光電探測技術與系統(tǒng)課件

2023/7/51第一章緒論§1.1

信息與信息技術§1.2

現(xiàn)代信息技術與光電探測 §1.3

光電探測（傳感）器 §1.4

光電探測系統(tǒng)與儀器的構成及分類§1.5

經(jīng)典的光電探測系統(tǒng)及光電探測系統(tǒng)的特點

1.5.1經(jīng)典的光電探測系統(tǒng)

1.5.2

光電探測系統(tǒng)的特點§1.6

光電探測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2023/7/52§1.1信息與信息技術物質(zhì)、能量和信息是人類對客觀世界認識的三個層面，其中，能量是物質(zhì)的屬性，也是物質(zhì)的存在方式，信息則是客觀世界與主觀世界相聯(lián)系的產(chǎn)物。信息的變化和轉移伴隨著能量的變化，信息作用于認識的主體和客體之間，使人類能夠更好地認識物質(zhì)與能量之間的關系。信息的特點有：（1）信息依附于載體而存在，通過對載體的作用可以獲取信息，也可將信息存儲（寄載）在某個載體上；（2）信息是可以共享的，信息本身生不會因為共享而受到損失；（3）信息是可以被處理的，除能夠被存儲外，信息可以被加工、傳輸，還可以轉換形態(tài)，特別是經(jīng)過人腦的分析、綜合和提煉而增值；（4）信息具有時效性。信息技術是指有關信息的收集、識別、提取、變換、存儲、處理、檢索、檢測、分析和利用等的技術。信息技術主要包括以下幾方面技術：2023/7/531、感測與識別技術

它的作用是擴展人類獲取信息的感覺器官功能。2、信息傳遞技術

它的主要功能是實現(xiàn)信息快速、可靠、安全的轉移。3、信息處理與再生技術

是對信息的綜合分析或進一步提煉。4、信息施用技術(信息過程的最后環(huán)節(jié))

包括控制技術、顯示技術等。2023/7/54§1.2現(xiàn)代信息技術與光電探測

現(xiàn)代信息技術的核心是計算機、軟件和通信技術，技術發(fā)展的重點是微電子和光電子技術、高端計算機技術、計算機網(wǎng)絡技術、光纖通信技術、人工智能技術、信息安全技術、衛(wèi)星遙感技術、磁盤及光盤存儲技術、液晶和等離子體顯示技術等。

光電信息技術是由光學、光電子、微電子等技術結合而成的多學科綜合技術，涉及光信息的輻射（產(chǎn)生）、傳輸、探測以及光電信息的轉換、存儲、處理與顯示等眾多的內(nèi)容，已經(jīng)成為現(xiàn)代信息技術的一個主干。

2023/7/55光電子技術對信息技術深入、廣泛的影響反映在在以下四個方面1、感測與識別技術視覺------光電成像，擴展到紅外、紫外可實現(xiàn)納米級（高精度）、光子級（弱信號）和萬伏級（強信號）的測量，不斷滿足日益開拓的人類社會對信息獲取的要求，如紫外線、可見光和紅外波段的光電成像和遙感、光纖傳感等。2、信息傳遞技術光纖3、信息處理與再生技術光電信息處理是光學信息處理與電子學信息處理交叉融合的產(chǎn)物。4、信息施用技術

……§1.2現(xiàn)代信息技術與光電探測

2023/7/56光電探測技術是光電信息技術的源頭

光電探測技術的發(fā)展是隨著其它相關技術的發(fā)展而發(fā)展的。由于激光技術、光波導技術、光電子技術、光纖技術、計算機技術的發(fā)展，以及傅立葉光學、現(xiàn)代光學、二元光學和微光學的出現(xiàn)和發(fā)展，光電探測技術無論從探測方法、原理、精度、效率，還是適用的領域范圍都獲得了巨大發(fā)展，是上述相關技術發(fā)展的綜合體現(xiàn)。

特點（1）高精度：從地球到月球激光測距的精度達到1米。（2）高速度：光速是最快的。（3）遠距離、大量程：遙控、遙測和遙感。（4）非接觸式檢測：不改變被測物體性質(zhì)的條件下進行測量。（5）壽命長：光電探測中通常無機械運動部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準確度高，對被測物無形狀和大小要求。（6）數(shù)字化和智能化：強的信息處理、運算和控制能力。

2023/7/57§1.3光電探測（傳感）器

將光能量轉換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉換成光信號的變化（當被測物理量本身是光輻射時，無需專門的轉換），然后通過光電轉換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎是光電效應或熱電效應。

