現(xiàn)代光電信息技術(shù)及應(yīng)用

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1、現(xiàn)代光電信息技術(shù)及應(yīng)用,制作：周慧敏,目錄,大規(guī)模專業(yè)培訓(xùn),BZ,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,本章的主要內(nèi)容有: 1.現(xiàn)代光電信息技術(shù) 2.激光告警技術(shù)定義、裝置、應(yīng)用方式和理想的激光告警 裝置應(yīng)滿足的要求。 3.光譜識別型激光告警技術(shù) A.成像光譜型告警技術(shù)的陣列單元組成、多元相關(guān)告警原理、雜散光干擾的抑制。 B.成像光譜識別型激光告警裝置的構(gòu)成，優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)例。 4.相干識別型激光告警技術(shù),第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,A.F-P標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)及工作原理及典型F-P型激光告警系 統(tǒng)。 B.邁克爾遜（Michelson）型干涉型激光告警技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)。 C.光柵衍射型激光告警的工作原理、系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇 D.傅里葉變換激光告警的基本理論、分辨力和光譜函數(shù)、干涉圖采樣、告警技術(shù)、等效斜楔干涉具設(shè)計(jì)、信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。 E. 其他相干激光告警技術(shù) 5.激光告警技術(shù)的發(fā)展趨勢,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,1 現(xiàn)代光電信息技術(shù) 多學(xué)科綜合技術(shù)：光學(xué)技術(shù)、光電子技術(shù)、微電子技 術(shù)、信息技術(shù)、光信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等。 研究內(nèi)容：光的輻射、傳輸、探測、光與物質(zhì)相互作用以及光電信息的轉(zhuǎn)換、存儲、處理與顯示等。 特點(diǎn)：其一，有效延伸人眼的視覺功能，使其探測閾值達(dá)到光子探測的極限水平； 其二：以光為信息載體，結(jié)合計(jì)算機(jī)的研究成果，極大提高了光電系統(tǒng)的響應(yīng)速度、

3、帶寬和信息容量。,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,2 激光告警 技術(shù)：是光電對抗的組成部分，它是指在太陽光、閃電、雷電等光干 擾復(fù)雜背景下，實(shí)時(shí)、可靠地告警敵方激光威脅的存在，確定威脅源的方位、種類及工作特性，進(jìn)行光電報(bào)警的技術(shù)。 裝置：它是指用來探測和識別敵方來襲激光特征信息的光電被動偵察設(shè)備。 應(yīng)用方式：一種是自保護(hù)方式； 另一種是電子偵察方式。 裝置構(gòu)成：有輻射探測和信息處理兩部分。 裝置分類：主要分為光譜識別型和相干識別型。,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,3 光譜識別型激光告警技術(shù) 非成像光譜識別型激光告警裝置：通常采用具有特定空間分布的光電二極管作為激光告警元件,來確定威脅源的方

4、位,若在圓形陣列中均勻分布N個(gè)光電二極管,則水平方向的角度分辨力為180/2N。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)難度小、成本低、告警靈敏度高。 缺點(diǎn)：只能探測有限的幾個(gè)特定波長、定位精度高，虛警率高。 陣列單元：激光告警頭、信號處理器及報(bào)警/顯示器。 多元相關(guān)告警原理：當(dāng)有來襲激光進(jìn)入該陣列單元時(shí),信號經(jīng)放大后由兩閾值比較器進(jìn)行比較,把低于閾值的噪聲濾出,此后送至相關(guān)處理器。 雜散光干擾的抑制措施：光譜濾波、電子濾波和門限控制。,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,告警器自身的白噪身是產(chǎn)生虛警的主要因素之一。 適當(dāng)增加陣列單元的數(shù)量可以提高角分辨力。 光纖天線激光告警機(jī)的原理圖和組成見圖1-1。,第一章 激光告

5、警技術(shù)和應(yīng)用,成像光譜識別型激光告警設(shè)備：由探測和顯控兩個(gè)部件組成。 優(yōu)點(diǎn)：視場大、角分辨力、虛警率低。 缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，只能單波長工作且成本高，難小型化。 魚眼透鏡：一種焦距極短且視角很大的廣角鏡頭。 優(yōu)點(diǎn)：可以凝視半球或超半球空域。 作用：以畸變?yōu)榇鷥r(jià)而大幅擴(kuò)大視角的一種特殊光學(xué)系統(tǒng) “拉赫韋斯”（LAHAWS）成像型激光告警設(shè)備的工作原理：魚眼透鏡： 接收的激光輻射通過4：1分束鏡分成兩個(gè)光學(xué)通道，80的光能通過窄帶濾光片，經(jīng)光譜濾光后聚集于CCD光敏面，其20的光再經(jīng)兩塊分束鏡和窄帶濾光片進(jìn)一步分成1；1的兩條光學(xué)通道，各自進(jìn)入一個(gè)PIN硅光電二極管探測器中，其中一個(gè)通道包含激光和

