現(xiàn)代光電信息技術及應用

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1、現(xiàn)代光電信息技術及應用,制作：周慧敏,目錄,大規(guī)模專業(yè)培訓,BZ,第一章 激光告警技術和應用,本章的主要內(nèi)容有: 1.現(xiàn)代光電信息技術 2.激光告警技術定義、裝置、應用方式和理想的激光告警 裝置應滿足的要求。 3.光譜識別型激光告警技術 A.成像光譜型告警技術的陣列單元組成、多元相關告警原理、雜散光干擾的抑制。 B.成像光譜識別型激光告警裝置的構成，優(yōu)缺點及實例。 4.相干識別型激光告警技術,第一章 激光告警技術和應用,A.F-P標準具的結構及工作原理及典型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原理及優(yōu)缺點。 C.光柵衍射型激光告警的工作原理、系統(tǒng)

2、設計及參數(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、等效斜楔干涉具設計、信號采集與處理系統(tǒng)設計等。 E. 其他相干激光告警技術 5.激光告警技術的發(fā)展趨勢,第一章 激光告警技術和應用,1 現(xiàn)代光電信息技術 多學科綜合技術：光學技術、光電子技術、微電子技 術、信息技術、光信息技術、計算機技術、圖像處理技術等。 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：其一，有效延伸人眼的視覺功能，使其探測閾值達到光子探測的極限水平； 其二：以光為信息載體，結合計算機的研究成果，極大提高了光電系統(tǒng)的響應速度、

3、帶寬和信息容量。,第一章 激光告警技術和應用,2 激光告警 技術：是光電對抗的組成部分，它是指在太陽光、閃電、雷電等光干 擾復雜背景下，實時、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，進行光電報警的技術。 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備。 應用方式：一種是自保護方式； 另一種是電子偵察方式。 裝置構成：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 激光告警技術和應用,3 光譜識別型激光告警技術 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個光電二極管,則水平方向的角度分辨力為180/2N。 優(yōu)點：結構簡單、技術難度小、成本低、告警靈敏度高。 缺點：只能探測有限的幾個特定波長、定位精度高，虛警率高。 陣列單元：激光告警頭、信號處理器及報警/顯示器。 多元相關告警原理：當有來襲激光進入該陣列單元時,信號經(jīng)放大后由兩閾值比較器進行比較,把低于閾值的噪聲濾出,此后送至相關處理器。 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 激光告警技術和應用,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的原理圖和組成見圖1-1。,第一章 激光告

5、警技術和應用,成像光譜識別型激光告警設備：由探測和顯控兩個部件組成。 優(yōu)點：視場大、角分辨力、虛警率低。 缺點：光學系統(tǒng)復雜，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：可以凝視半球或超半球空域。 作用：以畸變?yōu)榇鷥r而大幅擴大視角的一種特殊光學系統(tǒng) “拉赫韋斯”（LAHAWS）成像型激光告警設備的工作原理：魚眼透鏡： 接收的激光輻射通過4：1分束鏡分成兩個光學通道，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一步分成1；1的兩條光學通道，各自進入一個PIN硅光電二極管探測器中，其中一個通道包含激光和

6、背景信號，另一個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 激光告警技術和應用,4 相干識別型激光告警技術 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標準具：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。 標準具出射光強I與折射角的關系: 光強透過率T()與 的關系,第一章 激光告警技術和應用,標準具出射光強I和折射角的關系曲線,第一章 激光告警技術和應用,從上

