光电检测绪论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光检测技术 定义,指在光信息系统中对光辐射所携带的信息进行检测的技术。光信息系统是指一切用光携带各种信息、传输各种信息的系统。这里的光辐射包括可见光、红外光和紫外光。在光信息系统中，光是信息的载体，光波可以以它的强度、振幅、频率、相位、偏振态等多种参量携带待测信息。待测信息可以是各种物理量，如材料的光学参量，光源的各种参数，以及大量的非光学参量，都可以通过调制光波的某一参量达到光载波的目的。能够响应光辐射的传感器称为光探测器。所有的光探测器都是感受光辐射的能量，它们通过光辐射与光敏材料的相互作用，将光信号转换为其他形式的信号，再经过信号处理与显示，达到光检测的目的。,1,光检测技术的应用,几乎所有涉及到光学现象的应用和研究的地方都需要光检测技术。随着科学技术的发展，光辐射作为信息载体的优越性越来越明显，光信息系统的应用越来越广泛，从对天体的观测，到对细胞的研究，从对卫星、航天器的跟踪，到普通的工程技术，光信息系统无不存在。学习和掌握光检测技术的基本知识，对提高光信息系统的性能是很有意义的。,2,光检测过程,光检测现象是大家都很熟悉的，如人们用眼睛观察周围的东西就是一种重要的光检测现象。在阳光下或者在灯光下，人们能够看见物体，如一张桌子，这是由于桌子的漫反射光反射到人的眼睛，这些漫反射光中携带有桌子的方位、大小、颜色等各种信息，通过光和人眼的相互作用，就提取出了这些信息。这些信息传给大脑，由大脑对这些信息进行处理，人们便看见了桌子，从而达到了观察桌子的目的。,3,人们看见了桌子这个极普通的现象包括了用人眼作为光探测器、大脑作为处理机构的完整的光检测过程，光源（太阳光或灯光）、物体、人眼、大脑构成了一个光信息系统。这个光信息系统包括了信号的调制、提取与处理。人眼是一种最常用的光探测器，光与人眼的相互作用称为生物化学作用。,4,照相也是一种光检测过程。在普通照相或者全息照相中，感光胶片或全息干版是光探测器。携带有被摄物体信息的光与胶片活干版相互作用，通过化学变化感光提取出光携带的被摄物体的信息。再经过显影，定影等处理就记录了被摄物体的信息。在阳光、灯光下或者在特殊的光学系统中就可以再现物体的像。实际上这就是一个信号处理过程。,5,光电探测器,光电探测器是指那些能把光辐射信号转变为电信号的器件，如光电二极管、光电倍增管等等。光电探测器对光的检测过程，是光辐射与探测器光敏材料相互作用的过程，光电探测器能够输出与入射光功率成正比的电信号，经电子系统处理就可以检测出光辐射携带的信息。,6,人眼、胶片、光电探测器是三中最常用的光探测器，又称光传感器，它们各有不同的特点。眼睛具有方便、灵活的优点，但只适用于可见光波段，而且不易实现定量测量，尤其不易于与其他处理系统连接。胶片、干版具有很好的储存功能，尤其具用较好的空间分辨率，但是胶片、干版记录的信号进行定量处理比较困难，与电子系统、计算器连接有较大难度。光电探测器的主要优点是可以进行精确的定量测量，它可以方便地与其他电子系统、计算机进行连接。另外，光电探测器具有快速响应的优点，这是处理随时间而变化的光信息所必需的。光电探测器的主要缺点是：与人眼相比，不够灵活方便；与胶片相比，空间分辨率不够高。随着光电探测器件的不断发展，其性能不断改善和提高，缺点不断得到改进，如一维光电探测器和二维光电探测器的出现，其空间分辨率可达几微米。,7,光电信息系统,在光信息系统中，光探测器为光电探测器的系统称为光电信息系统。光电信息系统的发射端用光去携带各种信息，传输各种信息，在接受端用光电探测器把光信号转换为电信号，然后由电子系统去处理获得的电信号，最后检测出所需要的信息来。光电信息系统又简称光电系统。光电系统的简单框图如图1所示。它可分为两大部分：发射系统和接收系统。联系二者之间的是传输系统。传输系统可以是简单的空气传输，也可以是光纤传输。,8,1 发射系统,发射系统的作用是将待测信息加载于光波，是光成为信息的载体。根据光源的不同，光电系统可以分为主动光电系统和被动光电系统二种。采用人工光源，如激光器、白轵灯或者其他光源作为待测信息的载体的光电系统称为主动光电系统。