6、背景信號，另一個(gè)通道只包含背景信號，經(jīng)相減放大，把PIN光電二極管的輸出，經(jīng)差分放大和高閾值比較器處理后，區(qū)分出背景照明和激光輻射，產(chǎn)生音響和燈光指示。,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,4 相干識別型激光告警技術(shù) 相干識別型激光告警裝置的分類：基于分振幅干涉的激光告警裝置（布里-珀羅（F-P）型、邁克遜型、傅里葉變換 ）和基于分波面干涉的激光告警裝置（光柵衍射型）。 F-P標(biāo)準(zhǔn)具：由兩塊內(nèi)表面鍍有半反半透膜的相距為d的平行玻璃板組成。 標(biāo)準(zhǔn)具出射光強(qiáng)I與折射角的關(guān)系: 光強(qiáng)透過率T()與 的關(guān)系,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,標(biāo)準(zhǔn)具出射光強(qiáng)I和折射角的關(guān)系曲線,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,從上

7、面曲線可以看出： 在I-的曲線中可見出射光強(qiáng)信號是一個(gè)隨變化的調(diào)頻波，對稱分布于==0的兩側(cè)。 當(dāng)==0時(shí)， 在A點(diǎn)的位置，=0。 在B點(diǎn)的位置=B出射光強(qiáng)極小，則： B =0-,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,F-P標(biāo)準(zhǔn)具型激光告警裝置：利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具對激光的調(diào)制特性來告警和識別激光的，它包括一個(gè)或多個(gè)F-P標(biāo)準(zhǔn)具，其后接有CCD。 優(yōu)點(diǎn)：具有視場大、虛警率低、角分辨力高。 缺點(diǎn)：難以探測單、窄脈沖激光，成本高、工藝難度大。 階式F-P標(biāo)準(zhǔn)具抑制背景光干擾的工作原理:當(dāng)背景光(非相干光)投射到階式標(biāo)準(zhǔn)具上,上、下兩部分均有光輸出，并投射到各自的光電告警器上，這兩個(gè)光電告警器分別接收標(biāo)準(zhǔn)具兩個(gè)部

8、分透射的輻射。當(dāng)有激光入射到階式標(biāo)準(zhǔn)具上時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具上、下兩部分厚度有/4n的奇數(shù)倍差異，激光干涉結(jié)果使上、下兩部分的輸出一個(gè)是亮紋，一個(gè)是暗紋,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,邁克爾遜（Michelson）干涉型激光告警裝置：主要由 的組成、工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)-P11-P12,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,光柵型激光告警裝置的組成和工作原理-P13-P14,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,傅里葉變換激光告警技術(shù),第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,等效斜楔干涉具設(shè)計(jì)需要了解： 基本結(jié)構(gòu) P24 干涉具的光程差分析 P25 干涉條紋個(gè)數(shù)與激光頻譜的關(guān)系 P26 傾斜角的選擇：P26P27 波長分辨力分析： P27

9、最大有效光程差： X=2nLtan 則光譜分辨力為： R=,,,,,,,,第一章 激光告警技術(shù)和應(yīng)用,E.其他相干激光告警技術(shù)采用了光纖延遲技術(shù)、光學(xué)劈尖、非制冷紅外焦平面器件 5 激光告警技術(shù)發(fā)展趨勢 激光告警技術(shù)8個(gè)主要研究方向-P31-32,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,主要內(nèi)容： 1. 瞬態(tài)表面高溫測量系統(tǒng)：藍(lán)寶石光纖黑體腔設(shè)計(jì)、傳感器結(jié)構(gòu)、黑體腔數(shù)學(xué)模型、傳熱方程的建立；響應(yīng)時(shí)間測定；測溫原理；瞬態(tài)高溫測試實(shí)例。 2.可溯源瞬態(tài)表面溫度傳感器動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)組成及工作原理；熱電偶溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的定義和表示、測試實(shí)驗(yàn)及分析、動態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及分析。 3瞬態(tài)超高溫測試的外推

10、方法的含義；藍(lán)寶石光纖黑體腔溫度外推測試方法的含義、模型的建立和分析、外推測溫的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、仿真結(jié)果和誤差分析。,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,1. 瞬態(tài)表面高溫測量系統(tǒng) 藍(lán)寶石光纖黑體腔設(shè)計(jì)：藍(lán)寶石光纖單晶探頭目前主要有兩種制作方法。 P34 藍(lán)寶石光纖黑體腔傳感器結(jié)構(gòu)。P35 黑體腔傳熱模型： 薄膜傳熱 腔內(nèi)絕熱；一維導(dǎo)熱體系 ； 忽略熱損耗,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,黑體腔傳熱模型： 薄膜傳熱 腔內(nèi)絕熱；一維導(dǎo)熱體系；忽略熱損耗 傳熱方程的建立：A.模型的單值條件 B.微分方程的建立P36,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,黑體腔傳感器響應(yīng)時(shí)間測定-P3

