<< 光电技术 >> 要点

天津大学精密仪器与光电子工程学院

天津市耀辉光电技术有限公司

王庆有

光学老又新前程端似锦

光学老前辈王大珩院士20062006 年为第年为第 1212 届光电技术学术讨论会的题届光电技术学术讨论会的题词词

• 老光学—光学与精密机械结合• 新光学—光学、精密机械、电子

技术和计算机技术的结合。简称光电技术

• 它属于跨理、工两大学科多方向的技术。

主要内容：

• 一、光电技术概述

• 二、国内光电光电技术企业概况

•三、光电技术课的重点与要点

• 四、历史赋予教师的责任

一、光电技术概述

•1 、光信息与电信息的转换

•2 、光能与电能的转换

•3 、光与电信息变换与处理技术

•4 、光电信息数据采集与接口技术

• 光信息技术、光电信息工程是基于光与电信息的相互变换基础。其中光通信，机器视觉技术，安防监控，道路交通的管理、控制与自动收费系统，宇航技术，气象技术与工程，农业选种与农产品深加工，物流和医药卫生等方面的发展都属于光电信息技术必须涉足与技术进步不可或缺的。表明光电信息技术在相当广泛的领域发挥着巨大作用。

• 光、电能量的相互转换 照明、激光加工属于电光能量转换的典型，将太

阳光的能量转换成电能为人类提供绿色能源是光电能量转换的典型。

二、光电企业概况• 1. 光电企业类型与发展概况• 进入 2000 年，光电信息技术产业如雨后春笋迅猛

发展。分类介绍如下：

• （ 1 ）能源类 能源类企业分为 2 大类，太阳能电池直接为人

类提供清洁能源是一类， LED 光源是另一类。目前，我国太阳能电池的装机容量居世界第一；太阳能电池板生产厂遍布全国，但，绝大多数属于劳动力密集型的企业，太阳能电池的关键技术有待于进一步研究。发展空间很大，就、创业机会很多。

LED 生产厂商更多，遍布全国；天津市超过 50

家，形成节能环保系列与美化生活等类型企业。能源类型光电企业群是当前规模最大、产值最高的光电产业，它涉及绿色能源和节能两方面，尤其在核能出现安全问题后，发展风电和光电成为未来能源的发展方向。

• （ 2 ）显示类 LCD 、 LED 显示器设计与生产型企业正在迅

猛发展。近期的奥运会、世博会和世界杯等大型活动均显示出电光显示的效果与它对人类文明的贡献。显示类光电企业将随着新型平面显示材料的研发、生产的发展，进入飞速发展阶段。

境外客商大量投入资金，使显示类型的光电企业展现出大好的发展态势。将带动 LCD 、 LED 等制造类型企业的发展，也为应用 LCD 、 LED服务于社会的企业带来发展空间，为创业提供更多的机会。

• （ 3 ）监控类 监控类企业发展较早，因安防、交通运输、环卫、

物流、旅游与游乐场所的需要，电视监控、监管行业早在 80 年代开始兴起， 90 年代发展壮大，形成规模，2000 年以后出现饱和现象，开始淘汰技术进步低下的企业，光电自动收费系统与 “物联网”将为这类企业带来新的生机与发展机遇。

随着硬盘容量的扩展，电子硬盘的出现与发展，嵌入式系统的升级使得光电监控技术与设备的需求越发高涨，产品升级、企业升级改造在所难免。新的高水平监控类企业将有更大的发展空间。

天津市十二五规划将拿出 3亿元专项投入“物联网”，在河东区打造“物谷”。 目前，以物联网名称注册的企业尚少，是非常新的光电技术企业类型。但是，生命力极强，在国家政策的扶持下将快速发展，物联网的市场将于互联网相比拟。 将物体工作状态（图像）及时通过互联网送入到操控者手中的工具是图像传感器。

• （ 4 ）测控类 测控类光电信息技术型企业近些年发展很快，它们服务于钢铁、线材、纺织、电子产品加工和印染等等生产型企业。帮助他们非接触精确测出各部件形位尺寸，淘汰残、次品或控制生产加工过程的尺寸，提高产品合格率与生产效率。

