光学元件篇1

关键词：中阶梯光栅；光谱仪；二维光谱；交叉色散

引言普通光谱仪中，为了实现高色散率和高分辨率的目的，往往需要使用刻线密度很大的闪耀光栅并必须增大光谱仪的焦距，从而导致光谱仪的体积较大，这有违当今科学仪器小型便携化的发展趋势。当使用面积很大的光栅时，也增加了大面积光栅的制作难度。另外普通扫描式光谱仪的光谱测量方式也不能达到现代科学仪器实时快速测量的要求。由闪耀光栅的衍射原理可知，若使用低级次的衍射，必须使用细刻线的光栅才可以得到较高的角色散，但是若能够使用高级次光谱，则粗光栅也可以获得高色散。中阶梯光栅即是一种粗光栅，是由美国麻省理工学院的HarrisonGR教授1949年研制出的一种阶梯光栅，它的主要特点是：具有很大的闪耀角，每级可得到较大的角色散；光谱级次间多有重叠，配合二次色散元件进行交叉色散后方可得到二维光谱图，一次测量可以得到波长范围很宽的光谱。由于每一级次的色散角较小，每一级的自由光谱范围内的波长都集中在该级次的闪耀波长附近，因此中阶梯光栅可以对全波段闪耀。由于中阶梯光栅的这些特点，故中阶梯光栅光谱仪的优势就显而易见了。使用中阶梯光栅分光的光谱仪与常规光谱仪相比，具有检出限低、波段宽、无移动部件、结构紧凑、无需多次扫描曝光便可实现多元素光谱的瞬态测量的特点，利于实现高度智能化和自动化，代表了先进光谱技术的发展趋势。近年来利用中阶梯光栅作为主要分光元件的光谱仪的研究成为国内外许多学者关注的热点之一，这使得中阶梯光栅光谱仪也成为了最具发展前景的光谱仪类型之一。1分光光路的基本原理在整体光路设计中，采用了CzernyTurner型，这是目前使用最广泛的结构形式之一。该结构光学器件少，无移动部件，简单紧凑，入射光和出射光夹角为定值[1]。这有利于后端调试和标定，并且通过调整各部件的相对位置，可以有效控制像差及获得二维平像场。光学仪器第35卷

第3期刘海涛，等：中阶梯光栅分光光路的设计

在设计的中阶梯光栅分光光路中，配合中阶梯光栅使用的交叉色散元件是棱镜，光路原理如图1所示。

再次入射到棱镜，由聚焦镜反射后到达探测面。在中阶梯光栅之前的色散方式为预色散[2]，而在中阶梯光栅之后的色散方式为后色散。本文的设计并不是单独地采取其中某种方式，而是让光线先通过棱镜的色散之后照射到中阶梯光栅之上，经中阶梯光栅的衍射分光后，光线恰好再次经过棱镜，这相当于预色散与后色散两种二次色散方式的结合，其优点在于使得光谱的级次重叠能够被更好地分离。另外，配合中阶梯光栅使用的二次色散元件还有光栅[3]，其优点是可使中阶梯光栅光谱的级次更大的分离，而不足之处是集光效率较低和不同波长的色散严重不均匀，二级光谱必须消除，通常需要两块横向光栅分别工作在不同波段获得合适的横向色散。而棱镜作为二次色散原件具有更高的光效率和更加均匀的横向色散，且不存在闪耀和光谱级次重叠问题，所以可工作光谱范围非常宽。本文采用棱镜作为二次分光元件，棱镜对中阶梯光栅光谱的级次重叠部分进行二次色散后形成的是二维光谱，它更加适合于面阵探测器接收。2光栅光路的设计

2.1交叉色散元件光线首先入射到分光棱镜的表面，因此先确定光线相对于分光棱镜的入射角。此时，光线是在棱镜的主截面（即与棱镜底面平行的面）内入射，色散公式为：i′2=sin-1nλsinα-sin-1sini1nλ（1）式中，i′2为出射角，i1为入射角，nλ为棱镜的折射率，α为棱镜折射顶角。由式（1）即可求出不同波长的经棱镜色散后的折射角。从棱镜的色散公式（1）可以看出，若要增加棱镜的分光能力，可以通过减小光线的入射角，增加折射顶角、折射率和材料的色散率等途径来实现[3]。但是由于减小入射角而导致的通光口径的减小，棱镜顶角的增大带来的底面全反射的干扰以及棱镜材料的限制决定了棱镜的色散率是不可能一直增加的，而要受到以上条件的约束。因此，确定光线的入射角就要考虑到以上各种因素。系统的工作波长范围为200～900nm，现选择550nm的波长作为设计时的参考波长。由于棱镜折射顶角的增大必须考虑到棱镜底面全反射的限制，所以需要遵守以下条件：sinα2

2.2中阶梯光栅中阶梯光栅是分光光路中最重要的元件，其色散方向与棱镜的色散方向相垂直，所以可以通过两个色散元件的配合得到无级次重叠的光谱。为了实现所要求的波长范围内的全波段闪耀，并且不会大幅度地增加棱镜通光口径，使用了以下两种方法。

入射当入射光线在中阶梯光栅主截面内的入射角等于衍射角时，此时的光栅即工作在Littrow条件。在Littrow条件下，光栅效率最高，此时的入射角也就是闪耀角。但是若使光路中的中阶梯光栅工作在标准的Littrow条件下，出射光线将沿着入射光线的光路返回，这就使得光谱的接收探测难以实现。因此，在实际应用中，应使入射光线以与光栅的主截面保持一个不为零的小角度γ照射到中阶梯光栅上，而入射光线在主截面内的投影与光栅法线的夹角为闪耀角[56]。光栅的这种使用方式称之为“准Littrow条件”，此时的光栅方程式为：d（sinθ―1+sinθ―k）cosγ=mλ（5）式中，θ―1为主截面内的入射角，θ―k为主截面内的衍射角，d为光栅常数，m为衍射级次；λ为波长。经棱镜色散后，不同波长的光线照射到光栅表面时，其入射角都是不同的，此时的入射角是波长的函数，即：cos（θi+γ）=cosθbcosθn（6）式中，θi为入射角，θb为闪耀角，θn为经棱镜第一次折射后各波长与550nm波长的夹角，该角度为：θn=sin-1nλsinα-sin-1sini1nλ-sin-1n550sinα-sin-1sini1n550（7）式中，nλ为任意波长的折射率，n550为550nm波长的折射率。

