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1、光电检测技术应用 分析 和特点 l学校目标 青年人在离开学校时 是作为 一个和谐的人 而不仅仅是一个专家 l发展独立思考和独立判断的一般能力 应 当始终放在首位 而不应该把专业知识放 在首位 l如果一个人掌握了他的学科的基础理论 并且学会了独立思考和工作 他必定会找 到自己的道路 而且比起那种主要以获得 细节知识为其培养内容的人来 他一定会 更好地适应进步和变化 爱因斯坦 1879 1955 光电检测技术 关于教育 现代物理 光学奠基人 生活处处离不开光 人信息80 通过光获取 光是电子技术未来发展的必然 当代科技加速发展和学科交叉整合的趋势 光电技术已经渗透到机电工程 计算技术 医 学等各个
2、领域 二十一世纪是光的世纪 具有创新精神和实践能力的高素质人才培养 一 为什么要学习光电检测技术 二 光电检测技术的发展与人类文明 的进步 从经典物理到现代信息物理 量子理论的发展 从宏观几何世界到微观量子世界 电子技术的成熟 光子技术的兴起 从电子 光学独立系统到复杂的光电复合 系统 三 三 什么是光电检测技术什么是光电检测技术 光电检测技术是光子技术 与微电子技术的结合 是 现代信息技术的核心 已 广泛应用于各行各业 光电检测技术包括光电信 息技术的物理基础 电光 信息转换 光电信息转换 和光电信息技术的应用实 例 比较注重光电信息技 术应用的新成果和新发展 光电检测技术 光电 光电 光
3、电 光 电 光电检测是信息时代的关键技术 l信息技术 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 前言 什么是光电检测系统 光电系统 用电子学的方法对光学信息处理与控制的 系统 光电检测系统 用光电的方法对某些物理量 光 热 电 磁 力 化学量 浓度等 几何量 长度 角度 表面粗糙度 进行检测的系统 课程目的与任务 光电检测技术是 光子技术 与 电子技术 相结合 的产物 是继微电子技术后兴起的一门高新技术 目前已成为信息科学的重要支柱 本课程讲解 了光电检测技术
4、的基本知识 包括 光电检测器件 热电检测器件 光电成像器件 发光与耦合器件 光电信号检测电路设计 数据采集和处理 光电检测技术的典型应用 探测 光源 系统 光电检测技术考核方式 课程成绩构成 期末考试 55 平时表现 15 实验和作业 30 按照规定日期统一上交每 一次作业和实验报告 在课堂教学一段时间后才开始试验 大概6后 后 具体再通知 课程章节结构 l第一章 概论 光电检测技术基础绪论 l第二章 光电检测技术基础 l第三章 光电检测器件 l第四章 热电检测器件基本原理 l第五章 光电成像检测器件 l第六章 发光与耦合器件 l第七章 光电信号检测电路设计 l第八章 光电信号的数据采集与微机
5、接口 l第九章 光电信号的变换和检测技术 l第十章 光电信号的变换形式与检测方法 l第十一章 光电检测技术的典型应用 l一 人的视觉功能及其扩展 l二 光学仪器是人类视觉的扩展 l三 光电检测系统的组成 l四 光电检测技术的应用 绪论 一 人的视觉功能及其扩展 人眼是一个高灵敏度 高分辩率 和极为复杂而精密的光传感器 人眼的适宜刺激 波长380 780nm 的电磁波 可见光 人的视觉有辨别光亮和颜色 的双重功能 视杆系统视杆系统 对光敏感度高 对光敏感度高 无颜色视觉 无颜色视觉 视物精确性差 视物精确性差 视锥系统视锥系统 对光敏感度差 对光敏感度差 能分辨颜色 能分辨颜色 视物精确性高 视
6、物精确性高 举例说明 鸡视网膜仅有视锥细胞 无暗视觉 猫头鹰视网膜仅有视杆细胞 无昼光视觉 2 人的视觉具有对明暗光的适应能力 从亮处突然进入暗处时 最初看不清楚任何物体从亮处突然进入暗处时 最初看不清楚任何物体 经过一定时间后 视觉敏感度才逐渐增强 经过一定时间后 视觉敏感度才逐渐增强 从暗处突然进入亮处时 最初只感到耀眼的光亮从暗处突然进入亮处时 最初只感到耀眼的光亮 看不清物体 一段时间后才能恢复视觉 看不清物体 一段时间后才能恢复视觉 人人眼对光强的适应范围为 眼对光强的适应范围为 2 102 10 17 17W W 2 102 10 5 5W W 跨度跨度1212个数量级个数量级 人
