Transcript NEW 第一章
光电检测技术的主要领域及应用 红外技术 http://v.youku.com/v_show/id_XMTM0O TgyNzg4.html http://v.youku.com/v_show/id_XMTM0N TkxNTI=.html 激光技术 http://v.youku.com/v_show/id_XMTgxM Dk1OTcy.html http://v.youku.com/v_show/id_XMTkxO Dc1ODEy.html http://v.youku.com/v_show/id_XOTgzOD c0ODA=.html 信息显示技术 光纤通信技术 http://v.youku.com/v_show/id_XNDA3O Tg0MjQ=.html 红外技术的应用 Ti30热像仪 红外热成像图 红外遥控器 将物体的温度分布转换成图像， 以直观、形象的热图像显示出 来。 激光枪 1982年开始研制，1990 年1--3月在野外试验成 功，海湾战争中装配在 美军第七步兵师，参加 了“沙漠盾牌”和“沙漠 风暴”作战。 “魟鱼”激光致盲武器 激光弦目描准具（英国） 它是一种激光致盲描准具，1982年马岛战争期间安装在“竞技 神”号战舰上，不料实战中效果良好，造成3架阿根廷飞机失事。 所有这一切均是保密的。直致1989年英军舰“考文垂”号上因 帆布未盖好才被记者拍下照片，1990年公布于世。 单一光束轻巧激光瞄准器 手持式激光目标指示器 双光束激光瞄准器 AG轻武器激光瞄准器 激光武器的作战特色在于利用发出的激光束 迅速准确地使敌人致盲、迷惑和疼痛 前苏联更超前于美国,曾先后进行过十八次反 卫星实验,1975年曾照瞎了美国位于印度洋上 空一预警通信卫星，美提出强烈抗议，苏联 说没有这回事，美只好吃了一哑吧亏。 90年代举世瞩目的“星球大战计划”中的定向能 武器就是一种高能激光武器，现转称为“美国 国家导弹防御计划”，仍在大力研究。 美国化学激光器功率已达到2.2兆瓦; 美国与以色列联合研制了“鹦武螺”战术高能激 光反导武器:(仅1996年投资1100万美元) 初步方案:激光系统安装在“布雷德利”战车或 5吨卡车上,4--5辆组成一战斗单元, 以对付火箭的威胁。 机载激光武器 机载氧碘激光器 军用光电对抗武器 美国进行大功率激光束发射实验. 美军激光武器试验进行中 美国太空战高能激光武器示意图 美国陆基激光武器将是未来太空战重要力量 国产新型的激 光步枪结构图 解放军战术级激光 武器系统进行试射 中国又一款激光眩目器 中国武警部队战士肩挎新型激光枪 用激光使脱落的视网膜再复位 （目前已是常规的医学手术） 用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着 处理前 处理后 鲜红斑痣光动力治疗 激光治疗鲜红斑痣的方法目前主要有两种：一种是用脉冲激光直接照射病灶 部位，会给病人造成暂时的皮肤伤（掌握不好会留疤痕）；另外一种是用光 动力疗法（先给病人注射光敏剂，再用连续的绿光（功率密度照较小）射病 灶部位），优点是无皮肤损伤。 这第二种方法是由解放军总医院激光科发明的，需用大于30W连续的绿光激 光。但是由于国内缺乏功率足够的连续绿光激光光源，所以没有好用的连续 绿光激光治疗机，故目前能够开展光动力疗法治疗鲜红斑痣的医院很少。 Why? 光动力疗法是激光作为动力作用在光 敏剂上才能取得最佳疗效的方法，其光动 力疗法治疗鲜红斑痣机理如下表： 一、表皮层：有激光、无光敏剂、无血管 。无光敏剂，所以表皮不受损伤； 二、表皮下毛细血管：有激光、有光敏剂 、有血管。有光敏剂，用特定波长的激光 照射患处(病灶)，能达到最佳治疗效果； 三、真皮层：无激光、有光敏剂。有光敏 剂，无光照射，因此体内不会受影响。 激光焊接 高能激光（能产生约5500 oC的高温）把 大块硬质材料焊接在一起 液晶显示器 有机发光显示器 光电技术是光学和电子学技术相结合而产生出来的一门技 术学科，主要研究光与电之间的转换。 基础：近年来兴起的光电子学 核心：光与电之间的转换机理体现于光电器件之中 光电转换技术是研究应用一定的器件及手段，在一定条件 下，如何使光能（光信息）转化成电能，电能转化成光能 的技术。能实现上述功能的器件称为光电探测器件。即能 够发射、接收电磁辐射（光学辐射）的电子器件。光学辐 射包括紫外线、可见光和红外线。 将光辐射转换成电信息的称为接收器件，电信息转换成光 辐射的称为发射器件。 第一阶段：传统的光学装置及仪器，不能胜任对复杂光信 息高速采集和处理的要求。 第二阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器件及电路 集成在一个整体中，也可以将具有多个检测功能的探测器 件集成在一个整体中。其价格低，体积小。例如，将图形、 物体等具有二维分布的光学图像转换成电信号的检测器件 是把基本的光电探测器件组成许多网状阵列结构，引人注 目的器件CCD就是一种将阵列化的光电探测与扫描功能一 体化的固态图像检测器件。它是把一维或二维的光学图像 转换成时序电信号的器件，能广泛应用于自动检测、自动 控制，尤其是图像识别技术。像自动指纹识别系统 （AFIS)。 第三阶段：光导纤维传感器的出现，为光电检测技术的小 型化等开辟了广阔的前景。光纤检测可以解决传统检测技 术难以解决或无法解决的许多问题。例如，在噪声、干扰、 污染严重的工业过程检测，或者在海洋、反应堆中，自动 监测设备或智能机器人，必然会受到高压、高温、辐射等 极端困难的条件，光纤检测技术具有其独特的智能化的优 越性。由于光信息传输的独特优点，光纤检测智能化将比 其他检测技术更具有吸引力。 展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术与它的紧 密结合，光电检测技术越来越智能化。例如:机器人的视 觉系统。 光电检测技术的内容? 光电检测技术是以激光、光辐射(主要为红外线)、光纤等 现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射， 经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、 放大滤波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理， 最终显示输出所需要的检测物理参数。 