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

8、分透射的輻射。當有激光入射到階式標準具上時，標準具上、下兩部分厚度有/4n的奇數(shù)倍差異，激光干涉結果使上、下兩部分的輸出一個是亮紋，一個是暗紋,第一章 激光告警技術和應用,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-P11-P12,第一章 激光告警技術和應用,光柵型激光告警裝置的組成和工作原理-P13-P14,第一章 激光告警技術和應用,傅里葉變換激光告警技術,第一章 激光告警技術和應用,等效斜楔干涉具設計需要了解： 基本結構 P24 干涉具的光程差分析 P25 干涉條紋個數(shù)與激光頻譜的關系 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 激光告警技術和應用,E.其他相干激光告警技術采用了光纖延遲技術、光學劈尖、非制冷紅外焦平面器件 5 激光告警技術發(fā)展趨勢 激光告警技術8個主要研究方向-P31-32,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術及應用,主要內(nèi)容： 1. 瞬態(tài)表面高溫測量系統(tǒng)：藍寶石光纖黑體腔設計、傳感器結構、黑體腔數(shù)學模型、傳熱方程的建立；響應時間測定；測溫原理；瞬態(tài)高溫測試實例。 2.可溯源瞬態(tài)表面溫度傳感器動態(tài)校準系統(tǒng)組成及工作原理；熱電偶溫度傳感器時間常數(shù)的定義和表示、測試實驗及分析、動態(tài)校準實驗及分析。 3瞬態(tài)超高溫測試的外推

10、方法的含義；藍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、外推測溫的實驗驗證、仿真結果和誤差分析。,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術及應用,1. 瞬態(tài)表面高溫測量系統(tǒng) 藍寶石光纖黑體腔設計：藍寶石光纖單晶探頭目前主要有兩種制作方法。 P34 藍寶石光纖黑體腔傳感器結構。P35 黑體腔傳熱模型： 薄膜傳熱 腔內(nèi)絕熱；一維導熱體系 ； 忽略熱損耗,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術及應用,黑體腔傳熱模型： 薄膜傳熱 腔內(nèi)絕熱；一維導熱體系；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及應用,黑體腔傳感器響應時間測定-P3

11、7： 測溫原理-P3740,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術及應用,某導彈反射箱前框瞬態(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及應用,溫度測量光電放大器-P41 實驗結果-P41P43 a)影響熱響應時間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) 解決關鍵技術，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及應用,2 可溯源瞬態(tài)表面溫度傳感器動態(tài)校準系統(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及應用,可溯源動態(tài)校準的三個步驟：-P44P45 A紅外探測器靜態(tài)校準 紅外探測器動態(tài)

12、校準和被校溫度傳感器動態(tài)校準 瞬態(tài)溫度的動態(tài)校準 熱電偶溫度傳感器動態(tài)特性實驗研究： 熱電偶溫度傳感器時間常數(shù)的定義、表示、測試實驗及分析 -P45-P48 熱電偶溫度傳感器動態(tài)校準實驗及分析-P49-P51,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術及應用,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及應用,藍寶石光纖黑體腔溫度外推測試方法 假設 假設黑體腔導熱過程是一個半無限大物體一維非穩(wěn)態(tài)導熱 建模 P53 模型求解：最終溫度的表示式 T(x,) x,）+g(x,) 其中g(x,)不難求得，而 x,）是關于n的無窮項的加法運算，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及應用,外推測溫實驗驗證 實驗方案 -P55,第二章：瞬態(tài)表面高溫光電探測技術及應用,實驗結果 -P56 通過進行外推測溫實驗驗證，利用外推模型進行外推

14、計算，采 用分離法求解，得到的外推結果溫度最高值出現(xiàn)在49.7ms。溫度 為1127，把外推結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及應用,仿真結果： 仿真是外推模型的反面驗證，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及應用,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及應用,主要內(nèi)容： 1.影響瓦斯爆炸的三個主要因素。 2.瓦斯氣體檢測得七個基本方法。 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、諧波檢測技術。,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,5差分吸收法和諧波檢測法的總體方案設計；基于光譜吸收原理的甲烷濃度檢測系統(tǒng)模塊的構成及各模塊的組成、選擇、設計；實驗及測試結果。 6瓦斯?jié)舛扰c溫度無線光纖光電混合網(wǎng)絡的系統(tǒng)構成、無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點、節(jié)點軟件的設計、區(qū)域差分定位算法、上位機監(jiān)控系統(tǒng)。,第三章：甲

