光电检测技术(第一章 概论) changed 2

光电检测技术光电工程学院长春理工大学课程简介课程性质：专业基础课学分：3.5学时：64（48学时讲课+16学时实验）先修课程：工程光学、传感器、电子线路、微机原理使用教材：《光电检测技术》雷玉堂等编著

中国计量出版社参考书目：《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

《光电检测技术与应用》郭培源等编著

北京航空航天大学出版社光电检测的地位：信息技术内容: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。光电检测是信息时代的关键技术光电信息技术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

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：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、生物光子学本课程着重在光电检测的元器件、系统、方法和应用。光电检测技术光电检测技术：一种非接触测量的高新技术。以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件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的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存储显示控制光学变换电路处理光电检测系统的组成光电变换光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换：光学扫描光学参量调制：光强、波长、相位、偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。光电变换光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测系统的具体作用教学要求1、了解光电检测的应用范围及发展趋势2、理解光电检测器件的性能及应用3、掌握运用各种光电器件进行检测的方法第一章：概论；光电检测系统的组成。第二章：理论基础；光的基本度量方法和度量参数、半导体物理

基础、光与物质作用产生的各种光电效应等。第三章-第六章：各类光电与电光器件；光电检测器件是利用物

质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。紫外光探测器按工作波段分：可见光探测器红外光探测器非成像型按应用分：变像管成像型像增强器摄像管

光子检测器件按反应机理（结构形式）分热电检测器件教学内容第七章-第八章：检测电路与微机接口；第七章介绍光电检 测电路的组成、设计依据、设计要求和设计方法。光电 信号的种类归纳起来可分为缓变信号，调幅、调频脉冲 信号，以及视频图像信号等，光电信号所载运的信息有 幅度信息、频率信息和相位信息，如何将这些信息送入 微型计算机，完成信息的提取、存储、传输和控制，是 第八章的核心内容。教学内容第九章-第十章：光电变换检测技术与方法。这两章将根据 信息存在于光学参量的方式或光学信息的类型来讨论光 电信息变换基本方法，从而系统地认识光电信息变换。 在解决光电技术的具体问题时能够根据变换方式提出理 想的设计方案。第九章第一节讲述时变光信号的直接检 测，即光通量的测量；第二节光通量为信息的载体，通 过调制解调技术从已调制的信号中分离并提取出有用信 息。第十章按照利用几何变换的光电检测方法和利用物 理变换的光电检测方法分类介绍光电信号变换形式和检 测方法。教学内容第十一章：典型应用； 1.辐射度量和光度量的检测；如光强度计、光亮度计、 辐射计以及光测高温计和辐射测温仪等。 2.光电器件及光电成像系统特性的检测；如光谱增益、 光灵敏度、亮度增益等。 3.光学材料、元件及系统特性的检测；材料、元件的 光 谱特性，光学系统的调制传递函数；大倍率的减光片等。 4.非光物理量的光电检测；检测对象广泛，如各种射 线 及电子束强度的检测，各种几何量、机械量、材料的 硬度及强度、各种电量和磁量以及温度、湿度、材料浓 度及成份等参量的检测。教学内容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、运算和控制能力。光电检测技术发展趋势纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。小型、快速的微型光、机、电检测系统。非接触、快速在线测量。微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。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。光电跟踪与光电扫描测量技术。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。如：温 度、 压力、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、图象等检测技术在汽车中的应用二、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---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“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学习本课程的目的了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。掌握直接检测与外差检测的原理和区别。了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。概论一、几种简单的光电检测系统举例

1、光电计数器

2、红外报警器

3、光通信

4、转速（角速度）的光电检测

5、脉冲激光测距二、光电检测系统的主要构成及工作原理绪论图示为在传送带上对产品进行计数的原理图。传送带7上无产品时，光源1发出的光线，经透镜2和2’射向光电器件3；当产品6从计数装置前面通过时，遮断射向光电器件3的光线，光电器件3产生电脉冲，经放大器4放大后由计数器5进行计数。应用于自动打包、自动装箱、传送带上对产品进行自动计数、统计街口汽车的流量等。122´4567看动画31.光电计数器GYM2M3M4M5M1CDB1B2E红外线2、红外报警器当有人进入该区域，红外线必被遮住，可自动发出警报。红外光源GY发出的光束，经旋转的带孔圆盘C调制，使红外线变成频率数百赫的断续光(或由脉冲电源供电，使光源直接发出频率一定的脉冲光)，经窗口B1、反射镜M1-6及窗口B2后，照射于光敏三极管GG，它用遮光隔板D与光源隔开以免受它的直接照射。GG要选用对红外线灵敏的光电器件，它接收红外线后，经选频放大器放大。有情况GG正常绪论3、光通信与无线电通信在原理、结构及通信过程方面都是类似的，所不同的是传送信息的运载工具是用光而不用一般的无线电波。

光通信的原理示意图如图所示，声音通过话筒1变为电信号．经过音频放大器2放大，输出电流以调制发光二极管3的发光亮度，通过光学系统4，将光信号传送到接收端。当光敏二级管5接收到受音频调制的光信号后，转换为强弱变化的电信号经放大器6放大后，输出到喇叭或耳机7，发出声音。E1E21267534绪论绪论4、转速（角速度）的光电检测

如图，盘1装在欲测转速的轴上，光源2发出的光线，经盘1调制后透射或反射至光电器件3．转速可由光电器件3产生的脉冲频率决定。有带孔的盘、带齿的盘、黑白相间的盘三种形式，各具有不同的反射率。采取何种形式决定于具体结构。

每分钟的转速n与频率f的关系如下：

n=60f/m

式中m为孔数或齿数或黑白块的数目。因而只要测出频率就能决定转速或角速度。关于频率可用一般的频率表和数字频率汁测量。绪论5、脉冲激光测距

D

脉冲激光测距的工作原理见下图。在1处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在2处装有向1处反射的装置，1处至2处间的距离D是待测的。如果在1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从l处到达2处再返回l处所需要的时间t，则D=ct/2。绪论光电检测系统框图绪论1、光源以光源发出的光作为携带待测信息的物质光源本身就是待测对象分为：人工光源和自然光源①对光源的要求发光光谱特性、发光强度、光源稳定性等②光源的类型及常用的光源性能比较热辐射光源气体放电光源激光器电致发光器件等。绪论热辐射光源：热辐射光源是使物体温度升到足够高而发光的光源。例如白炽灯和卤钨灯。在玻璃壳内充入碘、溴等卤族元素的白炽灯称为卤钨灯。它们具有发射连续光谱、波长范围宽、价格便宜、使用方便等特点。卤钨灯绪论气体放电光源：利用气体放电而发光的原理所制成的灯，称为气体放电灯。它的光谱不连续，而且光谱与气体或金属蒸气的种类及放电条件有关。改变气体或蒸汽的成分、气体的压力及放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。气体放电灯发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。绪论

根据充气气压的不同，可分为低气压放电灯和高气压放电灯。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如钠灯辐射黄色谱线，可用作偏振仪等的单色光源。在需要线光源或面光源的情况下，若给出同样的光通量，气体放电灯消耗的能量为白炽灯的1／2—1／3。绪论电致发光器件-发光二极管：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象