11、7： 測溫原理-P3740,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,某導(dǎo)彈反射箱前框瞬態(tài)高溫測試 高溫測量系統(tǒng)組成：,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,溫度測量光電放大器-P41 實(shí)驗(yàn)結(jié)果-P41P43 a)影響熱響應(yīng)時(shí)間c的因素是薄膜材料的密度、比熱容與周圍環(huán)境的換熱系數(shù)及鍍膜厚度。 b) 解決關(guān)鍵技術(shù)，為惡劣環(huán)境下的高溫測試提供了一種可靠的方法。,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,2 可溯源瞬態(tài)表面溫度傳感器動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng) 系統(tǒng)組成及工作原理:,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,可溯源動態(tài)校準(zhǔn)的三個(gè)步驟：-P44P45 A紅外探測器靜態(tài)校準(zhǔn) 紅外探測器動態(tài)

12、校準(zhǔn)和被校溫度傳感器動態(tài)校準(zhǔn) 瞬態(tài)溫度的動態(tài)校準(zhǔn) 熱電偶溫度傳感器動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究： 熱電偶溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的定義、表示、測試實(shí)驗(yàn)及分析 -P45-P48 熱電偶溫度傳感器動態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及分析-P49-P51,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,3 瞬態(tài)超高溫測試的外推方法 瞬態(tài)超高溫測試的外推方法的含義 外推方法是從測試物體某一等溫面上的溫度變化規(guī)律出發(fā)，采取一定模式與合適的解法，外推出物體邊界或內(nèi)部其它等溫面上溫度變化規(guī)律的過程。 若將由邊界條件、初始條件以及傳熱模型確定的物體內(nèi)部溫度變化的物體導(dǎo)熱過程稱為正面解，則由物體內(nèi)部某等溫面溫度變化規(guī)律、初始條件以及外推出邊界值或內(nèi)部其它

13、等溫面上溫度變化的外推過程的反面解。,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,藍(lán)寶石光纖黑體腔溫度外推測試方法 假設(shè) 假設(shè)黑體腔導(dǎo)熱過程是一個(gè)半無限大物體一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 建模 P53 模型求解：最終溫度的表示式 T(x,) x,）+g(x,) 其中g(shù)(x,)不難求得，而 x,）是關(guān)于n的無窮項(xiàng)的加法運(yùn)算，由于正弦函數(shù)是有界函數(shù)，所以 x,）收斂于某一常數(shù) 值，從而可以選擇合適的N,變?yōu)?x,）,,,,,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,外推測溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)方案 -P55,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果 -P56 通過進(jìn)行外推測溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用外推模型進(jìn)行外推

14、計(jì)算，采 用分離法求解，得到的外推結(jié)果溫度最高值出現(xiàn)在49.7ms。溫度 為1127，把外推結(jié)果和紅外測溫儀測得的黑體腔表面溫度1174 對比，可得出在最高溫度上產(chǎn)生誤差為47 ，兩者在變化趨勢及峰 值處表現(xiàn)出好的一致性。,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,仿真結(jié)果： 仿真是外推模型的反面驗(yàn)證，即黑體腔的傳熱過程。見下圖。 其總的變化趨勢基本一致。,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術(shù)及應(yīng)用,誤差分析 1建模過程中引入的誤差。 2 分離變量法求解過程中引入的誤差。 3黑體腔腔口反射率看作常數(shù)1引入誤差。 4其他誤差的引入。包括光纖傳光損耗的影響、光電探測器零點(diǎn)漂移的影響，環(huán)境溫度的影響，背景

15、噪音及高頻干擾的影響。 利用外推方法可以拓展溫度測試儀器的測溫范圍，同時(shí)可以降低對傳感器性能的要求。,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,主要內(nèi)容： 1.影響瓦斯爆炸的三個(gè)主要因素。 2.瓦斯氣體檢測得七個(gè)基本方法。 3.氣體特征光譜吸收原理。 4 單波長雙光路和雙波長單光路差分吸收技術(shù)、諧波檢測技術(shù)。,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,5差分吸收法和諧波檢測法的總體方案設(shè)計(jì)；基于光譜吸收原理的甲烷濃度檢測系統(tǒng)模塊的構(gòu)成及各模塊的組成、選擇、設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果。 6瓦斯?jié)舛扰c溫度無線光纖光電混合網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)成、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)、區(qū)域差分定位算法、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。,第三章：甲

