《光电世界》导论2015-3-8

1、2021年10月22日首都师范大学物理系首都师范大学物理系光电工程研究所光电工程研究所2021年10月22日光电世界有什么光电世界有什么 1光电技术发展现状光电技术发展现状2本课程的主要内容本课程的主要内容3课程要求及参考书目课程要求及参考书目4 光电世界光电世界导论导论 沈京玲沈京玲2021年10月22日1从科学意义上讲：电磁波，在波谱的不同位置2从技术领域剖析：光电形影相随相辅相成3从人类日常生活看：光电技术使生活更美好一、光电世界有什么？一、光电世界有什么？ 2021年10月22日1.1.科学意义科学意义红外红外紫外紫外可见光10156182191210101010101010324f/

2、Hz电磁辐射光谱的分布X射线射线远红外微波无线电电磁波谱电磁波谱2021年10月22日 图中频率范围涵盖了由宇宙射线到无线电波图中频率范围涵盖了由宇宙射线到无线电波（10102 210102525HzHz）的宽阔频域。）的宽阔频域。 光也是一种电磁波。光也是一种电磁波。光辐射仅仅是电磁波谱中的光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即即1010-9-91010-3-3m m的范围。在这个范围内，只有的范围。在这个范围内，只有0.380.380.780.78m m的光才能引起人眼的视觉感，故称的光才能引起人眼的视觉感，故称为

3、可见光。为可见光。 在不可见光中，波长在不可见光中，波长 0.780.78m m的的光叫红外线。光叫红外线。 常用的光波波长的单位是微米（常用的光波波长的单位是微米（m）、纳米）、纳米（nm）。它们之间的关系为：）。它们之间的关系为：1m=1000nm。 2021年10月22日2021年10月22日电磁波的基本性质电磁波的基本性质 波长波长 ，频率，频率 ，传播速度，传播速度 ，关系：关系：cffc/介质中，速度为介质中，速度为ncv/nnfcfv/光在真空中的传播速度：光在真空中的传播速度：c=299792458m/s一般近似记为：一般近似记为：3108m/s2021年10月22日？反射、折

4、射反射、折射干涉、衍射干涉、衍射偏振偏振吸收吸收色散色散散射散射光的本性光的本性2021年10月22日 1900年普朗克普朗克提出了辐射的量子论。 1905年爱因斯坦爱因斯坦在解释光电发射现象时也提出了光量子的概念，从而逐渐地形成了新的微粒理论-量子论。 量子论认为，光是由许多光量子组成的，这些光量子具有的能量为hf。 其中h=(6.62607550.0000040)10-34 JS，称为普朗克常数。 光电效应、X光散射等实验证实了光量子理论，并肯定了光具有粒子性。2021年10月22日波粒二象性波粒二象性光的本性光的本性反射、折射反射、折射干涉、衍射干涉、衍射偏振偏振吸收吸收色散色散散射散射

5、光的本性光的本性2021年10月22日光电的交汇点光电的交汇点-太赫兹波太赫兹波 1031061091012101510181024100Hz1021THz可见光可见光X射线射线g g 射线射线微波微波kilomega gigaterapetaexazetta yotta1 THz 1 ps 300 m 33 cm-1 4.1 meV 47.6 oK THz在电磁波谱中的位置2021年10月22日 THz是一个频率单位，是一个频率单位，1THz =1012Hz英文为英文为terahertz,译成中文为译成中文为“太赫兹太赫兹”通常通常THz辐射指辐射指0.1THz10THz之间的电磁辐射之间的

6、电磁辐射.（下一讲将展开：介绍基本性质，产生和探测方法。）（下一讲将展开：介绍基本性质，产生和探测方法。）2021年10月22日2. 技术层面的剖析技术层面的剖析 光电世界在技术层面对应的就是光电信息技术光电信息技术，是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合技术，涉及光信息的辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容。本课程将着重介绍相关内容 2021年10月22日从现代信息技术说起：现代信息技术包括 信息采集、信息传输、信息处理信息采集、信息传输、信息处理2021年10月22日信息采集：信息采集： 类似于人的感官系统，负责获得原始的信息； 主要由各类传感器完成

7、； 传感器：将各类原始信息（被测控的非物理量）转换成与之对应的易于处理的电信号输出装置。 人获得信息量最大的感官是眼睛，通过光获得的信息占80%。光电传感器：1.大容量、非接触、在线、主动获取信息；2.高精度：纳米级、高灵敏度：光子级。2021年10月22日信息传输：信息传输： 类似于人的神经系统，负责信息的传送，通信领域； 传统的通讯分有线和无线两种，这种通讯方式已满足不了现代信息传输的要求； 大容量和高带宽的光通讯：有线光通讯（光缆）正在替代电缆通讯，无线光通讯也在研制和发展中。2021年10月22日信息处理信息处理： 类似于人的大脑系统，负责对信息的综合处理，由电子计算机完成； 计算机网