采用自然辐射源，如太阳、星体、飞机或汽车等的发动机、人体辐射等等作为信息载体的光电系统称为被动光电系统。红外技术、夜视技术等方面的应用多为被动光电系统，在科研工作、工程技术中的应用多为主动光电系统。而对光源自身特性的研究，如激光器各参量的测量，也属主动光电系统。此外，根据光源波长的不同，光电系统又分为可见光系统、红外光电系统以及紫外光电系统。,9,调制器,调制器，它是指一切能够把待测信息加载于光波的传感器，因此这里的调制器又可以称为光学变换器，或者称为光学传感器。它是把被测对象与载波光源联结起来的核心部件。凡是能够把待测信息转换为对光波的强度、振幅、相位、频率等参量中的某一种参量进行调制的装置都可以称为光电信息系统的调制器。,10,调制方法,在光电信息系统中光源采用的调制器有电光调制器、声光调制器、磁光调制器，通过这些调制器，待测信息可以比较方便地加载于光波。此外，信号对光的调制也可以采用内调制方式，它是使待测信息直接调制光源的强度、频率、相位等，例如在光通信系统中，信号可以直接调制光源半导体激光器或者发光管的电流，从而使光源的光强随信号而变化，达到信号发射的目的。,11,接收系统,接收系统主要由光电探测器、前置放大器和信号处理与显示及部分组成。这些部分是光检测技术研究的重点内容。光电探测过程是将光辐射所携带的信息通过光电探测器转换为电信号的过程，光电探测器是光电接收系统的核心部件，它的作用是提取信号、测量信号、并为后继的信号处理部分提供必需的信息。在光电信息系统中，光电探测器输出的电信号幅度一般都比较小，需将信号先进行前置放大再送入信号处理部分。,12,光电探测器的种类,按照它们的工作原理可以分为光子效应探测器和热效应探测器二大类。常用的光电二极管、光电倍增管等属于光子效应探测器，热电偶、热敏电阻、热释电探测器等属于热效应探测器。根据不同光电系统的要求，合理选择和正确使用光电探测器是十分重要的，它对整个光电系统的性能有重大影响。研究常用光电探测器的工作原理和使用方法是光检测技术的重要内容之一。,13,光检测技术,待测物理量调制载波光源的不同参量将构成不同的光电信息系统，同样，采用不同的检测方法，也将构成不同的光电信息系统，系统的性能也将有较大差异。光电检测的基本方法分为非相干检测和相干检测两种。,14,非相干检测是指系统直接响应光辐射的强度，不论接收的光是相干光还是非相干光，系统只检测出光辐射的强度所携带的信息，信息的大小与接收的光强度大小有关。这种检测方式又称为直接检测。在一般的光电信息系统中，多采用直接检测方式，这是因为她与相干检测方式相比具有简单、方便的优点，它的缺点是只能检测出光强度所携带的信息。直接检测方式可分为几种不同的具体的检测方式，如直读法、补偿法、单路法、双路法、光源调制法等等。,15,相干检测,相干检测是对相干光场的响应，光场的变化反映待测信息，这种检测方式能够检测出光波的振幅、相位、频率所携带的信息。对于相干光场干涉条纹的检测和光外差检测均属于相干检测方式。这种检测方式获得的电信号的大小不直接反映待测信息的大小，需要对电信号进行处理与变换获得待测量。相干检测法虽然比较复杂，但是随着各种光学器件和电子器件的发展，性能不断提高，相干检测技术的不断完善，相干检测方式的应用也越来越广泛。,16,光电检测技术的应用与前景,光波具有传播速度快、频率范围宽的特点，因而光携带信息具有获取信息快、传输信息快、信息容量大的优点。光波携带信息的方式多，它的强度、振幅、频率、相位、偏振态等参量均可以载荷信息，因而光信息系统的应用范围广。采用光电检测的方法，可以方便地把光信号便为电信号，这对信号的进一步处理提供了便利条件。因此，光电信息系统应用越来越普遍，光电检测技术发展十分迅速,17,从光谱范围上看，目前从0.32um紫外光到14um的红外光波段已有各种探测器可供选用。器件的响应速度不断提高，有的探测器已经可以直接检测调制频率为几千兆赫兹的光信号。在探测能力上，有的光电器件已可达到探测单光子能量的水平。另外，线阵器件和面阵器件不断投入市场，使光电探测器的空间分辨率大大提高，这样光电探测器也可直接进行一维和二维的光信息处理。,18,