光电系统设计
光电系统课程设计
c．滤波：电源电路、放大电路
Av
输入信 号频谱
滤波器 频响曲 线
0
f0
f
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d． 优化布线： 回路设计 多层板应用 优选板材料
e． 软件算法
光电系统课程设计
四、机械性能设计
冲击、振动、加速度
1． 电路板安装固定方法 2． 电路板机械强度
（大小、形状、厚度、板材） 3． 元器件的固定方法 4． 电源线的抗拉、抗折强度 5． 外壳的机械强度
模拟电子技术 数字电子技术 单片机原理与接口技术 光学系统与光电探测器 电子电路制造工艺 电磁兼容性设计
光电系统课程设计
3、教学方法
讲课部分
a. 重点讲设计思路和设计方法 b. 从系统、从工程设计的角度来讲问题
系统：设计方案的系统性 知识结构的系统性
工程：理论联系实际
光电系统课程设计
工程设计部分 核心理念： DIY
1、 电路板的加工工艺
a．层数：单面、双面、多层 b．板材：酚醛(FR-1)、环氧（FR-4）、
聚四氟乙烯、陶瓷、挠性 c．表面工艺：
铅锡、镀金、阻焊、丝印 d．精细度：孔径 导线宽度 e．阻抗控制
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2．元件装插工艺：
人工流水线 自动装插
3．焊接工艺：
手工、浸焊、波峰焊、 回流焊、热风焊
光电系统课程设计
八、高新技术的应用
1、电子元器件方面
a . 通用数字逻辑器件： 淘汰系列：74xx→74LSxx→74Fxx 现用系列： COMS → HC/HCT → AC/ACT →LVT, LCX，LVC 电源：5V → 3.3V → 2.5V→ 1.5V
光电系统课程设计
光电系统设计题目及答案（1）
一、简答题1、根据系统工作的基本目的，通常光电系统可以分为哪两大类？答：(1)信息光电系统。
例如：光电测绘仪器仪表、光电成像系统、光电搜索与跟踪系统、光电检测系统、光通信系统等。
(2)能量光电系统。
例如：激光武器、激光加工设备、太阳能光伏发电、“绿色”照明系统等。
2、光电系统的研发过程需要哪些学科理论与技术的相互配合？答：光电系统的发展需要多种学科相互配合。
它是物理学、光学、光谱学、电子学、微电子学、半导体技术、自动控制、精密机械、材料学等学科的相互促进和渗透。
应用各学科的最新成果，将使光电系统不断创新和发展。
3、光学系统设计基本要求包括哪些？答：基本要求包括：性能、构型选择、和可制造性三个方面。
4、光学系统设计技术要求包括哪些？答：基本结构参数（物距、成像形式、像距、F数或数值孔径、放大率、全视场、透过率、焦距、渐晕）；成像质量要求（探测器类型、主波长、光谱范围、光谱权重、调制传递函数、RMS波前衰减、能量中心度、畸变）；机械和包装要求；其它具体要求。
5、望远物镜设计中需要校正的像差主要是哪些？答：球差、慧差和轴向色差。
6、目镜设计中需要校正的像差主要是哪些？答：像散、垂轴色差和慧差。
7、显微物镜设计中需要校正的像差主要是哪些？答：球差、轴向色差和正弦差，特别是减小高级像差。
8、几何像差主要有哪些？答：几何像差主要有七种：球差、慧差、象散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差。
9、用于一般辐射测量的探头有哪些？答：光电二极管10、可用于微弱辐射测量的探头有哪些？答：光电倍增管11、常用光源中哪些灯的显色性较好？答：常用光源中，白炽灯、卤钨灯、氙灯的显色性较好。
