光电检测技术与应用

1. 光电检测技术与应用

2. 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_XMTM0OTgyNzg4.html http://v.youku.com/v_show/id_XMTM0NTkxNTI=.html 激光技术 http://v.youku.com/v_show/id_XMTgxMDk1OTcy.html http://v.youku.com/v_show/id_XMTkxODc1ODEy.html http://v.youku.com/v_show/id_XOTgzODc0ODA=.html 信息显示技术 光纤通信技术 http://v.youku.com/v_show/id_XNDA3OTg0MjQ=.html

3. 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。

7. 激光枪

8. “魟鱼”激光致盲武器 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。 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。

9. 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

10. 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

11. 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。

12. 机载激光武器 机载氧碘激光器

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 用激光使脱落的视网膜再复位 （目前已是常规的医学手术）

18. 用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着 处理前 处理后

19. 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。

20. 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 激光焊接

21. 液晶显示器 有机发光显示器

22. 简介 • 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。

23. 光电检测技术的发展 • 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)。

24. 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。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。

25. 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。

26. 参考书目 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 《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

27. 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

28. 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

29. 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。

30. 光电检测技术 传统的电子技术 微电子技术 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。

31. 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

32. 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

33. 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。

34. 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。

35. 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 ……） 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 被测信息： 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） …… 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 全部操作： 检测器具 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出 检测过程

36. 例：空调机测量控制室温 室内空气 被测对象： 温度 被测信息： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 检测器具： 操作过程：  热敏电阻 空气  电信号  处理  显示 空调机

37. 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）

38. 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 • 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。 • 2、光电传感器与敏感器的概念

39. 光电传感器 敏感器 敏 感 器 被测非电量 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

40. 光电探测器的种类

41. 传感器 信号变换器 输出环节 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：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

42. 光发射机 光学通道 光接收机 • 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

43. 光接收机的基本结构 接收透镜系统 光电检测器 后续检测处理器 接收到的光场 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）

44. 空间滤波器 透镜 接收到的光场 光电检测器 直接检测接收机 频率滤波器 合束镜 透镜 接收到的光场 光电检测器 聚焦光场 外差检测接收机 本地光场 本地激光器 光接收机的分类图示

45. 电信号处理 光学系统 被测对象 光学变换 光电转换 存储 光源 显示 控制 光电系统框图 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。

46. 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。

47. 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。

48. （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。

49. （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。

50. 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%