16、烷濃度光電測試技術及應用,1影響瓦斯爆炸的三個主要因素。 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基本方法。,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,光干涉測量法 熱催化測量法 熱導型測量法 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及應用,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:

17、 差分吸收技術分為：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及應用,差分吸收技術: 差分吸收技術分為：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及應用,雙波長單光路,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,諧波檢測技術-P65P67,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,5 瓦斯氣體監(jiān)測系統(tǒng)設計 差分吸收法總體方案設計-P6768 諧波檢測法總體方案設計-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成。,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,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-P72 傳感模塊： 甲烷氣體吸收模塊的設計 氣室防污染材料的選取,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,光電轉(zhuǎn)換及電路模塊： 光電探測器的選擇 前置放大電路的設計 濾波電路的設計 調(diào)制電路設計 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)測界面設計 測試結果分析-P77P80,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,6 瓦斯?jié)舛扰c溫度無線光纖光電混合網(wǎng)絡 系統(tǒng)構成-P80P81 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點 P81 固定節(jié)點設計P82 移動礦帽節(jié)點設計P83 通道選擇P84,第三章：甲烷濃度光電測試技術及應用,

19、節(jié)點軟件設計 固定節(jié)點網(wǎng)絡軟件設計-P84 礦帽節(jié)點軟件設計-P85 區(qū)域差分定位算法-P85P87 上位機監(jiān)控系統(tǒng) 地面監(jiān)控平臺系統(tǒng)實現(xiàn)方案-P87 監(jiān)控軟件設計-P88 試驗結果-P89,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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；偏振光的基本原理和方法。 2.金屬薄膜光學特性的一般特點，銀膜和金膜在應用中的特點；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；表面等離子體波共振的三種解釋。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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、結構特點、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、計算模型的建立、實驗裝置、計算程序。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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: 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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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 偏振分光棱鏡應用廣泛主要優(yōu)點有: 分光性能好 B價格低 低損耗 光學系統(tǒng)設計靈活,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,2.金屬薄膜的基本特性 光學特性的一般特點: 金屬薄膜的特性包括光譜反射特性、吸收特性和偏振特性。 在光學技術中，金屬反射器件具有反射率高；與電介質(zhì)相比，有很大的電導率，光照射在金屬上時，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，光強度I可以寫成： 。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,在斜入射時，金屬薄膜的反射率與入射角之間的關系較為復雜，表現(xiàn)為明顯的偏振。 銀膜和金膜在應用中的特點 銀膜的優(yōu)點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，缺點是在紫外區(qū)域反射率低，與玻璃附著力較差，機械強度和化學穩(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層。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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，可以不加特別保護層。缺點是在紫外區(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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,3.表面等離子體共振傳感器 表面等離子體共振(SPR)技術是一種簡單、直接的傳感技術，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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,表面等離子體的共振效應 表面等離子體的共振效應是一種物理光學現(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 光柵結構型 B Otto結構型 C Krestschmann結構型,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,研究表明 : ； 當金屬薄

25、膜厚度70nm時，激勵 SPR 效果不明顯； 當30nm金屬薄膜厚度時， 復介電常量的實部和虛部隨測量光波長的變化極大。 當金屬薄膜厚度20nm時，復介電常量的實部和虛部均趨于穩(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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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 。 當棱鏡折射率增加時，共振角明顯減小

26、，半峰寬也明顯變窄。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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增大。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,光強度調(diào)制型SPR傳感器測量溶液濃度,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,利用光調(diào)制的方法測量液體的折射率，其光強的變化量對應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 對應的全體反射臨界角時，測量靈敏度較高。 通過選擇適當液體介質(zhì)所對應共振角作為系統(tǒng)入射角度，分別檢測不同介

27、質(zhì)對應的光強反射率，就能獲得相關折射率的變化信息,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,5 保偏光纖及其在棱鏡型SPR傳感器中的應用 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)律性效應就越具有彈性，光纖對線性偏振光的偏振保持能力就越強。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,保偏光纖的結構特點： 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模的功率交叉耦合計算公式，即：,,,,,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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