7、的视觉有很高的分辨能力 分辨角度为1 的人其视力为 1 1 1 人的视觉具有很高的辨色能力 视网膜三种视锥细胞 视网膜三种视锥细胞 B GR 三原色学说 三原色学说 某一波长光线作用于视网膜某一波长光线作用于视网膜 时 三种视锥细胞兴奋程度不同 信息传入时 三种视锥细胞兴奋程度不同 信息传入 中枢 产生某一颜色的视觉中枢 产生某一颜色的视觉 仅感红视锥兴奋 红色觉 仅感绿视锥兴奋 绿色觉 仅感蓝视锥兴奋 蓝色觉 三种视锥不同比例兴奋 不同色觉 同等比例兴奋 白色觉 二 光学仪器是人类视觉的扩展 l 时间上扩展 l 空间上扩展 中国最大射电望 远镜主体 美国 哈勃太空望远镜 识别能力上扩展 扫描
8、电镜拍摄照片 三 光电检测系统的组成 l光电检测技术以激光 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 l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 光电检测系统 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 光电检测系统与人操作功能比较 l被测物体 感觉器官 人脑 手控 l被测物体 光电传感 微机 执行机构 l光
9、电传感部分相当于人身的感觉器官 光电检测的特点 l高精度 从地球到月球激光测距的精度 达到1米 l高速度 光速是最快的 l远距离 大量程 遥控 遥测和遥感 l非接触式检测 不改变被测物体性质的 条件下进行测量 光电检测的缺点 受光学介质的影响大 水 空气 尘土 成本高些 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 四 光电检测技术的应用 l工业生产 l航空航天 l民用生活 l军事作战 提高测量精度 将量 程切换到 2V时 最 小显示值 为1 V 数字电压 欧姆表 工业生产 绪论 在线检测 零件尺寸 产品缺陷 装配定位 现代工程装备中 检
10、测环节的成本约占50 70 在流水线上 边加工 边检 验 可提高产品的一致性和加工 精度 在线在线 测量测量 航空航天 安全检查 民用生活 红外夜视 可拍照 的手机 面部 识别技术 军用作战 激光测距机 激光雷达 激光导引头 激光陀螺 热成像系统 微光夜视仪 观瞄系统 卫星观测系统 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 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
11、友方 摄像机 一 诞生 俄裔美国科学家兹沃雷金早在1912年 他就开始研究电子 摄像技术 1923年发明电子电视摄像管 1931年兹沃雷金 终于制造出了令人比较满意的摄像机显像管 二 摄像机的各个部件 1 光学系统 分为摄像镜头 滤色片和分光棱镜 a 摄像镜头的作用是将摄取的景物光像成像于摄像器件的光敏靶面上 包含透镜 遮光片 b 将景物的入射光分解 c 使进入摄像管彩色光的强度和光谱特性符合电视系统的要求 中性 滤色片 色温滤色片 色彩矫正片 注意 不要直接拍摄太阳 要配备专门的滤色镜 光学镜头的作用 被摄物的反射光线必须被光学镜头吸收 并通 过调焦使光线得以汇聚到摄像管的光敏靶面上 然后摄
12、像管才能经 过电子扫描把得到的光信号转化为电信号 光学镜头可以看作为一个大凸透镜 透镜原理 视角是由于摄像 机焦距的不同 在水平方向上摄取景物的范围也不同 视角大的镜 头在水平方向上可摄取景物的范围也就越大 在成像面积 焦点平面 一定的情况下 镜头的焦距越长 镜头的 视角就越小 景物在镜头里的面积就越大 2 摄像管 CCD 电荷耦合器 是大规模集成电路制造的光电转换器件 摄像机的清晰度主要取决于CCD像素的数目 CCD 的组成主要是由一个 类似马赛克的网格 聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成 目 前生产 CCD 的公司分别为 SONY Philps Kodak Matsushita Fuji SANYO和Sharp 多半是日本厂商 单 CCD摄像机的每个感光点上都要加上 红 绿 蓝 三原 色中其中一种色彩的滤镜 然后将每个感光点感测到的单一色彩讯号 与邻近感光点的色彩讯号混合 例如红色感光点讯号混合邻近的蓝色 及绿色感光点讯号 以估计出原来的色彩 滤色 三色混合 色彩还原 3 CCD摄像机 就是以棱镜将三原色分别折射到三块 CCD上 三块 CCD 分别接收红 绿 蓝三色讯号 再将各 CCD相同位置的感光点讯号混 合而得出原有色彩 颜色当然准确自然得多 作业 作业 1 1 调研 观察身边的光电调研 观察身边的光电 系统 系统 2 2 分析其特点分析其特点
