光电技术 主讲:李孝禄
光 电 技 术 主 讲：李 孝 禄
课程简介 光电技术是光学和电子学技术相结合而产生出来的 门技术学科,主要研究光与电之间的转换。 ■基础:进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 ■光电转换技术是研究应用一定的器件及手段,在 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 ■将光辐射转换成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
课程简介 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：进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 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。 将光辐射转换成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
光电技术的发展 ■第一阶段:传统的光学装置及仪器,不能胜任对 复杂光信息高速米集和处理的要求 第二阶段: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 光电探测器件组成许多网状阵列结构,引人注 的器件CCD就是一种将阵列化的亚电探测与扫 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 泛引用于自动检测、自动控制,尤其是图像识 别技术
光电技术的发展 第一阶段：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。 第二阶段：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
■第三阶段:光导纤维传感器的出现,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,光 纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力 ■展望:随着微处理技术的发展以及光电检测技术 与它的紧密结合,光电检测技术越来越智能化 作为机器人的视觉系统已提到议事日程上
第三阶段：光导纤维传感器的出现，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，光 纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。 展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术 与它的紧密结合，光电检测技术越来越智能化。 作为机器人的视觉系统已提到议事日程上
光电技术的应用 ■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
光电技术的应用 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： ⑴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
⑵ 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。 ⑶ 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
光电技术,特别是光电检测、光通信、光电泱 量和控制、光电信息处理和光存储等的应用已 遍及军事、科学研究、工业、农业、宇宙和环 境科学、医疗卫生和民用等各个领域。从星体 温度探测和人造卫星监测到生物细胞的显微测 量和微循环检查,从视觉工业机器人和光学计 算机到民用全自动照相机和简单光电开关,光 电技术已经成为现代科学技术和人民生活中不 可缺少的环节。特别是在生产领域中生产过程 的视觉检查和制品加工自动化、各种性能参数 的精密测试以及图形检测和分析判断等方面, 光电技术将发挥重要作用
光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测 量和控制、光电信息处理和光存储等的应用已 遍及军事、科学研究、工业、农业、宇宙和环 境科学、医疗卫生和民用等各个领域。从星体 温度探测和人造卫星监测到生物细胞的显微测 量和微循环检查，从视觉工业机器人和光学计 算机到民用全自动照相机和简单光电开关，光 电技术已经成为现代科学技术和人民生活中不 可缺少的环节。特别是在生产领域中生产过程 的视觉检查和制品加工自动化、各种性能参数 的精密测试以及图形检测和分析判断等方面， 光电技术将发挥重要作用
光电检测技术 ■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 宗合处理,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 ■光电检测系统的组成
光电检测技术 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。 光电检测系统的组成
■光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节 ■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
光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节： 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 步处理和数据输出,得到最终的测量结果
2、解调 将载荷着信息的光信号通过不同类型光电 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