随着劳动力价值的提升与工业自动化程度的提高，市场将越发扩大，需求量将大幅度提升。该类型企业技术含量高，难度大，尤其是靠自主创新发展的创业初期更为艰难，他们对人才的需求量大，素质高，给予的发展空间更宽广。

色选已经成为一个行业，其中最为成功的是“大米、谷物等食品色选”，很多省市，各种品牌的色选设备。 工业原材料色选，农产品的色选，已经在推广之中。即将成为一个很大的市场。

• （ 5 ）探测与分析类 光谱探测与分析类光电企业服务于食品、饮料、

果蔬、医药、金属与非金属材料等的成分与材质分析，地、矿分析，农、林业领域对植物生长过程的分析与研究；

借助于不同波段（波长）辐射扫描获取特征图像，完成遥感、遥测、分析、鉴别与分选等操作，市场前景非常广阔，相关企业将得到飞速发展，需要具备光、机、电和算结合型的高素质人才，任务与课题都较难，要经历一段艰苦的发展过程。

• （ 6 ）光纤传感与光纤通讯类 光纤传感器及其应用技术是近些年发展起来的新

技术，该项技术已经应用到很多行业。尽管目前只有北洋集团为首为数不多的生产厂家，仍能够显示无比的生命力，有着广阔的发展空间，市场需求量将越来越大。显然，该方向存在的创业空间更大。

光纤通讯类企业的产能已经出现“过剩现象”，竞争越发激烈，逼迫企业向高端发展。人才需要量也随之向高端、高技术方向发展，希望光接入技术能够有突破性的进展以便使光纤通讯行业再提升一个档次。

• （ 7 ）光电子 . 激光技术类 量子光学、物理光学、红外、太赫兹与激光

技术是光电信息技术发展的前沿科学和亮点。其中激光焊接、激光加工、激光扫描、激光打印、激光跟踪与制导等技术发展迅速，已经深入更多的行业，例如激光陀螺与陀螺稳定平台在国防与国民经济中起到非常重要的作用；

量子光学、红外技术与太赫兹技术研究与应用的发展也极其需要这方面的人才，需要潜心钻研的高水平、高技术人才。

• （ 8 ）光学加工类 光学加工类型企业基本处于停滞或发展缓慢的状

态，尽管很多光电产品离不开光学系统的支持，依然需要光学加工型企业，但是，规模大、利润高的光学加工企业集团为数不多，小型光学加工企业由于员工年龄趋于老龄化，设备也多年没有发展，继续下去将制约测控类与分析类光电企业的发展。

综上所述，光电企业正在快速发展，需要大量具有创新思想的人才，将光电事业推向更高发展阶段。

• 1. 光度参数与辐射度参数• 能量、通量、出射度、强度、亮度与效率• 物理计量单位与主观计量单位；• 黑体：黑体辐射定律；• 光谱与积分；

三、光电技术重点与要点

（一）光电技术理论基础

2. 光谱辐射分布与量子流速率其中量子流速率的概念甚为重要单位时间通过某截面发出的量子数；与电子流速率对应，是研究光电转换的基础

3. 半导体对光的吸收吸收规律，①本征；②杂质；③激子；④自由载流子；⑤晶格；前 2 种直接产生光电效应。本征：

4. 光电效应内光电效应与外光电效应，突出内光电效应

ggL

24.1

EE

hc （ μ

m） DL

24.1

E

杂质：

（ μm）

（ 1）光电导效应

（ 2）光生伏特效应

（ 3）丹培效应

（ 4）光磁电效应

（ 5）光子牵引效应

光电发射效应：

,e2Φ

lh

qg （ 1-8

4）

,)1( ed Φe

h

qI （ 1-9

3）

ththL EEhc /1239/ （ 1-103）

• 1. 光电传感器原理与特性• 让学生掌握光电传感器的原理与特性是使学生能够应用光电传感器进行工程设计的基础与关键。

• 2. 光电变换电路• 由于各种光电器件的变换电路不具有统一性，应该

分别掌握几类光电传感器的变换电路。对于同一类型的光电器件掌握一种基本变换电路即可，但是，必须要求学生能够自行搭建或者自行调整一个典型变换电路，不能一视了之。要重过程，轻结果。

