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光电检测技术及系统《光电检测技术与应用》，郭培源主编，北京航空航天大学出版社，2011年1月第2版，普通高等教育“十二五”规划教材。1.1信息技术与光电检测技术物质、能量和信息是人类发展的三大基本要素。三大基本要素的关系是：物质是基础，世界是由物质组成的；能量是一切物质运动的动力，如果没有能量，物质就无法运动；信息是客观世界与主观认识相结合的产物，如果没有信息，客观世界与主观认识就无法进行有效沟通，就无从对客观世界认知。信息作用于物质和能量之间，使人类能够更好地认识物质与能量之间的关系。因此，这三者的紧密结合构成了丰富多彩的大千世界。信息技术是一种综合技术，它包括四个基本内容，即感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术和控制技术。感测技术包括传感技术和测量技术以及遥感、遥测技术；它使人类能更好地从外部世界获取各种有用的信息。通信技术：它的作用是传递、交换和分配信息，可以消除或克服空间上的限制，使人们能更有效地利用信息资源。人工智能与计算机技术：它使人们能更好地加工和再生信息。控制技术：它的作用是根据输入的指令，对外部事务的运动状态实施干预。因此一切与信息的收集、加工、存储、传输有关的各种技术可称为信息技术。光电信息技术和微电子技术一样，是一种渗透性极强的综合技术，是以光集成技术为核心的有关光学元、器件制造的应用技术。与微电子技术类似，它利用外延、扩散、注入、蒸发工艺，将各种有源和无源光学器件（激光器、光耦合器、光分路器、光调制器、光检测器等）集成在一起，构成能完成光学信息获取、处理和储存等功能的系统。光电信息技术涉及光器件技术（激光技术、光调制器技术等）、光信息检测、光处理技术（光数据交换、光联网、光图像处理等）、光信息传输技术（远程传输、光空间通信等）、光存储（光盘）技术与显示技术（液晶显示、等离子显示）等。光电信息技术是将电子学与光学浑然一体的技术，是光与电子转换及其应用的技术。从广义上讲，光电信息技术就是在光频段的微电子技术，它将光学技术与电子技术相结合实现信息的获取、加工、传输、控制、处理、存储与显示。它将光的快速（世界上运动速度最快的物质是光）与电子信息处理的方便、快速相结合，因而具有许多无可比拟的优点。光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，是利用光电传感器实现各类检测，即将被测量转换成光通量，再将光通量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息处理技术，最后完成对各类物理量进行在线和自动检测。１.２光电检测与光电传感器概念•1.2.1检测与测量的概念•检测是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或参数量是否存在。测量是将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。•在自动化和检测技术领域，检测的任务不仅是对成品或半成品的检验和测量，而且为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象使之处于人们选定的最佳状况，需要随时检测和测量各种参量的大小和变化等情况。这种对生产过程和运动对象实时检测和测量的技术又称为工程检测技术。•测量有两种方式，即直接测量和间接测量。•直接测量是对被测量进行测量时，对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。如用温度计测量温度，用万用表测量电压。•间接测量是测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系式计算出被测量的数值。如功率Ｐ与电压Ｖ和电流Ｉ有关，即Ｐ＝Ｉ·Ｖ，通过测量到的电压和电流，计算出功率。•直接测量简单、方便，在实际中使用较多；但在无法采用直接测量方式、直接测量不方便或直接测量误差大等情况下，可采用间接测量方式。1.2.2光电传感器与敏感器的概念•传感器的作用是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出，它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口。在检测和控制过程中，传感器是必不可少的转换器件。从能量的角度出发，可将传感器划分为两种类型：一类是能量控制型传感器，也称有源传感器；另一类是能量转换型传感器，也称无源传感器。能量控制型传感器是指传感器将被测量的变化转换成电参数（如电阻、电容）的变化，传感器需外加激励电源，才可将被测量参数的变化转换成电压、电流的变化。而能量转换型传感器可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，不需外加激励电源。•在很多情况下，所要测量的非电量并不是传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能够把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量的装置或器件。这种能够将被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感器。例如用电阻应变片测量电压时，就要将应变片粘贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变力，应变片再将应变力转换为电阻的变化。这里应变片便是传感器，而弹性元件便是敏感器。敏感器和传感器虽然都可对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是把被测非电量转换为电量。•光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。•光电传感器主要有光电二极管、光电晶体管、光敏电阻ＣｄＳ、光电耦合器、集成光电传感器、光电池和图像传感器等。实际应用时，要选用适宜的传感器才能达到预期的效果。大致的选用原则是：高速的光检测电路、宽范围照度的照度计、超高速的激光传感器宜选用光电二极管；几千赫兹的简单脉冲光电传感器、简单电路中的低速脉冲光电开关宜选用光电晶体管；响应速度虽慢，但性能良好的电阻桥式传感器以及具有电阻性质的光电传感器、路灯自动亮灭电路中的光电传感器、随光的强弱成比例改变的可变电阻等宜选用ＣｄＳ和ＰｂＳ光敏元件；旋转编码器、速度传感器、超高速的激光传感器宜选用集成光电传感器。1.3光电检测系统的组成及特点•一般电子检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成的。•传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。•由传感器检测到的信号一般为电信号。