光電檢測緒論

光檢測技術的應用幾乎全部涉及到光學現(xiàn)象的應用和爭論的地方都需要光檢測技術。隨著科學技術的進展，光輻射作為信息載體的優(yōu)越性越來越明顯，光信息系統(tǒng)的應用越來越廣泛，從對天體的觀測，到對細胞的爭論，從對衛(wèi)星、航天器的跟蹤，到一般的工程技術，光信息系統(tǒng)無不存在。學習和把握光檢測技術的根本學問，對提高光信息系統(tǒng)的性能是很有意義的。光檢測過程光檢測現(xiàn)象是大家都很生疏的，如人們用眼睛觀看四周的東西就是一種重要的光檢測現(xiàn)象。在陽光下或者在燈光下，人們能夠觀察物體，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，由大腦對這些信息進展處理，人們便觀察了桌子，從而到達了觀看桌子的目的。人們觀察了桌子這個極一般的現(xiàn)象包括了用人眼作為光探測器、大腦作為處理機構的完整的光檢測過程，光源〔太陽光或燈光〕、物體、人眼、大腦構成了一個光信息系統(tǒng)。這個光信息系統(tǒng)包括了信號的調制、提取與處理。人眼是一種最常用的光探測器，光與人眼的相互作用稱為生物化學作用。照相也是一種光檢測過程。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器。攜帶有被攝物體信息的光與膠片活干版相互作用，通過化學變化——感光——提取出光攜帶的被攝物體的信息。再經過顯影，定影等處理就記錄了被攝物體的信息。在陽光、燈光下或者在特殊的光學系統(tǒng)中就可以再現(xiàn)物體的像。實際上這就是一個信號處理過程。光電探測器光電探測器是指那些能把光輻射信號轉變?yōu)殡娦盘柕钠骷绻怆姸O管、光電倍增管等等。光電探測器對光的檢測過程，是光輻射與探測器光敏材料相互作用的過程，光電探測器能夠輸出與入射光功率成正比的電信號，經電子系統(tǒng)處理就可以檢測出光輻射攜帶的信息。人眼、膠片、光電探測器是三中最常用的光探測器，又稱光傳感器，它們各有不同的特點。眼睛具有便利、敏捷的優(yōu)點，但只適用于可見光波段，而且不易實現(xiàn)定量測量，尤其不易于與其他處理系統(tǒng)連接。膠片、干版具有很好的儲存功能，尤其具用較好的空間區(qū)分率，但是膠片、干版記錄的信號進展定量處理比較困難，與電子系統(tǒng)、計算器連接有較大難度。光電探測器的主要優(yōu)點是可以進展準確的定量測量，它可以便利地與其他電子系統(tǒng)、計算機進展連接。另外，光電探測器具有快速響應的優(yōu)點，這是處理隨時間而變化的光信息所必需的。光電探測器的主要缺點是：與人眼相比，不夠敏捷便利；與膠片相比，空間區(qū)分率不夠高。隨著光電探測器件的不斷進展，其性能不斷改善和提高，缺點不斷得到改進，如一維光電探測器和二維光電探測器的消失，其空間區(qū)分率可達幾微米。光電信息系統(tǒng)在光信息系統(tǒng)中，光探測器為光電探測器的系統(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，在承受端用光電探測器把光信號轉換為電信號，然后由電子系統(tǒng)去處理獲得的電信號，最終檢測出所需要的信息來。光電信息系統(tǒng)又簡稱光電系統(tǒng)。光電系統(tǒng)的簡潔框圖如圖1所示。它可分為兩大局部：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)可以分為主動光電系統(tǒng)和被動光電系統(tǒng)二種。承受人工光源，如激光器、白軹燈或者其他光源作為待測信息的載體的光電系統(tǒng)稱為主動光電系統(tǒng)。承受自然輻射源，如太陽、星體、飛機或汽車等的發(fā)動機、人體輻射等等作為信息載體的光電系統(tǒng)稱為被動光電系統(tǒng)。紅外技術、夜視技術等方面的應用多為被動光電系統(tǒng)，在科研工作、工程技術中的應用多為主動光電系統(tǒng)。