现代光电信息技术及应用

1、12目录激光告警技术及应用激光告警技术及应用瞬态表面高温光电探测技术及应用瞬态表面高温光电探测技术及应用甲烷浓度光电测试技术及其应用甲烷浓度光电测试技术及其应用棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 人眼视光学特性光电信息技术及应用人眼视光学特性光电信息技术及应用激光光幕技术及应用激光光幕技术及应用3第一章 激光告警技术和应用 本章的主要内容有本章的主要内容有: : 1.1.现代光电信息技术现代光电信息技术 2.2.激光告警技术定义、装置、应用方式和理想的激光告警激光告警技术定义、装置、应用方式和理想的激光告警 装置应满足的要求。装置应满足的要求。 3

2、.3.光谱识别型激光告警技术光谱识别型激光告警技术 A. A.成像光谱型告警技术的阵列单元组成、多元相关告警成像光谱型告警技术的阵列单元组成、多元相关告警原理、杂散光干扰的抑制。原理、杂散光干扰的抑制。 B. B.成像光谱识别型激光告警装置的构成，优缺点及实例。成像光谱识别型激光告警装置的构成，优缺点及实例。 4. 4.相干识别型激光告警技术相干识别型激光告警技术4第一章 激光告警技术和应用 A.F-PA.F-P标准具的结构及工作原理及典型标准具的结构及工作原理及典型F-PF-P型激光告警系型激光告警系 统。统。 B.B.迈克尔逊（迈克尔逊（MichelsonMichelson）型干涉型激光告

3、警技术原理及）型干涉型激光告警技术原理及优缺点。优缺点。 C.C.光栅衍射型激光告警的工作原理、系统设计及参数选择光栅衍射型激光告警的工作原理、系统设计及参数选择 D.D.傅里叶变换激光告警的基本理论、分辨力和光谱函数、傅里叶变换激光告警的基本理论、分辨力和光谱函数、干涉图采样、告警技术、等效斜楔干涉具设计、信号采集干涉图采样、告警技术、等效斜楔干涉具设计、信号采集与处理系统设计等。与处理系统设计等。 E. E. 其他相干激光告警技术其他相干激光告警技术 5.5.激光告警技术的发展趋势激光告警技术的发展趋势5第一章 激光告警技术和应用 1 1 现代光电信息技术现代光电信息技术 多学科综合技术：

4、多学科综合技术：光学技术、光电子技术、微电子技 术、信息技术、光信息技术、计算机技术、图像处理技术等。 研究内容：研究内容：光的辐射、传输、探测、光与物质相互作用以及光电信息的转换、存储、处理与显示等。 特点：特点：其一，有效延伸人眼的视觉功能，使其探测阈值达到光子探测的极限水平； 其二：以光为信息载体，结合计算机的研究成果，极大提高了光电系统的响应速度、带宽和信息容量。 6第一章 激光告警技术和应用2 2 激光告警激光告警技术：技术：是光电对抗的组成部分，它是指在太阳光、闪电、雷电等光干 扰复杂背景下，实时、可靠地告警敌方激光威胁的存在，确定威胁源的方位、种类及工作特性，进行光电报警的技术。

5、 装置：装置：它是指用来探测和识别敌方来袭激光特征信息的光电被动侦察设备。应用方式：应用方式：一种是自保护方式； 另一种是电子侦察方式。 装置构成：装置构成：有辐射探测和信息处理两部分。装置分类：装置分类：主要分为光谱识别型和相干识别型。7第一章 激光告警技术和应用3 3 光谱识别型激光告警技术光谱识别型激光告警技术非成像光谱识别型激光告警装置：非成像光谱识别型激光告警装置：通常采用具有特定空间分布的光电二极管作为激光告警元件,来确定威胁源的方位,若在圆形阵列中均匀分布N个光电二极管,则水平方向的角度分辨力为180/2N。优点：优点：结构简单、技术难度小、成本低、告警灵敏度高。缺点：缺点：只能

6、探测有限的几个特定波长、定位精度高，虚警率高。阵列单元：阵列单元：激光告警头、信号处理器及报警/显示器。多元相关告警原理：多元相关告警原理：当有来袭激光进入该阵列单元时,信号经放大后由两阈值比较器进行比较,把低于阈值的噪声滤出,此后送至相关处理器。杂散光干扰的抑制措施：杂散光干扰的抑制措施：光谱滤波、电子滤波和门限控制。8第一章 激光告警技术和应用告警器自身的白噪身是产生虚警的主要因素之一。适当增加阵列单元的数量可以提高角分辨力。光纤天线激光告警机的原理图和组成见图1-1。9第一章 激光告警技术和应用成像光谱识别型激光告警设备：成像光谱识别型激光告警设备：由探测和显控两个部件组成。优点：优点：