熱電探測傳感器也歸類為光電傳感器。

2023/7/58表1.3-1光電傳感器類型

光電傳感器

光電傳感器實例ＰＮ結PN光電二極管（材料采用Si,Ge,Ga,As）PIN光電二極管（材料采用Si）雪崩光電二極管（材料采用Si,Ge）光電晶體管[含光電達林頓管]（材料采用Si）集成光電傳感器和光電晶體（材料采用Si）光電池（材料采用S）非PN結

光電元件（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）

熱電元件（材料采用PZT，LiTaO3,Se,LiTiO3,

雙金屬）電子管類光電管、攝像管、光電倍增管其它類色敏傳感器（材料采用Si,-Si）固體圖像傳感器（材料采用Si,有CCD型,MOS型,CPD型）位置檢測傳感器（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）光纖傳感器光柵尺，光電編碼盤2023/7/59§1.4光電探測系統(tǒng)與儀器的構成及分類

圖1.4-1光電探測系統(tǒng)框圖

由光源、光路（及光學器件）、光電換能器、電路組成，具有一定功能的整體，就構成了光電探測系統(tǒng)，如圖1.4-1所示。其中，光學子系統(tǒng)由光源、光路構成，待測非電量產(chǎn)生于光源或置于光路中；電學子系統(tǒng)用電子學的方法對光學信息分析、處理與控制；光電換能器用以探測光信號，并以電信號的方式表達出來，是聯(lián)系前兩者的橋梁。光電探測系統(tǒng)作為測量系統(tǒng)時，具有明確的輸出指示，又被稱為光電探測儀器。

一些市售的光電傳感器中，還包含光源、光路、電信號放大或數(shù)字化電路。

2023/7/510光電探測系統(tǒng)分類

光電探測系統(tǒng)分類：分法1（光源是否可控）：主動式光電探測系統(tǒng)，被動式光電探測系統(tǒng)；分法2（光譜）：激光探測系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)、紫外探測系統(tǒng)、可見光探測系統(tǒng)；分法3（調(diào)制解調(diào)方式）：直接探測系統(tǒng)、相干探測系統(tǒng)；分法4（輸出信號模式）：模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)；分法5（探測器）：點探測系統(tǒng)、面探測系統(tǒng)；分法6（光場分布）：遠場光電探測系統(tǒng)、近場光電探測系統(tǒng)；分法7（光路）：直射式光電探測系統(tǒng)、反射式光電探測系統(tǒng)、散射式光電探測系統(tǒng)；//聚焦式光電系統(tǒng)、分光式光電系統(tǒng)。2023/7/511§1.5經(jīng)典的光電探測系統(tǒng)及光電探測系統(tǒng)的特點

1.5.1經(jīng)典的光電探測系統(tǒng)

自20世紀初以來，光電探測系統(tǒng)在人類生活中扮演了舉足輕重的角色。有了光電探測技術，人類首次準確地測量了地月距離；隨著光電探測技術的發(fā)展，人類甚至可以操縱單個原子。光電子技術的每一次突破，都對人類的生活或科學研究帶來了沖擊性的影響。沒有光電探測技術，就不會產(chǎn)生復印機和數(shù)碼相機的誕生；沒有光電探測技術，我們甚至連有聲電影都看不到。本節(jié)就幾種經(jīng)典的光電探測系統(tǒng)做一簡單介紹。

圖1.5-1影片聲音重放

（1）光電管在電影放映機上的應用

2023/7/512（2）激光器與激光測距儀

第一臺激光器，1960年；第一臺軍用激光測距儀，1961年；（3）數(shù)碼復印機

1950年，以硒作為光導體，用手工操作的第一臺普通紙靜電復印機問世；1959年又出現(xiàn)了性能更為完善的Xero914型復印機。自此以后，復印機的研究和生產(chǎn)發(fā)展很快。到了九十年代又出現(xiàn)了兼容掃描儀的數(shù)碼復印機。

圖1.5-2數(shù)碼復印機的原稿掃描系統(tǒng)

2023/7/513（4）半導體激光器、發(fā)光二極管構建的光電探測系統(tǒng)半導體激光器LD和發(fā)光二極管LED于1962年問世，它們的出現(xiàn)是光電子學史上的一件大事。