（高压汞灯、高压钠灯的显色性较差）12、何谓太阳常数？答：太阳常数——在地球-太阳的年平均距离，大气层外太阳对地球的的辐照度(1367±7) W·m-213、太阳对地球的辐照能量在哪个光谱区比例最大？答：太阳对地球的辐照度值在不同光谱区的比例为：紫外区6.46%；可见区46.25%；红外区47.29%14、对用于可见光和近红外的光学系统，主要是什么因素影响其像质？答：因波长较短，影响像质的主要是各种像差15、对用于中远红外的光学系统，主要是什么因素影响其像质？答：用于中远红外的光学系统， 影响像质的主要因素是衍射。
光电系统设计(第一章、绪论)
光电系统应满足预定的功能要求，包括光信号的输入、转换、传输和输出等。
功能性原则
高效性原则
稳定性原则
可维护性原则
光电系统应具有较高的能量转换效率和信号传输质量，以减少能源浪费和信号失真。
光电系统应具有稳定的性能，能够适应不同的环境条件和工作状态，保证系统的可靠性和稳定性。
光电系统的设计应便于安装、调试、使用和维护，降低系统的生命周期成本。
利用光电系统的非接触、高精度测量等优点，实现工业自动化、环境监测等领域的高精度测量和控制系统。
传感领域
0
利用光电系统的无创、无痛等优点，实现医学影像、生物组织检测等领域的光学仪器和设备。
医疗领域
0
利用光电系统的光谱分析、荧光分析等技术，实现食品安全、环境保护等领域的高灵敏度检测系统。
检测领域
0
光电系统的应用领域
光电系统设计（第一章、绪论）
TITLE
演讲人姓名
Ⅰ
contents
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Ⅱ
绪论 光电基础知识 光电系统设计基础 光电系统的性能指标 光电系统的应用案例
点击添加正文
目录
绪论
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光电系统概述
光电系统的基本组成
光电系统通常包括光子发射器、光子探测器、光子传输通道和信号处理电路等部分。
光电材料与器件的分类
03
光电材料与器件的发展趋势
随着科技的发展，光电材料与器件在性能和集成度方面不断提升，未来将有更多的创新和应用。
01
光电材料分类
光电材料包括无机材料、有机材料和复合材料等类型。
02
光电器件分类
光电器件包括光电管、光电倍增管、光电二极管和光电晶体管等类型。
光电综合应用系统的设计与开发
光电综合应用系统的设计与开发随着科技的飞速发展，光电综合应用系统已经成为现代化工业和商业的核心，许多企业和机构都开始把注意力转向这个领域。
本文将探讨光电综合应用系统的设计和开发，希望对读者有所启发。
一、光电技术的基础光电技术是将光学和电子学相结合的一种技术，是当今世界技术领域的前沿和热门话题。
光电技术的优点在于其具有高效、精确和可重复性等特点，使得其在制造业、医疗、安全等领域得到广泛应用。
二、光电综合应用系统的设计光电综合应用系统是一种通过光电技术实现的工业自动化系统。
在设计光电综合应用系统时，需要从以下三个方面考虑：1.硬件部分硬件部分包括采集电路、传感器、执行机构等组成部分。
其中，采集电路的设计是整个系统中最核心的部分之一，因为它负责对感应器产生的信号进行调整和转换。
在硬件部分的设计中，需要考虑材料的选择、电路的设计和组装等方面。
2.软件部分软件部分包括程序的编写、系统的调试和性能的优化等。
在程序编写的过程中，需要考虑到信号的采集和处理、控制逻辑的设计以及数据的处理和分析等方面。
同时，在系统调试和性能优化上，需要不断进行实验和实测，以找到最佳的工作状态。