8、络，满足人们对速度的要求； 借助光通信技术的发展，利用光网实现多台计算机联合，实现云处理，进一步满足人们对信息处理的要求； 光计算机也正在研制中。2021年10月22日现代信息技术主体： 光子技术+微电子技术 交叉 渗透 光电信息技术光电信息技术2021年10月22日光电信息系统的组成光电信息系统的组成 光发射器件光发射器件光源光源 光探测器件光探测器件光电信息转换和光电成像光电信息转换和光电成像 光电传输技术光电传输技术 光存储和显示器件和技术光存储和显示器件和技术 光电信息处理技术光电信息处理技术2021年10月22日一维光调制一维光调制电信息处理电信息处理光电转换光电转换电信息的电信息的

9、存储与显示存储与显示光载波光载波物理信息物理信息一维光调制一维光调制电信息处理电信息处理光电转换光电转换电信息的电信息的存储与显示存储与显示光载波光载波物理信息物理信息空间光调制空间光调制电信息处理电信息处理图像的图像的光电转换光电转换电信息的电信息的存储与显示存储与显示光载波光载波物理信息物理信息光学成像光学成像及处理及处理光调制光调制光学成像光学成像及处理及处理光信息的光信息的存储与显示存储与显示光载波光载波物理信息物理信息光学二维信息系统光学二维信息系统一维光电系统一维光电系统光电成像混合系统光电成像混合系统光电信息系统的组成2021年10月22日光发射器件光源 常用的普通光源：太阳光、

10、白炽灯 发光二极管(LED, Light Emitting Diode ) 白光LED-固体环保照明光源（特点及与现行照明光源的比较）； OLED(Organic Light Emitting Display,有机发光显示) -高效节能平面分布式固态光源 激光器：半导体激光器，光纤激光器，光子晶体激光器2021年10月22日光探测器件光探测器件光电信息转换和光电成像光电信息转换和光电成像光电倍增管光敏电阻光敏二极管、光敏三极管半导体组合型光电探测器件：象限探测器件、楔环探测器件、光电位置探测器件(PSD, position Sensing Detector)、半导体色敏探测器件、光电耦合器件、

11、热电偶与热电堆、热电偶、热电堆热敏电阻热释电探测器件2021年10月22日光探测器件光探测器件光电信息转换和光电成像光电信息转换和光电成像电荷耦合器件(CCD, Charge Coupled Device)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体 )图像传感器自扫描光电二极管阵列(SSPA, Self-Scanned Photodiode Array)接触式图像传感器CIS (Contact Image Sensor)变像管和像增强管特种光电成像器件：红外光电成像器件、紫外光电成像器件、x射线光电成像器件2021年10月22

12、日 光电传输技术光电传输技术 光纤传输技术：光纤传输系统的组成及特点 （保真度高、不受电磁干扰、安全。） 无线光波传输技术：无线光波传输系统的组成及工作原理 电线电缆传输技术：同轴电缆传输和双绞线或双芯线传输技术 无线电波传输技术：微波传输技术和无线移动视频传输技术 2021年10月22日光存储和显示器件和技术光存储和显示器件和技术 光电信息存储技术：光盘存储、全息存储、超高密度光电存储技术（双光子双稳态等三维数字存储、电子俘获存储、光谱烧孔存储、近场光学存储）、半导体存储技术、磁带磁盘存储技术 光电信息显示技术：CRT显示、LCD显示、PDP显示、LED阵列显示屏、OLED显示 CRT: C

13、athode Ray Tube LCD: Liquid Crystal Display PDP: Plasma Display Panel LED: Light Emitting Diode OLED: Organic Light Emitting Display2021年10月22日2021年10月22日LCD又分为又分为: TFT（Thin Film Transistor薄膜晶体管薄膜晶体管）TFD（Thin Film Diode薄膜二极管薄膜二极管）UFB（Ultra Fine & Bright超精细超亮）超精细超亮）STN（Super Twisted Nematic超扭曲向列型）超扭曲