（5）傻瓜照相機

自動對焦與測光，……逆光補償、消除紅眼、長時間曝光、重復曝光…

（6）光電直讀光譜儀

（7）電荷藕合器件圖像傳感器CCD與數(shù)碼相機

（8）光電鼠標

（9）光電式三坐標測量機

三坐標測量機（CMM）

用于幾何量測量，是一種具有可作三個方向移動的探測器。通過在三個相互垂直的導軌上移動，精密地測出允許的測量空間中物件上測量點的X、Y、Z三個坐標值。它測量方式根據(jù)所需測量產(chǎn)品特性通常可分為接觸式測量、非接觸式測量和接觸與非接觸復合式測量。

2023/7/514圖1.5-3一款3dfamily系列三坐標測量機

圖1.5-4原子力顯微鏡書寫的“IBM”

2023/7/515（10）近場光學顯微鏡

正如電子具有隧道效應一樣，光子也具有光子隧道效應。研究發(fā)現(xiàn)，物體受光波照射后，離開物體表面的光波分為兩種成份：一部分光向遠方傳播，這是傳統(tǒng)光學顯微鏡能接收的信息；而另一部分光波只能沿物體表面?zhèn)鞑ィ坏╇x開表面就很快衰減。這部分在近場傳播的光波又叫隱失波。由于隱失波攜帶有研究樣品表面非常有用的信息，科學家一直設想能對這種近場的光波加以研究利用。AFM、STM新穎的設計思想的出現(xiàn)，為近場光學的研究提供了思路。

圖1.5-5AFM結構框圖

2023/7/516（11）交叉分子束實驗裝置

兩個反應物分子只要經(jīng)過單次碰撞，產(chǎn)物分子就能被檢測出來。要真正從分子水平上研究化學反應，首先需要高真空技術，即反應器中的分子數(shù)相當少，這樣才不致于發(fā)生二次碰撞；或者是在第二次碰撞前已經(jīng)檢測出產(chǎn)生新分子的狀態(tài)。其次，需要有分子束的技術，即能夠實施檢測和研究反應物分子發(fā)生碰撞的方向和速度。這樣才能真正知道碰撞后產(chǎn)物分子的狀態(tài)究竟怎樣，以及它和反應物分子的狀態(tài)有著怎樣的依賴關系。由于產(chǎn)物的分子數(shù)極其稀少，這就給檢測產(chǎn)物分子帶來了困難。根據(jù)計算，在典型的交叉分子束實驗中，被散射到檢測區(qū)的產(chǎn)物分子數(shù)每秒只有幾個到幾十個，這相當于產(chǎn)生的電流只有10-18安培數(shù)量級。如此微弱的信號，一般的檢測手段是無能為力的。

對此，李遠哲采用了電子轟擊電離、質(zhì)譜過濾檢測的思路，于1968年，和Herschbach等在哈佛大學設計制造了第一臺實用高效的質(zhì)譜檢測器。他們用特殊設計的高效率電子轟擊裝置以及分區(qū)抽真空及深冷阱的辦法克服了電離區(qū)的背景氣的干擾，并且以四極質(zhì)譜儀代替了一般的質(zhì)譜儀，這就便于調(diào)節(jié)和優(yōu)化高檢測靈敏度和高分辨率之間的矛盾要求。他們還把束源固定而第一次采用可以轉動的質(zhì)譜檢測器，這對氫原子束及其他需要高度真空的情況是有利的。

1994年的諾貝爾化學獎常用的交叉分子束裝置如圖所示，它是由束源、準直器、速度選擇器、散射室、可移動檢測器等幾個主要部分組成。分子束是在高真空的容器中飛行的一束分子，它是由束源中發(fā)射出來的。2023/7/518加拿大作家麥爾坎·葛拉威爾在《異數(shù)》一書中指出：“人們眼中的天才之所以卓越非凡，并非天資超人一等，而是付出了持續(xù)不斷的努力。只要經(jīng)過一萬小時的錘煉，任何人都能從平凡變成超凡?！彼麑⒋朔Q為“一萬小時定律”。葛拉威爾還引述了大量研究數(shù)據(jù)表明，世界上不論任何行業(yè)，當你具備基本技能后，最終能否出類拔萃，成為專家、權威、大師，只有一個因素最重要，那就是練習、練習、再練習，最低限度是一萬小時。只要你能在本行業(yè)上堅持“一萬小時”就有成為專家、權威、大師的可能?！皩殑︿h從磨礪出，梅花香自苦寒來”。世界上沒有人能輕易成功，“一萬小時”就是通向成功的一道門檻，邁過去就是成功。量變←→質(zhì)變“一萬小時定律”愛因斯坦在醞釀廣義相對論的8年中，曾經(jīng)常求教于德國大數(shù)學家達維德·希爾伯特。2023/7/51