3.系统架构和工业标准系统架构和工业标准是整个光电系统设计中最基础的环节之一。
在系统架构上，需要确定系统的功能模块，以及模块之间的关系和功能实现的细节。
在工业标准上，需要考虑到建立统一的标准和规范，以保证系统在生产和使用中的稳定和可靠。
三、光电综合应用系统的开发光电综合应用系统的开发需要跨越多个阶段，包括需求分析、系统设计、实验开发和测试等。
在这些阶段中，需要采用如下两种方法：1.原型方法原型方法是目前在光电综合应用系统开发中最常用的方法之一。
其优点在于可以快速验证系统的功能和性能，并在开发过程中不断优化系统的设计和实现。
在原型方法中，需要通过迭代的方式来不断完善系统的性能和用户体验。
2.瀑布模型瀑布模型是一种经典的软件开发模型，其优点在于可以明确任务的执行流程和目标，并且能够提供必要的文档和规范。
光电系统课程设计
光电系统课程设计一、教学目标本章节的教学目标是让学生掌握光电系统的基本原理和应用，培养学生对光电技术的兴趣和好奇心，提高学生的实验操作能力和科学思维能力。
具体来说，知识目标包括了解光电系统的基本组成、工作原理和应用领域；技能目标包括能够使用光电设备进行实验操作，分析实验数据并得出结论；情感态度价值观目标包括培养学生对科学探究的热爱，增强学生对光电技术的自信心和责任感。
二、教学内容本章节的教学内容主要包括光电系统的基本原理、光电设备的组成和操作、光电技术的应用等。
具体来说，教学大纲如下：1.光电系统的基本原理：介绍光电效应、光电器件的工作原理等；2.光电设备的组成和操作：介绍光电设备的结构、功能和使用方法；3.光电技术的应用：介绍光电技术在各个领域的应用案例。
三、教学方法为了实现教学目标，本章节将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
包括讲授法、实验法、讨论法等。
具体来说：1.讲授法：通过讲解光电系统的基本原理和应用，帮助学生建立理论知识框架；2.实验法：通过实验操作和数据分析，培养学生对光电技术的实践能力和科学思维；3.讨论法：通过小组讨论和问题解答，激发学生的学习兴趣和主动性。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，本章节将准备以下教学资源：1.教材：选用光电系统相关教材，提供理论知识的学习材料；2.实验设备：准备光电实验设备，供学生进行实验操作；3.多媒体资料：提供光电系统相关视频、图片等多媒体资料，丰富学生的学习体验。
五、教学评估本章节的教学评估将采用多种方式进行，以全面、客观地评估学生的学习成果。
具体包括以下几个方面：1.平时表现：评估学生在课堂上的参与度、提问回答等情况，以考察学生的学习态度和积极性；2.作业：布置相关的作业，评估学生的理解和掌握程度；3.实验报告：评估学生在实验过程中的操作技能和数据分析能力；4.考试：设置期末考试，全面考察学生对光电系统知识的掌握和应用能力。
六、教学安排本章节的教学安排将根据学生的作息时间和兴趣爱好进行合理规划。
光电系统设计概述
2、数字电路设计
• 光电设计中的数字电路通过分析数字输人信号特性、系统对输出数字信号的 要求，进行数字输人测量电路和数字量控制输出电路的设计。根据对输人信 号特性和输出信号的负载能力要求考虑接口的设计。
4、系统可靠性设计
（1）硬件可靠性设计 1）元器件选择原则：满足性能要求、满足可靠性要求、降额设计、低功耗
设计。 2）电源抗干扰技术 3）系统接地技术 4）PCB设计技术 5）低功耗设计技术
（2）软件可靠性设计 硬件可靠性设计是尽可能切断外部干扰进人单片机系统，但由于干扰存在的
