光電檢測(cè)緒論

光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用幾乎全部涉及到光學(xué)現(xiàn)象的應(yīng)用和探討的地方都須要光檢測(cè)技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光輻射作為信息載體的優(yōu)越性越來(lái)越明顯，光信息系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從對(duì)天體的觀測(cè)，到對(duì)細(xì)胞的探討，從對(duì)衛(wèi)星、航天器的跟蹤，到一般的工程技術(shù)，光信息系統(tǒng)無(wú)不存在。學(xué)習(xí)和駕馭光檢測(cè)技術(shù)的基本學(xué)問(wèn)，對(duì)提高光信息系統(tǒng)的性能是很有意義的。光檢測(cè)過(guò)程光檢測(cè)現(xiàn)象是大家都很熟悉的，如人們用眼睛視察四周的東西就是一種重要的光檢測(cè)現(xiàn)象。在陽(yáng)光下或者在燈光下，人們能夠望見(jiàn)物體，如一張桌子，這是由于桌子的漫反射光反射到人的眼睛，這些漫反射光中攜帶有桌子的方位、大小、顏色等各種信息，通過(guò)光和人眼的相互作用，就提取出了這些信息。這些信息傳給大腦，由大腦對(duì)這些信息進(jìn)行處理，人們便望見(jiàn)了桌子，從而達(dá)到了視察桌子的目的。人們望見(jiàn)了桌子這個(gè)極一般的現(xiàn)象包括了用人眼作為光探測(cè)器、大腦作為處理機(jī)構(gòu)的完整的光檢測(cè)過(guò)程，光源（太陽(yáng)光或燈光）、物體、人眼、大腦構(gòu)成了一個(gè)光信息系統(tǒng)。這個(gè)光信息系統(tǒng)包括了信號(hào)的調(diào)制、提取與處理。人眼是一種最常用的光探測(cè)器，光與人眼的相互作用稱為生物化學(xué)作用。照相也是一種光檢測(cè)過(guò)程。在一般照相或者全息照相中，感光膠片或全息干版是光探測(cè)器。攜帶有被攝物體信息的光與膠片活干版相互作用，通過(guò)化學(xué)變更——感光——提取出光攜帶的被攝物體的信息。再經(jīng)過(guò)顯影，定影等處理就記錄了被攝物體的信息。在陽(yáng)光、燈光下或者在特殊的光學(xué)系統(tǒng)中就可以再現(xiàn)物體的像。事實(shí)上這就是一個(gè)信號(hào)處理過(guò)程。光電探測(cè)器光電探測(cè)器是指那些能把光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件，如光電二極管、光電倍增管等等。光電探測(cè)器對(duì)光的檢測(cè)過(guò)程，是光輻射與探測(cè)器光敏材料相互作用的過(guò)程，光電探測(cè)器能夠輸出與入射光功率成正比的電信號(hào)，經(jīng)電子系統(tǒng)處理就可以檢測(cè)出光輻射攜帶的信息。人眼、膠片、光電探測(cè)器是三中最常用的光探測(cè)器，又稱光傳感器，它們各有不同的特點(diǎn)。眼睛具有便利、靈敏的優(yōu)點(diǎn)，但只適用于可見(jiàn)光波段，而且不易實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量，尤其不易于與其他處理系統(tǒng)連接。膠片、干版具有很好的儲(chǔ)存功能，尤其具用較好的空間辨別率，但是膠片、干版記錄的信號(hào)進(jìn)行定量處理比較困難，與電子系統(tǒng)、計(jì)算器連接有較大難度。光電探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行精確的定量測(cè)量，它可以便利地與其他電子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。另外，光電探測(cè)器具有快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，這是處理隨時(shí)間而變更的光信息所必需的。光電探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是：與人眼相比，不夠靈敏便利；與膠片相比，空間辨別率不夠高。隨著光電探測(cè)器件的不斷發(fā)展，其性能不斷改善和提高，缺點(diǎn)不斷得到改進(jìn)，如一維光電探測(cè)器和二維光電探測(cè)器的出現(xiàn)，其空間辨別率可達(dá)幾微米。光電信息系統(tǒng)在光信息系統(tǒng)中，光探測(cè)器為光電探測(cè)器的系統(tǒng)稱為光電信息系統(tǒng)。光電信息系統(tǒng)的放射端用光去攜帶各種信息，傳輸各種信息，在接受端用光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后由電子系統(tǒng)去處理獲得的電信號(hào)，最終檢測(cè)出所須要的信息來(lái)。光電信息系統(tǒng)又簡(jiǎn)稱光電系統(tǒng)。光電系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔框圖如圖1所示。它可分為兩大部分：放射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。聯(lián)系二者之間的是傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)可以是簡(jiǎn)潔的空氣傳輸，也可以是光纖傳輸。1放射系統(tǒng)放射系統(tǒng)的作用是將待測(cè)信息加載于光波，是光成為信息的載體。依據(jù)光源的不同，光電系統(tǒng)可以分為主動(dòng)光電系統(tǒng)和被動(dòng)光電系統(tǒng)二種。接受人工光源，如激光器、白軹燈或者其他光源作為待測(cè)信息的載體的光電系統(tǒng)稱為主動(dòng)光電系統(tǒng)。接受自然輻射源，如太陽(yáng)、星體、飛機(jī)或汽車等的發(fā)動(dòng)機(jī)、人體輻射等等作為信息載體的光電系統(tǒng)稱為被動(dòng)光電系統(tǒng)。