教材 《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社 参考书目 《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社 主要课程内容及安排 绪论 光电检测器件工作原理及特性 半导体光电检测器件及应用 光电信号检测电路 光电直接检测系统 光外差检测系统 光纤传感检测技术 光电检测技术的典型应用 第一章 绪论 1.1 信息技术及光电检测技术 1.2 光电检测与光电传感器概念 1.3 光电检测系统的组成及特点 1.4 光电检测方法及应用发展趋势 1.1 信息技术及光电检测技术 信息技术: 微电子信息技术（电集成）、光子信息技术 （光集成）、光电信息技术（光电集成）。 感测技术、通信技术、人工智能与计算机技 术、控制技术。 信息的产生和获取、转换、传输、控制、存 储、处理、显示。 传统的电子技术 微电子技术 光电检测技术 光子信息技术 光电信息技术 微电子技术：通过控制固体内电子的微观运动来实现对信息的加工处理，并 在在固体的微区（小到几个晶格）内进行，将一个电子功能部件甚至一个 系统集成在一个很小的芯片上。 光子信息技术：以光集成技术为核心的有关光学元器件制造的应用技术，利 用传统工艺将有源和无源光学器件集成在一起，构成能完成光学信息采集 处理和存储等功能的系统 光电信息技术：光与电子转换及其应用技术，光频段微电子技术。 光电检测技术：利用光电传感器实现各类检测，即将被测量量转换成光通量， 再将光通量转换成电量，并综合利用信息传输技术和信息处理技术，最终 完成对各类物理量进行在线和自动检测。 光电信息技术 以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信 息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到： 1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测 5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析 9、光电人工智能和机器视觉 10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储 11、生物光子学 光电子技术 光学 Optics （古希腊） 以几何光学和物理光学为基础 望远镜、照相机、经纬仪、光谱仪）。 各种光学仪器和设备（显微镜、 以电磁辐射为研究对象（黑体辐射） 以光与物质相互作用为主 要研究内容（光电效应、光探测器、新型光源）。 电子学 Electronics (1910年) 研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以广泛利用的科学。 研究电波的振荡、传播，电信号的放大、变换，频率的稳定，混合， 检波等等 半导体微电子学。 光电子学 Opto-electronics (1955) 光学与电子学相结合的产物。将电子学使用的电磁波频率提高到光频， 产生电子学所不可能产生的许多新功能。 以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成 光电子技术。 光子学 Photonics (1970) 关于光子的科学及其应用。“ 从电子学类推，光子学一词描述光子在信 息传输中的应用，包括光子束的产生、导波、偏转、调制、放大，图象处理、 存储和探测 ”。 激光 光子时代的领衔主角。 1.2 光电检测与光电传感器概念 1、检测与测量 检测：通过一定的物理方式 ，分辨出被测参量并归属到 某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。 测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确定被测 量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。 关于检测的基本知识: 被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） … … 全部操作： 检测器具 检测过程 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出 例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示 空调机 测量方式： 直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的 数值。例如： 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表 质量：天平 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量， 通过函数关系式计算出被测量。例如： 电功率：P = I * V（电流/电压） 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动 的周期） 4 2 L g T2 2、光电传感器与敏感器的概念 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器 件 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。 