复杂性和随机性，硬件的可靠性设计并不能保证将各种干扰拒之门外，因此 要同时运用软件可靠性设计技术，两者结合可进步提高单片机系统的可靠性。 1）输入通道的软件可靠性 2）输出通道的软件可靠性 3）程序设计的可靠性 4）数字滤波技术
• 光电系统的分类从大类上通常分为主动光学系统和被动光学系统。 主动系统如激光测距、LED/激光位置检测、光学显示装置等。 被动系统包括图像增强器、红外成像仪、激光指示器和微光电视等。
光学系统的设计
• 光学设计通常始于空间光路布置，从简单的考虑镜头寻找对象/图像的距离 和尺寸、光圈、焦距长度等。
• 在明确对所设计光学系统的各项指标后，设计者要第一考虑的限制物理界面 的要求，进而根据系统要求和使用条件，决定满足使用要求的各种数据，拟 定出光学系统的原理图。
• 电子系统设计通常包含总体设计、模块设计、组装调试、性能测和文档总 结等环节。
1、模拟电路设计
• 模拟电路是电子系统的重要部分，也是影响整个系统成败的关键模块。需要 在分析模拟输入、输出信号需求的基础上。进行前向通道和后向通道电路的 设计。
光电系统设计概述
光电系统设计概述光电系统是一种将光信号转化为电信号或者将电信号转化为光信号的系统。
它在各个领域中都有广泛的应用，包括通信、能源、医疗和环境监测等。
本文将从设计的角度来介绍光电系统的概述，包括设计原则、组成部分和关键技术。
一、设计原则光电系统的设计原则主要包括功能实现、性能优化和可靠性保证。
功能实现是指根据系统的应用需求，确定系统所需的功能和性能指标。
例如，通信领域中的光纤通信系统需要实现高速传输和低误码率；医疗领域中的医学成像系统需要实现高分辨率和高信噪比。
性能优化是指通过选择适当的器件和参数配置，使系统在满足功能需求的同时，达到最佳的性能指标。
例如，在光信号的传输过程中，选择适当的波长和光纤材料可以减小光损耗和色散，提高传输效率和距离。
可靠性保证是指采取合适的措施，确保光电系统在各种环境条件下都能正常工作，并具有较高的系统可靠性。
例如，引入冗余设计、使用稳定可靠的器件和材料、进行充分的测试和验证等。
二、组成部分光电系统主要由光源、传输介质、接收器和控制电路等组成。
光源产生可控的光信号，常用的光源包括激光器和发光二极管。
激光器具有高亮度、狭谱性和相干性等特点，适用于长距离或高速传输系统。
发光二极管则具有低成本、小尺寸和较长寿命等优势，适用于短距离或低速传输系统。
传输介质用于传输光信号，常用的传输介质包括光纤和自由空间。
光纤具有低损耗、大带宽和抗干扰能力强等特点，适用于长距离传输。
自由空间传输则适用于短距离或非定向传输场景。
接收器接收传输介质中传输的光信号，并将其转化为电信号。
接收器一般包括光电探测器和前置放大电路等。
光电探测器将光信号转化为电信号，前置放大电路用于增强电信号的幅度和质量。
控制电路用于控制光源、接收器和其他辅助功能的工作。
控制电路可以实现对光源功率的调整、自适应增益的控制和信号解调等功能，以实现系统的稳定性和灵活性。
三、关键技术光电系统的设计涉及到多个关键技术，包括光学设计、电路设计和信号处理等。
光电系统课程设计题目
光电系统课程设计题目一、教学目标本章节的教学目标是让学生掌握光电系统的基本原理、组成部分以及应用场景。
具体包括：1.知识目标：–了解光电系统的基本原理和组成；–掌握光电系统在不同领域的应用；–理解光电系统的主要性能指标和参数。
2.技能目标：–能够分析并设计简单的光电系统；–具备使用光电仪器和设备进行实验操作的能力；–能够阅读并理解光电系统相关的英文资料。