29、接近零，也就是說h應很小，高質(zhì)量保偏光纖的保偏參數(shù)一般為（52）10-6m-1。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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，存在二次對準問題，第三種方法的測量精度可達0.083。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,橫向方法有利用結構線度差和透鏡效應兩種方法，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，最具有應用價值。 溫度對保偏光纖的影響 當認為光彈系數(shù)為常數(shù)時，保偏光纖的雙折射特性與溫度具有一定的線形關系。,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,棱鏡型保偏光纖SPR傳感器：,第四章：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,保偏光纖在棱鏡型表面等離子體共振傳感器的應用：當一束光斜入射到介質(zhì)界面時，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。 結合棱鏡全反射和保偏光纖準直器特性，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直器中，從一邊垂直進入克萊切曼結構棱鏡到達其底部，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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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入克萊切曼結構棱鏡到達其底部，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)過光纖準直器耦合到達光探測器。 根據(jù)下面公式和實驗可知，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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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：棱鏡反射光技術及其在溶液濃度測量中的應用,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- P112 基于菲涅耳公式測量溶液濃度計算模型的建立方法- P112 P115 基于菲涅耳公式測量溶液濃度計算模型的實驗裝置- P115P117 基于菲涅耳公式測量溶液濃度計算程序。 -P117,第五章：人眼視光學特性光電信息技術及應用,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光儀器等屈光度測試方法 3 客觀式全自動光電驗光原理、

33、屈光度測量系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、眼底圖像處理得計算方法；驗光儀電子測量系統(tǒng)的電子系統(tǒng)結構、眼底圖像采集電路設計；光學拖動步進電機驅(qū)動細分控制原理、數(shù)字脈寬調(diào)制細分控制方法、硬件驅(qū)動原理。,第五章：人眼視光學特性光電信息技術及應用,4 人眼角膜屈率圖像的亞像素測量技術的光學測量原理；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)心計算方法、插值法計算角膜屈光率半徑，實驗結果分析。,第五章：人眼視光學特性光電信息技術及應用,1.人眼屈光系統(tǒng) 眼的屈光系統(tǒng)可視為一套復雜的組合透鏡，光線到達眼底(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個屈光面及3個屈光介質(zhì)。 非

34、正視眼（屈光不正）包括近視眼、遠視眼、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光。驗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：人眼視光學特性光電信息技術及應用,插片法 1）最小視角 最小視角原理是主覺式驗光儀光的基本原理 2）視標參數(shù),第五章：人眼視光學特性光電信息技術及應用,光電驗光儀器： 主覺式驗光儀器-P122 客觀式驗光儀?- P122P123,第五章：人眼視光學特性光電信息技術及應用,3 客觀式全自動光電驗光原理及驗光儀 客觀式全自動光電驗光儀-P123 屈光度測量系統(tǒng)-P124 監(jiān)視系統(tǒng)-P125

35、眼底圖像處理得計算方法-P125 驗光儀電子測量系統(tǒng)的電子系統(tǒng)結構-P126P128 驗光儀電子測量系統(tǒng)的眼底圖像采集電路設計-P128P134 光學拖動步進電機驅(qū)動細分控制原理-P134、數(shù)字脈寬調(diào)制細分控制方法- P136 P138 硬件驅(qū)動原理-P138,第五章：人眼視光學特性光電信息技術及應用,4 人眼角膜屈率圖像的亞像素測量技術 光學測量原理-P139 角膜圖像處理-P139141 直方圖選取圖像閾值,第五章：人眼視光學特性光電信息技術及應用,角膜圖像的膨脹腐蝕處理-P141 插值圓環(huán)（或橢圓環(huán)）質(zhì)心計算方法- P141P142 插值法計算角膜屈光率半徑- P143 實驗結果分析-P