16、烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,1影響瓦斯爆炸的三個(gè)主要因素。 A 甲烷濃度 B 火源 C 空氣中氧氣的含量 2.瓦斯氣體檢測的七個(gè)基本方法。,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,光干涉測量法 熱催化測量法 熱導(dǎo)型測量法 超聲測量法 氣敏傳感測量法 熒光檢測法 紅外光譜吸收測量法 3.氣體特征光譜吸收原理。-P60P62,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,4 基于光譜吸收原理的檢測方法 直接檢測甲烷系統(tǒng)中影響靈敏度的主要因素有光源的穩(wěn)定性、 環(huán)境因素、電路元器件的漂移 、光纖傳輸特性的干擾、光路耦合處狀態(tài)的變化 差分吸收法和諧波檢測法是基于紅外吸收原理的甲烷濃度檢測方法。 差分吸收技術(shù):

17、 差分吸收技術(shù)分為：單波長雙光路和雙波長單光路,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,差分吸收技術(shù): 差分吸收技術(shù)分為：單波長雙光路和雙波長單光路。 單波長雙光路,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,雙波長單光路,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,諧波檢測技術(shù)-P65P67,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,5 瓦斯氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 差分吸收法總體方案設(shè)計(jì)-P6768 諧波檢測法總體方案設(shè)計(jì)-P6869 基于光譜吸收原理的甲烷濃度檢測系統(tǒng)由光源模塊、傳感模塊、光電轉(zhuǎn)換及電路模塊、數(shù)據(jù)信號采集及處理模塊四部分構(gòu)成。,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,光源模塊： 光源選擇-P69 DFB激光

18、器的模式躍變特性-P69P72 光隔離器、光衰減器及光開關(guān)-P72 傳感模塊： 甲烷氣體吸收模塊的設(shè)計(jì) 氣室防污染材料的選取,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,光電轉(zhuǎn)換及電路模塊： 光電探測器的選擇 前置放大電路的設(shè)計(jì) 濾波電路的設(shè)計(jì) 調(diào)制電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)信號采集及處理模塊： 基于PCI-2006采集卡的信號采集 基于LabVIEW的監(jiān)測界面設(shè)計(jì) 測試結(jié)果分析-P77P80,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,6 瓦斯?jié)舛扰c溫度無線光纖光電混合網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)構(gòu)成-P80P81 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) P81 固定節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)P82 移動礦帽節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)P83 通道選擇P84,第三章：甲烷濃度光電測試技術(shù)及應(yīng)用,

19、節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)-P84 礦帽節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)-P85 區(qū)域差分定位算法-P85P87 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 地面監(jiān)控平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案-P87 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)-P88 試驗(yàn)結(jié)果-P89,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,主要內(nèi)容： 1.平面光的全反射特性；消失波的基本概念及其特點(diǎn)；偏振光的基本原理和方法。 2.金屬薄膜光學(xué)特性的一般特點(diǎn)，銀膜和金膜在應(yīng)用中的特點(diǎn)；透明基片上的單層吸收膜的反射特性 3.等離子體和表面等離子體波的概念；表面等離子體的共振效應(yīng)；表面等離子體波共振的三種解釋。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,4 棱鏡型SPR傳感器金屬膜的含義和

20、厚度的影響、靈敏度與影響因素；棱鏡折射率和溶液濃度對SPR傳感器共振角的影響；光強(qiáng)度調(diào)制型SPR傳感器測量溶液濃度。 5 保偏光纖的基本原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、精確定位方法；溫度對保偏光纖的影響；棱鏡型保偏光纖SPR傳感器。 6 基于菲涅耳公式測量溶液濃度的特點(diǎn)、計(jì)算模型的建立、實(shí)驗(yàn)裝置、計(jì)算程序。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,1.平面光在界面的全反射特性和偏振光的產(chǎn)生 平面光的全反射特性-P91P92 消失波的基本概念及其特性-P92P93 消失波的重要特性指標(biāo): 相速度 穿透深度 全反射 古斯-漢欣位移 等相面和等幅面,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,偏

21、振光的基本原理和方法。-P93P95 產(chǎn)生偏振光的棱鏡主要有: A格蘭-湯普森棱鏡 渥拉斯頓棱鏡 偏振分光棱鏡 偏振分光棱鏡應(yīng)用廣泛主要優(yōu)點(diǎn)有: 分光性能好 B價(jià)格低 低損耗 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,2.金屬薄膜的基本特性 光學(xué)特性的一般特點(diǎn): 金屬薄膜的特性包括光譜反射特性、吸收特性和偏振特性。 在光學(xué)技術(shù)中，金屬反射器件具有反射率高；與電介質(zhì)相比，有很大的電導(dǎo)率，光照射在金屬上時(shí)，金屬中的自由電子將在光電磁場的作用下受迫振動，在一定條件下可激勵出表面等離子體并產(chǎn)生共振現(xiàn)象；金屬折射率不易確定。 光波在金屬薄膜中