7、视场大、角分辨力、虚警率低。缺点：缺点：光学系统复杂，只能单波长工作且成本高，难小型化。鱼眼透镜：鱼眼透镜：一种焦距极短且视角很大的广角镜头。优点：优点：可以凝视半球或超半球空域。作用：作用：以畸变为代价而大幅扩大视角的一种特殊光学系统“拉赫韦斯拉赫韦斯”（LAHAWSLAHAWS）成像型激光告警设备的工作原理：）成像型激光告警设备的工作原理：鱼眼透镜： 接收的激光辐射通过4：1分束镜分成两个光学通道，80的光能通过窄带滤光片，经光谱滤光后聚集于CCD光敏面，其20的光再经两块分束镜和窄带滤光片进一步分成1；1的两条光学通道，各自进入一个PIN硅光电二极管探测器中，其中一个通道包含激光和背景信

8、号，另一个通道只包含背景信号，经相减放大，把PIN光电二极管的输出，经差分放大和高阈值比较器处理后，区分出背景照明和激光辐射，产生音响和灯光指示。10第一章 激光告警技术和应用4 4 相干识别型激光告警技术相干识别型激光告警技术 相干识别型激光告警装置的分类：相干识别型激光告警装置的分类：基于分振幅干涉的激光告警装置（布里-珀罗（F-P）型、迈克逊型、傅里叶变换 ）和基于分波面干涉的激光告警装置（光栅衍射型）。 F-P F-P标准具：标准具：由两块内表面镀有半反半透膜的相距为d的平行玻璃板组成。 标准具出射光强标准具出射光强I I与折射角与折射角的关系的关系: :光强透过率光强透过率T()T(

9、)与与 的关系的关系 )cos4(1 (20ndCOSII )cos4(121ndCOSTFP11第一章 激光告警技术和应用标准具出射光强标准具出射光强I I和折射角和折射角的关系曲线的关系曲线12第一章 激光告警技术和应用 从上面曲线可以看出： 在I-的曲线中可见出射光强信号是一个随变化的调频波，对称分布于=0的两侧。 当=0时， 在A点的位置，=0。 在B点的位置=B出射光强极小，则： B =0-13第一章 激光告警技术和应用F-PF-P标准具型激光告警装置：标准具型激光告警装置：利用F-P标准具对激光的调制特性来告警和识别激光的，它包括一个或多个F-P标准具，其后接有CCD。优点：优点：

10、具有视场大、虚警率低、角分辨力高。缺点：缺点：难以探测单、窄脉冲激光，成本高、工艺难度大。阶式阶式F-PF-P标准具抑制背景光干扰的工作原理标准具抑制背景光干扰的工作原理: :当背景光(非相干光)投射到阶式标准具上,上、下两部分均有光输出，并投射到各自的光电告警器上，这两个光电告警器分别接收标准具两个部分透射的辐射。当有激光入射到阶式标准具上时，标准具上、下两部分厚度有/4n的奇数倍差异，激光干涉结果使上、下两部分的输出一个是亮纹，一个是暗纹14第一章 激光告警技术和应用迈克尔逊（迈克尔逊（MichelsonMichelson）干涉型激光告警装置：主要由）干涉型激光告警装置：主要由的组成、工作

11、原理和优缺点-P11-P1215第一章 激光告警技术和应用光栅型激光告警装置光栅型激光告警装置的组成和工作原理-P13-P1416第一章 激光告警技术和应用傅里叶变换激光告警技术 17第一章 激光告警技术和应用等效斜楔干涉具设计需要了解：基本结构 P24干涉具的光程差分析 P25干涉条纹个数与激光频谱的关系 P26倾斜角的选择：P26P27波长分辨力分析： P27最大有效光程差： X=2nLtan则光谱分辨力为： R= minmin2arctanndtan211nLX18第一章 激光告警技术和应用 E.其他相干激光告警技术采用了光纤延迟技术、光学劈尖、非制冷红外焦平面器件 5 激光告警技术发展

