光电技术绪论课件

1、写在前面尊敬的各位同仁、朋友：大家好！欢迎各位使用本教材课件。 光电技术教材（机械出版社 2版）内容较宽泛。使用者可根据课时限制，选用教材中带*号的内容讲授。带*部分的内容大体上涵盖1版的教材内容。 本课件原本是为1版教材设计的。在使用2版教材时，大家可在此课件基础上加以修改和增加。我们也将逐步为2版教材编写出完整的课件，和大家共同使用。如有问题和建议，请和出版社反映，也可和我们直接联系。 谢谢！ 编者 *大学本科生课程光电技术（课号*） 20*年*季学期关于任课教师姓名：单位：实验室：电话：电子邮件：课程面向测控技术及仪器/光机电一体化/机械制造与设备自动化等专业本科学生。使用教材：1、孙培

2、懋，李岩，何树荣主编，光电技术,机械工业出版社，2016，02 2、网络学堂的课件。学时：授课考试*学时+实验*学时 课时分配学分：2学分要求先修课程：电工与电子技术、工程光学参考书：各种有关光电技术的书，例如：1）光电检测技术基础，罗先和，张广军等编著，北京航空航天大学出版社，19952）光电技术，王庆有主编，电子工业出版社，20053）光电检测技术，浦昭邦主编，机械工业出版社，20054）光电探测原理，安毓英、曾小东编著，西安电子科技大学出版社，20045）光电技术与实验，江月松主编，北京理工大学出版社，20006）光电技术基础，缪家鼎、龚兆远等编著，浙江大学出版社7）光电探测技术，王清正

3、等编著，电子工业出版社8）光电检测技术， 雷玉堂等编著，中国计量出版社9）等等 教学要求通过本课程学习，同学应掌握典型光电器件的原理和特点，常用光电器 件的性能、使用要点和选用原则。光电检测电路的设计和参数估算方法。常用光电信号变换方法。典型光电系统设计与典型光电技术的应用。 考核评定方式 1、学生提交书面作业。2、第八周最后一次课考试（百分制计分）。 开卷，独立答题。绪 论第1节 光电技术 一、概述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：以光学和电子学为基础，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。将光辐射转换成

4、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。 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、接收某种电磁辐射（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。二、光电技术的发展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。科学技术的发展对复杂光信息的高速采集和处理提出了更高的要求，出现了光电系统。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

5、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，能广泛引用于自动检测、自动控制，尤其是图像识别技术。光纤传感器和光波导的出现，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

6、，光纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。第二节 光电技术的特点及应用主要内容： 光电系统 光电检测 光电器件 一、光电系统 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 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。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、光电系统的主要类型 基本组成和光电信号的联系表示如图所示。 （1）光-电型（应用最广

7、泛） 它们的组成和信号流程表示在图中的分支中。被研究对象经过光机系统产生光信号，其通过光电变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。若进一步传输到计算机处理（A/D） ，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

8、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，这无疑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。3、光电系统基本模型 光电系统通常分为主动式和被动式两类。在理解模型时应

9、注意：主动式光电系统中，光发射机主要由光源（例如激光器）和调制器构成；被动式光电系统中，光发射机则理解为被探测物体的光（热）辐射发射。光学信道和光接收机对两者是完全相同的。所谓光学信道主要是指大气、空间、水下和光纤 。 光接收机是用于收集入射的光场并处理、恢复光载波的信息。其基本模型如图所示，包括三个基本模块。第一部分是光接收前端(通常包括一些透镜或聚光部件)，第二部分是光探测器，第三部分为后续处理器。透镜系统把接收的光场进行滤波和聚焦，使其入射到光探测器上。光探测器把光信号变换为电信号。后续处理器完成必要的信号放大、信号处理及过滤处理，以从探测器的输出中恢复所需要的信息。 光接收机可以分为两

10、种基本类型，即功率探测接收机和外差接收机。功率探测接收机也称作直接探测或非相干接收机，它的前端系统如图所示。透镜系统和光电探测器用于检测所收集到的到达光接收机的光场瞬间光功率。这种光接收机的工作方式是最简单的一种，只要传输的信息体现在接收光场的功率变化之中，就可以采用这种接收机。接收到的光场透镜空间滤波器频率滤波器光电探测器聚焦光场 外差接收机的前端系统如图所示。本地产生的光波场与接收到的光场经前端镜面加以合成，后由光探测器检测这一合成的光波。外差式接收机可接收以幅度调制、频率调制、相位调制方式传输的信息。外差接收机实现起来比较困难，它对两个待合成的光场在空间相干性方面有严格的要求。因此，外差

11、式接收机通常也称为空间相干接收机。接收到的光场透镜光电探测器聚焦光场本地激光器本地光场准直后的光场合束镜 不论是哪一种接收机，前端透镜系统都能把接收光场或合成后的光场聚焦到光探测器的表面，这就使得光探测器的面积可以比接收透镜的面积小很多。 二、光电检测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

12、。 光电检测系统的组成和信息流程图 光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节，调制与解调。1、调制 光辐射通过光学系统投射到被检测物体上，利用被检测物体对入射辐射的反射、吸收、透射、衍射、干涉、散射、双折射等光学属性，将被测变量调制到光载波的特性参量上。这些“特性参量”可以是光载波的变化幅度、频率或相位以及光的偏振状态，甚至可以是光束的传播方向或介质折射率的变化。 调制过程，一方面是使光辐射随时间作有规律的变化以形成载波信号（目前广泛应用的有机械的、光学的、声光、电光、磁光效应等各种方式）；另一方面是使载波信号的一个或几个特性参量随被测信息改变。 2、解调 将载荷着信息的光信号通过不同类型