2.2.2闪耀级次的确定根据中阶梯光栅的衍射分光特性，若要在要求波长范围内达到全波段闪耀，且最终得到连续而不重叠的光谱图像，则应该使用每个级次的闪耀波长及各级次的自由光谱范围内的波长。由于中阶梯光栅的自由光谱范围很窄，所以其自由光谱范围内的波长皆具有较大的光强[67]。因此，使用各衍射级次的自由光谱范围内的所有波长，再配合交叉色散元件的色散即可得到全波段闪耀并且连续而不重叠的光谱图像。设计时采用的刻线密度为79l/mm，闪耀角满足tanθb=2的中阶梯光栅。在所选取的参考波长处的衍射级次为41级，其自由光谱范围为：Δλ=λbm（8）其中λb为该级次的闪耀波长。由式（5）和式（8）就可以得出不同波长的闪耀级次以及该级次的自由光谱范围。由于中阶梯光栅的自由光谱范围较窄，所以每个级次所对应的发散角也很小，这也有利于在棱镜第二次色散时，减小光线通过棱镜所需的通光口径。中阶梯光栅与棱镜的相对位置由参考波长经棱镜第一次折射后的出射角决定。因为中阶梯光栅是在准Littrow条件下使用，所以应使光栅的主截面与550nm的光线成角度γ。中阶梯光栅与棱镜的相对距离可参考仪器设计的尺寸要求，在理论上是距离越大越好，但是由于两者的距离增大，棱镜尺寸也必须相应地增加。另外，由于中阶梯光栅处在准Litrrow条件下，光线并不是在光栅的主截面内入射，所以必然会产生谱线的弯曲[8]，随着中阶梯光栅与棱镜间距离的增加，这种谱线的弯曲也会加剧，所以在设计时要考虑到这些因素的限制。

2.3聚焦物镜采用离轴抛物镜作为光路聚焦物镜，这是因为如果聚焦物镜选用球面镜，为了避免光线的遮挡，在离轴使用时会造成物点发出的光线沿着主光线方向成像在不同的位置，而用抛物镜代替球面镜可以消除这种影响[911]。经过离轴抛物镜的聚焦，在其焦平面上就可以得到所需的二维光谱，由前述可知，此时的光谱为连续不重叠的光谱，如图3所示为计算机模拟的理想光谱图[12]。3结论针对中阶梯光栅光谱仪中的中阶梯光栅分光光路设计的具体论述，尤其是对分光光路中的关键元件―棱镜和中阶梯光栅的具体性能参数：如棱镜入射角、底边长度、棱镜折射顶角的大小以及棱镜折射率进行了讨论。通过对中阶梯光栅的衍射理论的介绍及准Littrow条件的应用条件的研究分析，得到了关于中阶梯光栅与色散棱镜相对位置的确定方法以及实现中阶梯光栅连续不重叠光谱的方法，达到了优化中阶梯光栅分光光路的目的。本文所述的设计过程将对以后的中阶梯光栅光谱仪的研究具有指导意义。

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光学元件篇2

关键词[HTSS]光波导气敏元件；磷酸亚铁锂薄膜；掺钇磷酸亚铁锂薄膜；气敏性

1引言

自1997年将LiFePO4用于锂离子正极材料以来，对其合成技术、结构以及电化学性质的改性已进行了大量研究[1]。LiFePO4晶体为有序的橄榄石结构，包括4个单元，其中P―O共价键所形成的离域的三维立体化学键以及FeO6八面体结构，使其具有很好的热力学和动力学稳定性，其结构在高于400℃时仍保持稳定[1]，属于半导体材料。由于LiFePO4导电率和离子扩散率极低，通过减小颗粒尺寸、掺杂导电物质（如活性碳，Ag,Cu,Mn等）、制备薄膜电极等方法可提高体相的电导率，改善材料的扩散性能[2,3]。LiFePO4薄膜除在离子电池、燃料电池、锂离子传感器[1,4]等领域广泛应用外，在光学方面，特别是在薄膜光波导研究领域也有很高的应用价值。

钇（Y）为稀土元素,其化学性质非常活泼,所形成的化合物具有熔点高、热稳定性好、吸收能量的能力强、转换效率高以及良好的发光辐射性能等特点[5]，可发射紫外到红外的光谱,荧光寿命从纳秒到毫秒，跨越6个数量级,物理化学性能稳定[6]。

叶茂等[7]为了提高锂离子电池正极材料的电化学可逆性和高温性能、改善材料的循环性能，在锂离子电池正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2中掺杂钇。本研究组对LiFePO4薄膜的光学性质进行了初步研究[8]。有关LiFePO4纳米薄膜和钇掺杂LiFePO4的光学性能研究以及其在气体传感器的应用尚未见报道。

光波导化学传感器[9～11]由于具有机械强度大、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高、响应快、可在常温下操作、便于集成等优点，在环境污染物检测、工业生产、化学、生物检测领域，特别是在检测有害气体（苯、甲苯、二甲苯、SO2、H2S和HCI）领域中占据了重要地位。