22、的傳播隨著厚度d增加呈指數(shù)衰減，光強(qiáng)度I可以寫成： 。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,在斜入射時(shí)，金屬薄膜的反射率與入射角之間的關(guān)系較為復(fù)雜，表現(xiàn)為明顯的偏振。 銀膜和金膜在應(yīng)用中的特點(diǎn) 銀膜的優(yōu)點(diǎn)是在可見光與紅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異，缺點(diǎn)是在紫外區(qū)域反射率低，與玻璃附著力較差，機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性不佳，易于氧化和硫化，常用做膠合零件和內(nèi)反射零件，用做外反射膜需要選擇合適的保護(hù)層。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,金膜的只有在波長大于800nm的紅外波段才表現(xiàn)出高的反射特性，薄膜自身具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，常用做

23、紅外系統(tǒng)中的外反射鏡，可以不加特別保護(hù)層。缺點(diǎn)是在紫外區(qū)域反射率低，與玻璃附著力不高。 透明基片上的單層吸收膜的反射特性 S偏振波-P96 P偏振波-P96P97,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,3.表面等離子體共振傳感器 表面等離子體共振(SPR)技術(shù)是一種簡單、直接的傳感技術(shù)，它通過測量金屬膜附近介質(zhì)折射率的變化來研究物質(zhì)的性質(zhì) 等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。 表面等離子體波是一種偏振的P波，它的磁場矢量垂直于SPW的傳播方向，平行于兩種介質(zhì)的分界面，并在兩種介質(zhì)中程指數(shù)快速衰減

24、。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,表面等離子體的共振效應(yīng) 表面等離子體的共振效應(yīng)是一種物理光學(xué)現(xiàn)象或光電子現(xiàn)象，它是利用光波在玻璃與金屬薄膜界面處發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)的消失波，可以引起金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子體。 表面等離子體波共振的三種解釋-P100 A 光柵結(jié)構(gòu)型 B Otto結(jié)構(gòu)型 C Krestschmann結(jié)構(gòu)型,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,4 棱鏡型表面等離子體共振傳感器 棱鏡型SPR傳感器金屬膜厚度的影響：對SPR傳感器性能影響最大的是金屬膜的厚度。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,研究表明 : ； 當(dāng)金屬薄

25、膜厚度70nm時(shí)，激勵 SPR 效果不明顯； 當(dāng)30nm金屬薄膜厚度時(shí)， 復(fù)介電常量的實(shí)部和虛部隨測量光波長的變化極大。 當(dāng)金屬薄膜厚度20nm時(shí)，復(fù)介電常量的實(shí)部和虛部均趨于穩(wěn)定。 SPR傳感器金屬膜厚度取值范圍為30nm 50nm; 對一束測量光兩次激勵 SPR的高靈敏度光纖傳感器系統(tǒng)來說40nm為最佳。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,棱鏡折射率對SPR傳感器共振角的影響： 在固定金屬膜厚度和光源波長的情況下，隨著棱鏡折射率的減小，激勵SPR的入射光的入射角度相應(yīng)增大。 棱鏡折射率的變化不僅影響共振峰位置（共振角），且影響其半峰寬 。 當(dāng)棱鏡折射率增加時(shí)，共振角明顯減小

26、，半峰寬也明顯變窄。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,溶液濃度對SPR傳感器共振角的影響： 在膜厚度和棱鏡折射率不變的情況下待測溶液的折射率增大，激勵SPR的入射光的入射角也相應(yīng)增大。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,光強(qiáng)度調(diào)制型SPR傳感器測量溶液濃度,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,利用光調(diào)制的方法測量液體的折射率，其光強(qiáng)的變化量對應(yīng)于共振角度的改變要更大，因此 靈敏度也就越高。 固定的入射角角度大于但接近于測量范圍內(nèi)最大濃度 對應(yīng)的全體反射臨界角時(shí)，測量靈敏度較高。 通過選擇適當(dāng)液體介質(zhì)所對應(yīng)共振角作為系統(tǒng)入射角度，分別檢測不同介

