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第5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，在解决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。
5.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种基本形式；根据输出信号与待测信号的函数关系分为两类: 模拟光电变换;模-数光电变换。
1 光电信息变换的基本形式
• 信息载荷于光源的方式
待测信息存在于光源中（或光学信息为光源本身）图7-1(a) 。如：光源的温度信息、光源的频谱信息、光源的强度信息等。
例如，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。

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，即待测量的信息量。
光电传感器的变换电路输出的电压信号为
US = ξMe, λ (7-2)
式中， ξ= mτSGK 称为系统的光电变换系数。
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。
将式(7-1)代入式(7-2)得
US=ξεσT4 （7-3）
表明：变换电路输出的电压信号US是温度T的函数。通过测量输出电压，并进行标定就能够测出物体的温度。
• 信息载荷于透明体的方式
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材料对光吸收的规律。
（7-4）
式中，α为介质对光的吸收系数。
对于透明溶液有：
（7-5）
C是溶液的浓度，μ为与介质性质有关的系数。
变换电路的输出信号电压Us为

（7-6）
两边取自然对数后
lnUs=lnU0―μCl （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度C、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。
信息载荷于反射光的方式
反射有镜面发射与漫反射，具有不同的物理性质和特点。
镜面反射在光电技术中常用于合作目标，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，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
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。
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，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
ΔA=bΔl （7-9）
变换电路输出的面积变化信号电压为
ΔU=EΔAξ=E bξΔl （7-10）
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。
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。
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。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。
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。
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。
• 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
Ip=f(Q) （7-12）
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。
1）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。
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。
• 模-数光电信息变换
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
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。
5.2 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。
5.2.1 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，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。
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。

*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 。
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。
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。
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，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（UD2－UD1） （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。
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。
(1)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；
(2)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。
5.2.2 模-数光电变换电路
模-数光电变换系统的设计要比模拟光电变换电路简单得多。本节将通过几个典型应用了解模-数变换电路。
1. 激光干涉测位移
如图7-14所示为激光单路干涉测位移的原理图。He-Ne激光器发出的光入射到分光器M1 上分成两束，一束为参考光束，另一束为测量光。分别经全反射镜M2与M3回到M1，并在M1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M3沿着测量光束的光轴移动时，光电器件输出的脉冲信号周期性变化。
光程差变化λ时，干涉条纹暗亮变化一次,光电器件输出一个脉冲。当干涉条纹变化n次时，光程差Δ＝nλ。对于图7-14所示结构，光程差Δ是动镜M3位移量L的2倍。因此，被测位移量
L=nλ/2 ( 7-35)
只要计量干涉条纹的个数n，便可测出测量头移动的长度。这种结构的量化单位：q=λ/2。
测量头左右移动的方向可以采用图7-15所示判断，根据两个光电器件输出脉冲的先后判断测量头的移动方向（即条纹是由亮变黑还是由黑变亮） 。可控制计数器进行加、减计数。
2. 莫尔条纹测位移
两块光栅以微小角度重叠时，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)。
如图7-17所示，其中的a－a线透光面积最大，形成条纹的亮带，在b－b线上，光线被暗条相互遮挡，形成暗带。
假设光栅的节距为d，两光栅的栅线夹角为θ，则莫尔条纹的间隔m与d和θ的关系为 ：

（7-36）

一般θ角很小，上式可简化为

（7-37）

当两光栅相对移动时，莫尔条纹就在移动的垂直方向上移动。
光栅每移一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹。只要计量莫尔条纹移过的个数n，便可计算出光栅的位移量L，即
L= nd (7-38)
量化单位q=d ，表示每条纹对应的位移量。
图7-18所示为光柵测长的原理图。它先将位移量变换成莫尔条纹
信号，然后再用光电器件读取信息，这种光栅又称为长光栅或长光栅付。它包含指示光栅与标尺光栅，指示光栅固定，标尺光栅的长度由位移量决定，一般较长。