目前，用于制备LiFePO4薄膜正极材料的方法有电子束蒸发法（ESD）[12]、真空气相沉积法[13]、脉冲激光沉积法（PLD）[14]、恒电流法[15]、溶液浇铸法[16]和射频磁控溅射沉积法（RFmagnetronsputteringdeposition）等[17]。这些方法或需要昂贵的仪器，或（如恒电流法）容易受外界影响而波动,不易获得均匀的薄膜。浸渍提拉法工艺简单，成本低，制膜所需时间短，可以精确地控制薄膜厚度[18]，具有很广的发展前景。

本研究采用浸渍提拉法研制出LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件，并将其固定在自组装光波导传感元件测试系统中，测其气敏性。考察了掺钇对LiFePO4薄膜锡掺杂玻璃光波导传感元件气敏性的影响，利用薄膜吸附作用和被测物结构的关系，解释了此传感元件对二甲苯等挥发性有机气体的选择性机理。

2实验部分

2.1仪器与试剂

水热反应釜（郑州杜甫仪器厂）；410箱式电子炉（北京市永光明医疗仪器厂）；SGC1椭圆偏振测厚仪（天津港东科技有限公司）；JA103N精密天平（上海民桥精密科学仪器有限公司）；DHG9023A电热恒温鼓风干燥箱（上海科学仪器有限公司）；UV2450紫外分光光度计（日本岛津公司）；97OCRT型荧光分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）；AYN1浸渍提拉机（自组装）；DPMax2400型X射线衍射仪（CuKα辐射,λ＝0.15418nm，日本理学公司）；OXFORD7353型电子能谱仪（英国）；光波导检测系统（自组装）；锡掺杂玻璃光波导玻璃片（76mm×26mm×1mm，江苏世泰实验器材有限公司）。

FeSO4•7H2O,LiOH•H2O,H3PO4,Vc,YNO3•6H2O,PVA,均为国产分析纯试剂。

2.2LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4粉末的制备

LiFePO4粉末：FeSO4•7H2O，H3PO4及LiOH•H2O按1∶1∶3的摩尔比混合，将混合物移到水热反应釜中，在150℃下保温反应15h。自然冷却后，收集反应釜中的固体粉末，经多次洗涤过滤后,在120℃下真空干燥1h[12]，并进行表征。

LiFe0.99Y0.01PO4粉末：FeSO4•7H2O，H3PO4及LiOH•H2O按1∶1∶3的摩尔比混合[12]，依次加入抗坏血酸（0.1g）和硝酸钇（按1（Y）∶99（LiFePO4））[4]，将混合物移到水热反应釜中，其它条件同上。

2.3LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜的制备

LiFePO4薄膜的制备：称取合成出来的LiFePO4粉体，置于混合酸（5%H3PO410%Vc（1∶4,V/V）溶解，加入少量表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠）混合均匀，采用浸渍提拉机将溶液涂在锡掺杂玻璃光波导表面。薄膜在室温下自然晾干后，在150和450℃下进行热处理，浸渍提拉速度为10cm/min。用SGCI型椭圆偏振仪测量薄膜厚度。

LiFe0.99Y0.01PO4薄膜的制备：称取LiFe0.99Y0.01PO4粉体，置于5%Vc1.1%H3PO4混合酸中溶解，加入少量聚乙烯醇（1%）和表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠）混合均匀，其它条件同上。

2.4气体的检测

取微量被测挥发性有机物液体（分析纯）注入标准体积的容器中自然蒸发，待完全蒸发后，用对应的气体检测管确认其浓度。

光波导传感元件测试系统同文献［11］，由载气、流量计、光源、反射镜、流动池、光波导气敏元件、光电倍增管和记录仪等部分组成。当入射光的角度满足特殊的入射条件，光在导波层的上下界面之间发生全反射而传播（光就会被约束在导波层中）。在传播过程中渗透到薄膜层和基板的交界面的光波称为倏逝波（消逝波）。光波导传感元件基于倏逝波原理，当敏感层（敏感膜）与被测气体作用时，由于敏感层对被测气体的吸收而导致敏感膜光学性质的变化，最终导致输出光强度变化。输出的光信号被光电倍增管检测并转换成电信号，记录光强度随时间的变化数据。整个过程在室温下进行。

3结果与讨论

图1为用水热法合成出的LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4粉体X射线衍射谱图。样品X射线衍射谱中各衍射峰的位置和相对强度与标准谱[20]（JCPDSnos.401,499LiFePO4）完全一致。掺杂Y后的样品X射线衍射谱中没有生成新峰,表明少量Y的掺杂未改变LiFePO4的基本晶体结构特征,掺杂后的LiFe0.99Y0.01PO4依然保持着LiFePO4的橄榄石结构，但（121）峰（2θ＝30°）、（111）峰（2θ＝25°）和（131）峰（2θ＝35°）的强度有所减弱。

3.2薄膜光波导传感元件对不同的挥发性有机物的选择性响应

对于相同条件下制备出的薄膜，在450℃下进行热处理的LiFePO4及

[TS（][HT5”SS]图3LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜光波导传感元件对相同浓度（1×10－3）不同的挥发性有机气体的选择性响应

Fig．3SelectivityofLiFePO4andLiFe0.99Y0.01PO4film

opticalwaveguide(OWG)[TS）]

LiFe0.99Y0.01PO4敏感膜厚度均为30nm；在150℃下进行热处理的LiFe0.99Y0.01PO4敏感膜厚度则为100nm。将这些薄膜光波导传感元件固定在光波导测试系统中，对相同浓度不同的挥发性有机气体进行检测（图3），这些传感元件对二甲苯有较大的响应，其次是甲苯、氯苯、苯气体，而对丙酮、甲醇、乙醇和甲醛气体的响应很小。

对于苯系物（苯、甲苯、二甲苯和氯苯）而言，它们分子中都有共轭π键体系，是给电子气体。因光致吸附效应，这些给电子气体（还原性气体）易被半导体材料薄膜吸附[21]。另外，二甲苯分子中比苯、[TS（][HT5”SS]图4薄膜/锡掺杂玻璃光波导元件相对灵敏度厚度理论关系图（λ＝670nm）