14、向列型）IPS （In-Plane Switching平面转换平面转换)LCD: Liquid Crystal Display2021年10月22日光电信息处理技术光电信息处理技术 光学图像处理：光学图像处理的理论基础和方法、相干光学信息处理、非相干光学信息处理、白光信息处理 光电图像处理（视频图像处理技术）：是光电成像技术和数字图像处理技术的结合 基于DSP的数字图像处理：利用硬件处理器（DSP芯片）实现高速处理 2021年10月22日u光通信使资迅更加快捷，拉近人与人的沟通和联络2009 Nobel Prize in Physics, 高琨(Charles K. Kao), “在光学通信领

15、域中光的传输的开创性成就” u数码相机记录生活历程2009 Nobel Prize in Physics,博伊尔(Willard S. Boyle)和史密斯(George E. Smith), ”成像半导体电路电荷藕合器件图像传感器CCD” 此外，光显示液晶电视、电脑、手机显示，.3.3.光电技术使生活更美好光电技术使生活更美好 2021年10月22日数码相机(DC) 景物景物镜头镜头CCD/CMOS图像传感器图像传感器信号处理电路信号处理电路存储器存储器聚焦与变焦控制聚焦与变焦控制光信号转变为光信号转变为电信号电信号 读出串行数字，消燥、读出串行数字，消燥、DSP、数据压缩、变、数据压缩、变

16、成一幅幅图像输出成一幅幅图像输出CPU控制系统控制系统DC的特点的特点(1)即时看到刚刚拍摄的照片；即时看到刚刚拍摄的照片；(2)后期投资小；后期投资小；(3)与电脑结合修正加工；与电脑结合修正加工；(4)绿色环保绿色环保DC的基本构成和原理的基本构成和原理2021年10月22日2021年10月22日DC选用常见误区：选用常见误区：是不是像素大就好？是不是像素大就好？影响成像质量的因素：影响成像质量的因素：光学镜头质量（透镜消除像差的能力）光学镜头质量（透镜消除像差的能力） CCD像素大小像素大小CCD尺寸尺寸500 万像素万像素: : 最大影像分辨率是最大影像分辨率是 25921944 50

17、4 万像素，万像素，800 万像素万像素: : 最大影像分辨率是最大影像分辨率是 32642448 799 万像素。万像素。 指感光元件对角线的长度，常用单位为英寸。指感光元件对角线的长度，常用单位为英寸。常见的有常见的有 1/2.5 1/2.5 英寸、英寸、1/1.8 1/1.8 英寸、英寸、2/32/3英寸。英寸。2021年10月22日2021年10月22日CCD 尺寸与像素有联系，但不同。例如：专业数码单反尼康 D70 ：像素 600 万，CCD 的尺寸 23.715.6mm 尼康 coolpix P3 数码相机： 810 万像素， CCD 尺寸 5.384.39mm 两块 CCD 面积

18、相差近 10 倍。但D70 拍出的图像质量要比尼康 coolpix P3 拍出的画面要好得多，而且图像越放大越能证明这一点。2021年10月22日数码单反相机(DSLR)及与DC的不同 取景成像光路取景成像光路 快门不同2021年10月22日快门差异快门差异 时间延迟(快门时滞)是DC的1/10-1/5 物联网 智能家居 http:/ 辐射 传输 探测光电信息： 转换 存储 处理 显示研究领域光电材料与探测器、激光技光电材料与探测器、激光技术、光电测试与计量技术、术、光电测试与计量技术、传感及测量信息技术、光存传感及测量信息技术、光存储技术、全息学与光电信息储技术、全息学与光电信息处理、图像处

19、理技术、先进处理、图像处理技术、先进光学加工技术、光学仪器及光学加工技术、光学仪器及光学系统设计、自适应光学光学系统设计、自适应光学、薄膜技术、电子光学、光、薄膜技术、电子光学、光电成像技术、红外技术、弱电成像技术、红外技术、弱光探测成像技术、光电检测光探测成像技术、光电检测技术、光电医疗仪器、导波技术、光电医疗仪器、导波光学、光电器件及网络技术光学、光电器件及网络技术、光电显示技术、生物医学、光电显示技术、生物医学光子学、光通信技术、光谱光子学、光通信技术、光谱探测与成像技术、光电遥感探测与成像技术、光电遥感/遥测技术遥测技术三、光电信息技术发展情况三、光电信息技术发展情况（1） 2021年

20、10月22日三、光电技术发展现状三、光电技术发展现状（）（） 光电信息技术广泛应用于国民经济和国防建设的各行各业：军事、工业、农业、医学、环境、能源、交通运输、日用消费品 近年来，随着光电信息技术产业的迅速发展，对从业人员和人才的需求逐年增多。 2021年10月22日9个与光学工程相关实验室被列入国家重点实验室行列；个与光学工程相关实验室被列入国家重点实验室行列；6个被列入教育部重点实验室行列；个被列入教育部重点实验室行列；中科院有中科院有6大光机所、国防科工委下属十大工业集团公司下属数大光机所、国防科工委下属十大工业集团公司下属数十个与光电信息相关的专业实验室以及国防重点实验室；十个与光电信

