光电技术与光电检测技术概述

光电技术与光电检测技术概述摘要：光电技术是以激光，红外，微电子等为基础的，由光学、精密机械、电子和计算机技术结合而成的高新技术。光电检测技术是光电技术中最主要最核心的部分，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图象像测量等。它集中发展了光学和电子固有的技术优势，形成了许多崭新功能和良好的技术性能，在国民经济、国防、科学研究等各方面有着广泛的应用和巨大的潜力，成为新技术革命时代和信息社会的重要技术支柱，受到了各方面重视，从而得到了快速发展。关键词：光电技术光电检测技术引言在当前信息化社会中，光电技术已成为获取光学信息或提取他信息的手段。它是人类能更有效地扩展自身能力，使视觉的长波延长到亚毫米波，短波延伸至X射线、γ射线，乃至高能粒子。并且可以在飞秒级记录超快速现象，如核反应、航空器发射等的变化过程。而且光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，是光电技术的核心和重要组成部分。通过光电检测器件对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，并转换为电信号，经检测电路、A/D变换接口输入微型计算机进行运算、处理，最后得出所需检测物的几何量或物理量等参数。因此，光电检测技术是现代检测技术的重要手段和方法，是计量技术的一个重要发展方向。一、光电技术与光电检测技术的含义现代科学技术发展的一个显著性特点是纵横交叉，彼此渗透，边缘科学不断露头和进展迅速。由于光学现象可以进行近似线性化使它可以采用有关线性系统的一般原理，因此在电系统中的许多行之有效的理论和分析方法都可以移植到光学中来。随着大规模集成电路的发展，光学也开始向集成化发展。光电技术是以激光，红外，微电子等为基础的，由光学、精密机械、电子和计算机技术结合而成的高新技术。它集中发展了光学和电子固有的技术优势，形成了许多崭新功能和良好的技术性能，在国民经济、国防、科学研究等各方面有着广泛的应用和巨大的潜力，成为新技术革命时代和信息社会的重要技术支柱，受到了各方面重视，从而得到了快速发展。光电检测技术是光电技术中最主要最核心的部分，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图象像测量等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，是21世纪的尖端科学，它将对整个科学技术的发展起着巨大的推动作用。同时它本身涵盖了众多的科学技术，它的发展带动了众多科学技术的发展，并在交流与发展的过程中，形成了巨大的光电产业。二、光电技术与光电检测技术的发展光电技术与光电检测技术的发展主要是在1960年成功研制红宝石激光器以后，接着又发明了He-Ne激光的气体激光器和GaAs半导体激光器等。激光器的发明为光电技术与光电检测技术的发展给与了革命性的推动，因为它不断给光电检测器提供主动照明的可能，而且有了传送、接收和加工光电信息的新方法，从而大大改善了光电检测系统的抗干扰能力和测量精度，使其应用范围不断扩大。到了20世纪70年代，作为光传输的光纤已经迅速的实现了低损耗的工作与半导体激光器的室温连续震荡器相结合，从而形成了不再受原来电气信中的各种限制而形成一种新的通信技术体系。而CMOS图像传感器的出现为高清晰度广播电视、摄像机或其他图像输入装置及其小型化的实现，展现出了光明的前景。三、光电检测系统的组成由于被测对象复杂多样，故检测系统的结构也不尽相同。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。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。有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的电信号，输出给输出环节。根据检测系统输出的目的和形式的不同，输出环节主要显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。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度较小，共模电压又很大，需要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的信号，而滤波出无用的噪声信号。而且，一般能量型传感器输出的电压信号幅度都很低，也许才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，在信道、雷达、通信、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。应用到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，即都具有发射机、光学信道和光接收机这一环节。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，主要是指大气、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。光电变换通常是通过各种光学元件和光学系统来实现的，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。四、光电检测系统的特点1、可以得到直接反应物质基本物理属性的信息利用光电检测仪器检测到光和物质的相互作用反映出的吸收系数α、反射率γ和发光能力等光谱结构以及光强、光谱分布和偏振等，可以得到物质本质的信息。2、使光检测系统动作的输入能量很小，测量灵敏度高光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。且光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。3、可对广阔的和细微的空间形体进行非接触远距离测量光是最便于远距离测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等，而且也能对像遥远星体那样巨大的景物和微小的结构进行观察。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，是各种测量方法中效率最高的一种。4、可代替人眼和脑的部分功能，使光电检测系统智能化高速响应和高灵敏度的测量能力是光电传感器的特征。它可以代替人体的视觉器官进行观察。如果在计算机的参与下，光电检测系统还可以代替人脑的部分功能，而且具有部分人类的辨识、识别、学习、遇见的能力。显然，智能化的光电检测仪器将会为解放人类的视觉做出贡献。5、有高的可靠性和方法的灵活性在混有复杂光、杂声等干扰下，利用信息载体的辐射光和光检测接收器之间的波长对应关系，以及采用滤光片等波长选择方法，几何光学、物理光学、相干光学等各种光学变换技巧和方法对信号进行检测与处理。可以提高光检测的信噪比，从而提高了测量的可靠性。6、可以进行高质量的复杂信息处理和运算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，易于实现只能化。光电测试技术是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术之一。五、光电技术与光电检测技术的应用光电与光电检测系统的巨大推动力是应用。它的应用是目前最广泛、最复杂、最精密、最快速、最先进的，而且是能够相互渗透、相互支持的。其应用已渗入到国民经济、国防的各个部门，遍及军事、工业、农业、文教、卫生、科学研究和家庭生活等各方面，已成为提高效率、增长效率的重要和必要手段。1、在军事上的应用（1）光伪装技术（2）光电精确制导技术（3）光电对抗（4）激光武器（5）激光辐射防护（6）航空光电侦查2、在航天方面应用（1）空间目标的光电探测（2）光电导航3、生物医药的应用（1）光电微损法血糖监测（2）生物光电分析芯片（3）微光机电系统应用于医学4、环境保护方面（1）光电催化技术在污水处理中的应用（2）光电技术在大气氮氧化合物检测中的应用5、在工业方面的应用（1）机械加工方面的应用（2）光电准直仪的应用（3）光电子封装6、其他方面的应用（1）光纤传感技术的新应用（2）红外光电技术的应用（3）利用激光捕获指纹（4）太阳能电池的应用实际上，光电与光电检测技术典型的应用是：宽频带大容量信息传输；高速处理平面测量和空间图像信息；三维计量；非接触加工和超精密加工。六、光电技术与光电检测技术的发展趋势目前，世界光电领域呈现出以下发展趋势。1、光通信向超大容量、高速率和全光网络发展。超大容量DWDM的全光网络将成为主要的发展趋势。2、光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展。3、光器件的发展趋势是小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化。此外，光子计算与光信息处理产业、全光电子通信产业、光子集成器件产业、聚合物光纤光缆产业、聚合物光电子器件产业和光子传感器产业等将成为未来光电子产业发展的重要组成部分。