Fig．4Resultsoftheoreticalcalculationofrelativesensitivity（λ＝670nm）

[TS）]甲苯分子分别多了2个或1个甲基（给电子基团），故敏感元件对二甲苯有大的响应，其次是甲苯。而丙酮、甲醛分子中有吸电子基团，所以，此传感元件对丙酮、甲醛的响应较小。

掺Y后，当薄膜热处理温度高时，传感元件对二甲苯、甲苯和苯的响应有所增大，而对丙酮、甲醇、乙醇及甲醛的响应几乎没有改变；薄膜热处理温度低时，传感元件对各个挥发性有机气体的响应则都增大。通过理论计算（图4）可知，在λ＝670nm条件下,LiFePO4薄膜厚度为100～110nm时，LiFePO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导元件的灵敏度达到最高值。对于相同条件下制备的薄膜，在150℃下进行热处理的LiFe0.99Y0.01PO4敏感膜厚度符合这个厚度范围，故此薄膜元件对挥发性有机气体具有较大的响应。综上可知，掺Y后，传感元件的气敏性增强。

3.3掺杂Y对该薄膜光学性质的影响及传感原理

掺钇前后的LiFePO4薄膜透光率变化见图5，掺钇前，LiFePO4薄膜在500～800nm范围内的透光率为86%～93%；掺杂钇后，其透射率增大到99.3%。当LiFe0.99Y0.01PO4薄膜暴露二甲苯气体后其透光率增大到99.8%。

在650nm光激发下，考察LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜暴露二甲苯气体前后的荧光发射的变化（图6），LiFePO4薄膜在661nm处有一弱的荧光发射峰，相对强度为80a.u；掺杂钇后，荧光发射显著增强，相对强度为475.5a.u。当LiFe0.99Y0.01PO4薄膜暴露二甲苯气体时，其发射峰的相对强度提高到582a.u。

在光波导传感元件中，敏感膜光学性质的微小变化都会引起输出光强度的很大变化。薄膜透光率增大，其折射率会降低；如果薄膜折射率变小，渗透到薄膜里面的倏逝波高度变小；说明光传播损失少，从而引起（在光波导测试系统中）输出光强度增大[22]。

将LiFe0.99Y0.01PO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件固定在光波导气体检测系统进行检测的过程中，当空气流入到测试体系的流动池内时，输出光强度不发生变化；当一定浓度的二甲苯气体随载气流进流动池时，因敏感薄膜透光率变大（图6），从而使输出光强度增大。二甲苯气体脱离薄膜表面时，输出光强度也随之恢复到原来的强度。

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FilmOpticalWaveguide′sGasSensingProperties

PatimaNIZHAMUDIN,AbulizYIMIT*,MihrigulMOMIN,WANGJiDe

（KeyLaboratoryofOil&GasFineChemicals,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046）

AbstractLiFePO4andYttriumdopedLiFePO4powdersweresynthesizedusinghydrothermalmethodandthenusedassensingmaterials.LiFePO4filmandLiFe0.99Y0.01PO4thinfilmwerecoatedontothesurfaceofTindiffusedglassOpticalWaveguide（OWG）bydipcoater.ThesethinfilmsofOWGswereusedtodetectvolatileorganiccompoundsgasandthegassensingpropertieswerecompared.Inresult,afterYdoped,thefluorescenceandtransmittanceintensitiesofLiFePO4thinfilmwereincreased.TheLiFe0.99Y0.01PO4Film/TindiffusedGlassOpticalWaveguidesensorexhibitedahighsensitivitytoxylenegas,itsdetectionrangewas1×10－3－1×10－7（V/V）.Atlowconcentration（lowthan10－6）,othersubstancescausednointerferencewiththedetectionofxylenevapor.Thesensoralsohadtheadvantagesofhighsensitivity,shortresponsetime,andgoodrepetitivecapacity.

光学元件篇3

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存储介质：内置8GB闪存

体积：112.6×90×54.5mm

重量：268g

价格：7800元

闪存高清是今年摄像机市场的一个热点，闪存让机身更小巧，高清则成就了画质的专业和精细。XactiDMX-HD1000集两者于一身，以机身外形和闪存容量上的优势给消费者带来全新的体验。