12、趋势 激光告警技术8个主要研究方向-P31-3219第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用 主要内容：主要内容： 1. 1. 瞬态表面高温测量系统：蓝宝石光纤黑体腔设计、传瞬态表面高温测量系统：蓝宝石光纤黑体腔设计、传感器结构、黑体腔数学模型、传热方程的建立；响应时间感器结构、黑体腔数学模型、传热方程的建立；响应时间测定；测温原理；瞬态高温测试实例。测定；测温原理；瞬态高温测试实例。 2.2.可溯源瞬态表面温度传感器动态校准系统组成及工作原可溯源瞬态表面温度传感器动态校准系统组成及工作原理；热电偶温度传感器时间常数的定义和表示、测试实验理；热电偶温度传感器

13、时间常数的定义和表示、测试实验及分析、动态校准实验及分析。及分析、动态校准实验及分析。 3 3瞬态超高温测试的外推方法的含义；蓝宝石光纤黑体腔瞬态超高温测试的外推方法的含义；蓝宝石光纤黑体腔温度外推测试方法的含义、模型的建立和分析、外推测温温度外推测试方法的含义、模型的建立和分析、外推测温的实验验证、仿真结果和误差分析。的实验验证、仿真结果和误差分析。20第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用1. 1. 瞬态表面高温测量系统瞬态表面高温测量系统蓝宝石光纤黑体腔设计：蓝宝石光纤单晶探头目前主要有两种制作方法。 P34蓝宝石光纤黑体腔传感器结构。P35黑体腔传

14、热模型： 薄膜传热 腔内绝热；一维导热体系 ； 忽略热损耗21第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用黑体腔传热模型： 薄膜传热 腔内绝热；一维导热体系；忽略热损耗传热方程的建立：A.模型的单值条件 B.微分方程的建立P3622第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用黑体腔传感器响应时间测定-P37：测温原理-P374023第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用某导弹反射箱前框瞬态高温测试高温测量系统组成：24第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用

15、温度测量光电放大器-P41 实验结果-P41P43 a)影响热响应时间c的因素是薄膜材料的密度、比热容与周围环境的换热系数及镀膜厚度。 b) 解决关键技术，为恶劣环境下的高温测试提供了一种可靠的方法。25第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用2 可溯源瞬态表面温度传感器动态校准系统系统组成及工作原理:26第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用可溯源动态校准的三个步骤：-P44P45A红外探测器静态校准 红外探测器动态校准和被校温度传感器动态校准瞬态温度的动态校准热电偶温度传感器动态特性实验研究：热电偶温度传感器时间常数

16、的定义、表示、测试实验及分析-P45-P48热电偶温度传感器动态校准实验及分析-P49-P5127第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用 3 3 瞬态超高温测试的外推方法瞬态超高温测试的外推方法瞬态超高温测试的外推方法的含义瞬态超高温测试的外推方法的含义 外推方法是从测试物体某一等温面上的温度变化规律出发，采取一定模式与合适的解法，外推出物体边界或内部其它等温面上温度变化规律的过程。 若将由边界条件、初始条件以及传热模型确定的物体内部温度变化的物体导热过程称为正面解，则由物体内部某等温面温度变化规律、初始条件以及外推出边界值或内部其它等温面上温度变化的外推

17、过程的反面解。28第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用蓝宝石光纤黑体腔温度外推测试方法蓝宝石光纤黑体腔温度外推测试方法假设假设 假设黑体腔导热过程是一个半无限大物体一维非稳态导热建模建模 P53模型求解：模型求解：最终温度的表示式 T(x,) x,）+g(x,) 其中g(x,)不难求得，而 x,）是关于n的无穷项的加法运算，由于正弦函数是有界函数，所以 x,）收敛于某一常数值，从而可以选择合适的N,变为 x,） 1(nf1(nfNnf1(1(nf29第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用 外推测温实验验证外推测温实验

18、验证 实验方案实验方案 -P5530第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用实验结果实验结果 -P56-P56 通过进行外推测温实验验证，利用外推模型进行外推计算，采用分离法求解，得到的外推结果温度最高值出现在49.7ms。温度为1127，把外推结果和红外测温仪测得的黑体腔表面温度1174对比，可得出在最高温度上产生误差为47 ，两者在变化趋势及峰值处表现出好的一致性。31第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用仿真结果：仿真是外推模型的反面验证，即黑体腔的传热过程。见下图。其总的变化趋势基本一致。32第二章：瞬态表面高温