21、息相关的专业实验室以及国防重点实验室；每年有超过千人进入各学校或实验室，从事光电信息工程学科每年有超过千人进入各学校或实验室，从事光电信息工程学科的学习和研究工作。的学习和研究工作。三、光电技术发展现状三、光电技术发展现状 （）（） 2021年10月22日 光电信息技术以其极快的响应速度、极宽的频宽、极大的信息容量以及极高的信息效率和分辨率推动着现代信息技术的发展，从而使光电信息产业在市场的份额逐年增加。在技术发达国家，与光电信息技术相关产业的产值已占国民经济总产值的一半以上，从业人员逐年增多，竞争力也越来越强。三、光电技术发展现状三、光电技术发展现状（）（） 2021年10月22日日本Sha

22、rp公司调查报告DVD播放机 1024万台（比上年增长67%）便携信息终端 450万台（比上年增长40.6%）移动通信机 4亿部（比上年增长37.9%）液晶投影机 109万台（比上年增长36.8%）PC机 1.23亿台（比上年增长30.6%）彩色液晶电视机 212万台（比上年增长18.7%）MD机 1450万台（比上年增长14.8%）2021年10月22日 美国政府将光电子与光子技术列为国家发展的重点，认为该领域“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力”，并肯定“通信和计算机研究与发展的未来属于光学领域”。美国商务部指出：“90年代全世界光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光子产业

23、方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技的较量中夺魁”。2021年10月22日1. 太赫兹波谱与成像太赫兹波谱与成像 教师：沈京玲，课时：2学时2. 信息传递的载体信息传递的载体-电和光电和光 教师：何敬锁，课时：6学时3. 光学信息处理光学信息处理 教师：张岩， 课时：4学时4. 微电子技术微电子技术 教师：崔海林， 课时：4学时5. 通信网技术通信网技术 教师：崔海林， 课时：2学时6. 太阳能光伏电池太阳能光伏电池 教师：苏波， 课时：4学时7. LED应用技术应用技术 教师：苏波，课时：2学时8. 固态成像器件与应用固态成像器件与应用 教师：冯立春， 课时：2学时9. 激光技术与应用

24、激光技术与应用 教师：王新柯， 课时：2学时10.光电信息存储技术及应用 教师：冯胜飞，课时：2学时11. 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 教师：赵国忠，课时：2学时四、本课程的主要内容四、本课程的主要内容 2021年10月22日课程要求：课程要求：1. 本课程是通识必修课，学生应按时到课，要记考勤；2. 每次课结束后老师将留1-2个思考题，作为期末考试要求的相关内容；3. 期末统一开卷考试，以上述思考题为考试范围 ；4. 开放题目：光电信息技术新进展及感想。 要求不少于2500字，期末考试前提交书面报告，不收不收打印稿。打印稿。四、课程要求及参考书目四、课程要求及参考书目2021年10月22日参考

25、书目：参考书目：1. 刘建宇，魏巍主编，光电世界，国防工业出版社，2004；2. 郭瑜茹，张朴，杨野平，王东军，光电子技术及其应用，化学工业出版社，2006；3. 王庆有主编，光电技术，电子工业出版社，2008；4. 张记龙，光电信息技术与应用，国防工业出版社，2008；5. 何兆湘，光电信号处理，华中科技大学出版社，2008；6. 萧泽新，现代光电仪器共性技术与系统集成，电子工业出版社，2009； 7. 光的世界编写组，光的世界，世界图书出版公司，2010；8. 雷玉堂，光电信息技术, 电子工业出版社，2011四、课程要求及参考书目四、课程要求及参考书目（续）（续）2021年10月22日谢 谢 ！http:/ .信息传递的载体信息传递的载体-电磁波电磁波二二. .信息传递信息传递( (通信通信) )技术的发展技术的发展三三. .通信的基本概念通信的基本概念四四. .通信系统的基本模型通信系统的基本模型五五. .光通信技术光通信技术2021年10月22日光学信息处理主要内容线性系统与傅立叶变换，光的衍射与透镜的傅立叶变换，图像的傅立叶频谱分析、空间滤波，光学相关识别与图像加密，全息基本原理，计算全息及应用，数字全息及应用。2021年10月22日太阳能光伏电池太阳能光伏电池1、太