索尼DCR-SR200E

感光元件：1/3英寸，210万像素晶锐CMOS

变焦能力：10倍光学变焦，80倍数码变焦

存储介质：内置40GB硬盘/SD卡

尺寸：76×78×128mm

重量：460g

价格：6170元

松下SDR-H258GK

感光元件：1/6英寸，80万像素3CCD

变焦能力：10倍光学变焦，700倍数码变焦

存储介质：内置30GB硬盘/SD/SDHC卡

尺寸：83×75.8×121mm

重量：460g

价格：6000元

索尼DCR-SR200E

感光元件：1/3英寸，210万像素晶锐CMOS

变焦能力：10倍光学变焦，80倍数码变焦

存储介质：内置40GB硬盘/SD卡

尺寸：76×78×128mm

重量：460g

价格：6170元

JVCGZ-MG175AC

感光元件：1/6英寸，107万像素CCD

变焦能力：32倍光学变焦,800倍数码变焦

存储介质：内置40GB硬盘/SD/SDHC卡

尺寸：110×71×66mm

重量：330克

价格：4900元

索尼DCR-DVD608E

感光元件：1/6英寸，107万像素CCD

变焦能力：40倍光学变焦,2000倍数码变焦

存储介质：DVD光盘/记忆棒

尺寸：54.5×89×130.5mm

重量：390g

价格：3000元

索尼DCR-HC28E

感光元件：1/6英寸，80万像素CCD

变焦能力：20倍光学变焦，800倍数码变焦

存储介质：磁带

尺寸：65×79×113mm

重量：360g

价格：2060元

佳能DC230

感光元件：1/6英寸，107万像素CCD

变焦能力：35倍光学变焦,105/1000倍数码变焦

存储介质：miniSD卡,光盘

尺寸：54×90×126mm

重量：405g

价格：3720元

三星VP-DC575Wi

感光元件：1/5英寸，100万像素CCD

变焦能力:26倍光学变焦，1200倍数码变焦

存储介质：DVD光盘

尺寸：54×87×121mm

光学元件篇4

关键词：光控元件门控系统智能锁

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0062-03

门禁的安全性是日常生活中人们最关心的话题，使用安全性能高的门锁是门禁安全的保障。数字电子技术和微处理器（单片机系统）的相结合使得电子密码锁成为新时代门禁系统的“新宠”。密码锁的键盘部分通常采用数字键盘系统构成。这种键盘系统的特点是直观、简单，用户只需要记住数字构成的密码，就可以开启房门。但这种由0～9构成的数字密码一般都设计为4为数字密码，很容易被破解，安全性也随着降低。随着光电技术的日益发展，利用半导体的光电效应和光生伏特效应制成的光电元件[1]以其快速、测量精确、无接触、测量距离远的特点在生活中的应用越来越广泛。本设计利用光电元件的特点，将光电元件构成的键盘系统代替电子密码锁的数字键盘系统，结合单片机控制系统，设计出新型的智能密码锁，从而提高了门禁系统的安全性。

1整体设计

由光控元件（光电传感器）构成智能锁的键盘部分，LCD屏显示开锁过程中出现的状况，AT89C52单片机实现整个系统的功能，用电磁锁替换传统的机械锁。光控元件将手势的“触摸”信号传递给单片机，通过单片机判断信号的正确与否启动电磁锁的开启与否。

设计的智能锁可以实现的功能有。

（1）在输入密码时在LCD屏幕上显示*号；

（2）设计开锁密码为特定手势；

（3）能够LCD显示在手势正确时显示PASSWORDOK，手势错误时显示PASSWORDERROR，输入手势时显示INPUTPASSWORD；

（4）实现输入手势错误超过限定的三次密码，键盘“锁死”，发报警信号；

（5）该产品具备报警功能，当输入密码错误时蜂鸣器响并且LED灯亮；

（6）密码可以由用户自己修改设定（只支持6位密码），修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。

设计的智能锁系统图如图1所示。

2单元电路的设计与特点

2.1光控元件构成的键盘电路

基于光电元件构成的键盘系统，其核心元件是光敏元件构成的光电传感器。光电传感器的特点是[2]：结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等。设计中采用小型光电传感模块构成3×3键盘系统，单个模块电路如图2所示。

该模块的特点是对光线的适应能力强，通过电位器可以调节手指接触键盘的距离（可调距离为2～30cm），干扰小，便于安装，使用方便。在设计时，将手指与键盘之间的距离统一调节为10cm，可避免因距离问题，使非正确信号（开门信号）传递给控制系统，从而使错误信号启动了门锁的报警系统。

2.2继电器驱动电路设计

门锁的“锁”部分由电磁锁构成，设计中采用SRD-05VDC-SL-C型继电器驱动电磁锁“开锁”。由于采用了光控元件，电磁锁的电源电压相对较小，一般采用5V即可。设计的继电器驱动电路如图3所示。

3门控系统设计

门锁的核心系统是门控系统，该系统由AT89C52单片机最小系统构成[3]，利用AT89C52单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的智能锁功能，其程序流程图如图4所示。

系统的I/O口分配如表1所示。

4系统调试

首先应用Proteus软件进行系统仿真[4]，系统图如图4所示。仿真过程中，先给一个启动锁的手势信号（相当于机械锁的插入钥匙状态），LCD屏显示“*”信息，再给定正确的开锁手势信号，显示屏显示“PASSWORDOK”。连接实物进行软件系统与硬件系统联调时，给定正确手势信号，听见继电器动作声音，却不见电磁锁动作（开锁）。在初步设计中，电磁锁与继电器构成的输出电路中采用的电源电压过大，导致继电器线圈烧坏，因此出现继电器一次侧吸合动作，二次侧电磁锁不动作。调整了外接电源后，电磁锁顺利动作，达到设计要求。

在仿真过程中为方便运行和系统图布局，用3*3阵列按键代替了光电传感器模块构成的按键系统，实际系统搭建时键盘系统是由光电模块构成，仿真的结果和实物调试结果一致。

5结语

该文介绍了一项大学生创新创业训练项目――智能锁的设计方案，阐述了整个设计流程，在此基础上进行了设计仿真和实物制作调试。基于光控元件的智能锁的设计，结构简单、使用便捷、安全性能高，具有良好的实用性。

参考文献

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]张洪润.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

光学元件篇5

【关键词】光子学；光子计算机；光子元件；集成光路

Talkingaboutthephotoniccomputer

YANGYan-niLIUPengLIChuan-jiang

（XinjiangInstituteofEngineering，UrumqiXinjiang830091，China）

【Abstract】Thespeedofthecomputerindustryformorethanexpectedrapiddevelopment，atpresenthasbeenusedinallstagesofhumansociety.Thisarticlediscussthecomputeroperationspeedisrestrictedbyvariousfactors，thispaperintroducestheoverviewofthephotoniccomputer，researchsituationandthelightofthephotoniccomputerdevicesandopticalpath，thecharacteristicsofthephotoniccomputer.

