1、光电检测技术与应用,光电检测技术的主要领域及应用,红外技术http:/ 光反导武器:(仅1996年投资1100万美元),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;,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
2、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,解放军战术级激光武器系统进行试射,国产新型的激光步枪结构图,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,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
3、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。,鲜红斑痣光动力治疗,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。,Why?,激光焊接,高能激光（能产生约5500
4、 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。,简介,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
5、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)。,光电检测技术的发展,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
6、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
7、测物理参数。,光电检测技术的内容?,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,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,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
8、: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。,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
9、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,
10、光电子技术,光学 Optics （古希腊） 以几何光学和物理光学为基础 各种光学仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、光谱仪）。 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
11、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、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。,1.2 光电检测与光电传感器概念,被测信息：,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,全部操作：,检测过程,关于检测
12、的基本知识:,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,物理量（光、电、力、热、磁、声、）,被测对象：,宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）,检测器具,化学量（PH、成份）,生物量（酶、葡萄糖、）, ,例：空调机测量控制室温,空气,被测对象：,被测信息：,检测器具：,操作过程：,室内空气,温度,温度传感器 - 热电阻、热电偶, 热敏电阻, 电信号, 处理, 显示,空调机,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
13、）重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）,测量方式：,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。,光电探测器的种类,一般电子检测系统,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,1.3 光电检测系统的组成及特点,一般光电系统,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
14、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,光电系统框图,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）。,光电系统的分类,1、光电系统的分类：广义的光电系统包括
15、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
16、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
17、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。,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%,光电检测技术的应用,检测技术在汽车中的应用日新月异,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
18、、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,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。,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,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测
19、-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,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,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：,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。,美国国家导弹防御计划-NMD,四、检测技术在国防领域的应用,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
20、方,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学,神州飞船：,185台（套）仪器装置,五、检测技术在航天领域的应用,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。,高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速
21、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、运算和控制能力。,光电检测技术的特点,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：,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。,1.4 光电检测方法及应用发展趋势,光电
22、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。,光电系统的基本模型,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，,双光路差动测量法测量物体长度,工作原理：,1=2时，U=0,12时，工件尺寸变小 U=S*(1-2)=S*,12时，工件尺寸变大 U=S*(1-2)=-S*,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
23、，另一路为uR。ui=us=Eisin(1t+1), uR=ERsin(2t+2),u0=uiuR=1/2gEiERcos2(f1-f2)t+1-2)- 1/2gEiERcos(2(f1+f2)t+1+2,滤去高频信号后，,u0=uiuR=1/2gEiERcos2(f1-f2)t+1-2,如f1=f2，则u0=1/2gEiERcos(1-2)=1/2gEiERcos,特性分析： =0，则u0输出为正， =，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
24、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1-2=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。,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。,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,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：,在转
25、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。,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。,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,思考题及作业,