（二）光电传感器重点内容

• 3. 典型应用 各类光电传感器都有着不同的应用领域，介绍每

种传感器的典型应用以便学生深入理解器件的特性。掌握它们在能量与信息变换中的作用。

尤其重要的是通过实践（自己搭建的实验）掌握变换电路的特性、特点与应用更为重要。让学生通过搭建变换电路，变换电路参数，观察信息变化，获得课上很难得到的实践知识。

4. 光电传感器的分类

• 光电传感器种类很多，特性各异。在有限的学时内要求学生系统掌握这些复杂的器件是难以办到的，也没有必要。但是将其按性能分类，进行比较，重点掌握一些常用、有代表性和必须掌握的器件是非常重要的。

• 分类有多种方法，常从集成度方面分有集成光电传感器与单元光电传感器；从信息、能量转换角度分为太阳能电池与硅光电池等 PN 结。

5 、单元光电传感器 单元光电传感器的内容很多，重点是半导体光电传感器，其中光电二极管、光电三极管和硅光电池等 PN 结器件更为常用；光敏电阻已经处于接近被淘汰的位置；热释电器件， PSD 器件， PMT 光电倍增管等可作为特殊器件处理，掌握它们的主要特性和典型应用。

对于重点器件，要求除掌握原理、特性和典型应用外，还要掌握它们的一些应用技术问题，需要通过使学生动手、动脑的实验进行学习掌握。

6 、图像传感器

图像传感器——图像传感器—— CCDCCD 与与 CMOSCMOS 器件为重点内容器件为重点内容，， CCDCCD 的质量是近期的质量是近期 CMOSCMOS无法比拟的，其工作原无法比拟的，其工作原理较为复杂，尤其是器件外必须通过理较为复杂，尤其是器件外必须通过 A/DA/D 转换器等数转换器等数据采集系统才能获得数字信号，而据采集系统才能获得数字信号，而 CMOSCMOS则简单得多则简单得多，，应该将线、面阵应该将线、面阵 CCDCCD 放在重要位置，放在重要位置，使学生尽可能使学生尽可能多地掌握。多地掌握。

深入学习深入学习 CCDCCD 的数据采集与计算机接口技术，了的数据采集与计算机接口技术，了解图像传感器与计算机相连接的技术，为将来解图像传感器与计算机相连接的技术，为将来给机器给机器安装“眼睛”与“大脑”安装“眼睛”与“大脑”打下良好基础。打下良好基础。

对于线阵 CCD ，必须掌握它的电荷存储、转移、注入与检测的过程，理解它的原理；

对于器件，必须掌握它的特性，光电转换特性与时间响应特性；

线、面阵分别掌握、尤其是应用特性；

线、面阵 CCD 在机器视觉技术中的意义， CM

OS图像传感器的特性和它对人类生活的贡献。

（三）光源、发光器件与光电耦合器件

• 1. 光源• 点、线和面光源有着各自的应用，掌握这些光源

的特性与典型应用对于指导今后的科学实践有着非常重要的作用。

• 2. LED 光源• 掌握它的特点、特性与特性测量方法，尤其是光谱特性的测试方法，掌握用 LED 构成点、线和面光源（远心照明光源与均匀面光源）的基本方法。

3 、发光器件与光源

根据机器视觉技术、光电通讯与信息显示技术的需要而出现各种发光器件和各具特色的光源。

激光线光源简图

均匀而且亮度分别集中与很窄区域

光源准直性好，相当于无限远处发来的光

发光器件主要有 LED 器件、 LD 器件、 LCD

器件等半导体发光器件和各种“灯”，由这些发光器件组合形成多种各具特色的光源，例如：图像、图形显示器，无影照明光源，汽车远光、近光照明光源，专用信息提取光源，远心照明光源等等，内容极其丰富，不可能将其全部学习，抓住重点，根据学校的特点和所处的地域要有差异，以点带面较为容易掌握。

• 计量光学中详细地定义了远心照明光源，而且讲述了远心照明光源在光学检测技术中的重要意义。它为应用线阵 CCD

进行尺寸检测应用时应该而且必须采用照明方式。

• 有些不深入了解线阵 CCD尺寸检测系统的企业制造了采用所谓“均匀面光源”制造的实验教学仪器，是不负责任的做法，容易对学生和指导教师产生“误导作用”，任课教师不能听之任之，必须纠正错误！

