光电信息变换及检测.docVIP

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=