3.情感态度价值观目标：–培养对光电技术的兴趣和热情，认识到其在现代科技中的重要性；–培养学生勇于探索、创新的精神，养成良好的科学素养；–增强学生的团队合作意识，培养良好的沟通和协作能力。
二、教学内容本章节的教学内容主要包括光电系统的基本原理、组成部分、应用场景以及相关性能指标。
具体安排如下：1.光电系统的基本原理：介绍光电效应、光电流、光敏电阻等基本概念；2.光电系统的组成部分：讲解光源、光检测器、光传输介质、光信号处理等各部分的作用和原理；3.光电系统的应用场景：介绍光电系统在通信、传感、显示、照明等领域的应用实例；4.光电系统的性能指标：讲解光电系统的灵敏度、响应时间、信噪比、分辨率等性能指标的定义和计算方法。
为了提高学生的学习兴趣和主动性，本章节将采用多种教学方法：1.讲授法：通过讲解光电系统的基本原理、组成部分和性能指标，使学生掌握基础知识；2.案例分析法：分析具体的光电系统应用实例，让学生了解光电系统在实际工程中的应用；3.实验法：安排实验课程，让学生亲自动手操作，加深对光电系统的理解和掌握；4.讨论法：学生进行小组讨论，分享学习心得和实验结果，提高学生的沟通和协作能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，本章节将使用以下教学资源：1.教材：选用《光电系统设计与应用》作为主教材，辅助以相关领域的参考书籍；2.多媒体资料：制作PPT、视频、动画等多媒体资料，生动展示光电系统的工作原理和应用场景；3.实验设备：准备光电传感器、光电器件等实验设备，让学生进行实际操作；4.英文资料：提供光电系统相关的英文论文、技术文档等资料，提高学生的英语阅读能力。
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有没有受环境影响小的解决方案？
10
8.1.2 差动测量法 1. 测量原理
该方法采用被测量与标准量相比较，利用它
们之间的差或比，经放大后的测量数据去控制检 测机构。
无光照时，调节 电桥平衡
有光照时，电桥 失衡，发生偏转
/ K / K S / S /
ΔK／K为放大系统放大率不稳定所引起的相对误差，它与放大电路中
的电压波动，环境温度的变化，晶体管工作点的选择等参量变化有 关； ΔS/S为光电器件灵敏度的相对误差，它与探测器特性的不稳定性有 关； Δα/α为测量机械指示值的相对误差，它与机械结构不稳定性有关。
3
8.1 光强型光电检测系统
本节主要包括以下几部分内容：
8.1.1 直接测量法 8.1.2 差动测量法
测量方法
8.1.3 补偿测量法
8.1.4 补偿式轴径检测装置
8.1.5 利用比较法检测透明薄膜的厚度
8.1.6 利用α射线测量块规厚度的装置
8.1.7 圆形物体偏心度的光电检测
8.1.8 利用补偿法测量线材直径
Sy / S / Ci
如何提高灵敏度？
7
在上述检测回路中引入 简单的晶体管或其它放大器。
调整满度时对应的转角为a0， 则有
Ci ( 0 )（/ S K）（8-2）
式中，K为晶体管回路的放大倍数。
仪表指针的灵敏度为
Sy / SK / Ci
图8-2 利用放大器提高 灵敏度
提高了K倍！使用放 大器的原因！
1 / 2 n
变化量与光通量成正比变化。即两光束光通
量分别为1'
1
和1
' 2
2
2
15
接收的光通量差为
原信号
1'
' 2
(1
1)
(2
2 )
(1 2 ) 1(1 n)
因波动引起的误差
(8-9)
为完全消除光通量波动的影响，应调整两通道通量 相同（两通道对称）！使n=1.