19、光电探测技术及应用第二章：瞬态表面高温光电探测技术及应用误差分析误差分析1建模过程中引入的误差。2 分离变量法求解过程中引入的误差。3黑体腔腔口反射率看作常数1引入误差。4其他误差的引入。包括光纤传光损耗的影响、光电探测器零点漂移的影响，环境温度的影响，背景噪音及高频干扰的影响。利用外推方法可以拓展温度测试仪器的测温范围，同时可以降低对传感器性能的要求。33第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 主要内容：主要内容： 1.1.影响瓦斯爆炸的三个主要因素。影响瓦斯爆炸的三个主要因素。 2.2.瓦斯气体检测得七个基本方法。瓦斯气体检测得七个基本方法。 3.3.气体特征

20、光谱吸收原理。气体特征光谱吸收原理。 4 4 单波长双光路和双波长单光路差分吸收技术、谐波检测单波长双光路和双波长单光路差分吸收技术、谐波检测技术。技术。34第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 5 5差分吸收法和谐波检测法的总体方案设计；基于光谱差分吸收法和谐波检测法的总体方案设计；基于光谱吸收原理的甲烷浓度检测系统模块的构成及各模块的组成、吸收原理的甲烷浓度检测系统模块的构成及各模块的组成、选择、设计；实验及测试结果。选择、设计；实验及测试结果。 6 6瓦斯浓度与温度无线光纤光电混合网络的系统构成、瓦斯浓度与温度无线光纤光电混合网络的系统构成、无线传感网络节

21、点、节点软件的设计、区域差分定位算法、无线传感网络节点、节点软件的设计、区域差分定位算法、上位机监控系统。上位机监控系统。35第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 1影响瓦斯爆炸的三个主要因素。影响瓦斯爆炸的三个主要因素。 A 甲烷浓度 B 火源 C 空气中氧气的含量 2.2.瓦斯气体检测的七个基本方法。瓦斯气体检测的七个基本方法。36第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 光干涉测量法 热催化测量法 热导型测量法 超声测量法 气敏传感测量法 荧光检测法 红外光谱吸收测量法 3.3.气体特征光谱吸收原理。气体特征光谱吸收原理。-P6

22、0-P60P62P6237第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 4 4 基于光谱吸收原理的检测方法基于光谱吸收原理的检测方法 直接检测甲烷系统中影响灵敏度的主要因素有光源的稳定性、 环境因素、电路元器件的漂移 、光纤传输特性的干扰、光路耦合处状态的变化 差分吸收法和谐波检测法是基于红外吸收原理的甲烷浓度检测方法。 差分吸收技术差分吸收技术: : 差分吸收技术分为：单波长双光路和双波长单光路38第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 差分吸收技术差分吸收技术: : 差分吸收技术分为：单波长双光路和双波长单光路。 单波长双光路39第三章

23、：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 双波长单光路40第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 谐波检测技术谐波检测技术-P65-P65P67P6741第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 5 5 瓦斯气体监测系统设计瓦斯气体监测系统设计差分吸收法总体方案设计-P6768谐波检测法总体方案设计-P6869 基于光谱吸收原理的甲烷浓度检测系统由光源模块、传感模块、光电转换及电路模块、数据信号采集及处理模块四部分构成。42第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 光源模块：光源模块：光

24、源选择-P69DFB激光器的模式跃变特性-P69P72光隔离器、光衰减器及光开关-P72 传感模块：传感模块：甲烷气体吸收模块的设计气室防污染材料的选取43第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 光电转换及电路模块：光电转换及电路模块：光电探测器的选择前置放大电路的设计滤波电路的设计调制电路设计 数据信号采集及处理模块：数据信号采集及处理模块：基于PCI-2006采集卡的信号采集基于LabVIEW的监测界面设计 测试结果分析测试结果分析-P77-P77P80P8044第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 6 6 瓦斯浓度与温度无线光

25、纤光电混合网络瓦斯浓度与温度无线光纤光电混合网络 系统构成系统构成-P80-P80P81P81 无线传感网络节点无线传感网络节点 P81P81固定节点设计P82移动矿帽节点设计P83通道选择P8445第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用第三章：甲烷浓度光电测试技术及应用 节点软件设计节点软件设计固定节点网络软件设计-P84矿帽节点软件设计-P85 区域差分定位算法区域差分定位算法- -P85P87 上位机监控系统上位机监控系统地面监控平台系统实现方案-P87监控软件设计-P88试验结果-P8946第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 主

