第01章 緒論.ppt

2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 1 第一章緒論 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 2 1 1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù) 信息技術(shù) 微電子技術(shù) 光子信息技術(shù)和光電信息技術(shù) 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 3 微電子技術(shù) 通過控制固體內(nèi)電子的微觀運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加工處理 并在固體的微區(qū) 小到幾個(gè)晶格 內(nèi)進(jìn)行 將一個(gè)電子功能部件甚至一個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)很小的芯片上 光子信息技術(shù) 以光集成技術(shù)為核心的有關(guān)光學(xué)元器件制造的應(yīng)用技術(shù) 利用傳統(tǒng)工藝將有源和無源光學(xué)器件集成在一起 構(gòu)成能完成光學(xué)信息采集處理和存儲(chǔ)等功能的系統(tǒng)光電信息技術(shù) 光與電子轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用技術(shù) 光頻段微電子技術(shù) 光電檢測技術(shù) 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 4 光電信息技術(shù) 1 光電源器件 包括激光器 和可控光功能器件及集成2 光通信和綜合信息網(wǎng)絡(luò)3 光頻微電子4 光電方法用于瞬態(tài)光學(xué)觀測 以光電子學(xué)為基礎(chǔ) 以光電子器件為主體 研究和發(fā)展光電信息的形成 傳輸 接收 變換 處理和應(yīng)用 它涉及到 5 光電傳感 光纖傳感和圖象傳感6 激光 紅外 微光探測 定向和制導(dǎo)7 光電精密測試 在線檢測和控制技術(shù)8 混合光電信息處理 識(shí)別和圖象分析 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 5 光電信息技術(shù) 9 光電人工智能和機(jī)器視覺10 光 電 邏輯運(yùn)算和光 電 計(jì)算機(jī)及光電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)11 生物光子學(xué) 本課程著重在光電檢測的元器件 系統(tǒng) 方法和應(yīng)用 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 6 光電檢測技術(shù) 光電傳感器 基于光電效應(yīng) 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出 光電檢測技術(shù) 是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測 它將被測量的量轉(zhuǎn)換成光通量 再轉(zhuǎn)換成電量 并綜合利用信息傳送和處理技術(shù) 完成在線和自動(dòng)測量光電檢測系統(tǒng)光學(xué)變換光電變換電路處理 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 7 光電探測器的種類 返回 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 8 光電檢測系統(tǒng) 一 光電檢測技術(shù)以激光 紅外 光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ) 通過對(duì)載有被檢測物體信號(hào)的光輻射 發(fā)射 反射 散射 衍射 折射 透射等 進(jìn)行檢測 即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 由輸入電路 放大濾波等檢測電路提取有用的信息 再經(jīng)過A D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算 處理 最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 9 光電檢測系統(tǒng) 二 光學(xué)變換 電路處理 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 10 光電檢測系統(tǒng) 三 光學(xué)變換時(shí)域變換 調(diào)制振幅 頻率 相位 脈寬空域變換 光學(xué)掃描光學(xué)參量調(diào)制 光強(qiáng) 波長 相位 偏振形成能被光電探測器接收 便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息 光電變換光電 熱電器件 傳感器 變換電路 前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息 電信號(hào)的放大和處理 電路處理放大 濾波 調(diào)制 解調(diào) A D D A 微機(jī)與接口 控制 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 11 光電檢測系統(tǒng)與人操作功能比較 被測物體感覺器官人腦手控被測物體光電傳感微機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)光電傳感部分相當(dāng)于人身的感覺器官 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 12 光電檢測系統(tǒng)的功能分類 測量檢查型 幾何量 長度 角度 形狀 位置 形變 面積 體積 距離 運(yùn)動(dòng)量 速度 加速度 振動(dòng)表面形狀 光潔度 庇病 傷痕工作過程 濕度 流量 壓力 物位 PH值 濃度等機(jī)械量 重量 壓力 應(yīng)變 壓強(qiáng)電學(xué)量 電流 電壓 電場 磁場光學(xué)量 吸收 反射 透射 光度 色度 波長 光譜 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 