致伸缩的压电型调制器。 利用遮光或改变透过率方式的调制器主要用作光通量的幅度调制和二次调制。 改变光束反射、折射方向的调制器有时兼有扩大扫描和搜索视场的作用。,(1)机电振子,机电式调制器的特点： 振子结构紧凑，调制方法简单，并且不改变入射光辐射的频谱分布。 机电时间常数大，调制频率不高，为几百到几千赫兹。 振动振幅和平衡位置的稳定性差，影响检测系统的工作质量。,(2)旋转光闸
23、,2.光控调制器 各向异性材料光学性质随方向而异的介质，发生一束入射光分解为两束折射光的现象，称为双折射。由于它们在两个方向上的折射率不同，这种材料具有旋光性，可以改变入射偏振光的偏振方向。 材料折射率各向异性的性质可在电场、磁场和机械力等外力作用下形成和改变。 利用这些光控效应可以对光波进行振幅、频率、相位、偏振面等光学参数的调制。,表7-1不同光控效应实现的调制类型及主要应用,(1)电光调制器 泡克耳斯调制器泡克耳斯效应是一种线性电光现象，在外加电场作用下，晶体的折射率会发生变化，感应电场与折射率的变化，也与外加电压的一次方成正比。 最常使用的泡克耳斯器件是磷酸二氢钾KDP(KH2PO4)
24、和磷酸氘钾KD*P(KD2PO4)，后者的外加电压比前者要低一半。,常用的KDP调制器的工作参数为:晶体尺寸10x30x3Omm，透过系数10%一30%，调制度达90%，频率范围0一1010Hz，调制电压达数千伏，消耗功率几十到一百瓦。,克尔调制器克尔效应是一种二次电光效应，在外电场作用下晶体的折射率变化与电场强度的平方成正比。常用的克尔盒材料是硝基苯(C6H5NO2)和钛酸钡(Ba-TiO7),克尔盒调制器的透过系数约为25%，光的波长范围为0.4一2.1m，调制度为90%，最高调制频率达1010Hz。 (2)其他光控调制器 图7-56(c)所示为一种能以极短的通断时间建立光闸的调制器。,3
25、辐射源调制器 多数情况下，在光辐射源供电电源上施加交变或脉冲的激励电压，便可以对光源发出的光进行调制。 利用气体放电光源可以得到几千赫兹的调制频率和80%的调制度。但大功率的气体放电灯调制器是比较笨重的设备。 半导体发光二极管(LED)可以得到很高的调制频率，其上限频率达到102MHZ以上，且驱动设备简单，发光效率较高，是目前应用最广泛的光通量调制器。,7.5.3 调制信号的解调 从已调制信号中分离出有用信息的过程称为解调，所以也称作检波，是信号调制的相反过程。实现解调作用的装置是解调器。 1直线律检波 (1)二极管的检波特性,半波整流的输出电压为,(2)调幅信号的解调 假设按正弦规律调幅的光
26、载波信号经光电变换及隔直处理后具有下列形式,式中m为调制度；为调制频率；为载波频率。,除去高次谐波后 ，得到调幅信号。,2相敏检波 (1)相敏检波和同步解调 对于有些调幅信号，不仅要求检测变量变化的大小，而且希望确定变化的方向或极性。对这种有极性变量的调制，通常可用载波的幅度大小表示变量的数值而用载波的相位正反表示变量的极性。为处理这种调幅信号也需要有对相位敏感的解调方法。这种不仅能检测出调制信号的幅度，而且能确定载波相位数值的解调称作相敏检波或同步检相，它的基本原理是乘积检波。,相敏检波器由乘法器构成的解调器和低通滤波器串联而成。 模拟乘法器对调制信号具有检波功能，因此又称为乘积检波器。,设
27、载波受单一频率谐波调幅,用做相位比较的参考信号,解调器的输出信号Uo为调幅信号U与参考Uc乘积,乘法器的输出信号包括,输出的低频（=）信号幅度最高,高频信号幅度较低,当时，用低通滤波器滤除高频项，相敏检波器的最终输出：,相敏检波器能够消除高次谐波的影响，使输出信号幅度与载波信号的幅度成正比。因此能够解调或再现出调幅信号； 相敏检波器的输出信号与载波和参考信号之间的相位差有关。在载波信号幅度不变的条件下能够单值地确定载波信号和参考信号之间的相位差。,当=0时， ，为正值。当=时， ，为负值。由输出信号的正、负值可以判断载波和参考信号之间的相位差或二者之间的极性。利用这个性质，也可以判断相对运动物
28、体几何位移量变化的方向。,(3)典型的相敏检波电路 已调制的载波信号通过放大器K由输入变压器输入，参考电压由中心抽头变压器引入。在参考电压的正负半周期内分别控制两对二极管或三极管的通断，使输入信号在负载电阻上进行全波整流输出。,输出电流的流向取决于参考电压和信号电压的相位关系，以达到检相检波的目的。,教学基本要求：,一 掌握光电信息变换的6个基本类型。二 掌握模拟光电变换电路的4种形式和模-数光电变换电路的基本工作原理。,教学内容： 7-1 光电信息变换的分类 7-2 光电变换电路的分类 7-5 时变光电信息的调制,三 掌握调制的基本原理和类型。四 了解几种调制器的基本工作原理。,作业： 7-1，7-5，7-7（1），7-9,