13、光电接收器转换成电信号，经过滤波放大等预处理后进入到解调器，在此将输入信号和调制器中作为调制基准的参考信号相比较，消除载波信号的影响，得到与被测参量成比例的输出信号。这种光电信号的能量再转换和信号检波过程称作接收解调。 解调的电信号可用常规的电子系统作进一步处理和数据输出，得到最终的测量结果。 光电检测系统分类 （1）测量检查型 其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，可测参量包括几何量（长度、角度、形状、位置、变形、面积、体积、距离等）、运动参量（速度、转动、流量、振动、加速度等）、表面形状参量（工件粗糙度、疵病、伤痕等）、光学参量（吸收、反射、透射、光度、色度、波长和光谱等）、成分分析

14、（物理属性、浓度、浊度等）、机械量（质量、应力、应变、压强等）、电磁量（电流、电场、磁场等）以及温度和放射线的测量等。该检测系统要求可靠的重复示值和可信度，并且要有适用的数据处理能力和数据输出方式。 （2）控制跟踪型 这是一种有光电检测能力的反馈控制系统。光电传感器是信号反馈单元，当它检测到受控目标相对平衡状态的偏差信号时，可通过闭环控制使目标相对基准实现伺服跟踪或恒值调节。它的主要应用包括军事和科学应用（激光制导、热定向、飞行物自动跟踪等）、工业应用（精密工作台的自动定位、工业图形的自动加工、状态参量的极值控制以及有视觉能力的机器人等）。 （3）图像分析型 它的功能是采集目标的二维或三维的光

15、强空间分布，记录和再现目标的图像并进行判读、识别或图像的运算处理。在工业图形检测中，图像测量和分析主要依靠扫描或摄像装置采集光信号（如CCD摄像器件），同时进行空间时间和光量电量的变换。其次还需要大容量图像存储器及图像处理软件。 三、光电器件 光电器件是光电技术的核心！ 定义：凡能探测某种电磁辐射（自射线到红外线）的各种电子器件，都应归入光电探测器件。一般只讨论在紫外、红外和可见光范围内感光并产生电信号的元件，称其为光电探测元件，简称光电器件。 光电器件依据的物理基础： 主要是固体的光电效应，就是固体中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电学性质发生改变的现象。例如：光电子发射效

16、应、光电导效应、光生伏特效应等。 说明 这里强调“直接”两字，是因为固体中也有一些过程不是电子系统直接吸收光能，而是间接地把光信息转变成电信息。由于物体吸收光能，导致吸收物体的温度上升，温度的上升再引起电子系统运动的改变，即引起物体的电学性质的改变。例如：金属或半导体的电阻随温度的变化，温差电偶两端的温度差引起的电动势，某些电介质的自发电极化随温度而变化等等。这些热效应都可以被用来制成性能良好的辐射探测器（被称作热敏型辐射探测器的这些器件）。虽然不属于光电器件的范畴，但其作用与光电器件的作用相同，因而也得到了广泛的应用。 光电器件器件大都由半导体材料制成，也有用金属和其他材料制成的，光电器件与

17、热敏型辐射探测器相比，有两个明显的特点： 1、光电器件具有选择性的吸收，对不同波长的辐 射也就具有选择性的灵敏度。光电器件接收光谱范围因制作光电器件所用的材料而异。热敏型辐射探测器的灵敏度与辐射波长无关。 2、光电器件器件通常具有灵敏度高，惰性小， 响应速度快，因此，具有很高的频率响应。热敏型辐射探测器的惰性强，响应速度慢，不能用于高变化的频率辐射的探测。 光电器件的主要用途：（1）用来察觉微弱光信号的存在和测量光信号的强弱，主要考虑的是器件探测微弱光信号的能力。（2）在自动控制中作为光电转换器，主要考虑的是光电转换效能。 其他用途：作为测量用的光电池和和作为能源的太阳能电池。 四、光电技术的

18、应用和发展 光学技术处理的是空间光强信息，它具有多维、并行、快速数据处理等能力。电子技术处理的是一维电量随时间的变化，它有较高的运算灵活性和变换精度。 光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征： （1）有广泛的适用范围。能获取和处理各种光学信息以及可以转换为光信息的非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作参量。 （2）有较高的信号检测能力。能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输；检测所需的输入能量几乎不影响被测物的能量状态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强。 （3）有较强的信息运算能力。可进行复杂信息的并行处理和多种形式的数学运算。运算速度高，空间互连效率高，抗干扰能力强，可调制变量多，信号变换灵活。展望：光机电算高度一体化；超快速技术；显示技术；光计算；光纤通信；新型探测器与成像器件；集成光电系统。“光电信息产业是21世纪最具魅力的朝阳产业，它将成为21世纪的高科技主导产业”光电仪器与系统在各个领域的应用，例如科学研究：长度基准、光电仪器；工业：激光加工与测量等工业光电子设备；医学：光谱仪器、内窥镜、视觉检测仪、光CT、光电图象处理设备；军事：卫星监视系统，夜视成象仪，导弹制导装置，激光瞄准、测距、导