【Keywords】Photonic；Photoniccomputer；Photoniccomponents；Integratedoptic

0引言

目前，世界上技术先进的国家正在大力开发第五代计算机，其中一个重要的动向是加紧研制光子计算机。科学家认为，第五代计算机要求具有高得多的运算速度和更加丰富的逻辑处理系统，而光子计算机可以较好地满足这些要求[1-2]。

20世纪40年代，美国宾夕法尼亚大学（UniversityofPennsylvania）第一台电子计算机产生以后，此后几十年间，计算机制造工艺在不断的变革中高速发展。计算机系统的历史主要有以下发展阶段电子管时期、晶体管时期、集成电路时期和超大规模集成电路时期。

1电子计算机受到的制约

随着信息技术的不断发展，计算机已经在人类社会的各行各业不断应用着，在计算机技术的不断前进的进程中，计算机产业的发展速度超出了人们预料。在人类社会各行各业的不断应用中，对计算机性能提出了越来越高的要求，例如复杂系统模拟、海量数据挖掘、人工智能、精确制导系统等，其对运算速度的要求达到1012次以上，对数据量的要求非常大[3-4]。电子计算机的以下这些特点，限制了电子计算机的运算速度：

（1）冯・诺依曼（JohnvonNeumann）的串行“瓶颈”问题，造成数据输入与处理需要耗费大量的时间，使电子计算机的计算处理速度不能进一步提升，就像一个小口瓶里面的水，只能从瓶口慢慢地流出。

（2）带宽有限问题，对信息传输系统来说载波频率和信号频率带宽之比为100：1，微波频段内，电信号的频率范围在103兆赫兹-104兆赫兹，因而，传输信息时它的频率带宽是10兆赫兹-102兆赫兹。为了改善电子计算机的处理速度，我们让信号脉冲的间隔尽可能小，需要把每个脉冲脉宽变窄，才不致于使信号相互重合而分不开。由于脉宽越窄，频率带宽会变宽，电子计算机的频带宽度不是无限的，要求信号的脉宽不能过窄，同时在传输过程中脉冲将会展宽，使得电子计算机的运算速度提高是困难的。

（3）时钟歪斜问题，这是由于超大规模集成电路的元器件数量大，各部件同步时钟到各元件的距离差异比较大，到达的信号需要等候未到达的信号，联接距离一大，时间就变得很长。

（4）电阻电容电路问题，由于电阻电容电路的响应时间τ-RC，通常为10-9秒，这就阻碍了我们的核心元件―双稳态触发器的转换速度，使传输速度和处理速度不能提高。

由于电子计算机以上这些阻碍运算速度的缺点，这些年，研究新的结构的计算机――光子计算机的专家不断涌现。

2光子计算机

2.1光子计算机概述

光子计算机是靠光而不是靠电来运行的，而光子运动的速度要比电子快得多。光子计算机速度非常快，要比已制造的高速电子计算机（每秒13亿次）快上千倍。从理论上说，电子运动的速度可以接近光子，即每秒30万公里，但在硅芯片上电子的实际速度还不到光速的1%。光子计算机是一种通过光信号来进行信息存储、处理、运算、操作的新型计算机。1969年，研究光子计算机这一伟大征程由美国麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology）的研究者拉开了序幕，第一台光子计算机在1984年6月制造出来，这是由国际商用机器公司研发的，是一台能够正常工作的光子计算机，只是它必须工作在接近绝对零度的环境下。贝尔实验室在1990年制造了一台光子计算机，它由棱镜、透镜和激光器等元器件完成，贝尔实验室走出了光子计算机的关键步伐。由欧盟的几个高校合作，已开发完成的光子计算机，处理速度是电子计算机的1000倍。光子计算机主要有三大类：光模拟信号计算机（也叫光模拟机）、全光数字信号计算机（也叫光数字机）、光智能形式计算机，光子计算机起始于模拟机，模拟机具有并行快速计算和大信息容量的特点，在光学信息领域（如光编码测距）获得应用[6]。1990年至今，我们设计的全光子计算机，结构基本都是按照电子的传统的计算机来设计的，它用光控制器、光存储器和光运算器组合而成，相互之间和各自内部以光互连这种方式来通信。现在全光数字计算机处在研究过程中，要用到的相关技术难题已经有了答案，主要问题是如何开发更高利用率的光学元器件。光神经网络计算机处理研究中，它具有人工智能的系列优点，带给研究人员极大兴趣，光神经网络计算机的研究同时取得了非常好的进展[7]。但是理论模型还需要进一步细化，要研制出利用率更高的空间调制器和性能更好的光开关列阵，其实真正实用的光子计算机还有很多路要走。当前全光数字计算机与光电混合计算机正在不断发展，数字光计算的研究将成为所需要的光电器件的重要支撑。

2.2光子计算机的研究状况

光学器件是通过光子的运动进行工作的器件，通过调整光的参数，比如，相位、偏振、振幅、强度或波长，来制造出光子晶体管、光逻辑元件、光子存储器件、光子探测器件、光空间调制器件等功能元器件，如光存储器件―光学双稳器件发展也很迅速，有一种半导体量子阱制成的双稳器件，这是很有可能成为光逻辑和光存储器件的，已经制造了光逻辑运算和存储阵列，它在将有望实现光高速运算。1970年以后，使用非线性阔值特性器件来作逻辑门，使用光双稳器件作存储器，美国南加州大学（UniversityofSouthernCalifornia）研制的液晶光阀构建了具有组合逻辑结构功能的系统，能够实现各种逻辑运算。通过多国的研究者们的努力，一种能够将光放大和具有光开关功能的光晶体管，先后在赫罗特-瓦特大学（Heriot-WattUniversity）、京都大学（KyotoUniversity）还有贝尔实验室制造出来。