26、要内容主要内容： 1.1.平面光的全反射特性；消失波的基本概念及其特点；偏平面光的全反射特性；消失波的基本概念及其特点；偏振光的基本原理和方法。振光的基本原理和方法。 2.2.金属薄膜光学特性的一般特点，银膜和金膜在应用中的金属薄膜光学特性的一般特点，银膜和金膜在应用中的特点；透明基片上的单层吸收膜的反射特性特点；透明基片上的单层吸收膜的反射特性 3.3.等离子体和表面等离子体波的概念；表面等离子体的共等离子体和表面等离子体波的概念；表面等离子体的共振效应；表面等离子体波共振的三种解释。振效应；表面等离子体波共振的三种解释。47第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光

27、技术及其在溶液浓度测量中的应用 4 4 棱镜型棱镜型SPRSPR传感器金属膜的含义和厚度的影响、灵敏度传感器金属膜的含义和厚度的影响、灵敏度与影响因素；棱镜折射率和溶液浓度对与影响因素；棱镜折射率和溶液浓度对SPRSPR传感器共振角传感器共振角的影响；光强度调制型的影响；光强度调制型SPRSPR传感器测量溶液浓度。传感器测量溶液浓度。 5 5 保偏光纤的基本原理、结构特点、精确定位方法；温度保偏光纤的基本原理、结构特点、精确定位方法；温度对保偏光纤的影响；棱镜型保偏光纤对保偏光纤的影响；棱镜型保偏光纤SPRSPR传感器。传感器。 6 6 基于菲涅耳公式测量溶液浓度的特点、计算模型的建立、基于菲

28、涅耳公式测量溶液浓度的特点、计算模型的建立、实验装置、计算程序实验装置、计算程序。48第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 1.1.平面光在界面的全反射特性和偏振光的产生平面光在界面的全反射特性和偏振光的产生平面光的全反射特性平面光的全反射特性-P91-P91P92P92消失波的基本概念及其特性消失波的基本概念及其特性-P92-P92P93P93消失波的重要特性指标:相速度 穿透深度 全反射古斯-汉欣位移 等相面和等幅面49第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 偏振光的基本原

29、理和方法。偏振光的基本原理和方法。-P93-P93P95P95产生偏振光的棱镜主要有产生偏振光的棱镜主要有: :A格兰-汤普森棱镜 渥拉斯顿棱镜 偏振分光棱镜偏振分光棱镜应用广泛主要优点有偏振分光棱镜应用广泛主要优点有: :分光性能好 B价格低 低损耗 光学系统设计灵活 50第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用2.2.金属薄膜的基本特性金属薄膜的基本特性光学特性的一般特点光学特性的一般特点: :金属薄膜的特性包括光谱反射特性、吸收特性和偏振特性。 在光学技术中，金属反射器件具有反射率高；与电介质相比，有很大的电导率，光照射在金属上时，

30、金属中的自由电子将在光电磁场的作用下受迫振动，在一定条件下可激励出表面等离子体并产生共振现象；金属折射率不易确定。 光波在金属薄膜中的传播随着厚度d增加呈指数衰减，光强度I可以写成： 。）/4exp(0kdII51第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 在斜入射时，金属薄膜的反射率与入射角之间的关系较为复杂，表现为明显的偏振。银膜和金膜在应用中的特点银膜和金膜在应用中的特点 银膜的优点是在可见光与红外波段具有最高的反射率，用做分光薄膜具有良好的中性和很小的偏振差异，缺点是在紫外区域反射率低，与玻璃附着力较差，机械强度和化学稳定性不佳，易

31、于氧化和硫化，常用做胶合零件和内反射零件，用做外反射膜需要选择合适的保护层。52第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 金膜的只有在波长大于800nm的红外波段才表现出高的反射特性，薄膜自身具有良好的化学稳定性，常用做红外系统中的外反射镜，可以不加特别保护层。缺点是在紫外区域反射率低，与玻璃附着力不高。透明基片上的单层吸收膜的反射特性透明基片上的单层吸收膜的反射特性 S偏振波-P96 P偏振波-P96P9753第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 3.3.表面等离子体共振传感器

32、表面等离子体共振传感器表面等离子体共振表面等离子体共振(SPR)(SPR)技术是一种简单、直接的传感技术，它通过测量金属膜附近介质折射率的变化来研究物质的性质等离子体等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外，物质存在的第四态。表面等离子体波表面等离子体波是一种偏振的P波，它的磁场矢量垂直于SPW的传播方向，平行于两种介质的分界面，并在两种介质中程指数快速衰减。54第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用表面等离子体的共振效应表面等离子体的共振效应 表面等离子体的共振效应是一种