在有些电路中，采用两光通量比(除)的信号处理方 法，光源波动的影响可以完全消除。设1 / 2 n， 1 / 2 n 则：
方法补偿掉，补偿量代表了待测量的大小。
光敏电阻
图8-7 单通道补偿系统
20
8.1.3 补偿测量法
1. 单通道光楔补偿式测量 系统增加了晶体管放大环节，由R1、Rw、Rc和R0及 晶体三极管B道光楔补偿系统
1'
/
' 2
(( 2
2 )
/(1
1 ))
n
16
3. 单个探测器的差动测量 在光电差动测量中，精度在很大程度上取决于两光电探
测器性能上的差异，两者完全一致将十分困难。怎么办？ 采用单光电探测器的差动系统。
17
3. 单个探测器的差动测量
Φ1=Φ2时，则产生恒定信号 当Φ1≠Φ2时，则产生交变信号，经放大和相敏整流后输出，幅值的 大小表示两通量的差值Φ=Φ1-Φ2，信号的正、负表示ΔΦ的正负。
当探测器处于线性工作区中， 则有
图8-1 直接测量电路
I / S Ci ( 0 ) / S
式中，Φ为信号光通量；I为探测器产生的光电 流；S为探测器的积分灵敏度；Ci为比例常数； a0为表针指零时的角度； a为输出电流I所对应 指针的转角。
6
灵敏度的概念： 在检测回路中，重要特性是仪表指针的灵敏度Sy，可表示为：
图8-5 单接受器差动系统
平衡时
不平衡时
18
3. 单个探测器的差动测量
优点：相对于前述差动装置，探测器和及其电源性能随时 间的缓慢变化可以部分消除。 光源的波动的影响同前所述。 缺点：存在放大器的波动影响
19
8.1.3 补偿测量法
什么是补偿测量法？有何优点？ 将待测物理量对应光通量产生的信号用光或电的
U0 S11R1 S22Rw
如果S1=S2=S，Rw=R1则有
U0 SR1(1 2 ) SR1
14
光通量波动的影响分析：
设两探测器接收到光通量 1 2，且 1 / 2= n。 因电源电压波动等原因使光源输出光通量发生 变化，在两光路上的光通量也将发生变化，其 变化值为ΔΦ1和ΔΦ2，两者间关系为
第8章 非光物理量的光电检测
问题
什么是非光物理量，如何用光去测量非光物 理量？
答：不与光学量相关的物理量，比如长度、 厚度、变形、速度、角度、质量等。
让非光物理量影响（调制）光学量，通过测 量光学量的变化推算非光物理量的变化。
可以用哪些光学量的变化来表示？
2
本章的主要内容
8.1 光强型光电检测系统 8.2 脉冲型光电检测系统 8.3 相位型和频率型光电检测系统 8.4 利用物理光学原理的光电检测系统 8.5 其它光电检测系统
8.1.9 对圆柱形零件的外观检查
4
测量实例
8.1.1 直接测量法 1. 直接测量法原理 将携带被检测物理量信息 的光量，投射到光电探测器 上转换为电信号，经放大后 由检测机构直接读出待测量。
图8-1 直接测量电路
Rｗ为校正电阻，用以校正回路的灵敏度。 μA表为读出机构。
5
8.1.1 直接测量法 1. 直接测量法原理
图8-3 利用电差动原理进行光通量检测
11
8.1.2 差动测量法
1. 测量原理
优点：差动方式，提高了测量灵敏度，减少了电 压波动的影响和放大器零点漂移。
输入为零，输 出偏移零,随 时间缓慢变化
缺点：未能克服光源及光路上产生的波动或干扰
有没有解决办法？
12
2. 光电差动装置 为进一步提高检测精度，消除不稳定因素对检测
结果的影响，设计了由双光路和电桥组成的光电差动 装置。
图8-4 双光路光电差动系统
13
当两电路光通量相差较小时，光电探测器GD1和 GD2的灵敏度分别为S1和S2，在线性段中它们近似为常 数。于是GD1产生的光电流I1=S1Φ1，R1上产生的压降 I1R1= S1Φ1R1 (GD1与R1相当于串联)；GD2产生的光电流I2=S2Φ2， Rw上产生的压降I2Rw=S2Φ2Rw，所以电桥输出的电压U0 为
8
2. 系统相对误差和性能评定
设某检测关系为A=B·C/D，则增量间关系为
A C / D B B / D C BC / D2 D
最大相对误差ε为
A/A B/B C/C D/D
用上式分析直接测量法系统的最大相对误差为
/ K / K S / S /
9
2. 系统相对误差和性能评定