27、質(zhì)對應(yīng)的光強(qiáng)反射率，就能獲得相關(guān)折射率的變化信息,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,棱鏡型SPR傳感器的靈敏度與影響因素： 靈敏度的定義是直接檢測參數(shù)的變化量與待定參數(shù)變化量之比。直接檢測參數(shù)指共振波長或共振角，待定參數(shù)指折射率、膜厚度、待測溶液濃度等。 在沒有考慮棱鏡色散性的情況下，波長短比波長為的曲線陡，短波長所對應(yīng)曲線的吸收峰較深，也即靈敏度較高。 對于測量共振角SPR傳感器和光強(qiáng)度調(diào)制型SPR傳感器，為了得到較高靈敏度，選用波長較短的光源作為激勵光。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,5 保偏光纖及其在棱鏡型SPR傳感器中的應(yīng)用 保偏光纖又稱為

28、高折射光纖，是一種沿光纖長度上能保持偏振態(tài)（簡稱保偏）穩(wěn)定傳輸?shù)墓饫w，其保偏性能是在纖芯徑向引入幾何非對稱或應(yīng)力而致雙折射所產(chǎn)生的。光纖的差拍長度越短，光纖對偏振的不規(guī)律性效應(yīng)就越具有彈性，光纖對線性偏振光的偏振保持能力就越強(qiáng)。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,保偏光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 描述保偏光纖的特性可以用拍長和保偏參數(shù)H來描述，假設(shè)用PX和Py分別表示 模和 模的功率，由光纖模式耦合理論可以給出兩個(gè)模的功率交叉耦合計(jì)算公式，即：,,,,,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,式中：l為光纖長度，根據(jù)上式可以看出：光纖越長，交叉功率越大，為了保持偏振狀態(tài)，Py應(yīng)

29、接近零，也就是說h應(yīng)很小，高質(zhì)量保偏光纖的保偏參數(shù)一般為（52）10-6m-1。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,保偏光纖的精確定位方法： 光的偏振特性直接影響著光纖通訊系統(tǒng)的質(zhì)量和光纖傳感系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)偏振態(tài)要求越高所允許的保偏光纖方位角誤差就越小。 根據(jù)通光和觀測方向，精確確定保偏光纖方位角的方法可大致分為兩類：縱向與橫向。 縱向方法有利用光彈效應(yīng)法、直接測消光比法和白光干涉法等，前兩種方法的測量精度不高，存在二次對準(zhǔn)問題，第三種方法的測量精度可達(dá)0.083。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,橫向方法有利用結(jié)構(gòu)線度差和透鏡效應(yīng)兩種方法，前一種方法

30、簡便易行，但只適用于橢圓包層型光纖且測量精度較差，后一種方法具有較高的定位精度，適合各類光纖，最具有應(yīng)用價(jià)值。 溫度對保偏光纖的影響 當(dāng)認(rèn)為光彈系數(shù)為常數(shù)時(shí)，保偏光纖的雙折射特性與溫度具有一定的線形關(guān)系。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,棱鏡型保偏光纖SPR傳感器：,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,保偏光纖在棱鏡型表面等離子體共振傳感器的應(yīng)用：當(dāng)一束光斜入射到介質(zhì)界面時(shí)，入射光矢量分解成平行于入射面振動的P波和垂直于入射面振動的S波，P波可以形成局限于界面的表面等離子體，因此產(chǎn)生SPR需要使入射光波經(jīng)過起

31、偏器產(chǎn)生P波，而且需要在光路中有效地利用P波。 結(jié)合棱鏡全反射和保偏光纖準(zhǔn)直器特性，即：從激光器出來的光經(jīng)起偏器產(chǎn)生P波，P波被耦合到保偏光纖準(zhǔn)直器中，從一邊垂直進(jìn)入克萊切曼結(jié)構(gòu)棱鏡到達(dá)其底部，并在此處發(fā)生全反射，入射光在金屬薄膜和待測介質(zhì)的界面第一次激勵SPR，,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,反射光經(jīng)過全反射棱鏡系統(tǒng)兩次全反射后，再一次從另一邊垂直進(jìn)入克萊切曼結(jié)構(gòu)棱鏡到達(dá)其底部，并在此處發(fā)生全反射，反射光在金屬薄膜和待測介質(zhì)的界面第二次激勵SPR，反射光經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器耦合到達(dá)光探測器。 根據(jù)下面公式和實(shí)驗(yàn)可知，如果入射光為P波，經(jīng)過全反射棱鏡系統(tǒng)兩次全反射后反射光不會

32、變?yōu)镾波。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,這就是一束測量光兩次激勵SPR的高靈敏度光纖傳感方法。,第四章：棱鏡反射光技術(shù)及其在溶液濃度測量中的應(yīng)用,6 基于菲涅耳公式測量溶液濃度的簡單模型 基于菲涅耳公式測量溶液濃度的特點(diǎn)- P112 基于菲涅耳公式測量溶液濃度計(jì)算模型的建立方法- P112 P115 基于菲涅耳公式測量溶液濃度計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)裝置- P115P117 基于菲涅耳公式測量溶液濃度計(jì)算程序。 -P117,第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,主要內(nèi)容： 1.人眼屈光系統(tǒng)。 2.插片法、主覺式和客觀式光電驗(yàn)光儀器等屈光度測試方法 3 客觀式全自動光電驗(yàn)光原理、