33、物理光学现象或光电子现象，它是利用光波在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时的消失波，可以引起金属表面的自由电子产生表面等离子体。表面等离子体波共振的三种解释表面等离子体波共振的三种解释-P100-P100 A 光栅结构型 B Otto结构型 C Krestschmann结构型55第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 4 4 棱镜型表面等离子体共振传感器棱镜型表面等离子体共振传感器 棱镜型棱镜型SPRSPR传感器金属膜厚度的影响传感器金属膜厚度的影响：对SPR传感器性能影响最大的是金属膜的厚度。56第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测

34、量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用研究表明研究表明 : : ；当金属薄膜厚度70nm时，激励 SPR 效果不明显；当30nm金属薄膜厚度时， 复介电常量的实部和虚部随测量光波长的变化极大。当金属薄膜厚度20nm时，复介电常量的实部和虚部均趋于稳定。SPR传感器金属膜厚度取值范围为30nm 50nm;对一束测量光两次激励 SPR的高灵敏度光纤传感器系统来说40nm为最佳。57第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 棱镜折射率对棱镜折射率对SPRSPR传感器共振角的影响传感器共振角的影响：在固定金属膜厚度和光源波长的

35、情况下，随着棱镜折射率的减小，激励SPR的入射光的入射角度相应增大。棱镜折射率的变化不仅影响共振峰位置（共振角），且影响其半峰宽。当棱镜折射率增加时，共振角明显减小，半峰宽也明显变窄。58第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 溶液浓度对溶液浓度对SPRSPR传感器共振角的影响：传感器共振角的影响： 在膜厚度和棱镜折射率不变的情况下待测溶液的折射率增大，激励SPR的入射光的入射角也相应增大。59第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 光强度调制型光强度调制型SPRSPR传感器测量

36、溶液浓度传感器测量溶液浓度60第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 利用光调制的方法测量液体的折射率，其光强的变化量对应于共振角度的改变要更大，因此 灵敏度也就越高。 固定的入射角角度大于但接近于测量范围内最大浓度 对应的全体反射临界角时，测量灵敏度较高。 通过选择适当液体介质所对应共振角作为系统入射角度，分别检测不同介质对应的光强反射率，就能获得相关折射率的变化信息61第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 棱镜型棱镜型SPRSPR传感器的灵敏度与影响因素：传感器的灵敏度与影

37、响因素： 灵敏度的定义是直接检测参数的变化量与待定参数变化量之比。直接检测参数指共振波长或共振角，待定参数指折射率、膜厚度、待测溶液浓度等。 在没有考虑棱镜色散性的情况下，波长短比波长为的曲线陡，短波长所对应曲线的吸收峰较深，也即灵敏度较高。 对于测量共振角SPR传感器和光强度调制型SPR传感器，为了得到较高灵敏度，选用波长较短的光源作为激励光。62第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 5 5 保偏光纤及其在棱镜型保偏光纤及其在棱镜型SPRSPR传感器中的应用传感器中的应用 保偏光纤保偏光纤又称为高折射光纤，是一种沿光纤长度上能保持偏

38、振态（简称保偏）稳定传输的光纤，其保偏性能是在纤芯径向引入几何非对称或应力而致双折射所产生的。光纤的差拍长度越短，光纤对偏振的不规律性效应就越具有弹性，光纤对线性偏振光的偏振保持能力就越强。63第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 保偏光纤的结构特点：保偏光纤的结构特点： 描述保偏光纤的特性可以用拍长和保偏参数H来描述，假设用PX和Py分别表示 模和 模的功率，由光纤模式耦合理论可以给出两个模的功率交叉耦合计算公式，即： xHE11xHE112hle121yxxppP64第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射

39、光技术及其在溶液浓度测量中的应用式中：式中：l l为光纤长度，根据上式可以看出：光纤越长，交叉功率越大，为光纤长度，根据上式可以看出：光纤越长，交叉功率越大，为了保持偏振状态，为了保持偏振状态，PyPy应接近零，也就是说应接近零，也就是说h h应很小，高质量保偏光应很小，高质量保偏光纤的保偏参数一般为（纤的保偏参数一般为（5 52 2）1010-6-6m m-1-1。65第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 保偏光纤的精确定位方法：保偏光纤的精确定位方法： 光的偏振特性直接影响着光纤通讯系统的质量和光纤传感系统的精度。系统偏振态要求越