紅外技術(shù)、夜視技術(shù)等方面的應(yīng)用多為被動(dòng)光電系統(tǒng)，在科研工作、工程技術(shù)中的應(yīng)用多為主動(dòng)光電系統(tǒng)。而對(duì)光源自身特性的探討，如激光器各參量的測(cè)量，也屬主動(dòng)光電系統(tǒng)。此外，依據(jù)光源波長(zhǎng)的不同，光電系統(tǒng)又分為可見(jiàn)光系統(tǒng)、紅外光電系統(tǒng)以及紫外光電系統(tǒng)。調(diào)制器調(diào)制器，它是指一切能夠把待測(cè)信息加載于光波的傳感器，因此這里的調(diào)制器又可以稱為光學(xué)變換器，或者稱為光學(xué)傳感器。它是把被測(cè)對(duì)象與載波光源聯(lián)結(jié)起來(lái)的核心部件。凡是能夠把待測(cè)信息轉(zhuǎn)換為對(duì)光波的強(qiáng)度、振幅、相位、頻率等參量中的某一種參量進(jìn)行調(diào)制的裝置都可以稱為光電信息系統(tǒng)的調(diào)制器。調(diào)制方法在光電信息系統(tǒng)中光源接受的調(diào)制器有電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器，通過(guò)這些調(diào)制器，待測(cè)信息可以比較便利地加載于光波。此外，信號(hào)對(duì)光的調(diào)制也可以接受內(nèi)調(diào)制方式，它是使待測(cè)信息干脆調(diào)制光源的強(qiáng)度、頻率、相位等，例如在光通信系統(tǒng)中，信號(hào)可以干脆調(diào)制光源——半導(dǎo)體激光器或者發(fā)光管——的電流，從而使光源的光強(qiáng)隨信號(hào)而變更，達(dá)到信號(hào)放射的目的。接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)主要由光電探測(cè)器、前置放大器和信號(hào)處理與顯示及部分組成。這些部分是光檢測(cè)技術(shù)探討的重點(diǎn)內(nèi)容。光電探測(cè)過(guò)程是將光輻射所攜帶的信息通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程，光電探測(cè)器是光電接收系統(tǒng)的核心部件，它的作用是提取信號(hào)、測(cè)量信號(hào)、并為后繼的信號(hào)處理部分供應(yīng)必需的信息。在光電信息系統(tǒng)中，光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)幅度一般都比較小，需將信號(hào)先進(jìn)行前置放大再送入信號(hào)處理部分。光電探測(cè)器的種類依據(jù)它們的工作原理可以分為光子效應(yīng)探測(cè)器和熱效應(yīng)探測(cè)器二大類。常用的光電二極管、光電倍增管等屬于光子效應(yīng)探測(cè)器，熱電偶、熱敏電阻、熱釋電探測(cè)器等屬于熱效應(yīng)探測(cè)器。依據(jù)不同光電系統(tǒng)的要求，合理選擇和正確運(yùn)用光電探測(cè)器是特殊重要的，它對(duì)整個(gè)光電系統(tǒng)的性能有重大影響。探討常用光電探測(cè)器的工作原理和運(yùn)用方法是光檢測(cè)技術(shù)的重要內(nèi)容之一。光檢測(cè)技術(shù)待測(cè)物理量調(diào)制載波光源的不同參量將構(gòu)成不同的光電信息系統(tǒng)，同樣，接受不同的檢測(cè)方法，也將構(gòu)成不同的光電信息系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能也將有較大差異。光電檢測(cè)的基本方法分為非相干檢測(cè)和相干檢測(cè)兩種。非相干檢測(cè)是指系統(tǒng)干脆響應(yīng)光輻射的強(qiáng)度，不論接收的光是相干光還是非相干光，系統(tǒng)只檢測(cè)出光輻射的強(qiáng)度所攜帶的信息，信息的大小與接收的光強(qiáng)度大小有關(guān)。這種檢測(cè)方式又稱為干脆檢測(cè)。在一般的光電信息系統(tǒng)中，多接受干脆檢測(cè)方式，這是因?yàn)樗c相干檢測(cè)方式相比具有簡(jiǎn)潔、便利的優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是只能檢測(cè)出光強(qiáng)度所攜帶的信息。干脆檢測(cè)方式可分為幾種不同的具體的檢測(cè)方式，如直讀法、補(bǔ)償法、單路法、雙路法、光源調(diào)制法等等。相干檢測(cè)相干檢測(cè)是對(duì)相干光場(chǎng)的響應(yīng)，光場(chǎng)的變更反映待測(cè)信息，這種檢測(cè)方式能夠檢測(cè)出光波的振幅、相位、頻率所攜帶的信息。對(duì)于相干光場(chǎng)干涉條紋的檢測(cè)和光外差檢測(cè)均屬于相干檢測(cè)方式。這種檢測(cè)方式獲得的電信號(hào)的大小不干脆反映待測(cè)信息的大小，須要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理與變換獲得待測(cè)量。相干檢測(cè)法雖然比較困難，但是隨著各種光學(xué)器件和電子器件的發(fā)展，性能不斷提高，相干檢測(cè)技術(shù)的不斷完善，相干檢測(cè)方式的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與前景光波具有傳播速度快、頻率范圍寬的特點(diǎn)，因而光攜帶信息具有獲得信息快、傳輸信息快、信息容量大的優(yōu)點(diǎn)。光波攜帶信息的方式多，它的強(qiáng)度、振幅、頻率、相位、偏振態(tài)等參量均可以載荷信息，因而光信息系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣。接受光電檢測(cè)的方法，可以便利地把光信號(hào)便為電信號(hào)，這對(duì)信號(hào)的進(jìn)一步處理供應(yīng)了便利條件。因此，光電信息系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越普遍，光電檢測(cè)技術(shù)發(fā)展特殊快速?gòu)墓庾V范圍上看，目前從0.32um