它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析，即通过信号调理电路将其转换为标准电信号，输出给输出环节。•根据检测系统输出的目的和形式不同，输出环节主要有显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。•传感器的信号调理电路是由传感器的类型和对输出信号的要求决定的。不同的传感器具有不同的输出信号。能量控制型传感器输出的是电参数的变化，需采用电桥电路将其转换成电压的变化，而电桥电路输出的电压信号幅值较小，共模电压又很大，需采用仪表放大器进行放大；在能量转换型传感器输出的电压、电流信号中一般都含有较大的噪声信号，需加滤波电路提取有用信号，而滤除无用的噪声信号。而且，一般能量型传感器输出的电压信号幅度都很低，也需采用仪表放大器进行放大。•与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个数量级。这种频率量级上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变，在功能上也发生了质的飞跃。主要表现在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率大为提高，因此，在通信、雷达、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。应用于这些场合的光电系统的具体构成形式尽管各不相同，但有一个共同的特征，即都具有光发射机、光学信道和光接收机这一基本环节。•光电系统通常分为主动式和被动式两类。在主动式光电系统中，光发射机主要由光源（例如激光器）和调制器构成；在被动式光电系统中，光发射机为被检测物体的热辐射发射。光学信道和光接收机对两者是完全相同的。所谓光学信道，主要指大气、空间、水下和光纤。光接收机是用于收集入射的光信号并加以处理、恢复光载波的信息，包括三个基本模块。•第一部分是光接收机前端（通常包括一些透镜或聚光部件），第二部分是光电检测器，第三部分是后续检测信号处理器。透镜系统把接收到的光信号进行滤波和聚焦，使其入射到光检测器上。光电检测器把光信号变换为电信号。后续检测信号处理器完成必要的信号放大、信号调理及滤波处理，以便从检测器的输出中恢复所需要的信息。•光接收机可以分为两种基本类型，即功率检测接收机和外差接收机。功率检测接收机也称作直接检测接收机或非相干接收机，它的前端系统如图１-３（ａ）所示。透镜系统和光电检测器用于检测所收集到的到达光接收机的光场瞬间的光功率。这种光接收机的工作方式是最简单的一种，只要传输的信息能在接收光场的功率变化之中，就可以采用这种接收机。外差接收机的前端系统如图１-３（ｂ）所示。本地产生的光波场与接收到的光波场经前端镜面加以合成，然后由光检测器检测这一合成的光波。外差式接收机可接收以幅度调制、频率调制、相位调制方式传输的信息。外差接收机实现起来比较困难，它对两个待合成的光场在空间相干性方面有严格的要求。因此，外差式接收机通常也称为空间相干接收机。无论是哪一种接收机，前端透镜系统都能把接收光场或合成后的光场聚焦到光检测器的表面，这就使得光检测器的面积可以比接收透镜的面积小很多。在该系统中，光是信息传递的媒介，它由光源产生。光源与照明光学系统一起获得测量所需的光载波，如激光、平行光照明等。光载波与被测对象相互作用而将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。光学变换可用各种调制方法来实现。光学变换后的光载波上载荷有各种被测信息，称为光信息。光信息经光电器件实现由光向电的信息转换，称为光电转换。然后被测信息就可用各种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步运算，直接显示或存储被测量，或者去控制相应的装置。•在图１-４中，光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。光学变换通常是通过各种光学元件和光学系统来实现的，如采用平面镜、光狭缝、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器、光成像系统、光干涉系统等，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。光电转换是用各种光电变换器件来完成的，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。•光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现各种量的检测，具有如下特点：•①高精度。光电检测的精度是各种检测技术中精度最高的一种。如用激光干涉法检测长度的精度可达0.05μｍ／ｍ；光栅莫尔条纹法测角可达0.004″；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达１ｍ。•②高速度。光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学的方法获取和传递信息是最快的。•③远距离、大量程。光是最便于远距离传播的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。•④非接触检测。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种检测方法中效率最高的一种。•⑤寿命长。在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，就可以永久地使用。•⑥具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化等。•光电检测技术是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是光、机、电、计算机相结合的新技术，是最具有应用潜力的信息技术之一。•由于光电检测技术的特点，本门课程的学习要求如下：•①了解并掌握典型的光电器件的原理和特点，会正确选用光电器件。•②学会根据光电器件的特点选择和设计光电检测电路和有关参数。•③能根据被测对象的要求，设计光电检测系统。１.４光电检测方法及应用发展趋势•光电传感器由光源、光学系统和光电信息转换器件三部分组成。根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，光电传感器可以分为以下三种。•①直射型：光电转换器对着光源放置，并使它们的光轴重合，即对于光源为发射光通量最大方向，对于光电转换器件为灵敏度最高的方向。•实用时，因避免杂散光对测量的影响，一般可通过使用暗箱、提高光源强度、光通量调制和适当放置光源和光电接收器位置等办法。如在传送带上对物体计数测量，测量大物体时，应使杂散光方向与光源方向一致；如测量小物体时，应使杂散光方向与光源方向相反。•②反射型：可分为单向反射和漫反射两种。前者被测物体表面光滑或贴上发射镜，光电接收器接收被测物的单向反射光；后者被测物表面粗糙