40、高所允许的保偏光纤方位角误差就越小。 根据通光和观测方向，精确确定保偏光纤方位角的方法可大致分为两类：纵向与横向。 纵向方法有利用光弹效应法、直接测消光比法和白光干涉法等，前两种方法的测量精度不高，存在二次对准问题，第三种方法的测量精度可达0.083。66第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 横向方法有利用结构线度差和透镜效应两种方法，前一种方法简便易行，但只适用于椭圆包层型光纤且测量精度较差，后一种方法具有较高的定位精度，适合各类光纤，最具有应用价值。 温度对保偏光纤的影响温度对保偏光纤的影响 当认为光弹系数为常数时，保偏光纤的双折

41、射特性与温度具有一定的线形关系。67第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用68第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 棱镜型保偏光纤棱镜型保偏光纤SPRSPR传感器：传感器：69第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 保偏光纤在棱镜型表面等离子体共振传感器的应用：当一束光斜入射到介质界面时，入射光矢量分解成平行于入射面振动的P波和垂直于入射面振动的S波，P波可以形成局限于界面的表面等离子体，因此产生SPR需要使入射光波经过

42、起偏器产生P波，而且需要在光路中有效地利用P波。 结合棱镜全反射和保偏光纤准直器特性，即：从激光器出来的光经起偏器产生P波，P波被耦合到保偏光纤准直器中，从一边垂直进入克莱切曼结构棱镜到达其底部，并在此处发生全反射，入射光在金属薄膜和待测介质的界面第一次激励SPR，70第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 反射光经过全反射棱镜系统两次全反射后，再一次从另一边垂直进入克莱切曼结构棱镜到达其底部，并在此处发生全反射，反射光在金属薄膜和待测介质的界面第二次激励SPR，反射光经过光纤准直器耦合到达光探测器。 根据下面公式和实验可知，如果入射光

43、为P波，经过全反射棱镜系统两次全反射后反射光不会变为S波。71第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用122121sinsincosarctan2nrprs这就是一束测量光两次激励SPR的高灵敏度光纤传感方法。72第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用第四章：棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 6 6 基于菲涅耳公式测量溶液浓度的简单模型基于菲涅耳公式测量溶液浓度的简单模型基于菲涅耳公式测量溶液浓度的特点- P112基于菲涅耳公式测量溶液浓度计算模型的建立方法- P112 P115基于菲涅耳公式测量溶液浓度计算模型的实验装

44、置- P115P117基于菲涅耳公式测量溶液浓度计算程序。 -P117 73第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 主要内容：主要内容： 1.1.人眼屈光系统。人眼屈光系统。 2.2.插片法、主觉式和客观式光电验光仪器等屈光度测试方插片法、主觉式和客观式光电验光仪器等屈光度测试方法法 3 3 客观式全自动光电验光原理、屈光度测量系统、监视系客观式全自动光电验光原理、屈光度测量系统、监视系统、眼底图像处理得计算方法；验光仪电子测量系统的电统、眼底图像处理得计算方法；验光仪电子测量系统的电子系统结构、眼底图像采集电路设计；光学拖动步进电机子系统结构、眼底图

45、像采集电路设计；光学拖动步进电机驱动细分控制原理、数字脉宽调制细分控制方法、硬件驱驱动细分控制原理、数字脉宽调制细分控制方法、硬件驱动原理。动原理。74第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 4 4 人眼角膜屈率图像的亚像素测量技术的光学测量原理；人眼角膜屈率图像的亚像素测量技术的光学测量原理；角膜图像处理中直方图选取图像阈值、角膜图像的膨胀腐角膜图像处理中直方图选取图像阈值、角膜图像的膨胀腐蚀处理；插值圆环（或椭圆环）质心计算方法、插值法计蚀处理；插值圆环（或椭圆环）质心计算方法、插值法计算角膜屈光率半径，实验结果分析。算角膜屈光率半径，实验结果分析

46、。75第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 1.1.人眼屈光系统人眼屈光系统 眼的屈光系统可视为一套复杂的组合透镜，光线到达眼底(视网膜)必须经过一系列屈光中间的透镜物质，包括3个屈光面及3个屈光介质。 非正视眼（屈光不正）包括近视眼、远视眼、散光眼三大类。 2.2.几种屈光度测试方法几种屈光度测试方法 对屈光检查、判定视力功能的方法称验光。验光的方法分为两大类：一类称主观法（或叫主觉法），另一类称客观法（或叫它觉法）。76第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 插片法插片法1）最小视角 最小视角原理是主觉式