光电传感器 传 感 器 非电量 电量（确定对应关系） 能量控制型---有源传感器：光敏电阻，光电二极管三极管 能量转换型---无源传感器：光电池 敏 感 器 被测非 电量 敏感器 光电传感器 可测非 电量 电量 （确定对应关系） 光电传感器---光电效应：将光信号转换为电信号 光电探测器的种类 类 型 PN结 非PN结 电子管类 其他类 实 例 PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管 色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD） 光电池 1.3 光电检测系统的组成及特点 一般电子检测系统 传感器 信号变换器 输出环节 传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的 电参数 信号变换器：完成信号的转换、滤波和放大 一般光电系统 光发射机 光学通道 光接收机 光发射机：分为主动式和被动式 主动式：光源（或加调制器） 被动式：无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射 光学通道：大气、空间、水下和光纤等 光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信息 •光接收机的基本结构 接收到的 光场 接收透镜系统 光电检测器 后续检测处理器 接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上 光电检测器：完成光电信号的转换 检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。 •光接收机的分类 功率检测接收机—直接检测或非相干检测 外差检测接收机—相干检测（空间相干） •光接收机的分类图示 空间滤波器 透镜 接收到 的光场 直接检测接收机 光电检测器 频率滤波器 合束镜 透镜 外差检测接收机 接收到 的光场 光电检测器 聚焦光场 本地光场 本地激 光器 •光电系统框图 光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 光 电 转 换 电 信 号 处 理 存储 显示 控制 光学变换：通过各种光学元件和光学系统，如平面镜、狭缝、 透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现 ，作用是将被测量转换 为光参量（振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化等）。 光电转换：由各种光电器件来实现，如光电检测器件、光电 摄像器件、光电热敏器件等。 •光电系统的分类 1、光电系统的分类：广义的光电系统包括两个分 支，即光电能量系统、光电信息系统 （1）光电能量系统：太阳能发电、激光加工、激光医疗、激 光核聚变等。主要是解决有关大功率光辐射能量的产生、控 制、利用及向其他能量形式的转换。 （2）光电信息系统：以光辐射和电子流为信息载体，通过光 电或电光相互转换，综合利用光学或电子学的方法进行信息 的传输、采集、处理、存储或显示、以实现确定目标的混合 系统，简称光电系统。 2、光电系统大致可分作下列几种类型。 （1）光-电型（应用最广泛）： 被测量对象经过光机系统产生光信号，其通过光电转 换成电信号进入电子系统，光学仪器的自动化常采用这种 方式。若经AD转换，进一步传输到计算机处理，可组成部 分代替人的视觉和思维活动的机器视觉系统。例如：智能 化的工业在线检测。 （2）光-电-光型： 由光机系统采集到的光信号通过光电转换（A/D）成电 信号，经电信号处理后再经过电光变换形成光信号输出。 例如：电视技术中的摄像管，显像管以及声像光盘的录制 和再现都是这类系统的代表。 （3）电-光-电型： 电信号经过电光变换得到可在光路中传输的光信号， 再经过光电变换为电信号后作进一步处理或输出。典型应 用如光纤通讯，其主要利用光纤对光信号进行传输。像光 纤立靶的应用。 （4）光电混合型： 其主要特点是使传统光路实现光路器件的“有源化” 和封闭的光束网络，例如光导纤维、空间调制器等。这将 最终组成有源可控的光学系统和集成光路。和现有的无源 光路比较，这是光学技术的根本变革。 （5）电光混合型 这种系统的目标是将电路系统元器件的功能用光学 方法来实现，即所谓的电路元件的“光子化”，例如光 学晶体管和光学双稳态器件等，目前许多单元器件已相 继问世或正在研制中。 后面两种光电系统是光电技术未来的发展方向，其中 的光电混合式或全光学式的光学计算机是这些系统最 有吸引力的发展目标。 光电检测技术的应用 一、在工业生产领域的应用 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…. 现代工程装备中，检测环节的成本约占50-70% 检测技术在汽车中的应用日新月异 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 二、检测技术在日常生活中的应用 家用电器： 数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器 遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD 办公商务： 扫描仪：文档扫描---线阵CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生： 数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 电子血压计：血压检测 --- 压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器 三、检测技术在军事上的应用 美军研制的未来单兵作战武器 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。 四、检测技术在国防领域的应用 美国国家导弹防御计划---NMD 1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统 监测系统: 探测和发现 敌人导弹的发射并追踪 导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假弹 头，敌友方 五、检测技术在航天领域的应用 “阿波罗10”： 火箭部分---2077个传感器 飞船部分---1218个传感器 神州飞船： 185台（套）仪器装置 检测参数---加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学 通过上面的学习我们可以看出，光电系统的共同特点是: 通过光电检测——所有被研究的信息都将通过各种效应（机、 热、声、电、磁）调制到光载波上，然后将携带被研究的信 息光载波转换为电信号，并通过电子线路和计算机的综合处 理，实现光学仪器的自动化。 