2.3光子计算机中的光器件与光路

电子是电子计算机中信息的传输的媒介，计算机的部件相互通信利用内部或外部连线作为信号传输媒介，快信息流在传输时就会产生瓶颈阻塞效应。改用光子来传输信息，就不用考虑瓶颈阻塞效应。光子计算机有可能改变目前电子计算机的两进位制的计算和处理方式，创造出更加丰富的逻辑系统。在光子计算机中，通过光子元件的激光亮度不断增加而又有间隔，形成光脉冲串，在此基础上可以创造出更加丰富的逻辑处理系统。科学家预言，将从光学中产生全能的计算方式，光子互连具有高速度、大的时间带宽和空间带宽等众多优势，光路能够相互交叉通过但互相不受干扰，光互连的方式有自由空间的光互连、光纤和波导互连。根据集成电路的思想，科学家设想将多种光电元器件集中做到在一块芯片上，制造集成光路[7]。随着集成光路的发展，从1970年开始，在光学范畴产生了一个叫做集成光学的新兴学科[8]。这几年通过光通信、光交换、光信息处理技术的发展，已经成功开发了各种各样的光子集成器件。实现了把光存储器、光开关、光源、光波导制做在一块芯片上的整体系统。研究者把偏振器、滤光片、光放大器、光调制器、透镜、棱镜、光栅、光衰减器等这些光学元件组成薄膜造在一块母板上，大大缩小了光路所占据的空间，制成了微集成光路，用来进行光信号高速传输与处理，实现了低功耗、高性能、便捷化、高效率[9]。

2.4光子计算机的特点

把光子作为媒介的光子计算机有这些优势[12]：

（1）非常快的运算处理速度，因为光子的速度是3×108米/秒，电子的速度远远低于光子速度，光子计算机的运算处理速度将会比电子计算机快1000倍。

（2）光子器件具有非常宽的时间域带，光波频率大约是电信号频率的104-105倍，以光波为载波，信号带宽就会展宽，可以达到106兆赫兹-107兆赫兹，将拥有非常多的通道数量，而且光脉冲极窄，这样就通过增大数据传输率实现了大量的高速传输。

（3）光子计算机在空间上的域带宽是非常宽的，信息传输与处理能力非常强；一个光波导中并行传输许多波长各异或偏振态有差的光波，彼此可以不受干扰，功能不同的元器件能够在一个光波导中完成，同时传输多种信息。

（4）光子计算机的抗干扰效果非常好，因为光路可以交叉互连。

（5）直接使用光信号进行运算处理，避免了电子计算机将光信号转换成电信号处理然后转换为光信号可能的错误，能够智能识别文字、图像、手势和声音。

（6）信息容量大，没有时钟歪斜现象，处理精度高，由于光子速度是3×108米/秒，多种互连长度带来的延时差极小，不会引起时钟歪斜。

（7）具有较强的容错性，光子计算机中单个元件失零，不会影响最后的运算处理。

（8）能够采用不同进制，运算速度成倍提高。利用光学双稳态元件进行二进制的光计算，利用多稳态光学元件可以进行四进制计算和三进制计算。

3光子计算机的未来

毫无疑问，光子计算机一旦研制成功，将对当前的新技术革命产生不可低估的影响[13]。美国科学家认为光子计算机是未来的总趋势，他们预言五年之内就可以制造出光子计算机。光子计算机的很多工作现在还处于实验室之中，但是我们相信通过研究者们的不断进取，这个伟大梦想必然能够实现[14-15]。伴随着电子计算机的瓶颈，光子时代即将到来，科学家已经断言了的。由于光学相关理论的研究和光子元器件制造等重点技术的进展，光子计算机一定会走向世界的舞台，就像美国著名的科学家比尔・沃尔什（WalshBill）所说：“光子计算机必将逐步替代电子计算机。”

【参考文献】

[1]冀彩丽.铸造科技之光，探索微纳光子芯片研究新方向[J].中国高校科技，2015（10）.

[2]于化龙.论述计算机科学与技术发展趋势[J].科技创新与应用，2015（34）.

[3].光子计算机[J].国际技术经济研究，2000（04）.

[4]朝阳.光子计算机方案[J].激光与光电子学进展，2007（10）.

[5]王燕.光子计算机问世为期不远[J].技术经济信息，1988（05）.

[6]苏显渝，李继陶.信息光学[M].北京：科学出版社，1999.

[7]张以漠.计算机光互连的信息处理技术[J].激光，1999，20（5）：1-6.

[8]王静端，李耀辉.正在崛起的光计算机[J].世界科学，1999：38-39.

[9]王廷江.谈谈光子计算机[J].现代物理知识，2004（03）.

[10]韩哲欣，谷国太，肖汉.量子计算机的研究与应用[J].河南科学，2015（09）.

[11]吴楠，宋方敏，李向东.通用量子计算机：理论、组成与实现[J].计算机学报，2015（16）.

[12]TafliovichA，HehnerECR.Quantumpredicativeprogramming.MathematicsofProgramConstruction[Z].Heidelberg，Germany：SpringerBerlinHeidelberg，2006：433-454.

[13]赵耀龙，赵文娟.计算机技术发展现状及未来趋势探析[J].西部资源，2014（10）.

光学元件篇6

关键词：航空摄影测量、二次成像、数字传感器、分布式

中图分类号：D993.4文献标识码：A文章编号：

1引言

航空摄影测量向诞生以来按照技术处理手段不同，其发展经历了模拟摄影测量、解析摄影测量，正在全面进入的全数字摄影测量阶段。全数字摄影测量要求应用数字采集、数字处理、数字成图等技术全面实现摄影测量数字化。作为数字摄影测量工作流程数据获取的主要手段，数字航空摄影相机发挥着越来越重要的作用。同时。由于数字传感器发展现状还与航空摄影实际需求存在一定差距，数字航摄相机发展成为了制约数字摄影测最发展的一个重要瓶颈[1,2]。现有数字式航摄相机(UltraCamD，DMC等)普遍采用传统一次成像的光学构像方式，通过多传感器影像校正拼接技术获取大幅面数字影像。该类数字航摄相机在中心投影构像严格性、几何精度等方面都存在不可避免的系统误差。基于新型构像方式的数字航空相机系统亟待发展。