47、验光仪光的基本原理2）视标参数77第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 光电验光仪器：光电验光仪器：主觉式验光仪器-P122客观式验光仪?- P122P12378第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 3 3 客观式全自动光电验光原理及验光仪客观式全自动光电验光原理及验光仪客观式全自动光电验光仪-P123屈光度测量系统-P124监视系统-P125 眼底图像处理得计算方法-P125 验光仪电子测量系统的电子系统结构-P126P128 验光仪电子测量系统的眼底图像采集电路设计-P128P134 光学拖动步进电机驱

48、动细分控制原理-P134、数字脉宽调制细分控制方法- P136 P138 硬件驱动原理-P138 79第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 4 4 人眼角膜屈率图像的亚像素测量技术人眼角膜屈率图像的亚像素测量技术光学测量原理-P139角膜图像处理-P139141直方图选取图像阈值80第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用第五章：人眼视光学特性光电信息技术及应用 角膜图像的膨胀腐蚀处理-P141 插值圆环（或椭圆环）质心计算方法- P141P142 插值法计算角膜屈光率半径- P143 实验结果分析-P143 81第六章：激光光幕技术及应用第六章：激

49、光光幕技术及应用 主要内容：主要内容： 1.1.光幕形成及其参数。光幕形成及其参数。 2.2.激光光幕光学系统设计中基模高斯光束、高斯光束波面激光光幕光学系统设计中基模高斯光束、高斯光束波面曲率半径曲率半径R R（z z）、相位因子和）、相位因子和q q参数表征；高斯光束通过参数表征；高斯光束通过光学成像系统的变换、激光准直扩束光学系统设计。光学成像系统的变换、激光准直扩束光学系统设计。 3 3半导体激光器的原理、温度特性及半导体激光器的原理、温度特性及ATCATC实现；准直系统设实现；准直系统设计；光强高斯分布型激光光幕柱透镜扩束及半导体激光光计；光强高斯分布型激光光幕柱透镜扩束及半导体激光

50、光幕组件；鲍威尔透镜形成的光强均布型激光光幕和鲍威尔幕组件；鲍威尔透镜形成的光强均布型激光光幕和鲍威尔透镜特性的光束光学解释。透镜特性的光束光学解释。82第六章：激光光幕技术及应用第六章：激光光幕技术及应用 4 4 椭圆柱面反射镜、玻璃圆弧柱面反射镜光学系统；椭圆柱面反射镜、玻璃圆弧柱面反射镜光学系统；PINPIN光电二极管原理、主要特性和常用光电转换前置放大电路；光电二极管原理、主要特性和常用光电转换前置放大电路；激光光幕测速系统；滤光片法、对管差分补偿法激光光幕激光光幕测速系统；滤光片法、对管差分补偿法激光光幕光电系统光干扰抑制技术。光电系统光干扰抑制技术。 5 5 天幕的形成和天幕测速系

51、统天幕的形成和天幕测速系统83第六章：激光光幕技术及应用第六章：激光光幕技术及应用 1.1.光幕形成及其参数光幕形成及其参数 激光器出射的激光，经准直光学系统、一维扩束光学系统，形成扇形光幕。 描述激光光幕性能的参数有：输出波长、出瞳孔径、出瞳功率、扇面角 、激光光幕线宽、光束弯曲度、工作温度、存储温度 、使用寿命等84第六章：激光光幕技术及应用第六章：激光光幕技术及应用 2.2.激光光幕光学系统设计基础激光光幕光学系统设计基础高斯光束的传播：基模高斯光束-P147高斯光束波面曲率半径 R（z）-P147高斯光束的相位因子- P148高斯光束 q 参数表征 - P14885第六章：激光光幕技术及应用第六章：激光光幕技术及应用 用 (z）和R(z）来描述高斯光束比较直观；用复数参数来研究高斯光束的传播规律，特别是高斯光束穿过光学系统的传播更方便。高斯光束准直扩束光学系统设计基础高斯光束准直扩束光学系统设计基础高斯光束通过光学成像系统的变换-P148激光准直扩束光学系统设计基础-P149 1达到极大值， 远场发散角0达到极小值，是理想的准直接扩束条件。 86第六章：激光光幕技术及应用第六章：激光光幕技术及应用 3 3激光光幕形成技术激光光幕形成技术光源：半导体