33、屈光度測量系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、眼底圖像處理得計(jì)算方法；驗(yàn)光儀電子測量系統(tǒng)的電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、眼底圖像采集電路設(shè)計(jì)；光學(xué)拖動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動細(xì)分控制原理、數(shù)字脈寬調(diào)制細(xì)分控制方法、硬件驅(qū)動原理。,第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,4 人眼角膜屈率圖像的亞像素測量技術(shù)的光學(xué)測量原理；角膜圖像處理中直方圖選取圖像閾值、角膜圖像的膨脹腐蝕處理；插值圓環(huán)（或橢圓環(huán)）質(zhì)心計(jì)算方法、插值法計(jì)算角膜屈光率半徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。,第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,1.人眼屈光系統(tǒng) 眼的屈光系統(tǒng)可視為一套復(fù)雜的組合透鏡，光線到達(dá)眼底(視網(wǎng)膜)必須經(jīng)過一系列屈光中間的透鏡物質(zhì)，包括3個(gè)屈光面及3個(gè)屈光介質(zhì)。 非

34、正視眼（屈光不正）包括近視眼、遠(yuǎn)視眼、散光眼三大類。 2.幾種屈光度測試方法 對屈光檢查、判定視力功能的方法稱驗(yàn)光。驗(yàn)光的方法分為兩大類：一類稱主觀法（或叫主覺法），另一類稱客觀法（或叫它覺法）。,第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,插片法 1）最小視角 最小視角原理是主覺式驗(yàn)光儀光的基本原理 2）視標(biāo)參數(shù),第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,光電驗(yàn)光儀器： 主覺式驗(yàn)光儀器-P122 客觀式驗(yàn)光儀?- P122P123,第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,3 客觀式全自動光電驗(yàn)光原理及驗(yàn)光儀 客觀式全自動光電驗(yàn)光儀-P123 屈光度測量系統(tǒng)-P124 監(jiān)視系統(tǒng)-P125

35、眼底圖像處理得計(jì)算方法-P125 驗(yàn)光儀電子測量系統(tǒng)的電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-P126P128 驗(yàn)光儀電子測量系統(tǒng)的眼底圖像采集電路設(shè)計(jì)-P128P134 光學(xué)拖動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動細(xì)分控制原理-P134、數(shù)字脈寬調(diào)制細(xì)分控制方法- P136 P138 硬件驅(qū)動原理-P138,第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,4 人眼角膜屈率圖像的亞像素測量技術(shù) 光學(xué)測量原理-P139 角膜圖像處理-P139141 直方圖選取圖像閾值,第五章：人眼視光學(xué)特性光電信息技術(shù)及應(yīng)用,角膜圖像的膨脹腐蝕處理-P141 插值圓環(huán)（或橢圓環(huán)）質(zhì)心計(jì)算方法- P141P142 插值法計(jì)算角膜屈光率半徑- P143 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析-P

36、143,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,主要內(nèi)容： 1.光幕形成及其參數(shù)。 2.激光光幕光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中基模高斯光束、高斯光束波面曲率半徑R（z）、相位因子和q參數(shù)表征；高斯光束通過光學(xué)成像系統(tǒng)的變換、激光準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 3半導(dǎo)體激光器的原理、溫度特性及ATC實(shí)現(xiàn)；準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)；光強(qiáng)高斯分布型激光光幕柱透鏡擴(kuò)束及半導(dǎo)體激光光幕組件；鮑威爾透鏡形成的光強(qiáng)均布型激光光幕和鮑威爾透鏡特性的光束光學(xué)解釋。,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,4 橢圓柱面反射鏡、玻璃圓弧柱面反射鏡光學(xué)系統(tǒng)；PIN光電二極管原理、主要特性和常用光電轉(zhuǎn)換前置放大電路；激光光幕測速系統(tǒng)；濾光片法、對管差分補(bǔ)償法激光光幕光電系統(tǒng)光干

37、擾抑制技術(shù)。 5 天幕的形成和天幕測速系統(tǒng),第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,1.光幕形成及其參數(shù) 激光器出射的激光，經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、一維擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，形成扇形光幕。 描述激光光幕性能的參數(shù)有：輸出波長、出瞳孔徑、出瞳功率、扇面角 、激光光幕線寬、光束彎曲度、工作溫度、存儲溫度 、使用壽命等,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,2.激光光幕光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 高斯光束的傳播： 基模高斯光束-P147 高斯光束波面曲率半徑 R（z）-P147 高斯光束的相位因子- P148 高斯光束 q 參數(shù)表征 - P148,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,用 (z）和R(z）來描述高斯光束比較直觀；用復(fù)數(shù)參數(shù)來研究高斯光束