2基于二次成像的分布式数字成像传感器系统

2.1二次成像原理光学构像

现有摄影相机系统(胶片以及数码相机)普遍是采用光学透镜(或透镜组)一次成像的构像方式。该构像方式在数字航空摄影应用中主要存在难于获取大幅面影像的不足。CCD等数字传感器芯片面阵较小，所以为了获取大幅面数字影像必须通过多芯片拼接或增加曝光次数实现。通过多次曝光的方式，单张影像覆盖区域小，成像效率低，并且对相机系统提出了更高的曝光时间间隔要求。

基于二次成像的新型光学构像方式可以很好的解决上述问题，二次成像构像如图1所示。

图1基于二次成像原理的构像示意图

基于二次成像原理的光学构像过程包括一次承影和二次成像两个步骤。如图所示，L1为一次承影镜头，11为一次承影器件(11左平面为承影面)，C1和C2是分布式二次成像数字相机系统。二次成像过程如下：一次承影，一次承影器件11的承影面置于一次承影镜头的成像面处，并通过一次承影镜头Ll于承影面呈现物体的清晰影像；二次采集，通过若干数字成像传感器(C1与C2)获取一次承影器件所呈现的影像。各传感器采集影像区域具有，。定的重叠率，通过校正拼接生成完成的一次承影器件的完整数字影像。

基于二次成像的光学构像方式具有以下优点：（1）获取大幅面数字影像。通过二次成像的构像方式以及数字影像的拼接，可以实现与一次承影器件同等幅面的数字影像。该优点为二次成像方案存航空摄影仪系统的应用奠定了基础。（2）若干数字传感器进行二次成像实现获取更高分辨率的数字影像。（3）拼接生成的大幅面数字影像满足严格一次承影镜头的中心投影构像。

2.2分布式数字成像传感器图像采集系统

分布式数字成像传感器技术已经在目标识别、跟踪与监视、三维重建、信息融合等领域得到了普遍的应用。为实现二次成像在航摄相机系统的应用，分布式数字成像传感器的设计是关键环节。

本文以四CCD成像传感器单元系统为例，介绍分布式二次成像系统的设计。分布式四CCD二次成像传感器单元系统实现网个CCD芯片的同步曝光及数据并行快速存储。该系统可以分为总控单元、CCD感光成像单元及数据存储单元以及其他的设备等。总控单元实现根据航摄任务灵活设置系统各项参数、对各成像传感器单元曝光同步控制、系统工作状态的实时监视与反馈以及外部接口通讯等功能；CCD感光成像单元实现高分辨率CCD数字成像系统，输出CCD原始数据；CCD数据存储单元实现对CCD感光成像单元的影像数据管理。

2.3基于二次成像原理的分布式航空摄影相机设计

充分发挥二次成像和分布式成像传感器系统的技术优势，同时考虑到降低自主研制数字航摄仪的难度，发挥原有胶片航摄相机的技术优势，以胶片航摄相机高精度光学镜头和稳定平台为基础。按照二次成像原理和分布式数字传感器系统设计思路，开发数字后背取代原有胶片暗合，组成了该新型航空摄影仪系统。

通过分布式四CCD数字传缚器系统，我们在每一个曝光点获得四张影像。四张子影像根据相邻图像的重叠区域进行原始影像或正射影像进行拼接(包括匀光、匀色以及几何和色调处理)生成高精度豹一次承影器件所成影像镶嵌图，并且该影像满地物经次一次承影光学镜头严格的中心投影。由于各CCD成像单元主光轴垂直于一次承影器件承影面，在每个曝光点CCD成像单元相对于一次承影器件的外方位元素(位置和姿态)参数同定不变，且经过数字传感器单元的精确固定后三个外方位元素的角元素数值也相对较小甚至可以忽略其影响，所以该影像拼接娃理较一般摄影测最处理中相邻航片影像拼接处理更为简单，容易操作。

4光学实验与测试分析

为了验证二次成像在CCD数字航空摄影相机系统中应用的可行性，按照二次戍像构像由式。

我们组建了光学系统开展了实验测试并获得到了清晰的影像。实验设备包括：RMK胶片航摄相机ISO12233分辨率测试板(用作目标景物)，30m和10m粗糙度颗粒的次承彰器件，NikonD200高分辨率数码相机。

二次成像实验结果得到以下结论：

1、二次成像构像方式获取数字影像可行有效。

2、通过影像质量对比，得出一次承影器件的承影面晌粗糙颞粒度参数是影响图像质量的重要因素。

3、二次成像构像方式获取的数字影像较原始影像光亮度有所衰减，可以通过一定的辐射校正与增强技术进行补偿。

光学传递函数(OTF)，由调制传递函数(MTF)和位相传递函数(PTF)两部分组成。由于位相传递过程对影像的影响较小，所以，研究光学系统的成像质量时一般不考虑位相传递函数的影响，而用调制传递函数(MTF)来代表光学传递函数(OTF)。为更好的验证一次承影器件的光学特性，我们对上述实验采用的10m颗粒粗糙度一次承影器件的三个样品进行了调制传递函数MTF测试。

从测试结果可以得出，一次承影器件两种样均可以满足光学成像系统要求，测试最大空间频率为100线对／毫米，对应空间频率为50线对／毫米时的MTF值通常能够大于0.5。由此判断该一次承影器件满足成像质量的要求。

4结论

本文提出了一种基于二次成像构像原理的分步式数字航空摄影相机系统的设计方案，并且开展了二次成像光学系统的实验验证和测试。实验和测试结果表明基于二次成像构像原理摄影方案的可行性和有效性。二次成像光学构像方式以及分布式数字传感器设计思路为新型数字航空摄影相机系统的开发奠定了基础。

参考文献：