13 控制跟蹤型跟蹤控制 激光制導(dǎo) 紅外制導(dǎo)數(shù)值控制 自動(dòng)定位 圖形加工形成 數(shù)值控制圖象分析型圖形檢測圖形分析 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 14 1 2光電檢測與光電傳感器概念 1 檢測與測量 檢測 通過一定的物理方式 分辨出被測參量并歸屬到某一范圍帶 以此來判別被測參數(shù)是否合格或是否存在 測量 將被測的未知量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量比較 確定被測量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù) 并通過數(shù)字表示出這個(gè)倍數(shù)的過程 測量方式 直接測量 溫度計(jì) 電壓表間接測量 由電壓和電流數(shù)值 通過關(guān)系計(jì)算出功率 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 15 2 光電傳感器與敏感器的概念 敏感器 光電傳感器 光電效應(yīng) 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 確定對(duì)應(yīng)關(guān)系 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 16 1 3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 一般電子檢測系統(tǒng) 傳感器 從被測對(duì)象中提取被測信號(hào) 轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)信號(hào)變換電路 完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換 濾波和放大 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 17 一般光電系統(tǒng) 光發(fā)射機(jī) 分為主動(dòng)式和被動(dòng)式主動(dòng)式 光源 或加調(diào)制器 被動(dòng)式 無自身光源 來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學(xué)通道 大氣 空間 水下和光纖等光接收機(jī) 收集入射的光信號(hào)并加以處理 恢復(fù)光載波信息 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 18 光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 接收到的光場 接收透鏡系統(tǒng) 光電檢測器 后繼檢測處理器 接收透鏡系統(tǒng) 對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波 聚焦 入射到光檢測器上光電檢測器 完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換檢測處理電路 完成電信號(hào)的放大 調(diào)理及濾波 恢復(fù)信號(hào) 光接收機(jī)的分類 功率檢測接收機(jī) 直接檢測或非相干檢測外差檢測接收機(jī) 相干檢測 空間相干 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 19 光接收機(jī)的分類圖示 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 20 光電系統(tǒng)框圖 光學(xué)變換 通過各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng) 如平面鏡 狹縫 透鏡 棱鏡 光柵 成像系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn) 作用是將被測量轉(zhuǎn)換為光參量 振幅 頻率 相位 偏振態(tài) 傳播方向變化等 光電轉(zhuǎn)換 由各種光電器件來實(shí)現(xiàn) 如光電檢測器件 光電攝像器件 光電熱敏器件等 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 21 光電系統(tǒng)的分類 1 光電系統(tǒng)的分類 廣義的光電系統(tǒng)包括兩個(gè)分支 即光電能量系統(tǒng) 光電信息系統(tǒng) 1 光電能量系統(tǒng) 太陽能發(fā)電 激光加工 激光醫(yī)療 激光核聚變等 主要是解決有關(guān)大功率光輻射能量的產(chǎn)生 控制 利用及向其他能量形式的轉(zhuǎn)換 2 光電信息系統(tǒng) 以光輻射和電子流為信息載體 通過光電或電光相互轉(zhuǎn)換 綜合利用光學(xué)或電子學(xué)的方法進(jìn)行信息的傳輸 采集 處理 存儲(chǔ)或顯示 以實(shí)現(xiàn)確定目標(biāo)的混合系統(tǒng) 簡稱光電系統(tǒng) 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 22 2 光電系統(tǒng)大致可分作下列幾種類型 1 光 電型 應(yīng)用最廣泛 被測量對(duì)象經(jīng)過光機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生光信號(hào) 其通過光電轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)入電子系統(tǒng) 光學(xué)儀器的自動(dòng)化常采用這種方式 若經(jīng)AD轉(zhuǎn)換 進(jìn)一步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理 可組成部分代替人的視覺和思維活動(dòng)的機(jī)器視覺系統(tǒng) 例如 智能化的工業(yè)在線檢測 2 光 電 光型 由光機(jī)系統(tǒng)采集到的光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換 A D 成電信號(hào) 經(jīng)電信號(hào)處理后再經(jīng)過電光變換形成光信號(hào)輸出 例如 電視技術(shù)中的攝像管 顯像管以及聲像光盤的錄制和再現(xiàn)都是這類系統(tǒng)的代表 