36、143,第六章：激光光幕技術及應用,主要內(nèi)容： 1.光幕形成及其參數(shù)。 2.激光光幕光學系統(tǒng)設計中基模高斯光束、高斯光束波面曲率半徑R（z）、相位因子和q參數(shù)表征；高斯光束通過光學成像系統(tǒng)的變換、激光準直擴束光學系統(tǒng)設計。 3半導體激光器的原理、溫度特性及ATC實現(xiàn)；準直系統(tǒng)設計；光強高斯分布型激光光幕柱透鏡擴束及半導體激光光幕組件；鮑威爾透鏡形成的光強均布型激光光幕和鮑威爾透鏡特性的光束光學解釋。,第六章：激光光幕技術及應用,4 橢圓柱面反射鏡、玻璃圓弧柱面反射鏡光學系統(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、對管差分補償法激光光幕光電系統(tǒng)光干

37、擾抑制技術。 5 天幕的形成和天幕測速系統(tǒng),第六章：激光光幕技術及應用,1.光幕形成及其參數(shù) 激光器出射的激光，經(jīng)準直光學系統(tǒng)、一維擴束光學系統(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：激光光幕技術及應用,2.激光光幕光學系統(tǒng)設計基礎 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：激光光幕技術及應用,用 (z）和R(z）來描述高斯光束比較直觀；用復數(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系統(tǒng)的傳播更方便。 高斯光束準直擴束光學系統(tǒng)設計基礎 高斯光束通過光學成像系統(tǒng)的變換-P148 激光準直擴束光學系統(tǒng)設計基礎-P149 1達到極大值， 遠場發(fā)散角0達到極小值，是理想的準直接擴束條件。,第六章：激光光幕技術及應用,3激光光幕形成技術 光源： 半導體激光器的原理- P150 半導體激光器溫度特性及ATC實現(xiàn)-P150P152,第六章：激光光幕技術及應用,半導體激光器準直系統(tǒng)應滿足以下條件： （ 1 ） 0.5 0.85 ； （ 2 ） 0.15 0.40 條件（1）是決定準直透鏡的NA的條件;條件（2）與球面像差補償相關聯(lián).,第六章：激

39、光光幕技術及應用,光強高斯分布型激光光幕 柱透鏡擴束-P152 經(jīng)準直后的激光光束進行一維擴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：激光光幕技術及應用,柱透鏡擴束半導體激光光幕組件-P154,第六章：激光光幕技術及應用,光強均布型激光光幕 鮑威爾透鏡原理-P154156 鮑威爾透鏡特性的光束光學解釋-P156,第六章：激光光幕技術及應用,4 激光光幕光電測速系統(tǒng) 激光光幕測速光學系統(tǒng)?- P156 P157 橢圓柱面反射鏡光學系統(tǒng)P157 P158,第六章：激光光幕技術及應用,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 ）響應時間和頻率特性 3 ）噪聲,第六章：激光光幕技術及應用,常用光電轉(zhuǎn)換前置放大電路-P161,第六章：激光光幕技術及應用,激光光幕測速系統(tǒng)-P162,第六章：激光光幕技術及應用,激光光幕光電系統(tǒng)光干擾抑制技術： 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：激光光幕技術及應用,,第六章：激光光幕技術及應用,對管差分補償法-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，利用一個光學

41、鏡頭和狹縫光闌，在空間形成一個與水平面垂直的扇形光幕，通常把這個扇形視場區(qū)域稱為天幕。 扇形天幕的基本部件有光學鏡頭、狹縫光闌和光電器件。 天幕的光學原理見下圖：,第六章：激光光幕技術及應用,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?。?第六章：激光光幕技術及應用,設：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：激光光幕技術及應用,天幕測速系統(tǒng)：,第六章：激光光幕技術及應用,天幕的應用：

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）構成距離為S確定的取截測速裝置，即天幕靶。當飛行物體（如彈丸）穿過天幕，遮擋進入狹縫的部分光線，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)計時脈沖，觸發(fā)計時儀，記錄物體飛行穿過兩光幕的時間間隔t,根據(jù)=s/t,獲得速度值。,第六章：激光光幕技術及應用,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性優(yōu)于水平天幕靶。,謝 謝,2011年9月,