38、的傳播規(guī)律，特別是高斯光束穿過光學(xué)系統(tǒng)的傳播更方便。 高斯光束準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 高斯光束通過光學(xué)成像系統(tǒng)的變換-P148 激光準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-P149 1達(dá)到極大值， 遠(yuǎn)場發(fā)散角0達(dá)到極小值，是理想的準(zhǔn)直接擴(kuò)束條件。,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,3激光光幕形成技術(shù) 光源： 半導(dǎo)體激光器的原理- P150 半導(dǎo)體激光器溫度特性及ATC實(shí)現(xiàn)-P150P152,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件： （ 1 ） 0.5 0.85 ； （ 2 ） 0.15 0.40 條件（1）是決定準(zhǔn)直透鏡的NA的條件;條件（2）與球面像差補(bǔ)償相關(guān)聯(lián).,第六章：激

39、光光幕技術(shù)及應(yīng)用,光強(qiáng)高斯分布型激光光幕 柱透鏡擴(kuò)束-P152 經(jīng)準(zhǔn)直后的激光光束進(jìn)行一維擴(kuò)展形成的激光光幕最簡單、最直接的方法是采用柱透鏡。 柱透鏡體的曲率半徑不同，形成激光光幕的扇面角度亦不同。,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,柱透鏡擴(kuò)束半導(dǎo)體激光光幕組件-P154,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,光強(qiáng)均布型激光光幕 鮑威爾透鏡原理-P154156 鮑威爾透鏡特性的光束光學(xué)解釋-P156,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,4 激光光幕光電測速系統(tǒng) 激光光幕測速光學(xué)系統(tǒng)?- P156 P157 橢圓柱面反射鏡光學(xué)系統(tǒng)P157 P158,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,光電檢測器件及光電轉(zhuǎn)換電路 PIN光電

40、二極管原理P158 P159 PIN光電二極管主要特性：- P159 P161 1 ）量子效率和光譜特性 2 ）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 3 ）噪聲,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,常用光電轉(zhuǎn)換前置放大電路-P161,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,激光光幕測速系統(tǒng)-P162,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,激光光幕光電系統(tǒng)光干擾抑制技術(shù)： 濾光片法- P163 一般來講：采用遮光罩，加濾光片等方法可以有效抑制太 陽光的干擾,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,對管差分補(bǔ)償法-P164 5 天幕的形成和天幕測速系統(tǒng) 天幕形成和組成部件：天幕是利用太陽光在大氣中的散射光光源，利用一個(gè)光學(xué)

41、鏡頭和狹縫光闌，在空間形成一個(gè)與水平面垂直的扇形光幕，通常把這個(gè)扇形視場區(qū)域稱為天幕。 扇形天幕的基本部件有光學(xué)鏡頭、狹縫光闌和光電器件。 天幕的光學(xué)原理見下圖：,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,圖中狹縫光闌緊貼光敏面，光敏面與透鏡的焦平面重合，當(dāng)飛行物體通過透鏡的另一側(cè)，成像在光電管的光敏面上，從而產(chǎn)生相應(yīng)的變化電信號，傳送給后續(xù)電路處理。由于光敏面尺寸的限制，其視場角一般比鏡頭的視場角小：,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,設(shè)：光敏面的有效長度S=25mm，焦距f=45mm,則15.5，天幕的有效視場角約為31,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,天幕測速系統(tǒng)：,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,天幕的應(yīng)用：

42、 天幕可用于測速系統(tǒng)。將兩套天幕（分別為啟動天幕和停止天幕）構(gòu)成距離為S確定的取截測速裝置，即天幕靶。當(dāng)飛行物體（如彈丸）穿過天幕，遮擋進(jìn)入狹縫的部分光線，致使光敏元件的光通量發(fā)生變化，利用信號處理光路將此信號放大、整形濾波、比較，產(chǎn)生觸發(fā)計(jì)時(shí)脈沖，觸發(fā)計(jì)時(shí)儀，記錄物體飛行穿過兩光幕的時(shí)間間隔t,根據(jù)=s/t,獲得速度值。,第六章：激光光幕技術(shù)及應(yīng)用,天幕靶的分類： 天幕靶分為水平天幕靶和仰角天幕靶，前者只能用于測量以水平方式或入射角小于5時(shí)發(fā)射的飛行物體的速度；后者除可以測量小角度外，還可以用于測量入射角大于5的飛行物體的速度，因此仰角天幕靶的適應(yīng)性優(yōu)于水平天幕靶。,謝 謝,2011年9月,