因此，光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重要的意 义。所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和接收解调 两个主要方面。 光电检测技术的特点 高精度：从地球到月球激光测距的精度达到 1米。 高速度：光速是最快的。 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件 下进行测量。 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分， 故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高， 对被测物无形状和大小要求。 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控 1.4 光电检测方法及应用发展趋势 光电传感器的类型 根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同可 分为： ① ② ③ 直射型：光电转换器对着光源放置，光轴重合，对于 光源为发射光通量最大方向，对于光电器件为灵敏度 最高的方向。 反射型：分为单向反射和漫反射 辐射型：被测物体本身为一辐射源，光电检测器通过 接收被测物体的辐射光能量实现测量。 光电检测的基本方法 根据检测原理，基本方法： 直接作用法、差动测量法、补偿测量法和脉冲测量法 I、直接作用法：受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转 换后由检测机构可直接得到所求被测物理量。 被测物理量 光通量 放大、定标 光电系统的基本模型 光电传感器 直接读数 II、差动测量法：利用被测量与某一标准量相比较， 所得差或数值比可反应被测量的大小， 反光镜 光楔 Φ2 E C L Φ1 R 放大 U 被测物 调制盘 双光路差动测量法测量物体长度 相敏检波器 uA 工作原理： Φ U Φ1=Φ2时，U=0 Φ1 Φ2 Φ1 Φ2 O Φ1>Φ2时，工件尺寸变小 t Φ U U=S*(Φ1-Φ2)=S*ΔΦ Φ1 Φ1 Φ2 Φ2 O Φ1<Φ2时，工件尺寸变大 t O t t O U Φ U=S*(Φ1-Φ2)=-S*ΔΦ Φ2 Φ1 O Φ1 t t O 工件大小 Φ2 测量值 U的幅值 说明：测量值的大小决定了U的幅值，测量值的正负决定于U的相位， 可通过相敏检波器得到。 相敏检测器： 核心是由一个乘法器和一个滤波器，如图一路为信号us，另一路为uR。 ui=us=Eisin(ω1t+θ1), uR=ERsin(ω2t+θ2), ui或us 滤波器 u0 uR u0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2)1/2gEiERcos(2π(f1+f2)t+θ1+θ2] 滤去高频信号后， u0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2] 如f1=f2，则u0=1/2gEiERcos(θ1-θ2)=1/2gEiERcosΔθ 特性分析： Δθ=0，则u0输出为正， Δθ=π，则u0输出为负。 相敏检波器用途： 可用来测幅，测相， 还可高频信号变成中频信号（差频信号） 双光路外差检测特点： 双光路可消除杂散光、光源波动、温度变化和电源电压波 动带来的测量误差，使测量精度和灵敏度大大提高。 III、补偿测量法： 原理：是用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光 通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出补偿 量值，其大小反应被测量变化大小。 例：由相敏检波器输出控制光楔上下移动，使Φ1-Φ2=0，光楔移 动与读数机构相连，读数反映光通量的变化量，即被测值。 反光镜 移动控制及读数显示 光楔 Φ2 E C L 被测物 调制盘 Φ1 R 放大 U 相敏检波器 uA IV、脉冲测量法： 原理：测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其 参数（脉宽，相位，频率，脉冲数量等）反映被 测量的大小。 v 1、脉宽方法测长度： 测量关系式： L=v*t=v*k*N=K*N k---高频脉冲时间当量 K---长度当量 N---计数器值 n E R2 N 计数器 R1 高频脉冲 高频脉冲可取自电动机或转动轮上脉冲，消 除不匀速带来的误差。 2、频率法测速： 控制时间t E 放大 整形 计数 R 在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接收与转 速相对应的光脉冲，m为反光片数，n为每分钟转速， 则：f=n*m/60=N/t； 即转速可以由此得到：n=60N/m*t 脉冲测量法特点：抗干扰性能好，精度高，直接与计算 机相连，易于实现在线测量和自动化控制。 N 光电传感器的发展趋势 发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 发展小型的、快速的微型光、机、电检测系统。 非接触、快速在线测量，以满足快速增长的经济需要。 向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。 发展闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控 制一体化。 向人们无法触及的领域发展。 发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控，遥测 技术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描 测量等。 思考题及作业 1、如何实现非电量的测量，举例说明。 2、电子计数器如何实现既能测量频率又能测 量周期?为什么要通过测量周期方法来测量低 频信号的频率