而對光源自身特性的爭論，如激光器各參量的測量，也屬主動光電系統(tǒng)。此外，依據(jù)光源波長的不同，光電系統(tǒng)又分為可見光系統(tǒng)、紅外光電系統(tǒng)以及紫外光電系統(tǒng)。調制器調制器，它是指一切能夠把待測信息加載于光波的傳感器，因此這里的調制器又可以稱為光學變換器，或者稱為光學傳感器。它是把被測對象與載波光源聯(lián)結起來的核心部件。但凡能夠把待測信息轉換為對光波的強度、振幅、相位、頻率等參量中的某一種參量進展調制的裝置都可以稱為光電信息系統(tǒng)的調制器。調制方法在光電信息系統(tǒng)中光源承受的調制器有電光調制器、聲光調制器、磁光調制器，通過這些調制器，待測信息可以比較便利地加載于光波。此外，信號對光的調制也可以承受內調制方式，它是使待測信息直接調制光源的強度、頻率、相位等，例如在光通信系統(tǒng)中，信號可以直接調制光源——半導體激光器或者發(fā)光管——的電流，從而使光源的光強隨信號而變化，到達信號放射的目的。接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)主要由光電探測器、前置放大器和信號處理與顯示及局部組成。這些局部是光檢測技術爭論的重點內容。光電探測過程是將光輻射所攜帶的信息通過光電探測器轉換為電信號的過程，光電探測器是光電接收系統(tǒng)的核心部件，它的作用是提取信號、測量信號、并為后繼的信號處理局部供給必需的信息。在光電信息系統(tǒng)中，光電探測器輸出的電信號幅度一般都比較小，需將信號先進展前置放大再送入信號處理局部。光電探測器的種類依據(jù)它們的工作原理可以分為光子效應探測器和熱效應探測器二大類。常用的光電二極管、光電倍增管等屬于光子效應探測器，熱電偶、熱敏電阻、熱釋電探測器等屬于熱效應探測器。依據(jù)不同光電系統(tǒng)的要求，合理選擇和正確使用光電探測器是特別重要的，它對整個光電系統(tǒng)的性能有重大影響。爭論常用光電探測器的工作原理和使用方法是光檢測技術的重要內容之一。光檢測技術待測物理量調制載波光源的不同參量將構成不同的光電信息系統(tǒng)，同樣，承受不同的檢測方法，也將構成不同的光電信息系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能也將有較大差異。光電檢測的根本方法分為非相干檢測和相干檢測兩種。非相干檢測是指系統(tǒng)直接響應光輻射的強度，不管接收的光是相干光還是非相干光，系統(tǒng)只檢測出光輻射的強度所攜帶的信息，信息的大小與接收的光強度大小有關。這種檢測方式又稱為直接檢測。在一般的光電信息系統(tǒng)中，多承受直接檢測方式，這是由于她與相干檢測方式相比具有簡潔、便利的優(yōu)點，它的缺點是只能檢測出光強度所攜帶的信息。直接檢測方式可分為幾種不同的具體的檢測方式，如直讀法、補償法、單路法、雙路法、光源調制法等等。相干檢測相干檢測是對相干光場的響應，光場的變化反映待測信息，這種檢測方式能夠檢測出光波的振幅、相位、頻率所攜帶的信息。對于相干光場干預條紋的檢測和光外差檢測均屬于相干檢測方式。這種檢測方式獲得的電信號的大小不直接反映待測信息的大小，需要對電信號進展處理與變換獲得待測量。相干檢測法雖然比較簡單，但是隨著各種光學器件和電子器件的進展，性能不斷提高，相干檢測技術的不斷完善，相干檢測方式的應用也越來越廣泛。光電檢測技術的應用與前景光波具有傳播速度快、頻率范圍寬的特點，因而光攜帶信息具有獵取信息快、傳輸信息快、信息容量大的優(yōu)點。光波攜帶信息的方式多，它的強度、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)的應用范圍廣。承受光電檢測的方法，可以便利地把光信號便為電信號，這對信號的進一步處理供給了便利條件。因此，光電信息系統(tǒng)應用越來越普遍，光電檢測技術進展特別快速從光譜范圍上看，目前從0.32um