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 23 3 電 光 電型 電信號(hào)經(jīng)過電光變換得到可在光路中傳輸?shù)墓庑盘?hào) 在經(jīng)過光電變換為電信號(hào)后作進(jìn)一步處理或輸出 典型應(yīng)用如光纖通訊 其主要利用光纖對(duì)光信號(hào)進(jìn)行傳輸 4 光電混合型 其主要特點(diǎn)是使傳統(tǒng)光路實(shí)現(xiàn)光路器件的 有源化 和封閉的光束網(wǎng)絡(luò) 例如光導(dǎo)纖維 空間調(diào)制器等 這將最終組成有源可控的光學(xué)系統(tǒng)和集成光路 和現(xiàn)有的無源光路比較 這是光學(xué)技術(shù)的根本變革 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 24 5 電光混合型這種系統(tǒng)的目標(biāo)是將電路系統(tǒng)元器件的功能用光學(xué)方法來實(shí)現(xiàn) 即所謂的電路元件的 光子化 例如光學(xué)晶體管和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件等 目前許多單元器件已相繼問世或正在研制中 后兩種光電系統(tǒng)是光電技術(shù)未來的發(fā)展方向 其中的光電混合式或全光學(xué)式的光學(xué)計(jì)算機(jī)是這些系統(tǒng)最有吸引力的發(fā)展目標(biāo) 通過上面的學(xué)習(xí)我們可以看出 光電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是通過光電檢測 所有被研究的信息都將通過各種效應(yīng) 機(jī) 熱 聲 電 磁 調(diào)制到光載波上 然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 并通過電子線路和計(jì)算機(jī)的綜合處理 實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器的自動(dòng)化 因此 光電檢測作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義 所謂光電檢測 指的是對(duì)光信號(hào)的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個(gè)主要方面 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 25 高精度 各種檢測技術(shù)中最高 如激光干涉儀法檢測長度的精度達(dá)0 05um m 光柵莫爾條紋法測角可達(dá)0 04秒 用激光測距法測量地球到月球之間距離分辨率可達(dá)1m 高速度 光電檢測以光為介質(zhì) 用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的 遠(yuǎn)距離 大量程 光便于遠(yuǎn)距離傳播的介質(zhì) 適于遙控和遙測 如武器制導(dǎo) 光電跟蹤 電視遙測等 非接觸檢測 光照可認(rèn)為是沒有測量力的 也無磨擦 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量 效率最高 壽命長 光波可永久使用 具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力 可將復(fù)雜信息并行處理 同時(shí)光電方法還便于信息控制和存儲(chǔ) 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化 光電檢測技術(shù)的特點(diǎn) 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 26 了解并掌握典型的光電器件的原理和特點(diǎn) 會(huì)正確選用光電器件 學(xué)會(huì)根據(jù)光電器件的特點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)光電檢測電路和有關(guān)參數(shù) 能根據(jù)被測對(duì)象的要求 設(shè)計(jì)光電檢測系統(tǒng) 光電檢測技術(shù)的學(xué)習(xí)要求 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 27 1 4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì) 光電傳感器的類型 根據(jù)光源 光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同 可分為 直射型 光電轉(zhuǎn)換器對(duì)著光源放置 光軸重合 對(duì)于光源為發(fā)射光通量最大方向 對(duì)于光電器件為靈敏度最高的方向 反射型 分為單向反射和漫反射輻射型 被測物體本身為一輻射源 光電檢測器通過接收被測物體的輻射光能量實(shí)現(xiàn)測量 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 28 光電檢測的基本方法 根據(jù)檢測原理 基本方法 直接作用法 差動(dòng)測量法 補(bǔ)償測量法和脈沖測量法 I 直接作用法 受被測物理量控制的光通量 經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測機(jī)構(gòu)可直接得到所求被測物理量 光電系統(tǒng)的基本模型 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 29 II 差動(dòng)測量法 利用被測量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較 所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測量的大小 雙光路差動(dòng)測量法測量物體長度 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 30 工作原理 1 2時(shí) U 0 1 2時(shí) 工件尺寸變小U S 1 2 S 1 2時(shí) 工件尺寸變大U S 1 2 S 說明 測量值的大小決定了U的幅值 測量值的正負(fù)決定于U的相位 可通過相敏檢波器得到 