• “均匀面光源”构成的线阵 CCD尺寸测量实验只能用来测量“图片上的图像”尺寸，不能用来测量实际物体的尺寸，否则将带来极大的测量误差，使线阵 CCD测量精度高的特点不能得到保证。

4 、光电耦合器件

光电耦合器是非常独具特色的器件，必须光电耦合器是非常独具特色的器件，必须掌握它的掌握它的隔离隔离与与信息传递特性信息传递特性，应用这两种特，应用这两种特性实现多种功能电路与应用。性实现多种功能电路与应用。 光电耦合光电耦合概念概念和和意义意义的扩展的扩展异常重要异常重要，，遥遥控、遥测、光通讯等均属于光电耦合范畴。控、遥测、光通讯等均属于光电耦合范畴。 这样的实验，即可以将许多问题的理解进这样的实验，即可以将许多问题的理解进行简化、帮助记忆又能够开拓思路，扩展知识行简化、帮助记忆又能够开拓思路，扩展知识面，因此一定要做好。面，因此一定要做好。

（四）信息变换技术• 1. 信息传递• 光电耦合器的基本扩展，光纤通信系统是典型案例。

• 2. 尺寸信息变换技术• 非接触测量各种物理尺寸，其中线阵 CCD 具有独特

的优势。

• 3. 图像、图形的信息变换• 将光学图像或空间图像变换成时序电信息，便于送

入计算机进行数字处理、运算、存储、传输和再现显示。这方面 CCD占有绝对优势。

（五） A/D 与计算机接口技术• 这部分内容本来不该是光电信息技术专业课的内

容，但是由于大学教育存在的问题，为了向学生负责，应该给与这方面的讲授。其中以 A/D 、存储器、计算机接口方式为重点逻辑内容进行讲解。不然，我们的毕业生将更无法适应当今科技型企业，很难找到合适的工作。

• 科技发展到当今阶段，数字电路设计方法与计算机软件基础等已经成为科研工作者必须掌握的工具。希望引起足够的重视。

图 2 微型线阵 CCD 数据采集系统

内含线阵 CCD 的驱动，放大器、 A/D 数据采集系统、数据存储器、电源变换器和 USB 接口系统等；

DSP 线阵 CCD 数据采集处理板

四、历史赋予教师的责任• 1 、宣传光电技术、发展光电技术与发展光电产业

• 2 、努力完成历史赋予的光辉使命

• 天津市耀辉光电技术有限公司使命是：

• 帮助高校培养光电信息技术人才，为机器安装眼睛与大脑，促进我国光电事业的发展，提高人类生活质量。

（一）为光电技术（事业）培养人才• 1 、加强对学校的宣传，鼓励学校增设光电技

术方向的专业，协助学校提高教师的理论与技术水平；

• 2 、做好为增强学生动脑、动手能力的实验教学设备开发、设计、生产与销售工作；

• 3 、努力宣传与动员老技术人员向光电技术方向发展；

1 、总结教学经验、编写教材• 1）总结 1982 年至 2005 年间 24 年光电技

术方面的教学经验，编写出“光电技术”教材，为退休后该方向教学工作提供指导性的材料；

• 2） 2008 年编写出“光电技术第 2版”教材；

3）为推行实验教学理念和指导课程设计与毕业设计工作， 2010 年组织编写“光电信息技术综合实验与设计教程”；

• 光电信息方向实验室建设理念应该是：

• 1.建设综合光、机、电和算技术为一体的创新实验室；

• 2. 光电方向实验教学仪器应该具有对学生动脑、动手能力的培养有极强作用的特点与特性，一定要以促进学生动脑、动手能力为原则进行建设。企业流水线不适合学生动手动脑能力的培养！加强实验室建设是当务之急！

2 、提出实验室建设理念

① 在理论教学上，要重对理论的理解与应用能力的提高，重对重要公式的推导过程，与指导意义的理解，而反对死记硬背。② 在实验教学上要重视实验的过程，轻实验结果的统一。培养学生动手动脑能力，而非“完成任务”的对学生负责精神。③ 对学生负责就是对下一代负责，对民族负责！也是对自己负责！

3 、对理论教学与实践教学的理解

wqy@tju.edu.cn

电话： 022-27633549

13502181606

http://www.linearccd.com

感谢各位领导、老师与朋友们！