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 31 相敏檢測器 核心是由一個(gè)乘法器和一個(gè)濾波器 如圖一路為信號(hào)us 另一路為uR ui us Eisin 1t 1 uR ERsin 2t 2 u0 uiuR 1 2gEiERcos 2 f1 f2 t 1 2 1 2gEiERcos 2 f1 f2 t 1 2 濾去高頻信號(hào)后 u0 uiuR 1 2gEiERcos 2 f1 f2 t 1 2 如f1 f2 則u0 1 2gEiERcos 1 2 1 2gEiERcos 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 32 特性分析 0 則u0輸出為正 則u0輸出為負(fù) 相敏檢波器用途 可用來測幅 測相 還可高頻信號(hào)變成中頻信號(hào) 差頻信號(hào) 雙光路外差檢測特點(diǎn) 雙光路可消除雜散光 光源波動(dòng) 溫度變化和電源電壓波動(dòng)帶來的測量誤差 使測量精度和靈敏度大大提高 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 33 III 補(bǔ)償測量法 原理 是用光或電的方法補(bǔ)償由被測量變化而引起的光通量變化 補(bǔ)償器的可動(dòng)元件連接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值 其大小反應(yīng)被測量變化大小 例 由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動(dòng) 使 1 2 0 光楔移動(dòng)與讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連 讀數(shù)反映光通量的變化量 即被測值 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 34 IV 脈沖測量法 原理 測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖 其參數(shù) 脈寬 相位 頻率 脈沖數(shù)量等 反映被測量的大小 1 脈寬方法測長度 測量關(guān)系式 L v t v k N K N k 高頻脈沖時(shí)間當(dāng)量K 長度當(dāng)量N 計(jì)數(shù)器值 高頻脈沖可取自電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)動(dòng)輪上脈沖 消除不勻速帶來的誤差 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 35 2 頻率法測速 在轉(zhuǎn)動(dòng)輪上均勻貼有反射片 光電傳感器可接收與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的光脈沖 m為反光片數(shù) n為每分鐘轉(zhuǎn)速 則 f n m 60 N t 即轉(zhuǎn)速可以由此得到 n 60N m t 脈沖測量法特點(diǎn) 抗干擾性能好 精度高 直接與計(jì)算機(jī)相連 易于實(shí)現(xiàn)在線測量和自動(dòng)化控制 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 36 光電傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 發(fā)展納米 亞納米高精度的光電測量新技術(shù) 發(fā)展小型的 快速的微型光 機(jī) 電檢測系統(tǒng) 非接觸 快速在線測量 以滿足快速增長的經(jīng)濟(jì)需要 向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)發(fā)展 發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)光電測量與光電控制一體化 向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展 發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù) 如遠(yuǎn)距離的遙控 遙測技術(shù) 激光制導(dǎo) 飛行物自動(dòng)跟蹤 復(fù)雜形體自動(dòng)掃描測量等 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 37 一 在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用 在線檢測 零件尺寸 產(chǎn)品缺陷 裝配定位 現(xiàn)代工程裝備中 檢測環(huán)節(jié)的成本約占50 70 光電檢測技術(shù)的應(yīng)用 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 38 檢測技術(shù)在汽車中的應(yīng)用日新月異 發(fā)動(dòng)機(jī) 向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元 ECU 提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況信息 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制溫度 壓力 位置 轉(zhuǎn)速 流量 氣體濃度和爆震傳感器等 汽車傳感器 汽車電子控制系統(tǒng)的信息源 關(guān)鍵部件 核心技術(shù)內(nèi)容 普通轎車 約安裝幾十到近百只傳感器 豪華轎車 傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只 底盤 控制變速器系統(tǒng) 懸架系統(tǒng) 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)等車速 踏板 加速度 節(jié)氣門 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 水溫 油溫 車身 提高汽車的安全性 可靠性和舒適性等溫度 濕度 風(fēng)量 日照 加速度 車速 測距 圖象等 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 39 2020 2 4 光信息科學(xué)與技術(shù)系 40 二 檢